三菱FX3G 控制器PID 手动自动无扰切换算法

2020-03-06许维强袁振廷余志平程志强

设备管理与维修 2020年3期

许维强，袁振廷，余志平，程志强

（1.广州优法电子科技有限公司，广东广州 511356；2.东莞理工学院城市学院，广东东莞 100000；3.潍坊学院，山东潍坊 100000）

0 引言

随着社会经济发展和科技进步，大量机器设备采用可编程控制器作为控制核心，自动化程度越来越高，进一步推进了对产品品质和工艺过程的要求。在生产过程中，常见手动模式和自动模式之间的切换，不论哪种方式切换都必须保证生产系统无扰动，既输出量不应因切换动作产生较大的波动。这种无扰切换对安全生产，提高生产效率和提高产品品质至关重要。

1 实现原理

一般来说，自动控制对应PID 自动调整，其输出值取决于PID 的计算结果，输出值用A 表示，手动控制对应寄存器直接给定，给定值用B 表示。当从自动控制切换到手动控制时，应将A赋值给B;当从手动控制切换到自动控制时，应将B 赋值给A。因此，在切换的时刻，可以保证A=B 成立,从而实现控制器输出不发生剧烈波动。

在工业过程控制中，自动控制非PID 算法莫属。PID 算法通过误差信号控制被控量，是比例、积分、微分三个环节的和。PID及衍生算法是应用最广泛的控制算法，是经典中的经典。三菱公司FX3G 系列PLC 支持PID 指令，根据三菱编程手册可知，其指令格式为：

PID S1,S2,S3，D

其中，S1 为设定值SV；S2 为反馈值PV；S3 为采样时间，设定范围0～32 767 ms；S4 为控制字（可以控制动作方向，变化量报警检测、上下限、自动调谐）；S5 为输入滤波常数，设定范围0～100%；S6 为比例增益K，设定范围0～32 767%；S7 为积分时间T，单位100 ms，设定范围0～32 767；S8 为微分增益Kd,设定范围0～99%；S9 为微分时间，单位10 ms，设定范围0～32 767；S10～S23 PID 内部计算占用；S24 输入变化量（增侧）报警设定值；S25 输入变化量（减侧）报警设定值；S26 输出变化量（增侧）报警设定值，或输出上限设定；S27 输出变化量（减侧）报警设定值，或输出下限设定；S28 报警输出功能选择。特别说明，PID 的计算结果存放在D 寄存器中，该寄存器一般选择非停电保持寄存器。对于指定掉电保持寄存器的情况，在PLC 初始化时用RST 指令清除该寄存器的内容。

对于正动作PID，三菱给出的计算公式为[1]：

式中，EVn是本次采样偏差，EVn-1是前一采样偏差，SV 是目标值，PVnf是本次采样值（滤波后），PVnf-1是前一周期采样值（滤波后），PVnf-2是前两周期采样值（滤波后），MV 是输出变化量，MVn是本次操作量，Dn是本次微分项，Dn-1是前次微分项，Kp是比例增益，Ts是采用周期，Ti是积分时间，Td是微分时间，d 是微分微分增益。由公式可知，此PID 算法按增量方式计算，以累加结果作为输出量[2]。即通过修改PID 的输出结果MVn，可以影响下一周期的输出MVn+1。这个特性为手动到自动的切换创造了条件。

图1 手动和自动切换原理图

对照图1，当切换开关从手动状态切换到自动状态的上升沿，将手动D 寄存器的数值赋值到PID 的输出寄存器MVn，然后PID 开始工作，PID 的输出以手动D 寄存器的数值为起始点开始变化，实现从手动到自动的无扰切换；当切换开关从自动切换到手动状态的下升沿，将PID 的输出寄存器MVn的值赋值到手动D 寄存器，然后停止PID 计算，此时手动D 寄存器的值为PID 最后的计算结果，实现从自动到手动的无扰切换。切换后，操作员根据自己的需要修改手动D 寄存器的值。

2 工程实例

吹膜机是塑料行业的一种常见设备。其特点是连续生产，对薄膜厚度和宽度有严格要求，是一个典型的过程控制。开机时，一般先手动调整到一个合适的状态，然后切换到自动，这种切换就要求平稳过渡，一旦出现波动，就会造成废品。在停机时，一般会从自动切换到手动状态，同样也不能出现波动。无扰切换部分程序代码及说明注释如下：