王泓瀟

摘要：目前，工科高校控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多只進(jìn)行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容，更側(cè)重PID參數(shù)整定過程，忽略了控制系統(tǒng)仿真在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要地位，難以全面培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力。按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)性能分析四個(gè)部分設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠培養(yǎng)學(xué)生“先仿真再實(shí)踐”的嚴(yán)謹(jǐn)科研素養(yǎng)。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明被控對(duì)象模型建立較為準(zhǔn)確，且在階躍、三角波等給定信號(hào)作用下具有良好的跟隨性能。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；Matlab仿真；PLC；6RA70；高速計(jì)數(shù)器；綜合性實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）43-0248-04

一、引言

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容，涉及自動(dòng)控制原理、過程控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等多門專業(yè)課程，也是自動(dòng)化專業(yè)本科階段課程的綜合體現(xiàn)。因而理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的綜合能力要求較高，但是由于學(xué)生知識(shí)體系不足，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和方法沒有完整全面的認(rèn)識(shí)，難以把課本中的定理和分析方法應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中。目前，由于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間或硬件等條件限制，大多數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，更側(cè)重于PID參數(shù)整定的過程，缺少控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)內(nèi)容，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。西門子公司的s7-300PLC和6RA70直流調(diào)速設(shè)備目前市場(chǎng)占有率較高，應(yīng)用范圍廣。為更貼近學(xué)生就業(yè)需求，提高實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，針對(duì)以上問題，提出基于西門子S7-300與6RA70的隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)性能分析的思路，完成隨動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過綜合性實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生養(yǎng)成“先仿真再實(shí)踐”的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)研究素養(yǎng)，同時(shí)積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)完整控制系統(tǒng)方案的能力，為后續(xù)畢業(yè)工作和研究生學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)采用全數(shù)字系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括PLC（含高速計(jì)數(shù)器模塊）、6RA70（實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制及電機(jī)過流保護(hù)）、直流電動(dòng)機(jī)及旋轉(zhuǎn)編碼器（增量式）。其工作原理：給定速度信號(hào)與經(jīng)過高速計(jì)數(shù)器模塊反饋回的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，經(jīng)過PLC中PI調(diào)節(jié)器得到控制量，其作為6RA70電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)，電流調(diào)節(jié)器輸出量驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。其中可將6RA70與直流電機(jī)看作一個(gè)整體，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象。

三、控制系統(tǒng)仿真

（一）6RA70開環(huán)設(shè)置

西門子全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)6RA70可以實(shí)現(xiàn)單象限或四象限運(yùn)行，以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制或僅電流閉環(huán)控制。本實(shí)驗(yàn)采用6RA70電流閉環(huán)控制模式對(duì)電機(jī)電樞電流進(jìn)行控制，將電流環(huán)與電機(jī)作為整體看作轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象，測(cè)試被控對(duì)象的啟動(dòng)曲線，以便建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型。采用Drivemonitor軟件進(jìn)行6RA70調(diào)速裝置啟動(dòng)及參數(shù)優(yōu)化，6RA70裝置啟動(dòng)默認(rèn)為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，為使6RA70僅實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，需將轉(zhuǎn)速環(huán)除去，具體參數(shù)設(shè)置如下：（1）旁路6RA70內(nèi)部斜坡發(fā)生器，令P634=K0193。（2）旁路速度調(diào)節(jié)器ASR，令P607=K0170。（3）保留各處原有限幅電路。

（二）被控對(duì)象模型辨識(shí)

得到被控對(duì)象階躍響應(yīng)曲線后，可從Drivemonitor軟件中導(dǎo)出給定電壓與輸出轉(zhuǎn)速的400組采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行模型辨識(shí)[1-2]，具體過程如下：（1）篩選數(shù)據(jù)：選擇轉(zhuǎn)速上升段（即轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕椒€(wěn)定的過渡過程）數(shù)據(jù)用于被控對(duì)象模型的辨識(shí)。（2）格式轉(zhuǎn)換：將.txt文件轉(zhuǎn)換為.xlsx文件方便導(dǎo)入MATLAB工作空間，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成辨識(shí)工具使用的組合數(shù)據(jù)形式。（3）模型辨識(shí)：在MATLAB命令行窗口中輸入ident，打開SIT工具箱，導(dǎo)入采樣數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間設(shè)為10s/400=0.025s。在Estimate中選擇Process Models，設(shè)置傳遞函數(shù)模型中零極點(diǎn)個(gè)數(shù)，本實(shí)驗(yàn)由電流環(huán)（PI調(diào)節(jié)器）和電機(jī)（二階模型）作為整體構(gòu)成被控對(duì)象，傳遞函數(shù)模型極點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)不超過3個(gè)，零點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)不超過2個(gè)，在適應(yīng)率高模型中選擇二階無零點(diǎn)的模型作為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)模型，適應(yīng)率為96.2%。

（三）控制系統(tǒng)仿真

根據(jù)被控對(duì)象傳遞函數(shù)，利用Matlab對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為使系統(tǒng)對(duì)階躍和斜坡輸入均是無靜差的，且具備較好的抗擾性能，轉(zhuǎn)速環(huán)按三階典型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。在單位階躍給定信號(hào)下，經(jīng)試湊法得到控制器比例系數(shù)P=9.9，積分系數(shù)I=20，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.06s，系統(tǒng)超調(diào)量為4%。在三角波給定信號(hào)下，控制器參數(shù)P=18，I=30，系統(tǒng)偏差最大值為1%，仿真曲線如圖2所示。

四、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（一）控制系統(tǒng)硬件搭建

本實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為歐姆龍E6C2-CWZ5B的24V增量型旋轉(zhuǎn)式編碼器，2000P/R，PNP開路集電極輸出。其與PLC高速計(jì)數(shù)器模塊FM350-1接線如表2所示。

由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的控制量從PLC傳輸?shù)?RA70，所以PLC模擬量輸出模塊（采用-10V至+10V電壓兩線制）與6RA70接線如表3所示。

（二）PLC組態(tài)及程序設(shè)計(jì)

1.高速計(jì)數(shù)器模塊設(shè)置。硬件連接完成后，在STEP7軟件中進(jìn)行組態(tài)，并按照編碼器型號(hào)對(duì)高速計(jì)數(shù)器模塊進(jìn)行配置。選擇FM350，雙擊進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，在“Encoders”中具體設(shè)置如下：設(shè)置“SingalType”為“24Vincremental”表示24V增量型；“Signalevaluation”為脈沖計(jì)數(shù)率，此處選擇“single”方式，只對(duì)B相為低電平時(shí)A相的上升或者下降沿計(jì)數(shù)。根據(jù)編碼器為PNP開路集電極輸出，在“sensorinputs”中選擇“sinkoutput/push-pull”，表示按照漏型方式接收信號(hào)。“OperatingModes”用來選擇模塊的工作方式，選擇“RPM measure”表示轉(zhuǎn)速測(cè)量，選擇軟件門控制“SW Gate”，同時(shí)將Update設(shè)置為10×10ms，每100ms計(jì)算一次轉(zhuǎn)速。將每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)“Pulseperencoderrevolution”設(shè)置為2000。需要注意的是以上參數(shù)設(shè)置必須依據(jù)編碼器型號(hào)不同進(jìn)行調(diào)整。另外，完成組態(tài)后還需對(duì)高速計(jì)數(shù)器模塊進(jìn)行軟件設(shè)置，才可從該模塊中讀取到測(cè)速信息。

2.多種給定信號(hào)程序設(shè)計(jì)。OB35是定時(shí)中斷組織塊，將給定信號(hào)生成程序編寫在OB35中可以實(shí)現(xiàn)相同時(shí)間間隔的數(shù)值累加，進(jìn)而生成微觀上離散、宏觀上連續(xù)的給定波形。OB35默認(rèn)的調(diào)用時(shí)間間隔為100ms，可以根據(jù)需要進(jìn)行更改，定時(shí)范圍是1-60000ms。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置中斷時(shí)間t0為10MS。利用OB35循環(huán)中斷的特點(diǎn)，能夠生成周期固定不變的波形，且程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，程序參數(shù)修改和維護(hù)較為方便。如果寫在OB1中，則必須引入定時(shí)器模塊，程序編寫復(fù)雜。

編寫周期為T，幅值為Ymax的三角波程序的步驟如下：

Step 1橫坐標(biāo)X=X+1，設(shè)置自加最大值Nmax；

Step 2如果橫坐標(biāo)X

其中，周期T=Nmax*循環(huán)中斷時(shí)間t0，幅值Ymax=Nmax/2*M，Nmax>0，0

編寫周期為T，幅值為1的正弦波程序的步驟如下：

Step 1設(shè)置采樣時(shí)間t，橫坐標(biāo)弧度值X=X+t，設(shè)置自加最大值Nmax；

Step 2縱坐標(biāo)Y=SIN（X）*100；如果X>2π，則Y=0，X=0。

其中，采樣時(shí)間t=2π/Nmax，周期T=2π*循環(huán)中斷時(shí)間t0。

3.轉(zhuǎn)速環(huán)PID模塊編程。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PID功能塊（FB41）實(shí)現(xiàn)。可將FB41塊寫在OB35中斷組織塊中，并生成背景數(shù)據(jù)塊DB41裝載FB41的輸入輸出參數(shù)，其中用到的參數(shù)有：給定輸入SP_INT，反饋值輸入PV_IN；控制器輸出LMN，PID上極限LMN_HLM，PID下極限LMN_LLM；比例分量、積分分量和微分分量分別為L(zhǎng)MN_P、LMN_I、LMN_D。參數(shù)設(shè)置需要注意一下幾點(diǎn)：（1）SP_INT、PV_IN、LMN都是0-100%之間的實(shí)數(shù)，輸入數(shù)值只取百分號(hào)之前的數(shù)即可。而這幾個(gè)變量通常都是來自模擬量輸入和模擬量輸出模塊的實(shí)際值，需將其轉(zhuǎn)換為無量綱的百分?jǐn)?shù)，對(duì)于給定值SP-INT=PIW*100/27648；對(duì)于控制器輸出，PQW=LMN*27648/100；對(duì)于反饋值PV-IN，數(shù)據(jù)來自高速計(jì)數(shù)器，PV-IN=FM350計(jì)數(shù)值/額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值*100。（2）PID的采樣時(shí)間CYCLE盡量與OB35的采樣時(shí)間設(shè)置一致，這里設(shè)置成10MS，以確保PID參數(shù)的實(shí)時(shí)性。如果不一致，修改Ti，保證循環(huán)時(shí)間與積分時(shí)間Ti的乘積與原來的采樣時(shí)間與積分時(shí)間Ti的乘積保持不變，也能保證控制性能不變[3]。（3）LMN_HLM一般設(shè)置成100%，LMN_LLM一般設(shè)置成0%，如果需要雙極性調(diào)節(jié)，則需設(shè)置為-100%。由于雙閉環(huán)中轉(zhuǎn)速環(huán)ASR調(diào)節(jié)器輸出為電流環(huán)ACR調(diào)節(jié)器的給定，因此ASR調(diào)節(jié)器輸出最大值要根據(jù)6RA70允許最大電樞電流進(jìn)行設(shè)置，此處LMN_HLM=6RA70允許最大電樞電流/6RA70模擬量輸入信號(hào)最大值=15%。

STEP7軟件自帶的“PID控制參數(shù)賦值”上位機(jī)軟件可以直接對(duì)FB41的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修改，便于PID參數(shù)整定。PID參數(shù)整定的方法有很多，如：臨界比例度法、衰減震蕩法、試湊法等，參數(shù)整定過程不再贅述。

五、系統(tǒng)性能分析

為檢驗(yàn)系統(tǒng)的跟隨性能，分別對(duì)階躍和三角波給定信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，階躍輸入的跟隨曲線如圖3所示。對(duì)于階躍給定信號(hào)，控制器比例系數(shù)P=11，積分時(shí)間Ti=0.3時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量為8%，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.5s。對(duì)于三角波給定，控制器參數(shù)P=20，Ti=0.08轉(zhuǎn)速偏差最大值為6%，跟隨效果較好。PID參數(shù)與仿真參數(shù)相差不是很大，說明被控對(duì)象模型建立較為準(zhǔn)確。

六、結(jié)語

本文按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)性能分析的步驟完成了基于西門子S7-300和6RA70的隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了多種給定信號(hào)下的跟隨。整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)涉及自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)控制、電器控制基礎(chǔ)與可編程控制器、Matlab仿真與應(yīng)用等課程內(nèi)容，將專業(yè)知識(shí)融合起來應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，調(diào)動(dòng)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的積極性，應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)，取得了很好的教學(xué)效果。

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Abstract：At present，most of the experimental teaching of control system only involves control system implementation in engineering colleges and universities，focusing more on PID parameter setting process.It makes the importance of control system simulation in the control system design ignored.The experimental contents include structure design，simulation，implementation，and performance analysis of control system，which can help students cultivate rigorous scientific literacy of "first simulation second practice".In addition，the experimental results show that the plant model is established accurately，and control system has good following performance under the effect of step and triangle wave signal.

Key words：Control system design；Matlab simulation；PLC；6RA70；high speed counter；comprehensive experiment