李艳杰;崔天宇;王海;马鹤;苗鑫超
【摘 要】A software implementation method of hydraulic cylinder position PID closed loop control in proportional valve control system using Siemens S7-200 was proposed.The block diagram and ladder program was given,and experimental studies in Festo TP701 proportional hydraulic test bed was done.Experimental studies have shown that the proportion of open-loop control system,using software methods can achieve the closed-loop control of position and other physical quantities,to control the performance of precision and anti-jamming capability to meet the demand of general industrial applications.%提出一种利用西门子S7-200实现比例阀控制系统中液压缸位置PID闭环控制的软件实现方法,给出了程序框图及梯形图程序,并在Festo TP701比例液压试验台上进行实验研究.实验研究表明,开环比例控制系统中,利用软件的方法可实现位置等物理量的闭环控制,控制精度和抗干扰能力等性能可满足一般工业应用的需求.光敏三极管
【期刊名称】《沈阳理工大学学报》
【年(卷),期】2013(032)004
【总页数】5页(P37-40,46)
【关键词】比例阀;位置闭环控制;PID;PLC
【作 者】李艳杰;崔天宇;王海;马鹤;苗鑫超
【作者单位】沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159
【正文语种】中 文
【中图分类】TH137
电液比例阀是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用可靠、廉价的模拟式电气-机械转换装置(比例电磁铁等)将电信号转换为位移信号，连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向或流量的一种液压元件［1］。此种阀工作时，阀内电气-机械转换装置根据输入的电
压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变，以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出。电液比例阀的应用简化了液压系统，并能防止压力或速度变换时的冲击现象，同时克服了伺服阀液压控制系统中存在的功率损失大、制造和维护成本高、对油液过滤要求较苛刻等问题。目前比例阀控制系统被广泛应用于电梯、注塑机、锻压机、工程机械等多个工业领域［2］。和伺服控制系统不同的是，比例控制系统本身是开环控制系统，其控制精度与伺服控制系统相比相差较大。为使比例控制系统在保持原有优势的同时，提高系统控制精度，更好地满足工业需求，可采用计算机控制的方法通过软件编程在比例控制系统中实现位置、速度等参量的闭环控制。本文提出一种利用PLC控制器实现比例阀控液压缸的位置PID闭环控制的软件实现策略，该策略在Festo TP701比例控制实验台上进行了实验验证。实验表明，该方法简单可靠、能实现位置闭环控制、控制精度较高，可满足工业需求。
1 比例阀控制技术
比例阀介于常规开关阀和闭环伺服阀之间，已成为现今液压系统的常用组件，为开环控制系统。该类系统的基本信号流程图如图1所示。
图1 比例阀控制系统信号流程图
比例放大器将输入电压信号(一般为0～±10V)成比例地转化为电流，即输出变量，其额定输出电流一般在0～3A之间，可根据比例电磁铁的驱动电流需求选择满足要求的电流放大器。比例电磁铁产生一个与输入变量成比例的力或位移输出。液压阀以这些输出变量(力或位移)作为输入信号按比例输出流量或压力，使液压执行机构不仅可进行方向控制，同时可进行速度和压力的无级调控。
从图1可以看出，比例阀控制系统本身是开环控制系统，比例放大器根据调定的设定值控制比例方向阀，比例方向阀阀口打开，调定某一流量，液压缸的活塞杆开始运动。但如要求液压缸的活塞停在预定位置，由于开环系统的干扰因素较多，难以控制。这些干扰因素包括:比例阀的切换性能随油的粘性而变化;由于压差不同，通过阀的流量不同，得到液压缸的不同位置;液压缸活塞的制动距离随运动质量和调节速度的不同而发生变化等［3-5］。
2 基于PLC的比例阀位置闭环控制实现
2.1 基于PLC的比例阀位置闭环控制原理
增加适当传感器，可利用计算机控制的方法，通过控制算法在比例阀控制系统中实现闭环控制。图2为利用西门子S7-200通过软件编程实现比例阀控液压缸位置闭环控制的系统构成原理示意图。系统中液压缸带有位移传感器。S7-200CPU采集传感器信息，与指令信号进行比较，将经控制算法运算后的控制量发送给比例阀的比例电磁铁，实现液压缸的位置闭环控制。
分界开关控制器
图2 比例控制系统实现位置闭环控制的系统构成示意图
系统液压部分的主要部件有泵源、三位四通比例方向阀和带位移传感器的液压缸。电气控制部分则主要由S7-200系列CPU、模拟量输入/输出模块及电流放大器等组成。位置闭环控制系统的控制框图如图3所示。
图3 比例控制系统实现位置闭环控制的软件算法框图
2.2 S7-200PLC中的PID功能实现
膨润土防水垫PID控制器根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，使被控变量的实际值与工艺要求的给定值一致。
PID 调节器的方程如下［6］:
式中:u为控制器的输出信号;e为给定值和实际值之间的偏差信号;kp为比例增益;kI为积分增益;kD为微分增益。
PID控制器具有以下优点:1)不需要被控对象的数学模型;2)结构简单，计算量小，需要整定的参数少，参数调整方便，容易实现多回路控制;3)有较强的灵活性和适应性;4)使用方便。
STEP7是用于西门子组态和编程的标准软件包，S7-200系列PLC使用STEP7-Micro/Win。在S7-200系列中PID功能通过PID指令功能块实现，按照采样时间定时执行PID功能块，依据PID运算规律，计算出控制量。式(2)为式(1)离散化后控制量的计算公式。
式中:Mn为第n采样时刻PID回路计算的输出值;kc为PID回路增益;spn为第n采样时刻的给定值;pVn为第n采样时刻的过程变量值;pVn-1为第n-1采样时刻的过程变量值;Ts为采样时间间隔;TI为积分时间;TD为微分时间;Mx为第n-1采样时刻的积分项。
S7-200中PID指令的功能是利用回路表中的输入信息，进行PID调节。指令格式为:PID TBL，LOOP。TBL是回路表的起始地址，是由VB指定的字节型数据。LOOP为回路号，范
围0～7，用户程序中最多可以有8条PID回路，不同的回路不能用相同的回路号。气动压线钳
执行PID调节前必须先对回路表进行设置，回路表的主要参数及格式见表1。
由于实际控制系统中采集的数据都为工程中的实际数据，必须将其转换成标准形式，才能被PLC中的PID指令接收。在程序执行完毕后，需将输出的标准化数据转化成工程中的实际值。S7-200中PID功能块只接受0.0～1.0之间的实数作为反馈、给定与控制输出的有效数值。因此必须把外围实际物理量与PID功能块的输入/输出数据进行输入/输出转换与标准化处理。图4、图5为实现数据变换的梯形图程序。
表1 S7-200 PID指令回路表主要参数偏移地址 参数名 格式 描述0 过程变量(pVn) 实数 过程变量，必须在0.0～1.0之间4 给定变量(spn) 实数 给定变量，必须在0.0～1.0之间8 输出值(Mn) 实数 输出值，必须在0.0～1.0之间12 增益(kc) 实数 比例常数，正、负16 采样时间(Ts)实数 单位为s，正数20 积分时间(TI)实数 单位为min，正数24 微分时间(TD)实数 单位为min，正数28 积分项前项Mx 实数 积分项当前值32 过程变量前值pVn-1 实数 最后一次PID运算的过程变量值电动升降机构
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