PID溫控系統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)探討

張春鵬

（廣東省粵東高級技工學(xué)校 廣東 汕頭 515041）

PID溫控系統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)探討

張春鵬

（廣東省粵東高級技工學(xué)校 廣東 汕頭 515041）

在開展PID溫控系統(tǒng)的程序設(shè)計實訓(xùn)教學(xué)中，通過合理設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，以及采用有效的教學(xué)方法及手段，指導(dǎo)學(xué)生逐步解決若干技術(shù)難點，從而掌握PID控制技術(shù)。

PID溫控系統(tǒng)；實訓(xùn)教學(xué)；程序設(shè)計

廣東省粵東高級技工學(xué)校于2005年在技師班開展PID溫控系統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)，使學(xué)生通過對PID溫控系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計掌握PID控制技術(shù)。在這個過程中，學(xué)生需要耗費不少時間解決若干技術(shù)難點。由于技師班教學(xué)課時有限，教師需要合理設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，采用有效的教學(xué)方法及手段，才能幫助學(xué)生盡快走出困境，掌握相關(guān)技能?，F(xiàn)就筆者在教學(xué)中對若干教學(xué)環(huán)節(jié)的處理與同行交流。

突破理論“瓶頸”是程序設(shè)計的重要開端

在進(jìn)行程序設(shè)計的過程中，學(xué)生首先需要具備相關(guān)的理論知識，才能在實踐中較為透徹地認(rèn)識和分析問題，較為有效、快速地解決問題。根據(jù)實訓(xùn)需要，筆者將理論知識的指導(dǎo)重點放在PID控制理論部分。

PID控制理論涉及高等數(shù)學(xué)知識，但技師班學(xué)生大多數(shù)欠缺高等數(shù)學(xué)知識，難以接受抽象的PID控制數(shù)學(xué)模型。為此，在教學(xué)中，筆者結(jié)合學(xué)生實際，針對PLC采用數(shù)字控制模式的特點，盡量將高等數(shù)學(xué)初等化、具體化，以使學(xué)生正確理解PID控制的實質(zhì)并將其用于指導(dǎo)實踐。

熟悉溫控系統(tǒng)是程序設(shè)計的前提

通過熟悉溫控系統(tǒng)，可以使學(xué)生知道各個設(shè)備的作用、性質(zhì)和類型，理解系統(tǒng)的工作流程，這樣學(xué)生才能編寫出符合工藝要求的程序。學(xué)生熟悉溫控系統(tǒng)可按以下三個教學(xué)步驟進(jìn)行。

（一）熟悉溫控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成（見圖1）

第一，明確負(fù)載性質(zhì)——恒溫箱，有兩組各1100W的電熱絲，是一種熱慣性較大的負(fù)載。

第二，明確溫度傳感器類型——鉑熱電阻PT—100，與FX2N—4AD—PT模塊配套使用給系統(tǒng)提供測量值PV。

第三，明確主控制器類型——型號為FX2N-16MR的三菱PLC。

第四，明確模擬量輸出的控制對象——型號為SPC1—35的調(diào)功器，控制電熱絲的功率。

第五，明確用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換的模塊的類型——分別為FX2N—4AD—PT模塊和FX2N—4DA模塊，用以處理模擬量數(shù)據(jù)。

（二）熟悉溫控系統(tǒng)的工作原理

待學(xué)生了解了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成后，教師可以歸納出系統(tǒng)工作流程圖（見圖1），引導(dǎo)學(xué)生理解溫控系統(tǒng)的具體流程及工作原理，同時，讓學(xué)生進(jìn)一步熟悉每個硬件的作用及應(yīng)用特點。

圖1 PID溫控系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作流程圖

（三）熟悉溫控系統(tǒng)的電路組成（見圖4）

溫控系統(tǒng)的電路由幾個部分組成：主電路，電器控制回路，PLC主機輸入、輸出端口連接部分，模擬量輸入模塊FX2N—4AD—PT與溫度傳感器連接部分，模擬量輸出模塊FX2N—4DA與調(diào)功器連接部分。

編寫程序是程序設(shè)計的核心環(huán)節(jié)

學(xué)生熟悉設(shè)備之后就可以編寫程序，以實現(xiàn)對溫控系統(tǒng)的控制。在這個過程中，教師應(yīng)重點指導(dǎo)學(xué)生解決兩個技術(shù)難點：編寫模擬量模塊應(yīng)用程序及PID控制程序。

（一）編寫模擬量模塊應(yīng)用程序

模擬量模塊的應(yīng)用有一個顯著特點是通過軟件來管理硬件，軟件設(shè)置和硬件連接必須匹配。FX2N—4AD—PT、FX2N—4DA模塊均有各自的緩沖存儲器（簡稱BFM），PLC通過FROM和TO指令來讀/寫B(tài)FM的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對模塊的應(yīng)用。在教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生編寫模擬量模塊應(yīng)用程序，可分四個步驟實施。參考程序見圖2。

圖2 模擬量模塊應(yīng)用程序圖

確定FX2N—4AD—PT與FX2N—4DA模塊的位置 編寫程序前，學(xué)生必須清楚模塊的安裝位置（見圖4）。在硬件結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)X2N—4AD—PT模塊安裝位置最靠近PLC，因此其編號為0號模塊，而FX2N—4DA的編號應(yīng)為1號模塊。在編寫程序時不能搞錯模塊的編號，以便PLC準(zhǔn)確地對模塊讀/寫數(shù)據(jù)。兩個模塊的識別碼都存放在其緩沖存儲器BFM的#30單元中。為防止數(shù)據(jù)傳輸錯誤，學(xué)生可通過編寫程序，將該位置模塊的識別碼讀入PLC并進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，若相等則表示該位置上安裝的是這種模塊，就可以讓該模塊進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)處理。

對FX2N—4AD—PT與FX2N—4DA模塊進(jìn)行通道初始化 （1）FX2N—4AD—PT模塊通道初始化。FX2N—4AD—PT模塊與鉑熱電阻PT—100是配套使用的，它有四個獨立通道，本系統(tǒng)只用到該模塊的CH1通道 （見圖4）。應(yīng)讓學(xué)生明確，由于模塊的應(yīng)用特點，不需對該模塊通道的輸入方式及范圍進(jìn)行初始化設(shè)置。（2）FX2N—4DA模塊通道初始化。FX2N—4DA模塊有四個獨立通道，在使用前必須對模塊通道的輸出方式及范圍進(jìn)行初始化設(shè)置。在本溫控系統(tǒng)中，F(xiàn)X2N—4DA的CH3通道與調(diào)功器SPC1—35的控制端子連接，且調(diào)功器的輸入控制信號選用+4mA～20mA的電流信號。因此，在編寫程序前，學(xué)生應(yīng)明確器件的對應(yīng)關(guān)系，在編寫程序時，應(yīng)設(shè)置模塊的CH3通道為電流輸出模式，且輸出范圍選為+4mA～20mA。

對模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 在溫控系統(tǒng)中，因FX2N—4AD—PT模塊的CH1通道與鉑熱電阻連接，所以其模擬量輸入數(shù)據(jù)（已經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量）的平均值存儲在BFM#5中（以0.1℃為單位）。在編寫程序時，學(xué)生應(yīng)明確模擬量輸入數(shù)據(jù)的流程，使用FROM指令讀取模塊BFM#5中的數(shù)據(jù)，傳送至PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器中 （參考程序中使用D190），給系統(tǒng)提供測量值PV。FX2N—4DA模塊的CH3通道與調(diào)功器連接，學(xué)生編寫程序時，也應(yīng)明確模擬量輸出數(shù)據(jù)的流程，使用TO指令將存放在D160的PID運算結(jié)果寫入BFM#3中，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后使CH3通道有電流輸出，并用這個電流信號去控制調(diào)功器。

監(jiān)視FX2N—4AD—PT、FX2N—4DA運行 兩個模塊的BFM#29存放的是模塊工作狀態(tài)的信息。根據(jù)需要，學(xué)生可編寫程序，通過讀取BFM#29的數(shù)據(jù)，監(jiān)視模擬量模塊的運行情況。

（二）編寫PID控制程序

學(xué)生在編寫程序時，需要解決的另外一個技術(shù)難點是恰當(dāng)運用PID指令編寫PID控制程序，教師可分兩步指導(dǎo)：

熟悉PID指令 讓學(xué)生了解PID指令的格式及使用要素，如指令編碼、助記符、數(shù)據(jù)長度、執(zhí)行形式及操作數(shù)等。其中重點在于操作數(shù)的解釋。PID指令的操作數(shù)包括設(shè)定值、測量值、控制參數(shù)及運算結(jié)果（見圖3）?？梢酝ㄟ^舉例，讓學(xué)生理解各個操作數(shù)的作用以及它們之間的運算關(guān)系，使學(xué)生盡快熟悉PID指令的用法。

圖3 PID控制程序圖

按步驟編寫PID控制程序（參考程序見圖3） （1）設(shè)置設(shè)定值與測量值。編寫程序時，學(xué)生應(yīng)明確：系統(tǒng)的設(shè)定值SV只能使用數(shù)據(jù)寄存器D，若需要設(shè)定值在PLC掉電后保持，則應(yīng)選用D200～D511。具體的數(shù)值可以在程序中直接用MOV指令設(shè)定，或者通過人機界面間接設(shè)定。系統(tǒng)的測量值（現(xiàn)場當(dāng)前值）PV，只能使用數(shù)據(jù)寄存器D，測量值一般不必掉電保持，故應(yīng)選用D0～D199。具體的數(shù)值從FX2N—4AD—PT模塊的BFM#5中讀取。在參考程序中設(shè)定值使用D300，測量值使用D190。（2）設(shè)定控制參數(shù)。編寫程序時，學(xué)生應(yīng)明確：PID指令中，必須設(shè)定存放PID控制參數(shù)的數(shù)據(jù)寄存器首地址。PID控制參數(shù)需在PID運算開始前，通過MOV指令預(yù)先設(shè)定?？梢灾辉O(shè)定重要的控制參數(shù)，而忽略其他控制參數(shù)，比如用于報警的控制參數(shù)。在參考程序中（見圖3）是以D100為首地址的25個數(shù)據(jù)寄存器存放PID控制參數(shù)，即D100～D124，其中，D100～D106都是重要的控制參數(shù)。（3）指定運算結(jié)果存放位置。編寫程序時，學(xué)生應(yīng)明確：PID運算結(jié)果要指定數(shù)據(jù)寄存器存放，該數(shù)據(jù)寄存器最好指定非保持型的數(shù)據(jù)寄存器。在參考程序中，指定D160存放PID運算結(jié)果。

程序調(diào)試是程序設(shè)計的必要環(huán)節(jié)

編寫程序后，必須通過程序調(diào)試檢查程序的實際效果。在教學(xué)中，教師應(yīng)遵循程序調(diào)試的步驟，采用有效的方法指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行程序調(diào)試，并解決其中的技術(shù)難點。

（一）程序調(diào)試的步驟及方法

模擬調(diào)試 程序在現(xiàn)場調(diào)試之前，應(yīng)進(jìn)行模擬調(diào)試。這樣，可以在相對安全的環(huán)境下及早發(fā)現(xiàn)問題，提高現(xiàn)場調(diào)試的成功率，降低現(xiàn)場調(diào)試的風(fēng)險。模擬調(diào)試的形式和方法很多，應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)的特點以及有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的原則進(jìn)行選擇。本教學(xué)項目，采用混合仿真法進(jìn)行模擬調(diào)試，以溫控系統(tǒng)實機設(shè)備為原型形成混合仿真系統(tǒng)，讓學(xué)生將編寫的程序在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行模擬調(diào)試。混合仿真系統(tǒng)的PLC基本單元、模擬量模塊與實機設(shè)備一致，而恒溫箱、電熱絲、調(diào)功器和溫度傳感器用合適的模擬電路來代替。采用這種方法，可以讓學(xué)生在相對安全、相對接近實際的環(huán)境下檢查程序的效果，并且還能讓學(xué)生進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)試實驗，從而初步掌握PID參數(shù)整定的方法。

現(xiàn)場調(diào)試 現(xiàn)場調(diào)試是將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)一步在實機設(shè)備上調(diào)試，只有經(jīng)過實機測試，才能最終確定編寫的程序是否符合控制系統(tǒng)的工藝要求?，F(xiàn)場調(diào)試過程應(yīng)讓學(xué)生循序漸進(jìn)、分步進(jìn)行。首先，檢查接線是否正確，各個設(shè)備是否工作正常，然后將編制好的程序下載到現(xiàn)場的PLC中；其次，將主電路斷電，在不帶負(fù)載的情況下調(diào)試控制回路，檢查邏輯控制是否符合要求，接著，調(diào)試模擬量控制回路，看模擬量數(shù)據(jù)處理是否正確；再次，調(diào)試PID指令看能否正常運算；最后，將主電路通電，看負(fù)載運行情況。為使系統(tǒng)運行良好，還需要進(jìn)行PID控制參數(shù)的調(diào)試，這個過程是漫長的，需要耐心，參數(shù)要作多種選擇才能從中選出最優(yōu)者。

圖4 溫控系統(tǒng)的電路組成圖

（二）程序調(diào)試的技術(shù)難點

在調(diào)試程序時，根據(jù)系統(tǒng)溫度的變化特點以及PID參數(shù)的變化規(guī)律，合理整定P（比例）、I（積分）、D（微分）參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的控制要求，這是學(xué)生必須解決的技術(shù)難點。PID參數(shù)整定的方法很多，其中湊試法主要依賴于工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，其方法簡單、易于初學(xué)者掌握，可作為教學(xué)首選。湊試法，即在模擬環(huán)境或?qū)崣C環(huán)境下，通過閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，從而確定PID參數(shù)。要讓學(xué)生學(xué)會用湊試法整定PID參數(shù)，教師應(yīng)重點做好以下兩方面的指導(dǎo)工作。

讓學(xué)生認(rèn)識PID參數(shù)變化時的作用規(guī)律 PID參數(shù)整定的過程中最重要的問題是當(dāng)系統(tǒng)性能不盡如人意時，知道應(yīng)該調(diào)節(jié)哪一個參數(shù)，應(yīng)該往什么方向調(diào)整（即該參數(shù)應(yīng)該增大還是減?。?。因此，認(rèn)識PID參數(shù)變化時的作用規(guī)律尤為重要。在模擬調(diào)試時，教師可以有步驟地進(jìn)行實驗安排，通過實驗數(shù)據(jù)的比對及分析，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識PID參數(shù)變化時的作用規(guī)律。例如，通過實驗安排，讓學(xué)生掌握P參數(shù)變化時的作用規(guī)律。首先，提供一組事先選好的數(shù)據(jù)給學(xué)生，例如，第一個數(shù)據(jù)KP（比例增益）=500%，第二個數(shù)據(jù)KP=300%，第三個數(shù)據(jù)KP=1000%。其次，讓學(xué)生觀察及記錄每一個KP數(shù)據(jù)單獨作用時，它的測量值PV趨勢曲線。再次，比對三組趨勢曲線的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)溫度誤差的時候，比例控制會起什么作用，分析當(dāng)KP值變大或者變小時，會引起溫度系統(tǒng)怎樣的變化，等等。最后，經(jīng)課堂討論及教師指導(dǎo)，學(xué)生歸納出P參數(shù)變化時的作用規(guī)律。 用相同的實驗方法，也可以讓學(xué)生歸納出積分參數(shù)及微分參數(shù)變化時的作用規(guī)律。

讓學(xué)生掌握湊試法整定PID參數(shù)的步驟 學(xué)生在掌握PID參數(shù)的變化規(guī)律之后，就可以對PID參數(shù)進(jìn)行整定，應(yīng)按照先比例，再積分，后微分的步驟進(jìn)行。首先，整定比例增益KP。指導(dǎo)學(xué)生將KP值由小變大，并觀察溫控系統(tǒng)的響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例控制即可。其次，考慮加入積分控制。如果在比例控制的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時，指導(dǎo)學(xué)生先將積分時間TI設(shè)定到一個比較大的值，然后將之前整定好的KP值略為縮小，觀察系統(tǒng)的變化情況。在此過程中，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變KP值和TI值，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。最后，考慮加入微分控制。如果在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。在整定時，指導(dǎo)學(xué)生先置微分時間TD及微分增益KD為零，然后逐步增大TD及KD，同時相應(yīng)地改變KP值和TI值，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。

本教學(xué)項目教學(xué)思路清晰，各個教學(xué)環(huán)節(jié)緊密相連且有序?qū)嵤?，使得課堂化學(xué)習(xí)具有較高效率。每個教學(xué)環(huán)節(jié)能夠抓住教學(xué)要點，采用有效的教學(xué)方法及手段對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。如盡量將高等數(shù)學(xué)初等化、具體化，讓學(xué)生突破理論“瓶頸”；使用混合仿真法，讓學(xué)生在相對安全、相對接近實際的環(huán)境下調(diào)試程序；指導(dǎo)學(xué)生采用湊試法整定PID參數(shù)，等等。最終，可使學(xué)生能有效地突破技術(shù)難點，在盡量短的時間內(nèi)掌握PID控制技術(shù)。

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□有話職說

什么是成功的人？就是今天比昨天更有智慧的人，今天比昨天更慈悲的人，今天比昨天更懂愛的人，今天比昨天更懂得寬容的人。

——林清玄

G712

A

：1672-5727（2011）12-0135-03

張春鵬（1976—），男，廣東汕頭人，廣東省粵東高級技工學(xué)校電工工藝一級實習(xí)指導(dǎo)教師，主要從事電工生產(chǎn)實習(xí)課教學(xué)。