PID温控系统实训教学探讨.docx

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PID温控系统实训教学探讨

PID温控系统实训教学探讨

　　广东省粤东高级技工学校于2005年在技师班开展PID温控系统实训教学，使学生通过对PID温控系统进行程序设计掌握PID控制技术。

在这个过程中，学生需要耗费不少时间解决若干技术难点。

由于技师班教学课时有限，教师需要合理设计教学环节，采用有效的教学方法及手段，才能帮助学生尽快走出困境，掌握相关技能。

现就笔者在教学中对若干教学环节的处理与同行交流。

　　突破理论“瓶颈”是程序设计的重要开端

　　在进行程序设计的过程中，学生首先需要具备相关的理论知识，才能在实践中较为透彻地认识和分析问题，较为有效、快速地解决问题。

根据实训需要，笔者将理论知识的指导重点放在PID控制理论部分。

　　PID控制理论涉及高等数学知识，但技师班学生大多数欠缺高等数学知识，难以接受抽象的PID控制数学模型。

为此，在教学中，笔者结合学生实际，针对PLC采用数字控制模式的特点，尽量将高等数学初等化、具体化，以使学生正确理解PID控制的实质并将其用于指导实践。

　　熟悉温控系统是程序设计的前提

　　通过熟悉温控系统，可以使学生知道各个设备的作用、性质和类型，理解系统的工作流程，这样学生才能编写出符合工艺要求的程序。

学生熟悉温控系统可按以下三个教学步骤进行。

（一）熟悉温控系统的硬件构成（见图1）

　　第一，明确负载性质――恒温箱，有两组各1100W的电热丝，是一种热惯性较大的负载。

　　第二，明确温度传感器类型――铂热电阻PT―100，与FX2N―4AD―PT模块配套使用给系统提供测量值PV。

　　第三，明确主控制器类型――型号为FX2N－16MR的三菱PLC。

　　第四，明确模拟量输出的控制对象――型号为SPC1―35的调功器，控制电热丝的功率。

　　第五，明确用于A/D、D/A转换的模块的类型――分别为FX2N―4AD―PT模块和FX2N―4DA模块，用以处理模拟量数据。

（二）熟悉温控系统的工作原理

　　待学生了解了系统的硬件构成后，教师可以归纳出系统工作流程图（见图1），引导学生理解温控系统的具体流程及工作原理，同时，让学生进一步熟悉每个硬件的作用及应用特点。

　　（三）熟悉温控系统的电路组成（见图4）

　　温控系统的电路由几个部分组成：

主电路，电器控制回路，PLC主机输入、输出端口连接部分，模拟量输入模块FX2N―4AD―PT与温度传感器连接部分，模拟量输出模块FX2N―4DA与调功器连接部分。

　　编写程序是程序设计的核心环节

　　学生熟悉设备之后就可以编写程序，以实现对温控系统的控制。

在这个过程中，教师应重点指导学生解决两个技术难点：

编写模拟量模块应用程序及PID控制程序。

（一）编写模拟量模块应用程序

　　模拟量模块的应用有一个显著特点是通过软件来管理硬件，软件设置和硬件连接必须匹配。

FX2N―4AD―PT、FX2N―4DA模块均有各自的缓冲存储器（简称BFM），PLC通过FROM和TO指令来读/写BFM的数据，可以实现对模块的应用。

在教学中，指导学生编写模拟量模块应用程序，可分四个步骤实施。

参考程序见图2。

　　确定FX2N―4AD―PT与FX2N―4DA模块的位置编写程序前，学生必须清楚模块的安装位置（见图4）。

在硬件结构中，FX2N―4AD―PT模块安装位置最靠近PLC，因此其编号为0号模块，而FX2N―4DA的编号应为1号模块。

在编写程序时不能搞错模块的编号，以便PLC准确地对模块读/写数据。

两个模块的识别码都存放在其缓冲存储器BFM的#30单元中。

为防止数据传输错误，学生可通过编写程序，将该位置模块的识别码读入PLC并进行数据比较，若相等则表示该位置上安装的是这种模块，就可以让该模块进行模拟量数据处理。

　　对FX2N―4AD―PT与FX2N―4DA模块进行通道初始化

（1）FX2N―4AD―PT模块通道初始化。

FX2N―4AD―PT模块与铂热电阻PT―100是配套使用的，它有四个独立通道，本系统只用到该模块的CH1通道（见图4）。

应让学生明确，由于模块的应用特点，不需对该模块通道的输入方式及范围进行初始化设置。

（2）FX2N―4DA模块通道初始化。

FX2N―4DA模块有四个独立通道，在使用前必须对模块通道的输出方式及范围进行初始化设置。

在本温控系统中，FX2N―4DA的CH3通道与调功器SPC1―35的控制端子连接，且调功器的输入控制信号选用+4ｍA～20ｍA的电流信号。

因此，在编写程序前，学生应明确器件的对应关系，在编写程序时，应设置模块的CH3通道为电流输出模式，且输出范围选为+4ｍA～20ｍA。

　　对模拟量数据进行处理在温控系统中，因FX2N―4AD―PT模块的CH1通道与铂热电阻连接，所以其模拟量输入数据（已经A/D转换成数字量）的平均值存储在BFM#5中（以0.1℃为单位）。

在编写程序时，学生应明确模拟量输入数据的流程，使用FROM指令读取模块BFM#5中的数据，传送至PLC内部的数据寄存器中（参考程序中使用D190），给系统提供测量值PV。

FX2N―4DA模块的CH3通道与调功器连接，学生编写程序时，也应明确模拟量输出数据的流程，使用TO指令将存放在D160的PID运算结果写入BFM#3中，经D/A转换后使CH3通道有电流输出，并用这个电流信号去控制调功器。

　　监视FX2N―4AD―PT、FX2N―4DA运行两个模块的BFM#29存放的是模块工作状态的信息。

根据需要，学生可编写程序，通过读取BFM#29的数据，监视模拟量模块的运行情况。

（二）编写PID控制程序

　　学生在编写程序时，需要解决的另外一个技术难点是恰当运用PID指令编写PID控制程序，教师可分两步指导：

　　熟悉PID指令让学生了解PID指令的格式及使用要素，如指令编码、助记符、数据长度、执行形式及操作数等。

其中重点在于操作数的解释。

PID指令的操作数包括设定值、测量值、控制参数及运算结果（见图3）。

可以通过举例，让学生理解各个操作数的作用以及它们之间的运算关系，使学生尽快熟悉PID指令的用法。

　　按步骤编写PID控制程序（参考程序见图3）

（1）设置设定值与测量值。

编写程序时，学生应明确：

系统的设定值SV只能使用数据寄存器D，若需要设定值在PLC掉电后保持，则应选用D200～D511。

具体的数值可以在程序中直接用MOV指令设定，或者通过人机界面间接设定。

系统的测量值（现场当前值）PV，只能使用数据寄存器D，测量值一般不必掉电保持，故应选用D0～D199。

具体的数值从FX2N―4AD―PT模块的BFM#5中读取。

在参考程序中设定值使用D300，测量值使用D190。

（2）设定控制参数。

编写程序时，学生应明确：

PID指令中，必须设定存放PID控制参数的数据寄存器首地址。

PID控制参数需在PID运算开始前，通过MOV指令预先设定。

可以只设定重要的控制参数，而忽略其他控制参数，比如用于报警的控制参数。

在参考程序中（见图3）是以D100为首地址的25个数据寄存器存放PID控制参数，即D100～D124，其中，D100～D106都是重要的控制参数。

（3）指定运算结果存放位置。

编写程序时，学生应明确：

PID运算结果要指定数据寄存器存放，该数据寄存器最好指定非保持型的数据寄存器。

在参考程序中，指定D160存放PID运算结果。

　　程序调试是程序设计的必要环节

　　编写程序后，必须通过程序调试检查程序的实际效果。

在教学中，教师应遵循程序调试的步骤，采用有效的方法指导学生进行程序调试，并解决其中的技术难点。

（一）程序调试的步骤及方法

　　模拟调试程序在现场调试之前，应进行模拟调试。

这样，可以在相对安全的环境下及早发现问题，提高现场调试的成功率，降低现场调试的风险。

模拟调试的形式和方法很多，应根据实际系统的特点以及有利于学生学习的原则进行选择。

本教学项目，采用混合仿真法进行模拟调试，以温控系统实机设备为原型形成混合仿真系统，让学生将编写的程序在仿真系统上进行模拟调试。

混合仿真系统的PLC基本单元、模拟量模块与实机设备一致，而恒温箱、电热丝、调功器和温度传感器用合适的模拟电路来代替。

采用这种方法，可以让学生在相对安全、相对接近实际的环境下检查程序的效果，并且还能让学生进行PID参数的调试实验，从而初步掌握PID参数整定的方法。

　　现场调试现场调试是将模拟调试通过的程序进一步在实机设备上调试，只有经过实机测试，才能最终确定编写的程序是否符合控制系统的工艺要求。

现场调试过程应让学生循序渐进、分步进行。

首先，检查接线是否正确，各个设备是否工作正常，然后将编制好的程序下载到现场的PLC中；其次，将主电路断电，在不带负载的情况下调试控制回路，检查逻辑控制是否符合要求，接着，调试模拟量控制回路，看模拟量数据处理是否正确；再次，调试PID指令看能否正常运算；最后，将主电路通电，看负载运行情况。

为使系统运行良好，还需要进行PID控制参数的调试，这个过程是漫长的，需要耐心，参数要作多种选择才能从中选出最优者。

（二）程序调试的技术难点

　　在调试程序时，根据系统温度的变化特点以及PID参数的变化规律，合理整定P（比例）、I（积分）、D（微分）参数，使系统达到“稳、准、快”的控制要求，这是学生必须解决的技术难点。

PID参数整定的方法很多，其中凑试法主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，其方法简单、易于初学者掌握，可作为教学首选。

凑试法，即在模拟环境或实机环境下，通过闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的系统响应，从而确定PID参数。

要让学生学会用凑试法整定PID参数，教师应重点做好以下两方面的指导工作。

　　让学生认识PID参数变化时的作用规律PID参数整定的过程中最重要的问题是当系统性能不尽如人意时，知道应该调节哪一个参数，应该往什么方向调整（即该参数应该增大还是减小）。

因此，认识PID参数变化时的作用规律尤为重要。

在模拟调试时，教师可以有步骤地进行实验安排，通过实验数据的比对及分析，引导学生认识PID参数变化时的作用规律。

例如，通过实验安排，让学生掌握P参数变化时的作用规律。

首先，提供一组事先选好的数据给学生，例如，第一个数据KP（比例增益）＝500％，第二个数据KP＝300％，第三个数据KP＝1000％。

其次，让学生观察及记录每一个KP数据单独作用时，它的测量值PV趋势曲线。

再次，比对三组趋势曲线的数据，通过数据分析，当系统出现温度误差的时候，比例控制会起什么作用，分析当KP值变大或者变小时，会引起温度系统怎样的变化，等等。

最后，经课堂讨论及教师指导，学生归纳出P参数变化时的作用规律。

用相同的实验方法，也可以让学生归纳出积分参数及微分参数变化时的作用规律。

　　让学生掌握凑试法整定PID参数的步骤学生在掌握PID参数的变化规律之后，就可以对PID参数进行整定，应按照先比例，再积分，后微分的步骤进行。

首先，整定比例增益KP。

指导学生将KP值由小变大，并观察温控系统的响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例控制即可。

其次，考虑加入积分控制。

如果在比例控制的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。

在整定时，指导学生先将积分时间TI设定到一个比较大的值，然后将之前整定好的KP值略为缩小，观察系统的变化情况。

在此过程中，指导学生根据系统响应曲线的好坏反复改变KP值和TI值，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。

最后，考虑加入微分控制。

如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。

在整定时，指导学生先置微分时间TD及微分增益KD为零，然后逐步增大TD及KD，同时相应地改变KP值和TI值，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。

　　本教学项目教学思路清晰，各个教学环节紧密相连且有序实施，使得课堂化学习具有较高效率。

每个教学环节能够抓住教学要点，采用有效的教学方法及手段对学生进行指导。

如尽量将高等数学初等化、具体化，让学生突破理论“瓶颈”；使用混合仿真法，让学生在相对安全、相对接近实际的环境下调试程序；指导学生采用凑试法整定PID参数，等等。

最终，可使学生能有效地突破技术难点，在尽量短的时间内掌握PID控制技术。