驱动功能块及闭环控制

本实验结合进纸滚筒电动机的速度反馈设计一个闭环系统，并用功能块来实现。

驱动控制系统用来调节送到造纸机中纸的速度，如果进纸滚筒加速或减速都有可能把纸撕破，因此要求对进纸滚筒的电动机实际速度进行监控。下面将在在ControlLogix系统中使用驱动功能块创建一个如图3-50所示的闭环控制系统，并对用到的PI指令设置比例和积分增益以调节速度。

图3-50 闭环控制系统结构图

在这个实验里用ControlLogix DEMO箱中的第一个模拟量输入口（AIO）代表进纸滚筒的设定值，将0～10V的信号定标以代表电动机的RPM设定值。

由于使用0～10V电压信号模拟速度值输入，范围为0～10V的电压表模拟速度值输出，故可以定标如下：

输入整定为：0V=0RPM，10V=1000RPM；

输出整定为：0RPM=0V，1000RPM=10V。

把速度设定值和实际速度值相减得到一个偏差，再将偏差作为PI功能块的输入，在PI调节器的作用下就可以产生一个速度的校正值，然后再反馈回系统。

用PI回路来控制驱动控制系统，所以可以用每10ms运行一次的周期任务，PI算法中的积分增益取决于下列公式中的时间间隔：

Output=Kp*Error+Ki*（deltaT）+IA，其中deltaT为时间间隔。

当PI或PID回路作为周期任务执行时，回路中用到的时间间隔和周期任务的时间间隔是一样的，所以，这里PI回路中的deltaT将自动设定为10ms。

本实验主题：

●创建功能块图项目控制驱动系统。

●采用闭环控制。

●闭环系统中选择起始触发的选择。

●采用比例和积分增益。

●功能块报警面板。

实验步骤：

1）打开RSLogix5000软件。新建项目“Motor_Speed3”，如图3-51所示。

图3-51 新建项目“Motor_Speed3”

2）右键单击“Tasks”（任务）文件夹，从弹出菜单中选择“New Task…”（新建任务）并命名任务为“Outfeed”。设定周期为10ms，参数设置如图3-52所示。

我们已经创建了一个每10ms执行的周期性任务，我们还必须在里面再创建一个运行程序。

图3-52 设置任务属性

3）在项目资源管理器中，右键单击周期型任务“Outfeed”，从弹出菜单中选择“New Program”（新建程序），把程序命名为“Drive_system”，如图3-53所示。

完成后单击“OK”。

在项目资源管理器下可以看到如图3-54所示画面。

图3-53 命名程序

图3-54 项目资源管理器

4）接着再在程序中创建一个运行的例程（routine）。

右键单击程序“Drive_system”。选择“New Routine...”（新建例程）。例程类型为“Function Block Diagram”（功能块图），如图3-55所示。

图3-55 新建例程

项目树如图3-56所示。

5）现在需要把该“Routine”规划到运行程序中。

右击程序“Drive_system”，在“Properties”（属性）的“Configuration”选项卡中选择“function_blk”作为主例程，如图3-57所示。

由图3-58可以看出，外部电压输入（速度给定值）到模拟量输入模块后，整定为项目量（转速）后与速度反馈相减计算偏差值，然后对偏差值进行PI运算，最后得出速度控制值。

下面我们编程实现虚线框内的偏差值PI控制算法。

注意：Scale（项目量整定）这部分工作无需编程，可以在模拟量模块通道组态过程中完成，Alarm（报警）同样如此。

图3-56 项目资源管理器

图3-57 指定主例程

图3-58 速度调节系统结构图

创建功能块程序中所需的标签Command_Speed、Output_Speed和Actual_Speed。这些标签都是Drive_system程序域标签。右键单击“Program Tags”，从弹出菜单中选择“New Tag”（新建标签）。输入如图3-59所示。

创建完成后，双击Drive_system→Program Tags，Drive_system程序域中标签如图3-60所示。

接下来，编写功能块程序。在项目资源管理器中，单击“fuction_blk”功能块例程。

与前面的实验相同，首先需要添加的功能块为IREF（Input Reference）。并为两个IREF功能块输入标签Command_Speed和Actual_Speed，如图3-61所示。

图3-59 创建新标签

图3-60 Drivesystem程序域中标签

图3-61 添加功能块IREF

如果将给定速度“Command_Speed”减去电动机的实际速度“Actual_Speed”，用产生的偏差去校正它，所以接下去要添加一个减法功能块。

找到工具栏中“Favorite”大类，单击“SUB”指令，在图上添加一个减法功能块。在SUB功能块上双击参数按钮，弹出如图3-62所示属性框。

注意功能块里的参数，“SourceA”代表设定点或期望的速度。该系统中需要将“Com-mandSpeed”与“SourceA”相连。

把IREF模块“Command_Speed”连到减法功能块的“SourceA”。

要把设定值减去电动机的实际速度，就需要将另一个IREF指令“Actual_Speed”作为输入参考加到“SourceB”上，如图3-63所示。

图3-62 SUB属性框

图3-63 连接功能块

减法功能块的输出（Dest）代表电动机实际值和理想值间的偏差。把这个偏差加到PI指令中，计算校正值。从工具栏“Drive”中选择PI指令，如图3-64所示。

图3-64 选择PI指令

把减法功能块的“Dest”这一点连到PI指令的输入，如图3-65所示。

图3-65 连接功能块

打开PI指令的参数表，如图3-66所示。

图3-66 PI指令参数表

在功能块编辑器中PI功能块与梯形图编辑器中使用的PID指令稍微有些不同，首先它没有微分增益，只有比例和积分增益。所以，PI直接把增益用到输入信号（偏差）上而不是输入信号的变化量上。其次，必须在PI功能块以外产生偏差（用减法功能块作设定值和反馈量的减法运算），再把这个偏差反馈作为PI功能块的一个输入。

比例增益：这个增益用来使得过程变量很快到达设定值，然而，过大的增益会引起过程变量超调，从而使系统不稳定，在这个实例中，就会撕破纸筒甚至损坏设备。而增益太小又会使系统响应时间过长，输出响应可能比较稳定，但永远到不了设定值。

积分增益：这个增益用于使得过程变量稳定在某一值，通过消除余差到达设定值，控制器输出的变化量正比于偏差存在的时间总量。所以，偏差存在的时间越长，积分增益需要校正的就越多，如果这个值太大，系统本身将会超调变得不稳定，始终在设定值上下振荡。

一开始只需在系统中加入比例增益。(www.xing528.com)

把比例增益（Kp）设为1。

把“HighLimit”设为1000，这样PI指令的输出就不会超出1000，这是电动机运行的最大值。

把“LowLimit”设为0，这样PI指令的输出就不会是负值，送给电动机的速度也不会低于0r/min。

选择“OK”。

PI指令的输出就是要送给进纸滚筒的新指定速度的校正值。将PI指令的输出值与一个OREF功能块相连，并为该OREF功能块添加标签“Output_Speed”，如图3-67所示。

将PI指令的输出与SUB指令的“SourceB”相连，构成闭环系统，如图3-68所示。

对于闭环控制系统而言，如果一组功能块在同一闭环内，则控制器无法确定哪个功能块

图3-67 编辑OREF功能块

图3-68 编辑闭环回路

最先执行。也就是说，它无法解析回路，如图3-69所示。

图3-69 无法解析回路

为确定功能块的执行顺序，可使用假定数据有效（Assume Data Available）指示来标记用于创建回路（反馈线）的输入线。对于本实验而言，功能块1（SUB）使用功能块2（PI）在上次例程执行后的输出。假定数据有效（Assume Data Available）指示确定了回路内数据流向。箭头指示了数据输入到回路的首个功能块。切忌使用假定数据有效（Assume Da-ta Available）指示来标记回路中所有连接线，如图3-70所示。

程序编写完成。接下来，进行I/O组态。

注意：要将外部电压输入0～10V整定为转速值0～1000r/min，传统的方式需要添加专门的工程量整定指令。对于ControlLogix平台，只需要在模拟量输入/输出模块向导中就可以完成工程量整定、校准和报警等功能的设置，无需专门编写程序。

添加一个模拟量输入模块，用作速度给定。单击“I/O Configuration”文件夹，选择“New Module”（添加新模块）。从添加模块列表中选择“1756-IF6I”。从弹出对话框中输入如图3-71所示属性。

图3-70 标记反馈线

图3-71 “1756-IF6I”模块属性对话框

输入后，单击“Next”，弹出如图3-72所示对话框。

图3-72 “1756-IF6I”默认属性

该页不修改，单击“Next”，弹出如图3-73所示对话框。

该页只能在线监视，单击“Next”，弹出如图3-74所示工程量整定对话框。

该页用于设定工程量整定0～10V对应0～1000r/min。完成后，单击“Next”，弹出报警设置对话框，如图3-75所示。

图3-73 “1756-IF6I”可在线监视的属性

图3-74 工程量整定对话框

图3-75 报警设置对话框

在该页分别设定高高报警、高报警、低报警以及低低报警。一旦超过该值，相应报警位置位以提示用户。

单击“Next”，弹出校准对话框，如图3-76所示。

图3-76 校准对话框

模块各通道的校准只有在线状态下方可进行，按下“Next”，弹出如图3-77所示模块属性对话框。

图3-77 模块属性对话框

通过该对话框可在线浏览模块属性，此时“Next”按钮呈灰色，表示所有对话框均设置完，单击“Finish”（完成）。

下面添加一个模拟量输出模块用作输出控制。

单击“I/O Configuration”文件夹中选择“New Module”（添加新模块）。将模拟量输出模块通道依次按各对话框设置，其中，模块属性和工程量整定如图3-78所示。

报警设置对话框如图3-79所示。

同时利用“Aliasfor”（别名标签）完成程序标签与I/O地址间映射。

图3-78 工程量整定对话框

图3-79 报警设置对话框

注意：由于没有实际的电动机和编码器，实际转速（Actual_Speed）值也就无法测得，故在此使用模拟量输出模块0通道“Local∶5∶O.Ch0Data”值模拟实际转速。

以“Command_Speed”标签与地址“Local∶4∶I.Ch0Data”映射为例，左键单击选择“Drive_system”程序中“Program Tags”（程序域标签），单击右键在弹出菜单中选择“Edit Tags”（编辑标签）。弹出标签编辑窗口，如图3-80所示。

图3-80 标签编辑窗口

如果对“Command_Speed”标签映射的I/O地址很熟悉，可以直接在“Alias For”一列中输入该I/O地址。如果对该I/O地址不熟悉，我们可以通过软件来帮助输入地址。左键单击“Command_Speed”一行的“Alias For”（别名），并单击出现的向下箭头。逐层展开，直至出现如下画面，选择“Local∶4∶I.Ch0Data”，表示标签“Command_Speed”与“1756-IF16”的通道0（即“Local∶4∶I.Ch0Data”）建立了映射关系，如图3-81所示。

图3-81 标签与地址的映射关系

按照上述步骤，建立标签“Actual_Speed”、“Output_Speed”与“Local∶5∶O.Ch0Data”的映射关系。建立完成后，标签编辑窗口如图3-82所示。

图3-82 标签编辑窗口

将程序下载到1756-L6H控制器中如图3-83所示。

图3-83 扫描到控制器

单击“Download”（下载）按钮，下载后显示RSLogix5000界面如图3-84所示。

图3-84 RSLogix5000运行界面

通过PI指令的参数来看一下比例增益和积分增益对输出响应有什么影响。

首先，将比例增益Kp值设为0.5，并调整“Command_Speed”的值（旋转AI0），观察输出值大小，如图3-85所示。

图3-85 观察输出值

可以看出，实际转速值与给定转速值之间有较大的偏差。

再添加积分增益看看它对输出响应有什么影响。

将积分控制算法中参数“Wld”设为1.0，然后选择“OK”，如图3-86所示。

图3-86 将积分参数“Wld”设为1.0

再来监视实际转速值，如图3-87所示。

图3-87 监视实际转速值

由此可以看出，系统中的任何小偏差都可以通过积分增益来校正，使RPM变得平稳，然而在现有系统的基础上有时到不了1000r/min，这是因为ControlLogix DEMO箱上的端口输出值在旋钮右转到底时，可能并不是10V（检查“Local∶0∶I.Data.0”中的值），另外变频器可能对系统产生一些影响，在这个实验里没有考虑在内。