王泓潇

摘要：目前，工科高校控制系统设计实验教学大多只进行控制系统实现等内容，更侧重PID参数整定过程，忽略了控制系统仿真在控制系统设计中的重要地位，难以全面培养学生设计控制系统的能力。按照系统结构设计、控制系统仿真、控制系统实现和系统性能分析四个部分设计实验内容，能够培养学生“先仿真再实践”的严谨科研素养。另外，实验结果表明被控对象模型建立较为准确，且在阶跃、三角波等给定信号作用下具有良好的跟随性能。

关键词：控制系统设计；Matlab仿真；PLC；6RA70；高速计数器；综合性实验

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）43-0248-04

一、引言

控制系统设计是自动化专业人才培养的重要内容，涉及自动控制原理、过程控制系统、计算机控制系统、自动控制系统等多门专业课程，也是自动化专业本科阶段课程的综合体现。因而理论性和实践性都很强，对学生的综合能力要求较高，但是由于学生知识体系不足，对控制系统设计的思路和方法没有完整全面的认识，难以把课本中的定理和分析方法应用到实际系统设计当中。目前，由于实验的时间或硬件等条件限制，大多数控制系统设计实验只进行控制系统实现，更侧重于PID参数整定的过程，缺少控制系统仿真设计内容，不利于学生综合实践能力的培养。西门子公司的s7-300PLC和6RA70直流调速设备目前市场占有率较高，应用范围广。为更贴近学生就业需求，提高实验的实用性和学生学习兴趣，针对以上问题，提出基于西门子S7-300与6RA70的随动控制系统设计与实现实验方案，按照系统结构设计、控制系统仿真、控制系统实现及系统性能分析的思路，完成随动控制系统的设计与实现。通过综合性实验课程的设计，帮助学生养成“先仿真再实践”的严谨科学研究素养，同时积累工程实践经验，培养学生设计完整控制系统方案的能力，为后续毕业工作和研究生学习打下良好基础。

二、系统结构设计

本实验控制系统采用全数字系统，系统结构原理图如图1所示。整个系统包括PLC（含高速计数器模块）、6RA70（实现电流闭环控制及电机过流保护）、直流电动机及旋转编码器（增量式）。其工作原理：给定速度信号与经过高速计数器模块反馈回的实际转速进行比较，经过PLC中PI调节器得到控制量，其作为6RA70电流调节器的给定信号，电流调节器输出量驱动直流电动机。其中可将6RA70与直流电机看作一个整体，作为转速环的被控对象。

三、控制系统仿真

（一）6RA70开环设置

西门子全数字直流调速系统6RA70可以实现单象限或四象限运行，以及转速电流双闭环控制或仅电流闭环控制。本实验采用6RA70电流闭环控制模式对电机电枢电流进行控制，将电流环与电机作为整体看作转速环的被控对象，测试被控对象的启动曲线，以便建立被控对象数学模型。采用Drivemonitor软件进行6RA70调速装置启动及参数优化，6RA70装置启动默认为双闭环结构，为使6RA70仅实现电流闭环控制，需将转速环除去，具体参数设置如下：（1）旁路6RA70内部斜坡发生器，令P634=K0193。（2）旁路速度调节器ASR，令P607=K0170。（3）保留各处原有限幅电路。

（二）被控对象模型辨识

得到被控对象阶跃响应曲线后，可从Drivemonitor软件中导出给定电压与输出转速的400组采样数据，运用MATLAB进行模型辨识[1-2]，具体过程如下：（1）筛选数据：选择转速上升段（即转速从零到稳定的过渡过程）数据用于被控对象模型的辨识。（2）格式转换：将.txt文件转换为.xlsx文件方便导入MATLAB工作空间，并將数据转换成辨识工具使用的组合数据形式。（3）模型辨识：在MATLAB命令行窗口中输入ident，打开SIT工具箱，导入采样数据，采样时间设为10s/400=0.025s。在Estimate中选择Process Models，设置传递函数模型中零极点个数，本实验由电流环（PI调节器）和电机（二阶模型）作为整体构成被控对象，传递函数模型极点个数应不超过3个，零点个数应不超过2个，在适应率高模型中选择二阶无零点的模型作为被控对象的传递函数模型，适应率为96.2%。

（三）控制系统仿真

根据被控对象传递函数，利用Matlab对控制系统进行仿真，为使系统对阶跃和斜坡输入均是无静差的，且具备较好的抗扰性能，转速环按三阶典型系统来设计，转速调节器采用PI调节器。在单位阶跃给定信号下，经试凑法得到控制器比例系数P=9.9，积分系数I=20，调节时间为0.06s，系统超调量为4%。在三角波给定信号下，控制器参数P=18，I=30，系统偏差最大值为1%，仿真曲线如图2所示。

四、控制系统实现

（一）控制系统硬件搭建

本实验采用型号为欧姆龙E6C2-CWZ5B的24V增量型旋转式编码器，2000P/R，PNP开路集电极输出。其与PLC高速计数器模块FM350-1接线如表2所示。

由于转速调节器的控制量从PLC传输到6RA70，所以PLC模拟量输出模块（采用-10V至+10V电压两线制）与6RA70接线如表3所示。

（二）PLC组态及程序设计

1.高速计数器模块设置。硬件连接完成后，在STEP7软件中进行组态，并按照编码器型号对高速计数器模块进行配置。选择FM350，双击进入参数设置界面，在“Encoders”中具体设置如下：设置“SingalType”为“24Vincremental”表示24V增量型；“Signalevaluation”为脉冲计数率，此处选择“single”方式，只对B相为低电平时A相的上升或者下降沿计数。根据编码器为PNP开路集电极输出，在“sensorinputs”中选择“sinkoutput/push-pull”，表示按照漏型方式接收信号。“OperatingModes”用来选择模块的工作方式，选择“RPM measure”表示转速测量，选择软件门控制“SW Gate”，同时将Update设置为10×10ms，每100ms计算一次转速。将每转脉冲数“Pulseperencoderrevolution”设置为2000。需要注意的是以上参数设置必须依据编码器型号不同进行调整。另外，完成组态后还需对高速计数器模块进行软件设置，才可从该模块中读取到测速信息。

2.多种给定信号程序设计。OB35是定时中断组织块，将给定信号生成程序编写在OB35中可以实现相同时间间隔的数值累加，进而生成微观上离散、宏观上连续的给定波形。OB35默认的调用时间间隔为100ms，可以根据需要进行更改，定时范围是1-60000ms。本实验设置中断时间t0为10MS。利用OB35循环中断的特点，能够生成周期固定不变的波形，且程序结构简单易懂，程序参数修改和维护较为方便。如果写在OB1中，则必须引入定时器模块，程序编写复杂。

编写周期为T，幅值为Ymax的三角波程序的步骤如下：

Step 1横坐标X=X+1，设置自加最大值Nmax；

Step 2如果横坐标X

其中，周期T=Nmax*循环中断时间t0，幅值Ymax=Nmax/2*M，Nmax>0，0

编写周期为T，幅值为1的正弦波程序的步骤如下：

Step 1设置采样时间t，横坐标弧度值X=X+t，设置自加最大值Nmax；

Step 2纵坐标Y=SIN（X）*100；如果X>2π，则Y=0，X=0。

其中，采样时间t=2π/Nmax，周期T=2π*循环中断时间t0。

3.轉速环PID模块编程。转速调节器采用PID功能块（FB41）实现。可将FB41块写在OB35中断组织块中，并生成背景数据块DB41装载FB41的输入输出参数，其中用到的参数有：给定输入SP_INT，反馈值输入PV_IN；控制器输出LMN，PID上极限LMN_HLM，PID下极限LMN_LLM；比例分量、积分分量和微分分量分别为LMN_P、LMN_I、LMN_D。参数设置需要注意一下几点：（1）SP_INT、PV_IN、LMN都是0-100%之间的实数，输入数值只取百分号之前的数即可。而这几个变量通常都是来自模拟量输入和模拟量输出模块的实际值，需将其转换为无量纲的百分数，对于给定值SP-INT=PIW*100/27648；对于控制器输出，PQW=LMN*27648/100；对于反馈值PV-IN，数据来自高速计数器，PV-IN=FM350计数值/额定转速对应计数值*100。（2）PID的采样时间CYCLE尽量与OB35的采样时间设置一致，这里设置成10MS，以确保PID参数的实时性。如果不一致，修改Ti，保证循环时间与积分时间Ti的乘积与原来的采样时间与积分时间Ti的乘积保持不变，也能保证控制性能不变[3]。（3）LMN_HLM一般设置成100%，LMN_LLM一般设置成0%，如果需要双极性调节，则需设置为-100%。由于双闭环中转速环ASR调节器输出为电流环ACR调节器的给定，因此ASR调节器输出最大值要根据6RA70允许最大电枢电流进行设置，此处LMN_HLM=6RA70允许最大电枢电流/6RA70模拟量输入信号最大值=15%。

STEP7软件自带的“PID控制参数赋值”上位机软件可以直接对FB41的关键参数进行修改，便于PID参数整定。PID参数整定的方法有很多，如：临界比例度法、衰减震荡法、试凑法等，参数整定过程不再赘述。

五、系统性能分析

为检验系统的跟随性能，分别对阶跃和三角波给定信号进行测试，阶跃输入的跟随曲线如图3所示。对于阶跃给定信号，控制器比例系数P=11，积分时间Ti=0.3时转速超调量为8%，调节时间为0.5s。对于三角波给定，控制器参数P=20，Ti=0.08转速偏差最大值为6%，跟随效果较好。PID参数与仿真参数相差不是很大，说明被控对象模型建立较为准确。

六、结语

本文按照系统结构设计、控制系统仿真、控制系统实现及系统性能分析的步骤完成了基于西门子S7-300和6RA70的随动控制系统设计方案，实现了多种给定信号下的跟随。整个综合实验项目的设计涉及自动控制原理、计算机控制系统、电气传动控制、电器控制基础与可编程控制器、Matlab仿真与应用等课程内容，将专业知识融合起来应用于实际控制系统设计当中，调动了学生动手实践的积极性，应用于实际教学，取得了很好的教学效果。

参考文献：

[1]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]王毅，王平，苏伟达.基于PI控制的直流电机模型参数辨识[J].电力与电工，2010，30（02）：30-33.

[3]孙长明，宫萍.西门子PLC的PID功能块FB41中采样时间与循环时间的关系[J].有色矿冶，2009，25（2）：65-67.

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