引言

　　PLC控制系統(tǒng)以其可靠穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、操作簡便的優(yōu)勢，成為在工業(yè)控制領(lǐng)域使用最廣泛的控制系統(tǒng)之一。PLC產(chǎn)品均支持符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，包括梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL）、結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）等。IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)極大地改進(jìn)了PLC的編程軟件質(zhì)量及提高了軟件開發(fā)效率，但在實(shí)際使用中仍存在一些問題。

　　1）編程環(huán)境的功能弱：PLC用戶程序的編程環(huán)境大都集成在配套組態(tài)軟件中，與專業(yè)編程軟件相比，編寫、調(diào)試、驗(yàn)證各環(huán)節(jié)在易用性、功能豐富程度等方面均有明顯差距。

　　2）復(fù)雜系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)困難：上述編程語言仍采用結(jié)構(gòu)化的編程方式，編寫時(shí)需要由設(shè)計(jì)人員將控制過程抽象為具體的執(zhí)行步驟。在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序時(shí)，還需要將其分解為不同的子程序，并清晰地定義各子程序的接口。這對設(shè)計(jì)人員提出了很高的要求。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，

　　出現(xiàn)了以Simulink為代表的交互式仿真平臺，擁有可視化的建模仿真環(huán)境和各種功能的專業(yè)工具包，在系統(tǒng)建模的過程就可以完成程序編程、調(diào)試、驗(yàn)證等工作。如果能夠?qū)⑼ㄟ^Simulink仿真的算法直接應(yīng)用于PLC系統(tǒng)，那么工程人員就能擺脫繁瑣的控制邏輯調(diào)試和驗(yàn)證工作，從而大幅度提高工作效率。

　　本文以一個(gè)三環(huán)控制的交流伺服系統(tǒng)作為實(shí)例，研究使用Simulink平臺進(jìn)行仿真并完成PID參數(shù)整定，通過Simulink PLC Coder生成符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本，最終應(yīng)用于PLC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。本文涉及到的開發(fā)環(huán)境如下：

　　· Matlab R2011b
　　· 中控G5控制系統(tǒng)
　　· 中控GCSContrix組態(tài)軟件

1 交流伺服系統(tǒng)

　　伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動，運(yùn)動要素包括位置、速度和力矩。三環(huán)控制的交流伺服系統(tǒng)，是在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)位置環(huán)，具有跟隨性好、響應(yīng)快速、抗擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、機(jī)械人等制造業(yè)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器等，從內(nèi)到外分別組成電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，這樣就形成了三環(huán)控制的交流伺服系統(tǒng)。

圖 1 交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 模型建立和參數(shù)計(jì)算

　　交流伺服系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示，其中ACR、ASR和APR分別為電流調(diào)試器、速度調(diào)節(jié)器和位置調(diào)節(jié)器。在工程實(shí)踐中，一般電流環(huán)和速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，位置環(huán)采用P調(diào)節(jié)器，這樣可以使系統(tǒng)取得較好的動態(tài)跟隨性和抗干擾性。

圖 2 交流伺服系統(tǒng)控制原理圖

3 Simulink仿真并生成PLC代碼

　　根據(jù)上面對交流伺服系統(tǒng)的建模和參數(shù)計(jì)算結(jié)果，在Simulink中構(gòu)建系統(tǒng)原理圖如圖3所示。首先通過Simulink仿真來確定位置環(huán)比例調(diào)節(jié)器系數(shù)Kp，即把Kp由小到大逐步仿真，直至系統(tǒng)發(fā)散，然后把Kp減小至系統(tǒng)無超調(diào)，最后得到整定值0.49。之后按下述步驟即可生成PLC代碼。

圖 3 仿真模型

　?。?）仿真模型離散化

　　由于Simulink PLC Coder只能轉(zhuǎn)換離散模型，而上述模型為連續(xù)模型，因此在生成PLC代碼還需進(jìn)行離散化。在菜單欄選擇Tools→Control Design→ModelDiscretizer，調(diào)出Simulink Model Discretizer工具將所有環(huán)節(jié)離散化，轉(zhuǎn)換方式為Tustin，采樣時(shí)間選為0.1s。

　?。?）創(chuàng)建子模塊

　　之后將模型中除Step和Scope外的部分全部框選，創(chuàng)建為1個(gè)子模塊，并在其參數(shù)選項(xiàng)中選中“Treat as atomic unit”。為將子模塊的輸入輸出參數(shù)更清楚直觀，在子模塊內(nèi)將輸入?yún)?shù)名In1、In2改為Order、Load，Out1、Out2、Out3改為Current、Speed、Position，把子模塊名改為Servo。

　?。?）生成PLC代碼

　　右鍵點(diǎn)擊創(chuàng)建的子模塊，在右鍵菜單中選擇PLCCode Generation→Generate Code for Subsystem，生成PLC代碼并保存為獨(dú)立的文件。

4 PLC系統(tǒng)的應(yīng)用及效果

　　在完成上述步驟后，就可以將Simulink生成的PLC代碼載入到PLC控制器中運(yùn)行，這里以浙江中控的G5系列PLC系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。打開配套的組態(tài)軟件GCSContrix，創(chuàng)建新工程，之后在主菜單欄上選擇“導(dǎo)入ST文件”，將Simulink生成的PLC代碼文件載入，這樣就在工程內(nèi)自動生成了一個(gè)名為“Servo”的自定義功能塊。該自定義功能塊有3個(gè)輸入引腳、3個(gè)輸出引腳，其中5個(gè)引腳分別名為Order、Load、Current、Speed、Position與之前Simulink中子模塊的輸入輸出參數(shù)對應(yīng)，均為LREAL型變量（雙精度浮點(diǎn)型變量）；另一個(gè)輸入引腳名為“ssMethodType”，為SINT型變量（短整型變量），該引腳輸入0時(shí)，該功能塊的內(nèi)部變量全部初始化為0，輸入1時(shí)該功能塊運(yùn)行。

　　為驗(yàn)證該功能塊的運(yùn)行效果，可以在上述工程中新建一個(gè)周期為100ms的周期性任務(wù)，之后在這個(gè)任務(wù)下新建一幅功能塊圖程序；添加自定義變量并連接到功能塊的引腳，自定義變量的默認(rèn)值設(shè)為0，如圖4所示。

圖 4 功能塊程序示意圖

　　將工程編譯并下載到GCS控制器后，進(jìn)入控制器調(diào)試模式，依次將TAG_Order和TAG_Type的值改為1，獲得3個(gè)輸出變量的階躍響應(yīng)曲線，如圖5右側(cè)所示。并與在Simulink仿真獲得的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行對比，如圖5左側(cè)所示，可以發(fā)現(xiàn)PLC實(shí)際控制效果符合Simulink仿真的預(yù)期結(jié)果。

圖 5 Simulink和PLC運(yùn)行單位階躍響應(yīng)曲線對比

5 結(jié)束語

　　本文介紹了三環(huán)控制的交流伺服系統(tǒng)在Simulink平臺下進(jìn)行建模仿真，將控制算法通過Simulink PLCCoder自動生成了符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本，繼而導(dǎo)入PLC系統(tǒng)編譯為控制程序。這種基于建模仿真的PLC控制程序設(shè)計(jì)方法，通過自動化生成PLC代碼的方式，使工程人員能夠通過仿真環(huán)節(jié)檢驗(yàn)控制算法的正確性，可以大幅調(diào)減少系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間和工程實(shí)施周期，是一種高效的PLC復(fù)雜控制算法實(shí)現(xiàn)方法。