PLC用户应用程序中的控制软件

    在前面艾特贸易网文章中介绍的3种软件中，只有用户应用程序是由我们为了特定的任务而编写的，而这自编的软件中的核心功能模块，就是专司“控制”功能的一段程序。因为我们是为可编程控制器而编写的软件。

    这里的控制功能主要包括三大类型的控制任务：逻辑运算、顺序管理和过程控制。下面艾特贸易小编分别简述如下。

    早就出现的继电器电路，逻辑门、逻辑门矩阵电路等硬件，已经可实现任何用布尔代数方程表述的逻辑关系。因为它们不过就是大量的与、或、非的组合，PLC用软件取代这些功能是轻而易举的，无须赘述。

    前面我们已经在“PLC控制系统和其他过程控制系统”一节中介绍过，现在的PLC控制系统除了要完成逻辑运算控制之外，还必须能承担一定的过程控制任务。因为我们所面对的机电设备越来越复杂了，对控制的要求也越来越高了。因此必然引入控制理论，才能适应形势的发展。

    控制理论早巳发展成为一门庞大的独立学科。从经典控制理论到现代控制理论，从线性系统到非线性系统，从非时变系统到时变系统等，它所依托的数学基础早已涉及各个分支，需要完成的计算任务一般都比较复杂。PLC控制器相对于一般计算机而言，计算能力是比较差，计算速度也是比较慢的。所以它只能完成一般性的、要求精度不是特别高、反应速度不是特别快的控制任务。即使这样，它已经能够完成我们遇到的绝大多数任务了。下面艾特贸易小编介绍的几种常用于PLC中的控制算法，是较为通用的、入门级的、简单的，一般PLC完全可能胜任，其效果也是很不错的。

   (1)反馈控制。其中最常用的就是PID算法，它是一种十分古老，但又相当有效的控制方法。它根据我们对事物运动的期望值与当前实际值之差，来进行控制。简而言之有差必纠或者有错必究。无论期望值是否也在改变，但它是我们心中有数的，而实际值是需要随时观察、测量的。差则体现出控制的效果。这种根据差或是效果进行控制的想法，称为反馈控制。因为这种控制是不断循环进行的，又是一种闭环控制（如果做出控制信号框图，也是闭合环形）。至于根据差的大小如何进行控制，可以归结为三种方法：①因为“差”越大，所以纠正“差”的力度也越大。按比例进行控制。这是最直观、最基本，也是最简单的措施。一般而言，只要比例适当，效果尚可。②为了达到更准确的控制效果，对于那种虽然数值不大，但是长期存在的偏差，将其累计后作为一种补充的校正控制。好像对于长期小偷小摸的作案者，应该以惯犯量刑一样。③对于那些突如其来的偏差，因为来势凶猛，可能造成较为严重的后果，所以再补充一种校正控制。不过请特别注意，上面的讨论中并没有关注我们所要求的控制，执行机构是否能完成，也没有关注被控制的对象是否接受得了。不考虑设备的实际工作范围，后果可能是不堪设想的。如果将上述三种控制思路用数学的方法来描述，就是比例、积分和微分，简称PID控制。以上只是了解一些基本的控制思路，在PLC中如何具体实施，请读者参考后面的实例。

   (2)前馈控制。前馈控制与上面介绍的反馈控制理念完全不同，它不是根据反馈后得到的误差来进行控制的，而是根据测量所得到的信息，预先判断出对系统运行造成干扰的因素及其大小，立即采取反制措施，用以抵消干扰。这样如果处理得当，可能将误差消灭在萌芽状态，常可获得令人满意的效果。一般我们将前馈控制和反馈控制配合使用，采取“预防为主，治疗为辅”的方针效果更佳。例如，我们在开车时，见到前面一段上坡路，立即提前加大油门，就有可能基本保持原来的车速。其效果可能比已经爬到坡上，发现车速降下来再加大油门要好，反之亦然。

    前馈控制使用的前提是能发现（测量出）将可能要发生的变化，又能计算出应该采取的防止措施的大小，并且立即实施。其计算的依据多是能量守恒、物料平衡等各种物理及化学基本定律。

   (3)串级控制。有的被控对象比较复杂（被控过程的中间环节较多），或其中引入的干扰较明显等诸多原因，用一个简单的控制回路，难以达到我们的要求。于是我们将这个比较复杂的对象，分离为两个串联的，相对而言较简单的对象，也就是分解成两个依次进行的过程。首先用一个控制回路，控制好这个中间参数，再利用这个中间参数去控制原先的最终参数。显然要实现这种控制理念，并不是一定能做到的。因为很多对象不易分离（中间的过程不够清晰），或是分离后的中间参数无法测量，此时只能另谋出路。

    我们举一个常见的实例，将上述控制理念具体化。有一个电加热炉，要求将被加热物体加热并保持一定的温度。一看便知，这个温度对象的输入变量（控制变量）是输进去的电流，而输出变量（被控变量）是炉内物体的温度。其过程是由输入电流流经电热元件，电能转化产生热量，再加热炉中的空气、物体及炉体。造成温度不稳定的因素有炉内物体的变化、环境温度的变化和电源电压的波动等。经仔细测试，发现其中主要的干扰来源于电压的波动（仅对本特例而言，并非通用结论），此时可将电流作为中间参数。也就是首先单独地组成一个小的闭环系统（需要增加电流传感器和电流控制器），它能有效地排除电源电压的干扰。然后再组成温度控制闭环系统，以克服其他的干扰，保持温度的稳定。从功能框图上看，似乎增加了电流传感器和电流控制器，但是实际上电流控制器只是PLC中的一段控制程序（算法），所以增加的硬件仅是电流传感器。

    这种串级控制方法，由最简单的单回路控制变成了内环和外环两个回路。内环是电流控制环，又称副环。外环是温度控制环，又称主环。在理想条件下，可能达到的效果如等效回路所示。串级控制系统的演变图如图3-2所示。

    图3-2    串级控制系统的演变图

   (4)开关控制。在不少设备中，对被控制的参数要求较低，只要能保持在一定的范围内即可。此时我们就可能使用较简单而经济的方法（控制设备）达到目的。开关控制中使用的执行机构只有两种工作状态，非通即断。这种两位式控制方法，相对比较简单而且经济。输出控制信号也仅需要一位信号端口，控制软件（逻辑控制）简单、明了。

   (5)模糊控制。由于被控制对象的复杂性，各种参数之间的影响常常是不十分清晰而准确的，并且可能随时变化。因此建立在模糊数学基础上形成的模糊控制算法有了相当大的用武之地。它有目标明确但不苛求，思路简单明了，对信息的要求较为宽容，处理果断，但不极端的特点，有不少家电产品中，常可见到它的成功应用。

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