三菱FX3G 控制器PID 手動自動無擾切換算法

許維強，袁振廷，余志平，程志強

（1.廣州優法電子科技有限公司，廣東廣州 511356；2.東莞理工學院城市學院，廣東東莞 100000；3.濰坊學院，山東濰坊 100000）

0 引言

隨著社會經濟發展和科技進步，大量機器設備采用可編程控制器作為控制核心，自動化程度越來越高，進一步推進了對產品品質和工藝過程的要求。在生產過程中，常見手動模式和自動模式之間的切換，不論哪種方式切換都必須保證生產系統無擾動，既輸出量不應因切換動作產生較大的波動。這種無擾切換對安全生產，提高生產效率和提高產品品質至關重要。

1 實現原理

一般來說，自動控制對應PID 自動調整，其輸出值取決于PID 的計算結果，輸出值用A 表示，手動控制對應寄存器直接給定，給定值用B 表示。當從自動控制切換到手動控制時，應將A賦值給B;當從手動控制切換到自動控制時，應將B 賦值給A。因此，在切換的時刻，可以保證A=B 成立,從而實現控制器輸出不發生劇烈波動。

在工業過程控制中，自動控制非PID 算法莫屬。PID 算法通過誤差信號控制被控量，是比例、積分、微分三個環節的和。PID及衍生算法是應用最廣泛的控制算法，是經典中的經典。三菱公司FX3G 系列PLC 支持PID 指令，根據三菱編程手冊可知，其指令格式為：

PID S1,S2,S3，D

其中，S1 為設定值SV；S2 為反饋值PV；S3 為采樣時間，設定范圍0～32 767 ms；S4 為控制字（可以控制動作方向，變化量報警檢測、上下限、自動調諧）；S5 為輸入濾波常數，設定范圍0～100%；S6 為比例增益K，設定范圍0～32 767%；S7 為積分時間T，單位100 ms，設定范圍0～32 767；S8 為微分增益Kd,設定范圍0～99%；S9 為微分時間，單位10 ms，設定范圍0～32 767；S10～S23 PID 內部計算占用；S24 輸入變化量（增側）報警設定值；S25 輸入變化量（減側）報警設定值；S26 輸出變化量（增側）報警設定值，或輸出上限設定；S27 輸出變化量（減側）報警設定值，或輸出下限設定；S28 報警輸出功能選擇。特別說明，PID 的計算結果存放在D 寄存器中，該寄存器一般選擇非停電保持寄存器。對于指定掉電保持寄存器的情況，在PLC 初始化時用RST 指令清除該寄存器的內容。

對于正動作PID，三菱給出的計算公式為[1]：

式中，EVn是本次采樣偏差，EVn-1是前一采樣偏差，SV 是目標值，PVnf是本次采樣值（濾波后），PVnf-1是前一周期采樣值（濾波后），PVnf-2是前兩周期采樣值（濾波后），MV 是輸出變化量，MVn是本次操作量，Dn是本次微分項，Dn-1是前次微分項，Kp是比例增益，Ts是采用周期，Ti是積分時間，Td是微分時間，d 是微分微分增益。由公式可知，此PID 算法按增量方式計算，以累加結果作為輸出量[2]。即通過修改PID 的輸出結果MVn，可以影響下一周期的輸出MVn+1。這個特性為手動到自動的切換創造了條件。

圖1 手動和自動切換原理圖

對照圖1，當切換開關從手動狀態切換到自動狀態的上升沿，將手動D 寄存器的數值賦值到PID 的輸出寄存器MVn，然后PID 開始工作，PID 的輸出以手動D 寄存器的數值為起始點開始變化，實現從手動到自動的無擾切換；當切換開關從自動切換到手動狀態的下升沿，將PID 的輸出寄存器MVn的值賦值到手動D 寄存器，然后停止PID 計算，此時手動D 寄存器的值為PID 最后的計算結果，實現從自動到手動的無擾切換。切換后，操作員根據自己的需要修改手動D 寄存器的值。

2 工程實例

吹膜機是塑料行業的一種常見設備。其特點是連續生產，對薄膜厚度和寬度有嚴格要求，是一個典型的過程控制。開機時，一般先手動調整到一個合適的狀態，然后切換到自動，這種切換就要求平穩過渡，一旦出現波動，就會造成廢品。在停機時，一般會從自動切換到手動狀態，同樣也不能出現波動。無擾切換部分程序代碼及說明注釋如下：

經實際工程驗證，在手動自動切換時平穩過渡，實用效果好，達到設計目的。

3 結束語

深入研究三菱FX3G 系列PLC 的PID 功能算法，提出手動自動切換原理圖，設計無擾切換的思路，展示具體實現代碼算法。類似工程實踐可借鑒該算法。