引言

　　PLC控制系統以其可靠穩定、通用性強、操作簡便的優勢，成為在工業控制領域使用最廣泛的控制系統之一。PLC產品均支持符合IEC 61131-3標準的編程語言，包括梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL）、結構化文本語言（ST）等。IEC61131-3標準極大地改進了PLC的編程軟件質量及提高了軟件開發效率，但在實際使用中仍存在一些問題。

　　1）編程環境的功能弱：PLC用戶程序的編程環境大都集成在配套組態軟件中，與專業編程軟件相比，編寫、調試、驗證各環節在易用性、功能豐富程度等方面均有明顯差距。

　　2）復雜系統的程序實現困難：上述編程語言仍采用結構化的編程方式，編寫時需要由設計人員將控制過程抽象為具體的執行步驟。在實現復雜的程序時，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。這對設計人員提出了很高的要求。另一方面，隨著計算機仿真技術的飛速發展，

　　出現了以Simulink為代表的交互式仿真平臺，擁有可視化的建模仿真環境和各種功能的專業工具包，在系統建模的過程就可以完成程序編程、調試、驗證等工作。如果能夠將通過Simulink仿真的算法直接應用于PLC系統，那么工程人員就能擺脫繁瑣的控制邏輯調試和驗證工作，從而大幅度提高工作效率。

　　本文以一個三環控制的交流伺服系統作為實例，研究使用Simulink平臺進行仿真并完成PID參數整定，通過Simulink PLC Coder生成符合IEC 61131-3標準的結構化文本，最終應用于PLC系統的實現方法。本文涉及到的開發環境如下：

　　· Matlab R2011b
　　· 中控G5控制系統
　　· 中控GCSContrix組態軟件

1 交流伺服系統

　　伺服來自英文單詞Servo，指系統跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。三環控制的交流伺服系統，是在轉速、電流雙閉環調速系統的基礎上，再增加一個位置環，具有跟隨性好、響應快速、抗擾性強的優點，廣泛地應用于數控機床、食品包裝、紡織、電子半導體、機械人等制造業。其結構框圖如圖1所示，包括伺服電機、反饋裝置和控制器等，從內到外分別組成電流環、速度環、位置環，這樣就形成了三環控制的交流伺服系統。

圖 1 交流伺服系統結構框圖

2 模型建立和參數計算

　　交流伺服系統的控制原理圖如圖2所示，其中ACR、ASR和APR分別為電流調試器、速度調節器和位置調節器。在工程實踐中，一般電流環和速度環采用PI調節器，位置環采用P調節器，這樣可以使系統取得較好的動態跟隨性和抗干擾性。

圖 2 交流伺服系統控制原理圖

3 Simulink仿真并生成PLC代碼

　　根據上面對交流伺服系統的建模和參數計算結果，在Simulink中構建系統原理圖如圖3所示。首先通過Simulink仿真來確定位置環比例調節器系數Kp，即把Kp由小到大逐步仿真，直至系統發散，然后把Kp減小至系統無超調，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

　　（1）仿真模型離散化

　　由于Simulink PLC Coder只能轉換離散模型，而上述模型為連續模型，因此在生成PLC代碼還需進行離散化。在菜單欄選擇Tools→Control Design→ModelDiscretizer，調出Simulink Model Discretizer工具將所有環節離散化，轉換方式為Tustin，采樣時間選為0.1s。

　　（2）創建子模塊

　　之后將模型中除Step和Scope外的部分全部框選，創建為1個子模塊，并在其參數選項中選中“Treat as atomic unit”。為將子模塊的輸入輸出參數更清楚直觀，在子模塊內將輸入參數名In1、In2改為Order、Load，Out1、Out2、Out3改為Current、Speed、Position，把子模塊名改為Servo。

　　（3）生成PLC代碼

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

4 PLC系統的應用及效果

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

　　為驗證該功能塊的運行效果，可以在上述工程中新建一個周期為100ms的周期性任務，之后在這個任務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，自定義變量的默認值設為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，進入控制器調試模式，依次將TAG_Order和TAG_Type的值改為1，獲得3個輸出變量的階躍響應曲線，如圖5右側所示。并與在Simulink仿真獲得的階躍響應曲線進行對比，如圖5左側所示，可以發現PLC實際控制效果符合Simulink仿真的預期結果。

圖 5 Simulink和PLC運行單位階躍響應曲線對比

5 結束語

　　本文介紹了三環控制的交流伺服系統在Simulink平臺下進行建模仿真，將控制算法通過Simulink PLCCoder自動生成了符合IEC61131-3標準的結構化文本，繼而導入PLC系統編譯為控制程序。這種基于建模仿真的PLC控制程序設計方法，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節檢驗控制算法的正確性，可以大幅調減少系統調試時間和工程實施周期，是一種高效的PLC復雜控制算法實現方法。