引言
PLC控制系统以其可靠稳定、通用性强、操作简便的优势，成为在工业控制领域使用最广泛的控制系统之一。PLC产品均支持符合IEC 61131-3标准的编程语言，包括梯形图（LD）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、指令表（IL）、结构化文本语言（ST）等。IEC61131-3标准极大地改进了PLC的编程软件质量及提高了软件开发效率，但在实际使用中仍存在一些问题。
1）编程环境的功能弱：PLC用户程序的编程环境大都集成在配套组态软件中，与专业编程软件相比，编写、调试、验证各环节在易用性、功能丰富程度等方面均有明显差距。
2）复杂系统的程序实现困难：上述编程语言仍采用结构化的编程方式，编写时需要由设计人员将控制过程抽象为具体的执行步骤。在实现复杂的程序时，还需要将其分解为不同的子程序，并清晰地定义各子程序的接口。这对设计人员提出了很高的要求。另一方面，随着计算机仿真技术的飞速发展，
出现了以Simulink为代表的交互式仿真平台，拥有可视化的建模仿真环境和各种功能的专业工具包，在系统建模的过程就可以完成程序编程、调试、验证等工作。如果能够将通过Simulink仿真的算法直接应用于PLC系统，那么工程人员就能摆脱繁琐的控制逻辑调试和验证工作，从而大幅度提高工作效率。
本文以一个三环控制的交流伺服系统作为实例，研究使用Simulink平台进行仿真并完成PID参数整定，通过Simulink PLC Coder生成符合IEC 61131-3标准的结构化文本，最终应用于PLC系统的实现方法。本文涉及到的开发环境如下：
· Matlab R2011b
· 中控G5控制系统
· 中控GCSContrix组态软件
1 交流伺服系统
伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。三环控制的交流伺服系统，是在转速、电流双闭环调速系统的基础上，再增加一个位置环，具有跟随性好、响应快速、抗扰性强的优点，广泛地应用于数控机床、食品包装、纺织、电子半导体、机械人等制造业。其结构框图如图1所示，包括伺服电机、反馈装置和控制器等，从内到外分别组成电流环、速度环、位置环，这样就形成了三环控制的交流伺服系统。
图 1 交流伺服系统结构框图
2 模型建立和参数计算
交流伺服系统的控制原理图如图2所示，其中ACR、ASR和APR分别为电流调试器、速度调节器和位置调节器。在工程实践中，一般电流环和速度环采用PI调节器，位置环采用P调节器，这样可以使系统取得较好的动态跟随性和抗干扰性。
图 2 交流伺服系统控制原理图
3 Simulink仿真并生成PLC代码
根据上面对交流伺服系统的建模和参数计算结果，在Simulink中构建系统原理图如图3所示。首先通过Simulink仿真来确定位置环比例调节器系数Kp，即把Kp由小到大逐步仿真，直至系统发散，然后把Kp减小至系统无超调，最后得到整定值0.49。之后按下述步骤即可生成PLC代码。
图 3 仿真模型
（1）仿真模型离散化
由于Simulink PLC Coder只能转换离散模型，而上述模型为连续模型，因此在生成PLC代码还需进行离散化。在菜单栏选择Tools→Control Design→ModelDiscretizer，调出Simulink Model Discretizer工具将所有环节离散化，转换方式为Tustin，采样时间选为0.1s。
（2）创建子模块
之后将模型中除Step和Scope外的部分全部框选，创建为1个子模块，并在其参数选项中选中“Treat as atomic unit”。为将子模块的输入输出参数更清楚直观，在子模块内将输入参数名In1、In2改为Order、Load，Out1、Out2、Out3改为Current、Speed、Position，把子模块名改为Servo。
（3）生成PLC代码
右键点击创建的子模块，在右键菜单中选择PLCCode Generation→Generate Code for Subsystem，生成PLC代码并保存为独立的文件。
4 PLC系统的应用及效果
在完成上述步骤后，就可以将Simulink生成的PLC代码载入到PLC控制器中运行，这里以浙江中控的G5系列PLC系统为例进行说明。打开配套的组态软件GCSContrix，创建新工程，之后在主菜单栏上选择“导入ST文件”，将Simulink生成的PLC代码文件载入，这样就在工程内自动生成了一个名为“Servo”的自定义功能块。该自定义功能块有3个输入引脚、3个输出引脚，其中5个引脚分别名为Order、Load、Current、Speed、Position与之前Simulink中子模块的输入输出参数对应，均为LREAL型变量（双精度浮点型变量）；另一个输入引脚名为“ssMethodType”，为SINT型变量（短整型变量），该引脚输入0时，该功能块的内部变量全部初始化为0，输入1时该功能块运行。
为验证该功能块的运行效果，可以在上述工程中新建一个周期为100ms的周期性任务，之后在这个任务下新建一幅功能块图程序；添加自定义变量并连接到功能块的引脚，自定义变量的默认值设为0，如图4所示。
图 4 功能块程序示意图
将工程编译并下载到GCS控制器后，进入控制器调试模式，依次将TAG_Order和TAG_Type的值改为1，获得3个输出变量的阶跃响应曲线，如图5右侧所示。并与在Simulink仿真获得的阶跃响应曲线进行对比，如图5左侧所示，可以发现PLC实际控制效果符合Simulink仿真的预期结果。
图 5 Simulink和PLC运行单位阶跃响应曲线对比
5 结束语
本文介绍了三环控制的交流伺服系统在Simulink平台下进行建模仿真，将控制算法通过Simulink PLCCoder自动生成了符合IEC61131-3标准的结构化文本，继而导入PLC系统编译为控制程序。这种基于建模仿真的PLC控制程序设计方法，通过自动化生成PLC代码的方式，使工程人员能够通过仿真环节检验控制算法的正确性，可以大幅调减少系统调试时间和工程实施周期，是一种高效的PLC复杂控制算法实现方法。
(审核编辑: 沧海一土)
