可编程逻辑控制器(plc)用于从相对简单的单输入单输出控制回路到具有多个耦合回路和复杂监控算法的系统的控制问题。对于简单的控制问题，例如单个比例-积分-微分(PID)环路，工程师可以实现PID控制器并在机器运行时调整增益。对于更复杂的控制问题，在plc上编码和验证控制逻辑更具挑战性。设计人员必须确定多个控制器参数的值，并确保控制算法的所有部分按照预期协同工作。在硬件原型或实际过程中调整一个复杂的控制器不仅耗时;这涉及到损坏设备的相当大的风险。
解决方法是利用仿真来设计和验证模型中的复杂控制策略。然后，可以使用相同的模型自动生成IEC 61131结构化文本，以编写用于部署的plc。本文以一个轧钢厂系统为例对该方法进行了说明。
轧钢系统:控制设计目标
轧钢机从钢坯中生产出厚度均匀的钢板。它通常由几个轧制阶段组成，每个阶段中的辊子都会压缩通过它的钢板（图1）。在辊子阶段之间，活套阶段保持钢板的张力，防止撕裂和松弛。
为了模拟多阶段过程，我们首先对单个轧机阶段进行建模和控制。更一般的配置可以通过连接这些更简单的设置来分析。
我们简易磨机的控制系统必须满足以下要求：
- 在最后一个轧辊出口的生产钢保持8毫米+/- 0.1毫米的厚度
- 在最后一个辊子出口处，将所需吞吐量保持在1 m/s+/-0.1 m/s
- 每个滚筒100秒后，保持物料张力为1.75 N/M^2 x 10^5
- 检测传感器和执行器中的故障，并从中恢复或安全关闭
创建植物模型
我们首先创建一个Simulink万博1manbetx®我们将使用的轧机模型来开发和测试我们的控制器。我们在两个步骤建模的过程，首先建模的个别滚动阶段，然后在他们之间的活套。在轧制阶段，一个液压驱动器被用来产生轧辊压缩力，从而压缩钢带。由电机驱动产生的滚动力矩有助于控制滚动速度。使用SimMechanics™, Simscape™, SimHydraulics®我们可以分别对辊子的机械、电气和液压元件进行建模，而不必明确地推导方程。
我们使用SimMechanics对活套进行建模，将活套及其前后的钢带表示为通过接头连接的三个主体。然后我们将滚动阶段和活套阶段模型合并到一个Simulink系统模型中(图2)。万博1manbetx
控制器的设计和验证
下一步是使用工厂模型来设计控制器。图3显示了多级轧机过程的典型控制系统的多回路体系结构。
控制系统由以下补偿器组成：
AGR-控制液压阀的开启以产生轧制压缩力来控制带钢厚度
ASR-向直流电机指令电压，从而产生轧制扭矩，从而控制带钢速度
大型强子对撞机-设置辊子的转速参考，以间接实现所需的物料张力（当张力高于要求值时，则设置更高的速度设定点，以提供额外的材料来降低张力。如果张力低于要求值，则通过降低板材吞吐量来消除松弛。）
铁建-向活套电机指令电流，以定位活套以保持材料张力
注意，所有的循环都是耦合的。例如，AGR补偿器控制的液压作动器不仅影响带钢厚度，还影响带钢速度。LHC和ASR补偿器共同工作以保持所需的张力和带钢速度。
我们首先设计了控制单辊运行的补偿器。我们首先使用Simulink控制设计将非线性模型线性化万博1manbetx™．然后我们使用Simulink Control design中的PID设计工具来调整控制器，以计算控制器增益。万博1manbetx在给定期望的响应时间下，调谐器(图4)自动计算PID增益。使用Sim万博1manbetxulink设计优化™我们微调控制器增益，使系统在非线性存在的情况下表现良好。通过运行非线性仿真对总体设计进行了验证。注意，对象模型有两个目的:我们使用由Simulink Control Design生成的线性化对象模型来调整我们的补偿器，我们使用完整的非线性对象模型来验证我们的控制器设计，使用闭环仿真。万博1manbetx
多级过程的建模与仿真
使用自定义库块，我们将轧机阶段和活套阶段子系统重用为多阶段过程中的组件(图5)。
附加子系统用于对过程的其他方面进行建模，如质量守恒和不同磨机阶段的运输延迟。图6显示了流程中三个阶段中每个阶段的流程变量。已达到每个阶段的厚度设定点，以生产出符合要求中规定厚度的板材。不同机架之间板材张力的干扰也得到了有效抑制。
故障检测逻辑的设计与验证
除反馈补偿器外，过程控制器还必须包括监控、故障检测和恢复逻辑，以监控系统中传感器和执行器的状况。我们的重点是故障恢复逻辑，用于检测液压阀中的故障并采取纠正措施。具体而言，我们的逻辑将把总体厚度减少目标分配到多级过程中各阶段的各个厚度设定点。当一个阶段的液压压缩失败时，逻辑检查其他阶段是否可以补偿失败的阶段。如果可以，将重新计算工作阶段的减薄设定点，以实现总体减薄目标。
我们使用Stateflow®来开发这个逻辑(图7)。请注意，这个逻辑是实际过程控制必须开发的一个简化表示，因为它假设失败阶段不提供任何压缩，但允许材料通过。在实际的设置中，需要一个更加全面和复杂的逻辑。
我们可以通过人为地在Simulink模型中引入故障来测试逻辑。图8显示了容错逻辑的模拟结果。当一个阶段出现故障时，监控控制器检查负载是否万博1manbetx可以分配到其余的正常阶段。如果可以，则命令新的减薄设定点到t单个阶段AGRs。如果不能，则通过停止板材移动关闭流程。
在PLC上实现控制器
我们使用Sim万博1manbetxulink PLC编码器™从控制器自动生成IEC 61131结构化文本。然后可以将这个可移植的结构化文本导入到用于目标PLC硬件的IDE中。图9显示了由故障检测和容纳逻辑生成的IEC 61131结构化文本。注意，生成的结构化文本有很好的注释，可以很容易地追溯到模型。
自动代码生成消除了手工编码可能引入的错误，并有助于确保最终的结构化文本在PLC上产生的数值结果与我们在仿真中看到的结果密切匹配。万博1manbetxSimulink PLC Coder生成一个测试平台，让我们可以将IDE的测试执行结果与原始模拟结果进行比较。
如果我们想使用硬件在环测试来测试完全实现的PLC硬件和软件，我们可以使用Simulink编码器从工厂模型生成C代码万博1manbetx™并在实时模拟器上运行它，如xPC Target™，连接到PLC控制系统。
