畢業(yè)論文----pid控制爐溫控制系統(tǒng)研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫爐控制系統(tǒng)是工業(yè)控制中比較典型的控制系統(tǒng)，它具有明顯的滯后特性，需要快速準(zhǔn)確的獲取和控制實(shí)時(shí)溫度，一般控制器很難獲得滿意效果。而采用可編程控制器進(jìn)行控制具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文就是采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。</p><p>　　根據(jù)爐溫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和原理，本文對(duì)控制器進(jìn)行了硬

2、件和軟件設(shè)計(jì)，分別介紹了PLC選型、輸入通道模塊、輸出通道模塊、溫度顯示模塊、系統(tǒng)的資源分配以及外部接線圖，采用STEP7軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，編寫出相應(yīng)的梯形圖程序，采用PID控制方法對(duì)其進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整，通過觸摸屏的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)出溫度的變化曲線。最后進(jìn)一步增加了系統(tǒng)在硬件和軟件兩個(gè)方面的抗干擾能力的設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。 </p><p>　　關(guān)鍵字：爐溫控制；可

3、編程控制器；觸摸屏；PID控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The system of furnace temperature control is a typical industrial control of the control system, it has obviously lagged behind the

4、characteristics, needs fast and accurate real-time access and control temperature, the general controller difficult to obtain satisfactory results. And a programmable logic controller to charge a control convenience, sim

5、plicity and flexibility of the advantages. Therefore, this article explains that we can use PLC to control the temperature.</p><p>　　According tothe characteristics and principles of the system of furnace te

6、mperature control, it explained the controller of the hardware and software design, respectively, on the Selection PLC, Enter access module, output channel modules, temperature modules, the system of resource allocation

7、and external wiring diagram, STEP7 software used to design the system, to prepare the corresponding trapezoidal Figure procedures, PID control methods used to study and realize the PID controller parameters</p>&l

8、t;p>　　Keywords：Control of the furnace temperature；PLC；Touch screen；PID control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1爐溫控制系統(tǒng)的目的和意義1</

9、p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外爐溫控制的發(fā)展情況1</p><p>　　1.3 PLC可編程控制器簡(jiǎn)介5</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容6</p><p>　　2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　2.1加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成8</p><p>　　2.2加熱爐控制

10、系統(tǒng)的方案比較8</p><p>　　2.2.1 PLC控制與繼電器控制的比較8</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)控制算法的確定9</p><p>　　2.3系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)10</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件配置11</p><p>　　3.1 PLC機(jī)型的選擇11</p><p

11、>　　3.1.1 S7-200 PLC主要組成部分11</p><p>　　3.1.2 S7-200 PLC的主要性能指標(biāo)12</p><p>　　3.2硬件的組成13</p><p>　　3.2.1 CPU處理模塊13</p><p>　　3.2.2 輸入通道模塊14</p><p>　　3.2.3

12、輸出通道模塊15</p><p>　　3.2.4 溫度顯示模塊17</p><p>　　3.3系統(tǒng)的資源的分配及外部接線圖17</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 PID控制算法的研究19</p><p>　　4.2 K型熱電偶分度電壓擬合22</p>&l

13、t;p>　　4.3爐溫控制程序的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.3.1 主程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.3.2 子程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.3.3 中斷程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.4爐溫控制PID參數(shù)的整定28</p><p>　　4.5系統(tǒng)調(diào)試29</p>

14、<p>　　5 觸摸屏的實(shí)現(xiàn)30</p><p>　　5.1觸摸屏的概述30</p><p>　　5.2觸摸屏窗口的設(shè)計(jì)32</p><p>　　6 PLC控制系統(tǒng)抗干擾分析35</p><p>　　6.1 PLC控制系統(tǒng)可靠性分析35</p><p>　　6.2 提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施

15、35</p><p><b>　　7 結(jié) 論38</b></p><p><b>　　經(jīng)濟(jì)分析39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p>

16、;　　附錄?爐溫控制系統(tǒng)的梯形圖程序42</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1爐溫控制系統(tǒng)的目的和意義</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)是工業(yè)控制中比較典型的控制系統(tǒng)，它是一個(gè)一階純滯后慣性系統(tǒng)，具有明顯的滯后特性，對(duì)于需要快速準(zhǔn)確的獲取和控制實(shí)時(shí)溫度的場(chǎng)合（如制藥、化工、石油、食品加工等）采用一般的控制

17、方法很難獲得滿意的控制效果。采用可編程序控制器對(duì)其進(jìn)行控制，具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本文運(yùn)用PLC技術(shù)加在熱爐電阻絲上的電壓，實(shí)現(xiàn)溫度控制。PLC控制程序采用了PID控制算法，使加熱爐溫度控制系統(tǒng)具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高等特點(diǎn)。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外爐溫控制的發(fā)展情況</p><p>　　加熱爐是軋鋼生產(chǎn)企業(yè)中的主

18、要耗能設(shè)備，加熱爐通常配備的是以模擬調(diào)節(jié)儀表為核心的控制系統(tǒng)。當(dāng)燃料的熱值與壓力穩(wěn)定時(shí)，這種控制系統(tǒng)的控制效果還比較好，而對(duì)于燃料的熱值與壓力頻繁波動(dòng)的情況，常規(guī)模擬儀表系統(tǒng)就難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，操作者必須經(jīng)常通過“看火孔”去觀察火焰，調(diào)節(jié)空燃比以改善燃燒效果。這不僅給操作者帶來許多不便，而且靠人工隨時(shí)調(diào)節(jié)空燃比，很難跟蹤熱值變化的速度，加之加熱爐都需要按照加熱工藝曲線進(jìn)行周期性的加熱，而爐子的特性是變化的，要使加熱爐實(shí)現(xiàn)最有效的節(jié)能運(yùn)行

19、還應(yīng)該考慮到進(jìn)料狀況。對(duì)這些要求，模擬控制系統(tǒng)是難以實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　國(guó)外從20世紀(jì)70年代，開始對(duì)加熱爐生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究。隨著檢測(cè)設(shè)備、儀表、計(jì)算機(jī)水平的提高，90年代計(jì)算機(jī)控制的連續(xù)加熱爐逐漸增多，并進(jìn)行了不同程度的控制，其主要燃燒控制方法及應(yīng)用有以下幾方面。</p><p>　　⑴ 串級(jí)并聯(lián)雙交叉限幅控制燃燒</p><p>　　雙

20、交叉限幅經(jīng)歷了燃料先行的比值或空氣先行的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、串級(jí)串聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)、串級(jí)并聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)、串級(jí)并聯(lián)單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)四個(gè)發(fā)展階段。它是以爐溫調(diào)節(jié)回路為主環(huán)，燃料流量和空氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)，構(gòu)成串級(jí)并聯(lián)雙交叉限幅控制系統(tǒng)。雙交叉限幅控制系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)各參數(shù)變化，根據(jù)實(shí)測(cè)空氣流量對(duì)燃料流量進(jìn)行上、下限幅，而且還根據(jù)實(shí)測(cè)燃料流量對(duì)空氣流量進(jìn)行上、下限幅。在負(fù)荷增加或減小時(shí)，燃料流量和空氣流量相互限制交替增加或減小，即使在動(dòng)態(tài)

21、情況下，系統(tǒng)也能保持良好的空燃比。</p><p>　　串級(jí)并聯(lián)雙交叉限幅控制燃燒是儀表控制調(diào)節(jié)回路的基本方式，以前計(jì)算機(jī)水平較低、應(yīng)用較少，比值調(diào)節(jié)、交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)都是作為獨(dú)立的控制單元?，F(xiàn)在大多是計(jì)算機(jī)參與控制，與氧化鋯殘氧分析儀、熱值分析儀、專家尋優(yōu)、模糊控制等一起使用，控制效果比過去單獨(dú)使用要理想。</p><p>　?、?氧化鋯殘氧分析法</p><p&

22、gt;　　采用電化學(xué)法，利用氧化鋯固體電解質(zhì)做成的檢測(cè)器通過氧化鋯測(cè)量煙氣中氧含量的辦法，判斷爐內(nèi)煤氣燃燒是否充分，它可以避免煤氣熱值和壓力波動(dòng)或管道漏氣而影響配比控制。殘氧檢測(cè)數(shù)據(jù)被送到計(jì)算機(jī)用來參與閉環(huán)控制，反饋速度快。計(jì)算機(jī)算出空燃比實(shí)現(xiàn)串級(jí)并聯(lián)燃燒自動(dòng)控制。但目前存在的主要問題是氧化鋯探頭價(jià)格昂貴，且使用壽命短。</p><p>　　⑶ 用熱值分析儀測(cè)煤氣的熱值</p><p>　

23、　熱值分析儀實(shí)際是一個(gè)小型燃燒爐，將經(jīng)過預(yù)處理后的干凈煤氣引入，通過減壓閥減壓，進(jìn)入陶瓷過濾器進(jìn)行過濾，并經(jīng)恒壓調(diào)節(jié)，至燃燒室與機(jī)柜內(nèi)的小型助燃風(fēng)機(jī)經(jīng)恒壓調(diào)節(jié)后的空氣混合燃燒。微機(jī)利用熱電偶檢測(cè)的燃燒裝置溫度場(chǎng)的廢氣溫度，結(jié)合標(biāo)定的系數(shù)和煤氣、空氣壓差計(jì)算出熱值及空燃比，將該信號(hào)輸出至參與燃燒控制的計(jì)算機(jī)或其它顯示儀。</p><p>　　熱值分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，但是熱值分析儀一次性投資費(fèi)用大，煤氣清潔麻煩，

24、維修量大。但隨著熱值分析儀技術(shù)水平的提高和價(jià)格的降低，熱值分析儀在國(guó)內(nèi)外大型加熱爐上將進(jìn)一步廣泛運(yùn)用，成為空燃比的主流檢測(cè)設(shè)備。</p><p>　?、?利用高焦混合煤氣成分理論推測(cè)空燃比</p><p>　　高焦比值即高爐煤氣流量與焦?fàn)t煤氣流量之比。假設(shè)現(xiàn)測(cè)高焦比為7：3 （計(jì)算時(shí)忽略空氣中的水分），根據(jù)煤氣成分（主要含CO、H2、CH4）可計(jì)算出理論空燃比：</p>&l

25、t;p>　　L理論空氣需要量：L混合煤氣量＝1.77（m3/m3）</p><p>　　取空氣過剩系數(shù)為1.05，則：</p><p>　　L實(shí)際空氣需要量：L混合煤氣量＝1.77×1.05=1.86（m3/m3）</p><p>　　當(dāng)混合煤氣高焦比為7：3時(shí)，空燃比為1.86。</p><p>　　理論計(jì)算空燃比采用的是高

26、爐、焦?fàn)t煤氣混合前的數(shù)值，再考慮煤氣壓力變化、含水分、雜質(zhì)等因素，所以理論計(jì)算的只是一個(gè)近似值。</p><p>　　實(shí)踐證明通過高焦比計(jì)算空燃比與其它幾種方法結(jié)合使用，反應(yīng)快，省去了大量的尋優(yōu)時(shí)間。萊蕪鋼鐵股份有限公司軋鋼廠將高焦比混合煤氣成分理論推測(cè)空燃比與多目標(biāo)專家尋優(yōu)算法兩種辦法相結(jié)合，應(yīng)用在初軋均熱爐上，取得良好的控制效果。</p><p>　　理論計(jì)算空燃比不需添置設(shè)備，計(jì)算簡(jiǎn)

27、單，作為參考值來用經(jīng)濟(jì)合算。高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣流量可根據(jù)混合前的流量計(jì)實(shí)測(cè)。</p><p>　　⑸ 多目標(biāo)專家尋優(yōu)算法</p><p>　　多目標(biāo)專家尋優(yōu)算法是在煤氣熱值、壓力等爐況不穩(wěn)定的狀態(tài)下，把影響燃燒的多個(gè)因素考慮進(jìn)來，爐溫升溫速度合理（可能快或一般），煙氣升溫速度合理（滿足一定范圍），爐壓合理（滿足一定范圍），熱風(fēng)升溫速度合理（滿足一定的范圍），滿足所有這些條件的才是“最佳空燃

28、比”。</p><p>　　當(dāng)計(jì)算機(jī)燃燒控制系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，選用當(dāng)前控制加熱爐的平均空燃比值作為基值，“專家尋優(yōu)系統(tǒng)”根據(jù)爐溫、煙氣上下部溫度、爐壓、熱風(fēng)等條件的變化尋找合適的空燃比?？杖急群线m時(shí)，升溫、保溫曲線良好，“專家尋優(yōu)系統(tǒng)”不運(yùn)行，保持這個(gè)狀態(tài)，煤氣流量、熱風(fēng)流量、爐壓不變；當(dāng)煤氣熱值、壓力變化時(shí)，專家尋優(yōu)系統(tǒng)推理機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)專家經(jīng)驗(yàn)，判斷煤氣加減方向及推算加減量，尋找到“最佳空燃比”。多目標(biāo)專家尋優(yōu)

29、算法的優(yōu)點(diǎn)是避免了使用氧化鋯、熱值分析儀，缺點(diǎn)是不如氧化鋯、熱值分析儀反饋時(shí)間快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。但尋優(yōu)算法的思路在燃燒控制方面已得到廣泛承認(rèn)，并越來越多地應(yīng)用于實(shí)踐。</p><p>　　⑹ 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　隨著模糊控制技術(shù)的不斷發(fā)展完善，越來越多的模糊控制技術(shù)應(yīng)用到加熱爐的燃燒控制中。常用的是二維模糊控制器，即選用誤差、誤差變化率為輸入，一個(gè)輸出量。多維模糊控制器（三

30、維及以上）除了誤差外，還增加了誤差變化率及誤差變化的變化率，從理論上講，控制會(huì)更加精細(xì)。但是，由于模糊控制器輸入維數(shù)增多，控制規(guī)則的選取越來越困難，相應(yīng)的控制算法也越來越復(fù)雜。</p><p>　　濟(jì)鋼中板廠采用二輸入一輸出的模糊控制器求空燃比。以爐膛溫度的增量ΔΤ（ΔΤ=Τi-Τi-1）和上一周期的尋優(yōu)步長(zhǎng)ui-1為輸入，輸出是本次尋優(yōu)步長(zhǎng)ui。代入公式：</p><p>　　合適煤氣量

31、=當(dāng)前煤氣量+煤氣加減方向×系數(shù)×步長(zhǎng)</p><p>　　采用變步長(zhǎng)的尋優(yōu)方法，可以提高搜索速度、減少搜索損失。如果步長(zhǎng)固定不變，步長(zhǎng)小，則收斂速度慢，對(duì)于一些不可控?cái)_動(dòng)的響應(yīng)就難以適應(yīng)；步長(zhǎng)大，則搜索損失增大，有時(shí)還會(huì)引起振蕩，無(wú)法收斂，這是應(yīng)當(dāng)避免的。當(dāng)在離極值點(diǎn)較近處，反映在溫差上是變化率較小時(shí)，可采用小步長(zhǎng)搜索。</p><p>　　日本住友鹿島制鐵所初軋均熱

32、爐采用模糊控制器在線調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，即隨系統(tǒng)狀態(tài)的變化，對(duì)比例、積分、微分系數(shù)fp、fi、fd進(jìn)行調(diào)整。該方法與常規(guī)模糊調(diào)節(jié)器和常規(guī)PID調(diào)節(jié)器相比，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性。</p><p>　　近年來，隨著人工智能理論的發(fā)展和實(shí)用化，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和檢測(cè)設(shè)備、儀表性能的提高，專家系統(tǒng)、模糊控制等技術(shù)正在加熱爐燃燒控制上得到越來越廣泛的應(yīng)用。蒙特卡洛隨機(jī)思想以及量子物理浮點(diǎn)思想在自動(dòng)控制方面也引起

33、研究者們的高度重視，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨機(jī)系統(tǒng)濾波與控制理論也將被應(yīng)用于加熱爐計(jì)算機(jī)控制中。</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等先進(jìn)國(guó)家相比仍然有著較大的差距。目前，我國(guó)在這方面的技術(shù)處于20世紀(jì)90年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制以及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控

34、制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不成熟，在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須克服的。</p><p>　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及加入WTO，我國(guó)政府及企業(yè)對(duì)此都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相續(xù)建

35、立了一些國(guó)家級(jí)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、臺(tái)作及獨(dú)資企業(yè)，使我國(guó)溫度等儀表工業(yè)得到迅速的發(fā)展。</p><p>　　1.3 PLC可編程控制器簡(jiǎn)介</p><p>　　可編程控制器（Programmable Controller）縮寫為PC。由于早期的可編程控制器主要用于記數(shù)、定時(shí)以及開關(guān)量的邏輯控制，且為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）相區(qū)

36、別，把可編程控制器（Programmable Logic Controller）縮寫為PLC。</p><p>　　在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，PLC（可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。目前的工業(yè)控制中，常常選用PLC 作為現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備，用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機(jī)則是利用監(jiān)控軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流

37、程和參數(shù)的顯示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲(chǔ)等功能。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了PLC 和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)，以基于PLC 的下位機(jī)和觸摸屏上位機(jī)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制。</p><p>　　自1969年第一臺(tái)可編程控制器面市以來，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場(chǎng)合最多的工業(yè)控制器，可以說只有可編程控制器才是真正的工業(yè)

38、控制計(jì)算機(jī)。它工作可靠、編程方便、功能完備；能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作，容易實(shí)現(xiàn)“機(jī)電一體化”?？删幊炭刂破靼炎詣?dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體，有利于實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化的集散式控制。初期可編程控制器只是用于邏輯控制的場(chǎng)合，用于代替繼電控制盤，但現(xiàn)在可編程控制器已進(jìn)入包括過程、位置控制等場(chǎng)合的所有控制領(lǐng)域?，F(xiàn)在可編程控制器繼續(xù)保留了原來邏輯控制器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它吸收發(fā)展了其它控制設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，在許多場(chǎng)合只需可編程控制器即可構(gòu)成包括邏輯控制

39、、過程控制、數(shù)據(jù)采集及控制圖形工作站的經(jīng)濟(jì)合算，體積小、設(shè)計(jì)調(diào)試方便的綜合控制系統(tǒng)。</p><p>　　在不斷的發(fā)展過程中，PLC的控制功能明顯增強(qiáng)，主要表現(xiàn)在：控制規(guī)模擴(kuò)大、指令增強(qiáng)、CPU位數(shù)增加、處理速度提高、編程容量增加、編程語(yǔ)言多樣化、增加通訊和聯(lián)網(wǎng)功能、開發(fā)智能型輸入輸出模塊。</p><p>　　可編程控制器具有如下特點(diǎn)：</p><p>　?、?編

40、程簡(jiǎn)便，易于使用；</p><p>　?、?可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；</p><p>　　③ 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活；</p><p>　　④ 功能強(qiáng)，擴(kuò)展能力強(qiáng)；</p><p>　?、?接點(diǎn)利用率提高；</p><p>　?、?維修方便、維修工作量少、輸入/輸出接口功率大；</p><p>　　

41、⑦ PLC體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。</p><p>　　可編程控制器在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石化、機(jī)械制造、汽車裝配、電力、輕紡、電子信息產(chǎn)業(yè)等各行各業(yè)，目前典型的PLC功能有下面幾點(diǎn)： </p><p>　?、?順序控制：這是可編程控制器最廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域，取代了傳統(tǒng)的繼電器順序控制，例如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械，切紙機(jī)、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線，包裝生產(chǎn)線，電鍍流水線及電

42、梯控制等。 </p><p>　　② 程控：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液體、速度、電流和電壓等，稱為模擬量?？删幊炭刂破饔蠥/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，這樣，可編程控制器可以作模擬控制用于程控。 </p><p>　?、?數(shù)據(jù)處理：一般可編程控制器都設(shè)有四則運(yùn)算指令，可以很方便地對(duì)生產(chǎn)過程中的資料進(jìn)行處理。用PLC可以構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理、控制生產(chǎn)過程

43、。較高檔次的可編程控制器都有位置控制模塊，用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械的位置控制。 </p><p>　?、?通信聯(lián)網(wǎng)：某些控制系統(tǒng)需要多臺(tái)PLC連接起來使用或者由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC組成分布式控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鞯耐ㄐ拍K可以滿足這些通信聯(lián)網(wǎng)要求。 </p><p>　?、?顯示打?。嚎删幊炭刂破鬟€可以連接顯示終端和打印等外圍設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)顯示和打印的功能。</p>

44、<p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　當(dāng)前，由于國(guó)內(nèi)、國(guó)外的溫度控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制等控制手段較多，需對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行研究，以確定系統(tǒng)合適的設(shè)計(jì)方案。本文主要針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析研究：</p><p>　?、?加熱爐溫度控制系統(tǒng)的分析；</p><p>　?、?PID控制算法的研究及參數(shù)的自正定；</p><p

45、>　　⑶ PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究，硬件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)CPU處理模塊、輸入通道模塊、輸出通道模塊、溫度顯示模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，編寫出程序流程圖及相應(yīng)的梯形圖程序。</p><p>　?、?通過觸摸屏的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)加熱爐爐溫的實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.1加熱爐溫度控制系統(tǒng)

46、基本構(gòu)成</p><p>　　加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組成</p><p>　　它由PLC主控系統(tǒng)、溫度變送器、加熱爐、溫度傳感器等4個(gè)部分組成。該加熱爐溫度希望穩(wěn)定在50℃工作。</p><p>　　加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過程是：首先傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，PL

47、C主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的數(shù)字量，然后 PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進(jìn)行處理，再給溫度變送器一個(gè)觸發(fā)脈沖（既控制脈沖），這樣通過溫度變送器的輸出控制了加熱爐電阻絲兩端的電壓，也即加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分，起重要作用。</p><p>　　2.2加熱爐控制系統(tǒng)的方案比較</p><p>　　2.2

48、.1 PLC控制與繼電器控制的比較</p><p>　　溫度是工業(yè)控制對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，這類系統(tǒng)由于自動(dòng)化程度很低，大部分操作還是由手動(dòng)來完成，只能處理一些開關(guān)量問題，無(wú)法處理系統(tǒng)的模擬量，繼電器控制采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)，PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)

49、技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，其用途取代繼電器、執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)所取代。PLC與繼電器控制的性能比較如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 PLC控制與繼電器控制的性能比較</p><p>

50、;　　2.2.2 系統(tǒng)控制算法的確定</p><p>　　在溫度控制中，由于受到溫度被控對(duì)象特征（慣性大、滯后大、非線性）影響，使得被控對(duì)象純滯后提高。在工業(yè)過程中，控制過程大，都具有高階非線性、大延遲及時(shí)變特性，PID控制算法是一種工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用的控制策略，它具有原理簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，易于調(diào)整，穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)具有線性、有確定模型的系統(tǒng)易于整定到最佳控制效果。深受工程技術(shù)人員的歡迎。除此以外，由于本系統(tǒng)采

51、用的是可編程控制器對(duì)爐溫進(jìn)行控制，有現(xiàn)成的PID自整定功能，是PID調(diào)試變得更加簡(jiǎn)單容易。因此，基于PID控制優(yōu)點(diǎn)和本系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用PID是理想的控制算法。</p><p>　　2.3系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)</p><p>　　本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 爐溫控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)的硬件部

52、分分為CPU處理模塊、輸入通道模塊、輸出通道模塊、溫度顯示模塊四部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，CPU處理模塊部分采用了西門子的CPU224，輸入通道模塊則由溫度傳感器和溫度變送器兩部分構(gòu)成，輸出通道模塊采用了雙向晶閘管，溫度顯示部分利用發(fā)光二極管顯示器LED顯示。</p><p>　　控制算法部分主要對(duì)PID算法進(jìn)行編程，然后在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。</p><p>　　本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是在

53、監(jiān)控及利用STEP7 系列的編程軟件STEP7 - Micro/ Win4. 0 完成對(duì)下位機(jī)程序的編制與調(diào)試。</p><p>　　最后在軟、硬件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)的硬件配置</b></p><p>　　3.1 PLC機(jī)型的選擇</p><p>　　S7-200系列是一類

54、可編程邏輯控制器(Micro PLC)，是SIEMENS公司推出的一種小型PLC，它結(jié)構(gòu)緊湊， 擴(kuò)展性良好， 指令功能強(qiáng)大； 價(jià)格低廉，因而S7-200系列成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。</p><p>　　3.1.1 S7-200 PLC主要組成部分</p><p>　　一臺(tái)S7-200 Micro PLC包括一個(gè)單獨(dú)的S7-200 CPU，或者帶有各種各樣的可選擴(kuò)展模塊。<

55、;/p><p>　　S7-200 CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元(CPU)、電源以及數(shù)字量I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。它主要實(shí)現(xiàn)以下功能：</p><p>　?、?CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。</p><p>　　② 輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點(diǎn)：輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(例如傳感器或開關(guān))中采集信號(hào)，輸出部分則控制泵、電機(jī)、以及工

56、業(yè)過程中的其它設(shè)備。</p><p>　　③ 電源向CPU及其所連接的任何模塊提供電力。</p><p>　　④ 通訊端口允許將S7-200 CPU同編程器或其它一些設(shè)備連接起來。</p><p>　　⑤ 狀態(tài)信號(hào)燈顯示了CPU的工作模式(運(yùn)行或停止)，本機(jī)I/O的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出的系統(tǒng)錯(cuò)誤。</p><p>　?、?通過擴(kuò)展模塊可增加C

57、PU的I/O點(diǎn)數(shù)。</p><p>　?、?通過擴(kuò)展模塊可提供其通訊性能。</p><p>　?、?一些CPU具有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其它CPU則需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘卡。</p><p>　?、?EEPROM卡可以存儲(chǔ)CPU程序，也可以將一個(gè)CPU中的程序傳送到另一個(gè)CPU中。</p><p>　?、?通過可選的插入式電池盒可延長(zhǎng)RAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間擴(kuò)展

58、模塊。</p><p>　　S7-200 CPU模塊提供了一定數(shù)量的本機(jī)I/O，擴(kuò)展模塊提供了附加的輸入輸出點(diǎn)。</p><p>　　3.1.2 S7-200 PLC的主要性能指標(biāo)</p><p><b>　?、?存儲(chǔ)容量</b></p><p>　　程序存放在程序存儲(chǔ)器中。此存儲(chǔ)容量指的是用戶程序存儲(chǔ)器的容量，用戶程序

59、存儲(chǔ)容量決定了PLC可以容納的用戶程序的長(zhǎng)短，一般以字為單位來計(jì)算。S7-200系列PLC的存儲(chǔ)容量為2084字。</p><p><b>　?、?輸入/輸出點(diǎn)數(shù)</b></p><p>　　I/O點(diǎn)數(shù)即PLC面板上連接輸入、輸出信號(hào)用的端子的個(gè)數(shù)，常稱為“點(diǎn)數(shù)”，用輸入點(diǎn)數(shù)及輸出點(diǎn)數(shù)之和表示。I/O點(diǎn)數(shù)越多，外部可接入的輸入器件和輸出器件就越多，控制規(guī)模就越大。S7

60、-200系列PLC的輸入/輸出點(diǎn)最多可以達(dá)到24入/16出。</p><p><b>　?、?掃描速度</b></p><p>　　掃描速度是指PLC執(zhí)行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。一般以執(zhí)行1K字所用的時(shí)間來衡量掃描速度。S7-200系列PLC的掃描速度可以達(dá)到33MHz。</p><p><b>　　⑷ 擴(kuò)展能力<

61、;/b></p><p>　　S7-200系列PLC可以用I/O擴(kuò)展單元進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展；有的PLC可以使用各種功能模塊進(jìn)行功能擴(kuò)展。</p><p><b>　　⑸ 智能單元的數(shù)量</b></p><p>　　S7-200系列PLC不僅能完成開關(guān)量的邏輯控制，而且利用智能單元可完成模擬量控制、位置和速度控制以及通信聯(lián)網(wǎng)等功能。智能單

62、元的種類和功能很強(qiáng)。S7-200系列PLC的主要性能指標(biāo)如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 S7-200系列PLC的主要性能指標(biāo)</p><p><b>　　3.2硬件的組成</b></p><p>　　3.2.1 CPU處理模塊</p><p>　　本系統(tǒng)的CPU模塊采用了西門子的CPU226，其引腳圖如圖

63、3.1所示。</p><p>　　圖3.1 CPU226引腳圖</p><p>　　由圖3.1可知，它具有24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，CPU226還包括13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有

64、PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)，</p><p>　　在本系統(tǒng)中，輸出量首先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓后送給輸入模塊，而PLC中的CPU只能處理數(shù)字量，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行模擬量的擴(kuò)展，本文采用模擬量

65、擴(kuò)展模塊EM234,其引腳圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 EM235引腳圖</p><p>　　由圖3.2可知，EM235具有4路模擬量的輸入，1路模擬量的輸出，A/D、D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)均為12位。</p><p>　　3.2.2 輸入通道模塊</p><p><b>　　⑴ 溫度傳感器</b><

66、/p><p>　　溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它可以通過物體隨溫度變化的某些特性（如電阻、電壓變化等特性）來間接測(cè)量，金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200～650℃）最常用的一種溫

67、度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。 </p><p>　　本系統(tǒng)采用的是PT100，在工業(yè)上主要用于測(cè)量-200~+500℃的溫度。輸入、輸出和輔助電源之間完全隔離（三隔離），可以承受2500VDC的隔離耐壓。它還采用DIN35國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝方式，體積小、精度高，性能穩(wěn)定、性價(jià)比高，可以廣泛應(yīng)用在石油、化工、電力、儀器儀表和工業(yè)控制等行業(yè)。其主要特性為：</p&g

68、t;<p>　?、?輸入信號(hào)：Pt100(-20~+400℃)</p><p>　?、?輸出信號(hào)：4~20mA/0~5V </p><p>　?、?精度等級(jí)：0.2級(jí)(FSR%)，內(nèi)含線性化和長(zhǎng)線補(bǔ)償功能</p><p>　?、?隔離耐壓：2500VDC(0.5mA,60S)</p><p>　　⑤ 精度高、性能穩(wěn)定可靠。<

69、;/p><p><b>　　⑵ 溫度變送器</b></p><p>　　溫度變送器就是將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓信號(hào)。本系統(tǒng)采用的是DWB溫度變送器，它采用先進(jìn)的電路模塊集成技術(shù)組成變送器,可與不同的溫度傳感連接，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和介質(zhì)的測(cè)量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)。可廣泛用于電力、石油、建材、科研等行業(yè)的溫度測(cè)量，其特點(diǎn)是高精度、寬量程、輸入線電阻高，高可

70、靠性和穩(wěn)定性體積小巧、輕便、安裝方便、可便攜、性能穩(wěn)定可靠采用專有線路、線性好、傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)。主要技術(shù)參數(shù)為：</p><p>　　① 量程：-100℃~+800℃（電流輸出）；-55℃~+500℃（電壓輸出）</p><p>　　② 供電電壓：24VDC(12VDC-36VDC)</p><p>　?、?輸出信號(hào)：4mA~20；0V-5V</p&

71、gt;<p>　　④ 準(zhǔn)確度：±0.25%F.S；±0.5%F.S</p><p>　　⑤ 負(fù)載能力：≤500Ω(電流輸出)；≥3KΩ(電壓輸出)</p><p>　?、?輸入線阻：≤50Ω</p><p>　　3.2.3 輸出通道模塊</p><p>　　輸出通道連接被控裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各種電磁干擾會(huì)經(jīng)通道

72、進(jìn)入微機(jī)，因此，必須在輸出通道中采取抗干擾措施。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電路中，晶閘管工作于交流電路，電壓較高，電流較大，不宜于微機(jī)直接相連，要求將強(qiáng)電回路和微機(jī)部分隔離開，以有效地抑制干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)。因此，在應(yīng)用中應(yīng)采取隔離措施，本系統(tǒng)選擇光電耦合隔離，即在晶閘管前加接光耦合器。光耦合器能傳送各種信號(hào)，還具有體積和功耗小、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　光耦合器的內(nèi)部包含了發(fā)光部分和受光部分，組裝在一個(gè)密封殼內(nèi)

73、。發(fā)光部分為發(fā)光二極管，作為輸入端。受光部分為光敏元件，作為輸出端。在微機(jī)輸出通道中，引用光耦合器的目的除了起隔離作用外，還可有驅(qū)動(dòng)功能。</p><p>　　晶閘管是一種功率半導(dǎo)體器件，具有體積小，重量輕，效率高，使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而它最主要的特點(diǎn)是可以用弱信號(hào)控制強(qiáng)信號(hào)。溫度控制系統(tǒng)的控制部分有CPU發(fā)出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)光電耦合隔離后，輸入到晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐的控制。在這部分，晶閘管主要作為無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，快速

74、接通或切斷電路，使電爐迅速通斷電，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整溫度的目的。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中應(yīng)用雙向晶閘管，它是一種三端可控器件，不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的普通晶閘管，而且僅用一個(gè)觸發(fā)電路。當(dāng)門極-陰極之間加上一定的正向電壓后，其陽(yáng)極-陰極導(dǎo)通，門極即失去控制作用，只有當(dāng)陽(yáng)極-陰極之間電壓為零時(shí)管子才截止。因而，是比較理想的交流開關(guān)器件，可以方便的控制電爐。其驅(qū)動(dòng)電路如圖3.3所示。</p><p

75、>　　圖3.3 雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　3.2.4 溫度顯示模塊</p><p>　　在溫度控制系統(tǒng)中，主要是恒定溫度的控制。本設(shè)計(jì)中，溫度顯示部分采用發(fā)光二極管顯示器LED顯示。這種顯示器成本低廉，配置靈活，并且與微機(jī)的連接方便。LED顯示器是由發(fā)光二極管作為顯示字符的數(shù)碼型顯示器件。其中七只二極管（a~g七段）構(gòu)成字型，另外還有一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點(diǎn)。人為控

76、制某幾段發(fā)光二極管通電，就能顯示出某個(gè)數(shù)碼。</p><p>　　LED有共陰極和共陽(yáng)極兩種，本系統(tǒng)采用共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，各段發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，并將公共點(diǎn)接+5V。當(dāng)某一段二極管的陰極為低電平時(shí)，該段發(fā)光。由于設(shè)計(jì)中溫度顯示要三位，為XX.X℃形式，LED的顯示方式有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示之分，在這里，由于溫度控制系統(tǒng)的溫度顯示每位獨(dú)立，并且屬于恒定設(shè)置，因此，本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示方式。在靜態(tài)顯示方式下，每一位顯示

77、器的字段控制線是獨(dú)立的。當(dāng)顯示某一字符時(shí)，該位的各字段線和字位線的電平不變，也就是各字段的亮滅狀態(tài)不變。靜態(tài)顯示方式下LED顯示器的電路連接方式是：每位LED的字位控制線連在一起，接+5V，其字段控制線（a~dp）分別接到一個(gè)八位的I/O口。其結(jié)構(gòu)如圖3.4所示（共三位顯示，此處只畫了其中一位）。</p><p>　　圖3.4 LED顯示模塊</p><p>　　3.3系統(tǒng)的資源的分配及外

78、部接線圖</p><p>　　⑴ 端口分配及功能表</p><p>　　本系統(tǒng)的端口分配及功能表如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 端口分配及功能表</p><p>　　⑵ PLC外部接線圖</p><p>　　系統(tǒng)的外部接線圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 PLC外

79、部接線圖</p><p><b>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 PID控制算法的研究</p><p><b>　?、?PID控制原理</b></p><p>　　常規(guī)PID控制器系統(tǒng)原理如圖4.1所示，主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。</p><p

80、>　　圖4.1 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。其控制規(guī)律為</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p><b>　　式中</b>

81、</p><p>　　u(t)—控制器的輸出；</p><p>　　e(t)—給定值和被控對(duì)象輸出值之差；</p><p>　　Kp —控制器的比例系數(shù)；</p><p>　　Ti —控制器的積分時(shí)間常數(shù)；</p><p>　　Td —控制器的微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　PID 控制器各

82、環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p><b>　?、?比例環(huán)節(jié) </b></p><p>　　成比例的反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)，比例系數(shù)越大，調(diào)整速度越快，靜態(tài)偏差也越小，但比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p><b>　?、?積分環(huán)節(jié) </b></p><p>　　主要是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，

83、提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。</p><p><b>　?、?微分環(huán)節(jié) </b></p><p>　　能夠?qū)斎胄盘?hào)的變化趨勢(shì)作出反應(yīng)，它是用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　?、?數(shù)字PID控制算法</p><p>　　由于近年來微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用中大

84、多數(shù)采用數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。</p><p>　　① 位置式PID控制算法</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式(4.1)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式(4.1)，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增

85、量代替微分，則可作如下近似變換</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　T—采樣周期。</b></p><p>　　顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e

86、(kT)簡(jiǎn)化表示成e(k)，即省去T。將式(4.2)代入(4.1)，可得離散的PID表達(dá)式為</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　k—采樣序號(hào)，k=0，1，2…；</p><p>　　u(k)—第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；

87、</p><p>　　e(k)—第k次采樣時(shí)刻的輸入偏差值；</p><p>　　e(k-1)—第k-1次采樣時(shí)刻的輸入偏差值；</p><p>　　Ki—積分系數(shù) Ki=KpT/Ti； </p><p>　　Kd—微分系數(shù) Kd=KpTd/T。</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)輸出的u(k)直接去控制

88、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置是一一對(duì)應(yīng)的，所以稱式(4.3)為位置式PID控制算法。</p><p>　　這種算法的缺點(diǎn)是由于全量輸出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法

89、。</p><p>　?、?增量式PID控制算法</p><p>　　所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u(k)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式(4.3)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　用(4.3)減(4.4

90、)可得</p><p><b>　　( 4.5)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　△e(k)=e(k)-e(k-1) </p><p>　　式(4.5)稱為增量式PID控制算法?？梢钥闯?，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了Kp、Ki和Kd，只

91、要使用前三次測(cè)量值的偏差，即可由式(4.5)求出控制增量。</p><p>　　增量式PID控制算法有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判別的方法去掉。手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故仍然能保持原值。算式中不需要累加?？刂圃隽康拇_定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，

92、所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但增量式控制也有不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。</p><p>　　4.2 K型熱電偶分度電壓擬合</p><p>　?、?根據(jù)具體問題，確定擬合多項(xiàng)式的次數(shù)為n。</p><p>　?、?由公式（4.6）、（4.7）</p><p>　　(k=0,1,2, ……2n)

93、 （4.6）</p><p>　　(r=0,1,2, ……n) （4.7）</p><p><b>　　計(jì)數(shù)出Sk與Tr。</b></p><p><b>　?、?寫出正規(guī)方程</

94、b></p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　③ 解正規(guī)方程組，求出a0，a1，…，an</p><p>　　④ 寫出擬合公式多項(xiàng)式Pn（X）=一 次多項(xiàng)式也叫作線性擬合。由上述方法可擬合出K分度電壓隨溫度變化公式為：V=0.04T（其中V為電壓，T為溫度）。此擬合公式是在溫度從0℃到 120℃之間變化的近似

95、公式，因此正規(guī)方程只用到S0、S1、S2擬合的多項(xiàng)式次數(shù)為n＝1，電壓隨溫度的變化可近似為線性變化。如果溫度變化范圍比較大，則電壓隨溫度變化為非線性變化，上述電壓隨溫度變公式需要重新擬合，擬合多項(xiàng)式的次數(shù)也必然大于2。</p><p>　　4.3爐溫控制程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是在監(jiān)控及利用STEP7 系列的編程軟件STEP7 - Micro/ Win4. 0

96、 完成對(duì)下位機(jī)程序的編制與調(diào)試, 然后把調(diào)試好的程序通過PPI編程電纜下載到PLC 中。上電初始化，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，首先將系統(tǒng)的所有輸出點(diǎn)置為安全狀態(tài)。初始化操作包括對(duì)RAM、ROM清零，對(duì)控制參數(shù)的初始化,當(dāng)前模擬量采樣值清零等參數(shù)進(jìn)行預(yù)置。系統(tǒng)要求溫度控制在10攝氏度~120攝氏度的范圍之內(nèi)，為了控制方便，設(shè)定一個(gè)溫度比較值（50攝氏度），并以此作為被控溫度的基準(zhǔn)值。</p><p&g

97、t;　　按動(dòng)啟動(dòng)按鈕控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。Pt100傳感器把所測(cè)量的溫度送到溫度變送器中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換（4-20mA）。模擬量輸入通道AIW2通過讀入4-2mA的模擬電流量送入PLC。經(jīng)過程序計(jì)算后得出實(shí)際測(cè)量的溫度Q。其程序流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 加熱爐控制流程圖</p><p>　　程序設(shè)計(jì)三部分：主程序、子程序和中斷程序。</p><p&

98、gt;　　4.3.1 主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　在主程序中主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，流程圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 主程序調(diào)用模塊</p><p>　　4.3.2 子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　子程序設(shè)計(jì)如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4子程序設(shè)計(jì)流程圖</p>

99、<p>　　4.3.3 中斷程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)的中斷程序如圖4.5所示</p><p><b>　　圖4.5 中斷程序</b></p><p>　　在中斷程序中用到了PID指令，PID指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的編號(hào)（0～7）。不同的PID指令不能使用相同的回路編號(hào)。為了讓PID指令以穩(wěn)定的采樣頻

100、率工作，PID指令應(yīng)在定時(shí)中斷程序中使用。</p><p>　　類似于計(jì)數(shù)器指令，PID指令有一個(gè)能流記憶位，用該位檢測(cè)到EN輸入端的能流從0到1的正跳變時(shí)，指令將執(zhí)行一系列的操作，使PID從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)方式到自動(dòng)方式的無(wú)擾動(dòng)切換，轉(zhuǎn)換前必須把當(dāng)前的手動(dòng)控制輸入值寫入回路表的參數(shù)Mn。PID指令對(duì)回路表內(nèi)的值進(jìn)行操作：</p><p>　?、?令給定值(SPn)=過

101、程變量(PVn)</p><p>　　② 令上一次的過程變量(PVn-1)=過程變量的當(dāng)前值(PVn)</p><p>　?、?令積分和(MX)=輸出值(Mn)</p><p>　　PID的能流記憶位的默認(rèn)值為1，在啟動(dòng)CPU或從STOP方式轉(zhuǎn)換到RUN方式時(shí)它被置位。進(jìn)入RUN方式后PID指令首次有效時(shí)，沒有檢測(cè)到使能位的正跳變，就不會(huì)執(zhí)行無(wú)擾動(dòng)的切換操作。<

102、;/p><p>　　編譯時(shí)如果指令的回路表起始地址或回路號(hào)超出范圍，CPU將生成編譯錯(cuò)誤，引起編譯失敗。PID指令對(duì)回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、給定值、積分和與上一次的過程變量不超限。</p><p>　　如果PID指令中的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，特殊存儲(chǔ)器SM被置1，并將終止PID指令的執(zhí)行。要消除這種錯(cuò)誤，在下一次執(zhí)行PID運(yùn)算之前，應(yīng)改變引起運(yùn)算錯(cuò)誤的輸入值，而不是更新

103、輸出值。</p><p>　　PID回路有兩個(gè)輸入量，即給定值(SP)與過程變量（PV）。給定值通常是固定的值，例如加熱爐溫度的給定值。過程變量是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值，例如加熱爐溫度的測(cè)量值。給定值與過程變量都是現(xiàn)實(shí)世界的值，對(duì)于不同的系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的區(qū)別。PID指令對(duì)這些量進(jìn)行運(yùn)算之間，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù)（即實(shí)數(shù)）。</p><p>

104、　　轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或A/D轉(zhuǎn)換后得到的整數(shù)值由16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)。</p><p>　　轉(zhuǎn)換的下一步是將實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成0.0—1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。</p><p>　　回路輸出即PID控制器的輸出，它是標(biāo)準(zhǔn)化的0.0—1.0之間的實(shí)數(shù)。將回路輸出送給D/A轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制整數(shù)。這一過程是將PV與SP轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的逆過程。第一步用下面的公式將回路輸出轉(zhuǎn)

105、化為實(shí)數(shù)：</p><p>　　RScal=(Mn-Offset)×Span</p><p>　　式中RScal是回路輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)值；Mn是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；Offset與Span與上述的定義相同。</p><p>　　增益Kn為正時(shí)為正作用回路，反之為反作用回路。對(duì)于增益為0.0的積分控制或微分控制，如果積分或微分時(shí)間為正，為正作用回路，反之為反

106、作用回路。</p><p>　　過程變量與給定值是PID運(yùn)算的輸入值，在回路表中它們只能被PID指令讀取而不能改寫。</p><p>　　每次完成PID運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值M，它被限制在0.0~1.0之間。從手動(dòng)控制切換到PID自動(dòng)控制方式時(shí)，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。</p><p>　　如果使用積分控制，上一次的積分值MX（積分和）要根據(jù)

107、PID運(yùn)算的結(jié)果來更新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。當(dāng)輸出值超出范圍（大于0.0或大于1.0），根據(jù)下列公式進(jìn)行調(diào)整：</p><p>　　MX=1.0-（MPn+MDn） 當(dāng)控制器輸出Mn〉1.0</p><p>　　或 MX= -（MPn+MDn） 當(dāng)控制器輸出Mn〈0.0</p><p>　　式中，MX是調(diào)整后的積分和，是第M

108、n次采樣時(shí)控制器的輸出值；MPn和MDn分別是第n次采樣時(shí)M中的比例項(xiàng)和微分項(xiàng)。</p><p>　　通過調(diào)整積分和MX，使輸出Mn回到0.0~1.0之間，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。MX也能限制在0.0~1.0之間，每次PID運(yùn)算結(jié)束時(shí)，將MX寫入回路表，供下一次PID運(yùn)算使用。</p><p>　　以上梯形圖程序見附錄?。</p><p>　　4.4爐溫控制PID參

109、數(shù)的整定</p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)

110、行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。</p><p>　　現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步，首先要預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作

111、，其次是僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期，最后在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。</p><p><b>　　4.5系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　系統(tǒng)的調(diào)試共分為兩個(gè)部分，一是系統(tǒng)的軟件調(diào)試；二是系統(tǒng)的硬件調(diào)試。</p><p>　　其中，系統(tǒng)的軟件調(diào)試是在