基于數(shù)字PID的電阻爐溫度控制畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計論文基于數(shù)字pid的電阻爐溫度控制設(shè)計摘 要 溫度是工業(yè)生產(chǎn)對象中主要的被控參數(shù)之一，本文通過設(shè)計溫度控制系統(tǒng)，體現(xiàn)pid在模擬量信號檢測與控制中應(yīng)用的優(yōu)越性。本文中被控對象是電爐，在爐溫自動控制系統(tǒng)中，爐溫經(jīng)過熱電偶檢測和溫度變送器的轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號，送往plc控制器，再經(jīng)過模擬量輸入/輸出模塊（a/d）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由程序?qū)⒔o定的溫度值與測量值比較，然后根據(jù)偏差大小按比例調(diào)節(jié)規(guī)律，計算出校正量。通過模擬量輸入/輸出模塊的輸出控制作用，消除爐溫的偏差，從而使?fàn)t溫達(dá)到并穩(wěn)定在給定的數(shù)值上。 關(guān)鍵詞 plc，溫度控制，pid調(diào)節(jié)目 錄 摘 要1 緒 論11.1 課題背景、目的及

2、意義11.1.1 課題背景11.1.2 課題的目的及意義11.2 本文結(jié)構(gòu)安排12 pid控制系統(tǒng)的概況22.1 pid控制系統(tǒng)的概述22.2 pid的實現(xiàn)意義22.3 pid的作用價值32.5 pid的系統(tǒng)分類42.5.1開環(huán)控制系統(tǒng)42.5.2閉環(huán)控制系統(tǒng)42.5.3階躍響應(yīng)52.6 pid的調(diào)節(jié)方法52.7 pid的工作原理72.7.1 比例（p）控制72.7.2 積分（i）控制72.7.3 微分（d）控制73控制的實現(xiàn)83.1控制原理圖83.2 各獨(dú)立模塊方案論證93.2.1 溫度檢測模塊93.2.2 變頻調(diào)速模塊103.2.3 主控模塊plc113.2.4 功率輸出電路及其控制原理的

3、分析123.2.5 顯示電路設(shè)計133.2.6 按鍵接入133.2.7 報警電路設(shè)計133.2.8 溫度調(diào)節(jié)模塊143.2.9 硬件總框圖144 系統(tǒng)軟件設(shè)計144.1主要的工作流程圖144.2 pid控制器的參數(shù)整定154.3數(shù)字pid在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用175 結(jié)論206 參考文獻(xiàn)211 緒 論1.1 課題背景、目的及意義1.1.1 課題背景 隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，ic技術(shù)的不斷提高，pid在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各行業(yè)發(fā)揮了重要作用。它因為集成度高，體積小，運(yùn)行可靠，應(yīng)用靈活，價格低，面向控制等特點(diǎn)得到了廣大工程技術(shù)人員的好評。在溫度控制方面，pid能夠代替以前常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器。目前，我

4、國在這些方面的技術(shù)水平與歐美等擁有先進(jìn)制造技術(shù)的國家還有一定的差距。我們波撇需要培養(yǎng)和訓(xùn)練能夠設(shè)計智能化，自動化設(shè)備的工程技術(shù)人才。智能作為現(xiàn)在的新發(fā)明，是以后的發(fā)展發(fā)祥和趨勢，他能夠按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個環(huán)境里自動運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于各個領(lǐng)域。爐溫控制就是其中的一個。本設(shè)計介紹了利用pid進(jìn)行爐溫控制系統(tǒng)的基本組成，工作原理，程序設(shè)計和系統(tǒng)的抗干擾措施。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，實用型強(qiáng)，有較高自能化，人性化特點(diǎn)。1.1.2 課題的目的及意義本次設(shè)計選擇“電爐溫度控制的pid控制設(shè)計”是為了更好地學(xué)習(xí)和研究pid電氣設(shè)計的相關(guān)知識，掌握電路設(shè)計的方法和技巧。學(xué)會如何將學(xué)習(xí)到的理論知識用到

5、實際當(dāng)中，怎么能夠活學(xué)活用。深入的了解電子元器件的使用方法，了解各個元器件的基本用法，能夠靈活敏捷的判斷電路中出現(xiàn)的故障，學(xué)會獨(dú)立設(shè)計，積累更多的設(shè)計經(jīng)驗，加強(qiáng)焊接能力和技巧，同時在實踐過程中鍛煉查閱，歸納質(zhì)料的能力，提高理論知識聯(lián)系動手能力。 1.2 本文結(jié)構(gòu)安排本設(shè)計系統(tǒng)以pid為控制核心，加以溫度檢測電路，變頻調(diào)速器，d/a轉(zhuǎn)換器以及其他電路構(gòu)成。系統(tǒng)由pid通過對溫度檢測電路檢測到的溫度加以分析，與給定的對應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，找出溫度值所在范圍，根據(jù)plc中設(shè)置的pid參數(shù)，輸出相應(yīng)溫度初值對應(yīng)的受控對象電機(jī)的轉(zhuǎn)速初值，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過信號轉(zhuǎn)為變頻器的頻率，控制

6、變頻調(diào)速裝置，帶動被控對象，并且把被控對象的轉(zhuǎn)速經(jīng)變換電路和d/a轉(zhuǎn)換器反饋到plc中，與輸出的轉(zhuǎn)速初值進(jìn)行比較，其偏差被pid程序計算后重新輸出，在規(guī)定的時間內(nèi)循環(huán)，從而實現(xiàn)對溫度的控制。本系統(tǒng)簡潔，靈活，可擴(kuò)展性好，具有電路設(shè)計簡單，精度高，控制效果好的優(yōu)點(diǎn)。2 pid控制系統(tǒng)的概況2.1 pid控制系統(tǒng)的概述pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其輸入e (t）與輸出u (t）的關(guān)系為：u(t)=kpe(t)+1/tie(t)dt+td*de(t)/dt 式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：g(s)=u(s)/e(s)=kp1+1/(ti*s)+t

7、d*s。其中kp為比例系數(shù)； ti為積分時間常數(shù)； td為微分時間常數(shù)。pid（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。pid控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。2.2 pid的實現(xiàn)意義目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機(jī)等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個

8、控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的pid控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator），其中pid控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)

9、。有利用pid控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)pid控制功能的可編程控制器(plc），還有可實現(xiàn)pid控制的pc系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破鳎╬lc) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)pid控制，而可編程控制器（plc）可以直接與controlnet相連，如rockwell的plc-5等。還有可以實現(xiàn) pid控制功能的控制器，如rockwell 的logix產(chǎn)品系列，它可以直接與controlnet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。2.3 pid的作用價值 它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（kp， ti和td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可

10、以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，pid應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣pid就可控制了。其次，pid參數(shù)較易整定。也就是，pid參數(shù)kp，ti和td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，pid參數(shù)就可以重新整定。第三，pid控制器在實踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用pid的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等

11、問題的困擾。pid參數(shù)自整定就是為了處理pid參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的。現(xiàn)在，自動整定或自身整定的pid控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計的pid控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了pid參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的pid參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外

12、，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。因此，許多自身整定參數(shù)的pid控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算pid參數(shù)。pid在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程，工作地不是太好。最重要的是，如果pid控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點(diǎn)，pid控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器。2.4 plc的發(fā)展1968年美國gm（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，并公開招標(biāo)提出十項標(biāo)準(zhǔn): 編程方便，現(xiàn)場可修改程序； 維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)； 可

13、靠性高于繼電器控制裝置； 體積小于繼電器控制裝置； 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機(jī)； 成本可與繼電器控制裝置競爭； 輸入可以是交流115v； 輸出為交流115v, 2a以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等；在擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只要很小變更； 用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到4k。1969年，美國數(shù)字公司(dec)研制出了第一臺可編程序控制器，滿足了gm公司裝配線的要求。這種新型的工業(yè)控制裝置簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長，很快在美國其它工業(yè)領(lǐng)域推廣使用。隨著集成電路技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有了第五代plc產(chǎn)品。2.5 pid的系統(tǒng)分類2.5.1開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象的輸出（

14、被控制量）對控制器（controller）的輸入沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。2.5.2閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋（ negative feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開

15、環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.5.3階躍響應(yīng)指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stability），一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來（steady-state error）描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時

16、間來定量描述。2.6 pid的調(diào)節(jié)方法 pid是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，pid調(diào)節(jié)儀表也是工業(yè)控制中最常用的儀表之一，pid 適用于需要進(jìn)行高精度測量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對象自動演算出最佳pid控制參數(shù)。pid參數(shù)自整定控制儀可選擇外給定（或閥位）控制功能?？?取代伺服放大器直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門等）。pid外給定（或閥位）控制儀可自動跟隨外部給定值（或閥位反饋值）進(jìn)行控制輸出（模擬量控制輸出或繼電器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制輸出）?？蓪崿F(xiàn)自動/手動無擾動切換。手動切換至自動時，采用逼近法計算，以實現(xiàn)手動/自動的平穩(wěn)切換。pid外給定（或閥位）控制儀可同時顯示測量信號及閥位反饋 信號。pid光

17、柱顯示控制儀集數(shù)字儀表與模擬儀表于一體，可對測量 值及控制目標(biāo)值進(jìn)行數(shù)字量顯示（雙led數(shù)碼顯示），并同時對測量值及控制目標(biāo)值進(jìn)行相對模擬量顯示（ 雙光柱顯示），顯示方式為雙led數(shù)碼顯示+雙光柱模擬量顯示，使測量值的顯示更為清晰直觀。pid參數(shù)自整定控制儀可隨意改變儀表的輸入信號類型。采用 最新無跳線技術(shù)，只需設(shè)定儀表內(nèi)部參數(shù)，即可將儀表從一種輸入信號改為另一種輸入信號。pid參數(shù)自整定控制儀可選擇帶有一路模擬量控制輸出（或開 關(guān)量控制輸出、繼電器和可控硅正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制）及一路模擬量變送輸出，可適用于各種測量控制場合。pid參數(shù)自整定控制儀支持多機(jī)通訊，具有多種標(biāo)準(zhǔn)串行雙向 通訊功能，可選擇

18、多種通訊方式，如rs-232、rs-485、rs-422等，通訊波特率3009600bps 儀表內(nèi)部參數(shù)自由設(shè)定?？膳c各種帶串行輸入輸出的設(shè)備（如電腦、可編程控制器、plc 等）進(jìn)行通訊，構(gòu)成管理系統(tǒng)。1.pid常用口訣： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長理想曲線兩個波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低2.pid控制器參數(shù)的工程整定，各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中p.i.d參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以下可參

19、照：溫度t: p=2060%,t=180600s,d=3-180s壓力p: p=3070%,t=24180s,液位l: p=2080%,t=60300s,流量f: p=40100%,t=660s。2.5.2存儲器2.7 pid的工作原理 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用

20、pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。2.7.1 比例（p）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。2.7.2 積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（s

21、ystem with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（pi）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。2.7.3 微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是

22、落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（pd）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。3控制的實現(xiàn)3.1控制原理圖 溫度下降，則有，經(jīng)過溫度檢測以及變換電路把對側(cè)對象轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)d/a變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入plc中，與給定

23、的對應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，得知系統(tǒng)處于欠溫度狀態(tài)。此時系統(tǒng)會啟動熱電阻，控制加熱功率，從而使?fàn)t溫回升，直到重新等于給定值（即）為止。如果負(fù)荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。u(t)隨之加大，使得。經(jīng)過溫度檢測及變換電路把被測對象的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)d/a變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入plc中，與給定的對應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，得知系統(tǒng)處于過溫度狀態(tài)。此時系統(tǒng)會啟動風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。由此看出系統(tǒng)是通過熱電偶測量被控量，并反饋到系統(tǒng)的輸入端，從而形成了閉合回路，此反饋信號通過比較線路與給定值進(jìn)行加法或減法運(yùn)算，獲得偏差信

24、號，系統(tǒng)再根據(jù)偏差信號的大小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，爐溫控制系統(tǒng)是一個按偏差如圖3.1和圖3.2調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。爐溫控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖4.2 所示。plc主機(jī)鍵盤pid調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度檢測裝置micrologix1500圖3.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)圖實際溫度電阻爐 圖3.2爐溫控制系統(tǒng)的原理方框圖3.2 各獨(dú)立模塊方案論證3.2.1 溫度檢測模塊 溫度檢測電路的選擇 方案一：熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 方案二：熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作

25、原理是基于賽貝克效應(yīng)，即兩種不同成分的道題兩端連接成回路，如兩接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點(diǎn)是：a 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。b 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50 +1600度均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269度，最高可達(dá)+2800度。c 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。缺點(diǎn)是熟悉度不夠，想要正常安裝頗有難度。 方案三：采用西門子s7-200，它集成14個輸入/10輸出共24個數(shù)字量i/o點(diǎn)?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量i/o點(diǎn)或35

26、路模擬量i/o點(diǎn)。16k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。5個獨(dú)立的30khz高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20khz高速脈沖輸出，具有pid控制器。1個r5485通訊編程口，具有ppi通訊協(xié)議，mpi通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，i/o端能容易的整體拆卸。具有較強(qiáng)的控制力。 這次設(shè)計我采用方案三，使用西門子s7-200，其提供一個4點(diǎn)12位模擬量輸入和溫度傳感輸入模塊，輸入為dc-5+5v和020ma電壓或電流。 下面列展了西門子s7-200的一些主要技術(shù)指標(biāo)集成的數(shù)字量輸入/輸出 14入/10出可連接的擴(kuò)展模塊數(shù)量（最大） 7個 最大可擴(kuò)展的數(shù)字量輸入/輸出范圍 168點(diǎn)最大可擴(kuò)展的模擬量輸入/輸出范圍 35

27、點(diǎn)用戶程序區(qū) 8 kb數(shù)據(jù)存儲區(qū) 8 kb后備數(shù)據(jù)時間（電容） 100編程軟件 step 7-micro/win高速計數(shù)器 6個30 khz高速脈沖輸出 2個20 khz 通訊借口 1個rs-485外部硬件中斷 4支持的通訊協(xié)議 ppi ,mpi ,自由口模擬電位器 2個8位分辨率實時時鐘 內(nèi)置時鐘 3.2.2 變頻調(diào)速模塊 變頻調(diào)速器的選擇。由 n=60f/p知，當(dāng)極對數(shù)p不變時，同步轉(zhuǎn)速n和電源頻率f成正比。因此，連續(xù)地改變供電電源的頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)速方法就是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有較好的調(diào)速性能，是交流調(diào)速方法中具有重要意義的一種調(diào)速方法。在國內(nèi)外都已得到推廣和

28、應(yīng)用。目前，國外生產(chǎn)的變頻裝置容量已達(dá)一萬千瓦以上，價格和性能都可以與直流系統(tǒng)想媲美。國內(nèi)也有不少產(chǎn)品問世。但是，由于元件制造水平低、價格貴加上技術(shù)上要求復(fù)雜，所以限制了它的推廣和應(yīng)用。隨著生產(chǎn)與技術(shù)水平的提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)必蔣得到更大的發(fā)展，以致在某些領(lǐng)域逐步代替直流調(diào)速系統(tǒng)。故本系統(tǒng)采用變頻調(diào)速器。 變頻調(diào)速器的工作原理。變頻器調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s)/p，（式中n、f、s、p分別是表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)）；通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f（1-s)/p。

29、從上式可見，改變供電頻率f、電動機(jī)的級對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同調(diào)速方式無非是改變交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。3.2.3 主控模塊plc s7-200 cup 224 集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量i/o點(diǎn)?？蛇B續(xù)7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量i/o點(diǎn)或35路模擬量i/o點(diǎn)，16k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30khz高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20khz高速脈沖輸出，具有pid控制器。1個r5485通訊/編程口，具有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。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 圖

30、3.3 cup 224模塊接線圖 圖3.4 cpu224 ac/dc/繼電器 輸入接線型式簡圖 圖3.5 24v dc 輸出接線型式 圖3.6繼電器輸出 圖3.7 24vdc輸出 3.2.4 功率輸出電路及其控制原理的分析加熱絲輸出功率大小的調(diào)節(jié)，可以使用移相調(diào)壓電路，也可以采用占空比開關(guān)電路進(jìn)行控制。在采用移想調(diào)壓電路時，即將計算到的控制量經(jīng)d/a 變換，控制可控硅的移相觸發(fā)電路，實現(xiàn)輸出電壓的無極調(diào)節(jié)。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對電網(wǎng)有一定的干擾。采用占空比開關(guān)電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產(chǎn)生的熱量和所家的電壓之間的非線性，通過調(diào)節(jié)周期時間

31、內(nèi)的通電時間來調(diào)節(jié)輸出功率的大小，可以避免d/a轉(zhuǎn)換和信號放大造成的不必要的誤差，也可以通過可控硅的過零觸發(fā)電路避免對電網(wǎng)的諧波干擾。在本系統(tǒng)中采用占空比開關(guān)電路控制，功率輸出電路設(shè)計如圖3.8。 圖3.8功率輸出圖 3.2.5 顯示電路設(shè)計 方案一：液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)在袖珍儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。方案二：用led數(shù)碼管來顯示。led電子顯示屏作為一種現(xiàn)在電子產(chǎn)品，以其靈活的顯示面積、亮度高、壽命長、容量大、等特點(diǎn)。 本系統(tǒng)中plc與液晶顯示器相連太麻煩，但與led連接比較簡單。所以選取方案二。該顯示中選通信號由y0，y4控制。前

32、一單元顯示設(shè)定溫度，后一單元顯示當(dāng)前溫度。如當(dāng)前溫度顯示為10則y0y3為0001000000010000.3.2.6 按鍵接入本系統(tǒng)設(shè)計中,輸入按鍵有三個，用一個來控制溫度的升高與下降，一個用來確認(rèn)，另一個來取消。plc的輸入借口x1用來接溫度控制按鍵，x2作為確認(rèn)按鍵輸入，x3作為取消按鍵輸入。在需要降穩(wěn)時按下x1鍵再按確認(rèn)。如錯按則用x3取消。加熱時按兩下x1，再確認(rèn)。3.2.7 報警電路設(shè)計本系統(tǒng)采用的是一個聲光報警電路。當(dāng)電路檢測到溫度偏高或偏低時，電路會產(chǎn)生發(fā)光發(fā)聲報警。聲光報警電路采用高亮的led燈以及蜂鳴器來實現(xiàn)，其電路如下圖3.9所示。 圖3.9 聲光報警電路3.2.8 溫度

33、調(diào)節(jié)模塊 本系統(tǒng)中風(fēng)扇的作用是，當(dāng)爐溫過高時控制風(fēng)扇對其進(jìn)行降溫。當(dāng)系統(tǒng)處于過溫度狀態(tài)，此時系統(tǒng)會啟動風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。本系統(tǒng)中熱電阻的作用是，當(dāng)爐溫過低時，控制熱電阻對其進(jìn)行加熱。當(dāng)系統(tǒng)處于欠溫狀態(tài)時系統(tǒng)會啟動熱電阻，控制加熱功率，從而使?fàn)t溫回升，直到重新等于給定值為止。3.2.9 硬件總框圖 下圖是總的接線框圖，在接線配線時需要注意的是在避免干擾的需求較高時最好用屏障電纜。還有信號線與電纜線應(yīng)該分開走。 圖3.10 硬件總框圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1主要的工作流程圖本系統(tǒng)采用plc作為核心處理器件，把經(jīng)過溫度檢測電路現(xiàn)場實時采集到的溫度數(shù)據(jù)，存入

34、plc的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，送led顯示，并與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后由plc輸出信號去控制加熱器。進(jìn)行溫度控制程序的設(shè)計應(yīng)考慮如下幾個問題：實時采集溫度、溫度顯示、與上位plc通信程序、警告和處理。軟件設(shè)計主要有：主程序、初值設(shè)定子程序、溫度讀取子程序、顯示子程序和輸出控制子程序等。初值設(shè)定子程序完成對溫度初值的設(shè)定及數(shù)據(jù)保存；溫度讀子程序完成對溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取、并通過液晶顯示子程序顯示溫度值等等。plc的具體軟件主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程圖4.2 pid控制器的參數(shù)整定pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(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

35、分時間和微分時間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還要通過工程實際進(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，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進(jìn)行，方法簡單，易于掌握，在工程中被廣發(fā)應(yīng)用，pid控制時和自動調(diào)諧時的動作情況如圖4.2。圖4.2 pid控制動作圖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。三種方法各有特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過實驗、然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要

36、在實際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。本系統(tǒng)采用的是臨界比例法。李勇該方法進(jìn)行pid控制器的參數(shù)整定步驟如下：（1）首先選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過公式計算得到pid控制器的參數(shù)。在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。根據(jù)被控對象以及基本設(shè)計要求，自動控制系統(tǒng)設(shè)計需要進(jìn)行大量的計算分析，要保證系統(tǒng)良好的性能又要保證給定的技術(shù)要求，在此過程中，可采用理論指導(dǎo)，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，確定控制算法。對于溫度系統(tǒng)的建模，可以近似地認(rèn)為“純滯后+一階慣性”環(huán)節(jié)

37、，進(jìn)行實驗時先測出開環(huán)曲線，對于一階慣性環(huán)節(jié)對象，往往采用pid控制算法，控制效果比較好。 圖4.3 比例積分微分圖 調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的比例積分微分關(guān)系如下： 式（1.1）其中k p為比列系數(shù)，ti為積分時間常數(shù)，t d為微分時間常數(shù)。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字pid調(diào)節(jié)，就是對式（1）進(jìn)行離散化，離散化時，令 ， ， 式中t是采樣周期，顯然，上述周期t必須足夠短，才能保證有足夠的精度。因此數(shù)字pid調(diào)節(jié)器，表達(dá)式如下： 式（1.2）由控制理論可知：離散化采樣頻率越高，采樣后失去的信息越少，相應(yīng)的控制性能也越好。但由于水溫是一個慢變信號，進(jìn)行pid算法控制時，若采樣頻率過高，相鄰兩次采樣

38、信號差距很小，將會失去pid控制的優(yōu)勢，因此確定采樣頻率為1/15hz，即15s進(jìn)行一次pid算法。在反饋控制部分的然間程序設(shè)計上主要采用pid控制算法，但由于過早地引入積分作用容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過大的超調(diào)量，預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的pid控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。在本系統(tǒng)的實際控制中，微分作用的改善不是很明顯，因此，在軟件編制時可不加微分調(diào)節(jié)。4.3數(shù)字pid在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用典型的數(shù)字p1d控制系統(tǒng)如圖3所示，圖中sp(t)是給定值pv(t)為反饋量，c(t)為輸出值，pid控制器的輸入輸出關(guān)系

39、可表示為：圖4.4 數(shù)字pid控制系統(tǒng)pv(t)c(t)m(t)(n)esp(n)pidd/a執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象測量機(jī)構(gòu)a/dsp(t)由于每次處理工件的溫度、外型及重量不同，pid的參數(shù)會發(fā)生變化，不能再程序中一次確定。所以在這里采用簡易pid控制，通過自調(diào)諧功能，自動計算出社和的pid常數(shù)，解決了pid控制中參數(shù)確定難的問題。選擇快速響應(yīng)時，容易發(fā)生過調(diào)：選擇慢速響應(yīng)，沒有過調(diào)產(chǎn)生，響應(yīng)速度慢。在反饋控制部分的軟件程序設(shè)計上主要采用pid控制算法，由于過早地引入積分作業(yè)容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過大的超調(diào)量，為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的pid控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，

40、使控制性能有較大的改善。在偏差大時不進(jìn)行積分，僅當(dāng)偏差的絕對值小于一預(yù)定的門限值a時才進(jìn)行積分累加。這樣既防止了偏差大時有過大的控制量，也避免了過積分現(xiàn)象。在plc控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過pid控制指令實現(xiàn)的。進(jìn)入plc的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入存儲器和寄存器，而在plc中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使pid算法離散化，將描述連續(xù)時間pid算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲞B續(xù)時間pid算法的差分方程。pid的子程序流程圖如圖3所示，根據(jù)實際檢測到得溫度值和設(shè)定溫度比較，求出相應(yīng)的溫度偏差值e，根據(jù)e與a的比較判斷采用pid算法或是pd算法，隨后進(jìn)行算法處理，求出控制值。pid控制根據(jù)指令指定單元確定動作方向，執(zhí)行運(yùn)算。rslogix500中的pid指令為：指令功能：比例、積分和微分指令是一條輸出指令，該指令采用過程循環(huán)以控制諸如溫度、壓力、液位、流量或流速等物理性質(zhì)的過程量。指令說明：pid指令通常用于閉環(huán)控制。它從模擬量輸入通道采集信號，經(jīng)過pi