S7300PLC中程序控溫算法設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）s7-300 plc中程序控溫算法設(shè)計 temperature control algorithm designbased on s7-300 plc總 計： 48 頁表 格： 9 個插 圖： 37 幅南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）s7-300 plc中控溫程序算法設(shè)計temperature control algorithm designbased on s7-300 plc學(xué) 院（系）： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 104091020035 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： ） 評 閱 教 師： 完 成

2、 日 期： 南陽理工學(xué)院 nanyang institute of technologys7-300 plc中程序控溫算法設(shè)計自動化專業(yè) 摘 要 溫度控制是最重要的過程控制之一，有些溫度控制過程要求按照一定的升溫、保溫、降溫曲線控制溫度。西門子s7-300 plc中fb41 pid控制模塊有雙極性輸出功能，但是該模塊不具有程序控溫功能。本設(shè)計在fb41 pid控制模塊的基礎(chǔ)上進行的, 自主設(shè)計的程序控溫算法實現(xiàn)了夾套鍋爐的程序控溫。主要包括多段溫度設(shè)置曲線程序設(shè)計，升-保-降溫度段控制規(guī)律的研究和控制參數(shù)的設(shè)置。溫度曲線設(shè)置采用溫度-時間格式算法，本段溫度設(shè)定與上段溫度設(shè)定的差值，除以本段設(shè)置

3、時間得到溫度曲線斜率，以定時中斷模塊ob35中斷時間作為設(shè)置時間的時間刻度，進行線性運算，產(chǎn)生設(shè)定值曲線。溫度曲線設(shè)置程序輸出值作為fb41模塊的給定值進行pid運算，正極性pid輸出配合脈寬調(diào)制實現(xiàn)時間比例加熱控制，負(fù)極性pid輸出調(diào)節(jié)夾套冷卻水流量實現(xiàn)降溫控制。對升-保-降溫度段選用不同控制規(guī)律和參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)了程序控溫，達(dá)到控溫精度0.1 ，實現(xiàn)了設(shè)計任務(wù)。 關(guān)鍵詞 溫度；雙極性; pid；fb41 temperature control algorithm esign based on the s7-300 plcautomation specialty gao shiyuabstrac

4、t: temperature control is one of the most important process control, some temperature control process is base on ramp rate of heating up,keeping and cooling.siemens s7-300 plc fb41 pid control module has dual polarity output function,but the module has no program control temperature function.this de

5、sign is based on fb41 pid control module, the independent design temperature process control algorithm realize the clip set of boiler temperature control of the program.mainly includes multistage temperature setting curve program design, study about heating up,keeping,cooling temperature control law

6、 and preferences.setting temperature curve is by temperature-time format algorichm, the d-value is between setting temperature and last-setting temperature , this period time is divided by d-value between setting temperature and last-setting temperature ,then get the temperature curve slope. scope m

7、ultiplied time get setting value curve by linear operation. setting value is as given value of fb41 for pid operation. positive polarity pid output and pulse width modulation realize time-proportion heating control, negative polarity pid output realize cooling control by adjusting cool water flow in

8、 clip setting. to rise-keep-cool temperature period drop choose different control laws and parameter setting and realize the program temperature control, the precision is to 0.1 and realize the design task.key words: temperature; bipolar; pid ; fb41目 錄1 引言12 項目軟硬件構(gòu)建設(shè)計12.1 項目硬件構(gòu)建12.1.1 溫度傳感器12.1.2 變送

9、器22.1.3 磁力驅(qū)動泵22.1.4 電磁調(diào)節(jié)閥22.1.5西門子mm440變頻器22.1.6 hh52p小型控制繼電器32.1.7交流接觸器32.1.8 壓力液位變送器32.1.9 s7-300plc32.2 項目軟件介紹32.2.1 simatic step7軟件32.2.2 wincc軟件組態(tài)43 控溫算法構(gòu)建63.1 雙極性控制實現(xiàn)83.1.1 “cont_c“ sfb41連續(xù)控制模塊83.1.2 sfb43 脈沖輸出模塊103.1.3“scale“ fc105數(shù)值轉(zhuǎn)換功能103.1.4“unscale“ fc106 取消標(biāo)定值功能113.2 多段斜率控溫的實現(xiàn)123.2.1多段斜率

10、控溫的設(shè)計思路123.2.2多段斜率控溫的適應(yīng)性143.2.3多段斜率雙極性控溫算法程序流程圖144設(shè)計調(diào)試分析15.溫度對象特點15.2不同控制規(guī)律結(jié)果分析174.2.1 p控制規(guī)律現(xiàn)象分析174.2.2 pi控制規(guī)律現(xiàn)象分析184.2.3 pd控制規(guī)律現(xiàn)象分析194.2.4 pid控制規(guī)律現(xiàn)象分析204.3總結(jié)分析21結(jié)束語22參考文獻23附錄24致謝481 引言plc是主流的自動化控制器，現(xiàn)在還廣泛用于過程控制。由于現(xiàn)在plc普遍具有模擬量處理技術(shù)和pid調(diào)節(jié)能力，使得plc在過程控制領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。pid是過程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。siemenss7300

11、/400系列plc具有完善的過程控制軟硬件產(chǎn)品，step 7軟件中配有pid軟件功能模塊1。溫度控制是最重要的過程控制之一，而有些溫度控制過程對升降溫斜率有要求，即按照一定的升溫、保持、降溫曲線控制溫度。能夠?qū)崿F(xiàn)加熱冷卻雙極性控制的pid算法可以實現(xiàn)設(shè)定值曲線控制，在工程實際中有很多應(yīng)用。2 項目軟硬件構(gòu)建設(shè)計2.1 項目硬件構(gòu)建 本次畢業(yè)設(shè)計主要通過溫度傳感器檢測鍋爐水溫，經(jīng)智能儀表做溫度變送器，傳遞4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)西門子sm331模擬量輸入模塊輸入，經(jīng)cpu模塊進行pid運算后，通過是sm332模擬量輸出模塊或者sm322數(shù)字量模塊輸出4-20m標(biāo)準(zhǔn)信號或者數(shù)字信號，來控制調(diào)節(jié)閥的

12、開度或繼電器的狀態(tài)，從而控制夾套降溫和鍋爐內(nèi)膽加熱絲加熱。控溫程序的處理主要應(yīng)用西門子的step7軟件來完成，上位機的監(jiān)控由wincc組態(tài)軟件來完成。2.1.1 溫度傳感器夾套使用的是鉑電阻（pt100）溫度傳感器，內(nèi)膽選用銅電阻（cu50）溫度傳感器，實物圖如下圖1所示，測溫范圍2見表1。金屬鉑pt100（r0=100）具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸??；電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關(guān)系；在測溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性好，測量精度高，最常用的一種溫度檢測器；銅電阻（cu50）溫度傳感器為避免因連接導(dǎo)線的電阻隨外界溫度變化而更降低測溫精度時，應(yīng)采用三線制，接線

13、方法如圖2所示：表1 傳感器技術(shù)指標(biāo)名稱分度號測量范圍誤差鉑電阻溫度傳感器pt100-200850（0.10+0.017t）名稱分度號測量范圍誤差銅電阻溫度傳感器cu50-50150（0.10+0.017t）圖1溫度傳感器接線圖 2.1.2 變送器ai818型智能儀表硬件采用了先進的模塊化集成設(shè)計，具備功能模塊主要有：輔助輸入、主輸出、報警、輔助輸出及通訊。儀表的輸入方式可自由設(shè)置為常用各種熱電偶、熱電阻和線性電壓（電流）。用于恒壓供水時，作為控制器使用，輸出電流信號送給西門子變頻器mm440，接收壓力儀表pe的反饋信號，內(nèi)部運用pid調(diào)節(jié)，促使壓力信號穩(wěn)定。作為溫度變送器時，ai818儀表使

14、用變送和顯示功能，具體的參數(shù)設(shè)計如下：hial:99.99; loal:0; ctrl:0;run:0或1；sn=20（內(nèi)膽）或21（外膽），其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置，接收溫度傳感器的信號，經(jīng)自身內(nèi)部運算，顯示實時溫度，同時也把信號傳送到plc模擬量輸入模塊sm331。2.1.3 磁力驅(qū)動泵型號：20cq-12p 流量為3m/h，對于設(shè)計要求來說，在1m/h左右已足夠用。 揚程為12m，對于從下水箱抽水到內(nèi)膽里，供水壓力足夠使用。 驅(qū)動功率為0.37kw ，節(jié)能實惠。轉(zhuǎn)速為02900r/min，可以高速旋轉(zhuǎn)，速度調(diào)節(jié)范圍廣。工作電壓區(qū)間為0380v ，此電壓由西門子變頻器mm440輸出提供，工作區(qū)

15、域也比較寬。2.1.4 電磁調(diào)節(jié)閥型號：qstp_16k 公稱通徑為dn20mm，完全可以滿足供水流量要求。公稱壓力為1.6mpa，供水壓力最大為1.5 mpa，工作在安全范圍內(nèi)。信號傳遞為4-20ma dc，可由plc的模擬量輸出模塊sm332提供，控制調(diào)節(jié)開度的大小。上下行程共16mm，從全開到全閉或從全閉到全開需要的時間比較長，故盡可能不使其做大動作，否則耗時費力。2.1.5西門子mm440變頻器micromaster 440屬于通用型變頻器，驅(qū)動功率配比范圍為0.12kw - 250kw，完全可以驅(qū)動0.5hp的磁力驅(qū)動泵。輸入電源為三相交流電，輸出直接供給電機，接法均為三相四線制，動

16、力電有一定的危險性，接線端子務(wù)必密封性良好，以防觸電事故的發(fā)生。它具有過流、欠壓等跳閘保護，并有指示燈顯示其工作狀態(tài)或故障類型。它的控制輸入為智能儀表提供的420ma電流信號，其輸出為0380v ac送給磁力驅(qū)動泵。2.1.6 hh52p小型控制繼電器hh52p小型控制繼電器輸入由plc數(shù)字量輸出模塊的一個點提供24v dc，它的通斷用來控制交流接觸器的，單接點型，插入式，兩常開，兩常閉，額定電流5 a，適用于日常交流電，具有體積小、重量輕、開閉容量大、可靠性高、壽命長等特點2.1.7交流接觸器接觸器是一種適用于在低壓配電系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離控制、頻繁操作交、直流主電路及大容量控制電路的自動控制開關(guān)電

17、器。選用接觸器主要考慮因素有：根據(jù)電路中負(fù)載電流的種類，接觸器主觸頭的額定電壓，額定電流，控制電路要求確定吸引線圈工作電壓和輔助觸點容量。設(shè)計中選用 cjx2-124（lc1-d）型交流接觸器適用于交流50 hz或60 hz，電壓至660 v、電流至95 a的電路中。2.1.8 壓力液位變送器壓力液位變送器可以顯示液位，輸入為兩線制24v dc，輸出為420ma。接線圖如下圖2所示：圖2兩線制接線圖2.1.9 s7-300plcs7-300plc電源模塊的輸入用220ac的單相三線制，即一火一零一地線。cpu 315-2dp的電源為5vdc，內(nèi)存為128k。數(shù)字量輸入、輸出各16個點，模擬量輸

18、入、輸出各4個通道，已滿足設(shè)計需求，其中模擬量輸入模塊具有12位精度并且是智能防爆型的。2.2 項目軟件介紹2.2.1 simatic step7軟件simatic step7作為一個平臺可以集成各種控制設(shè)備的軟件，使不同設(shè)備以及西門子plc站點具有相同的數(shù)據(jù)庫，所有設(shè)備的編程、配置、調(diào)試、數(shù)據(jù)路由以及通信工作只需在step7中就可以完成3，從而實現(xiàn)一個項目中所有控制任務(wù)的集成。可以在上位機中完成硬件組態(tài)，配置通訊地址，程序編制下載，在線仿真，在線連接，故障檢測等操作。硬件組態(tài)如圖3：圖3硬件組態(tài)畫面2.2.2 wincc軟件組態(tài)（1）變量管理:圖4變量組態(tài)畫面4（2）畫面編輯器：主畫面，報警

19、畫面，報表記錄，溫度設(shè)置畫面，趨勢畫面5圖5畫面目錄圖6主畫面圖7報警畫面圖8報表記錄圖9溫度設(shè)置畫面圖10趨勢畫面3 控溫算法構(gòu)建本設(shè)計控溫算法的設(shè)計，主要分為兩大部分，都在ob35中斷中進行。一是雙極性的實現(xiàn)，即fb41控制器的輸出值大于零時，輸出數(shù)字量，控制繼電器吸合，加熱電路導(dǎo)通，對內(nèi)膽進行加熱?？刂破鬏敵鲋敌∮诹銜r，輸出模擬量控制閥門的開度，從而控制夾套循環(huán)水的流量，實現(xiàn)降溫目的。第二部分為多段斜率曲線的實現(xiàn)，即設(shè)定值的曲線變化的實現(xiàn)。首先對一些算法變量中的動態(tài)變量進行初始化清零，然后判斷當(dāng)前的段數(shù)n是否等于設(shè)定段數(shù)number，等的話回第一段循環(huán)執(zhí)行，不等執(zhí)行下一段，調(diào)用斜率算法塊

20、fb1，將cn-1送入last_t,cn送入set_t，tn送入load_tim，進行運算，輸出一個時間刻度的變化量，通過ob35的時間基準(zhǔn)進行四則運算，輸出一個sp的值。最后，將輸出的sp值，送入fb41的設(shè)定值端，進行pid運算。另外，手自動的選擇在ob1中完成，fb43和fb41的時間配合以及調(diào)用時間邏輯，通過調(diào)用fb3實現(xiàn)。簡單流程示意如圖11，圖11簡單流程示意3.1 雙極性控制實現(xiàn)本項目中的雙極性為加熱冷卻雙極性。其過程如圖12，現(xiàn)場鍋爐內(nèi)膽溫度通過溫度傳感器采集，經(jīng)sm331模擬量輸入模塊，送入控制器經(jīng)fb41運算，運算結(jié)果限定范圍為-100100。當(dāng)輸出為正值時調(diào)用pwm功能塊

21、fb43，生成一定占空比的脈沖波，經(jīng)sm322數(shù)字量輸出模塊輸出狀態(tài)on/off,控制繼電器的吸合斷開，從而控制加熱絲電路對內(nèi)膽進行加熱。當(dāng)輸出為負(fù)值時調(diào)用模擬量轉(zhuǎn)換功能fc106，經(jīng)sm332模擬量輸出模塊輸出4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號控制電磁閥的開度，從而控制鍋爐夾套冷卻水流量達(dá)到降溫目的。圖12雙極性控制信號流程示意圖3.1.1 “cont_c“ sfb41連續(xù)控制模塊西門子300/400pid模塊fb41是基于增量型pid控制算法6。由控制原理知識我們得到pid的傳遞函數(shù)如式1 （1）模擬量pid控制器的輸出表達(dá)式7 如式2 （2）由于plc為數(shù)字式控制器，故需要對pid中的積分和微分環(huán)節(jié)進

22、行近似。積分對應(yīng)于曲線與坐標(biāo)軸包圍的面積，可以用若干個矩形的面積和近似精確積分，故第n個矩形時ev(tsn)簡寫為ev(n),輸出量mv(tsn)簡寫為mv(n)。各矩形的總面積為；微分近似計算如式3所示 （3） 由此，可得pid的數(shù)字表達(dá)式如式4所示 （4）進行簡化如式5所示 （5）式中和分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。模塊方框圖如圖13圖13 cont_c方框圖3.1.2 sfb43 脈沖輸出模塊fb43“pulse“用于一個pid控制器，以生成脈沖輸出，用于比例執(zhí)行器。使用fb43，可以配置帶有脈寬調(diào)制的兩步或三部pid控制器。通常和連續(xù)控制器fb41一起使用。如圖14圖14 fb41與fb4

23、3構(gòu)成脈沖發(fā)生器圖 圖15脈寬調(diào)制pulsegen函數(shù)通過調(diào)用脈沖持續(xù)時間，將輸入變量inv（=pid控制器的調(diào)節(jié)值）轉(zhuǎn)換成固定時間間隔的脈沖序列，轉(zhuǎn)換的依據(jù)是輸入變量的更新周期，該周期必須在per_tm中分配。在每個周期內(nèi)，脈沖持續(xù)時間和輸入變量成比例。分配給per_tm的周期和fb43的處理周期并不相等。per_tm是由幾個fb43的處理周期組成的圖15，因此每個per_tm周期中fb43調(diào)用的次數(shù)便成了脈寬調(diào)制精度的尺度標(biāo)準(zhǔn)。對于每個pre_tm中10個fb43調(diào)用，一個30的輸入量意味著下列結(jié)果，見圖16：對于前三個fb43調(diào)用（10個調(diào)用的30），qpos輸出為“1”對于剩下的七個f

24、b43調(diào)用（10個調(diào)用的70），qpos輸出為“0”圖16 fb43方框圖3.1.3“scale“ fc105數(shù)值轉(zhuǎn)換功能scale功能接受一個整型值(in)，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(lo_lim和hi_lim)之間的實型值。將結(jié)果寫入out。scale功能使用以下等式：out =(float(in)k1)/(k2k1)*(hi_limlo_lim)+lo_lim常數(shù)k1和k2根據(jù)輸入值是bipolar還是unipolar設(shè)置。bipolar：假定輸入整型值介于7648與27648之間，因此k1 = 27648.0，k2 = +27648.0unipolar：假定輸出整型值

25、介于0和27648之間，因此，k1 = 0.0，k2 = +27648.0就此次設(shè)計中參數(shù)out=(float(in)0)/(276480)*(1000)+0表2 fc105參數(shù)說明參數(shù)說明數(shù)據(jù)類型描述使能輸入端使能輸出端轉(zhuǎn)換為模擬量的輸入值_工程單位的上限值_工程單位的下限值狀態(tài)為輸入雙極性否則單極性轉(zhuǎn)換結(jié)果_返回值3.1.4“unscale“ fc106 取消標(biāo)定值功能unscale功能接收一個以工程單位表示、且標(biāo)定于下限和上限(lo_lim和hi_lim)之間的實型輸入值(in)，并將其轉(zhuǎn)換為一個整型值。將結(jié)果寫入out。unscale功能使用以下等式：out = (ino_lim)/(

26、hi_limo_lim) * (k21) + k1，并根據(jù)輸入值是bipolar還是unipolar設(shè)置常數(shù)k1和k2。bipolar：假定輸出整型值介于7648和27648之間，因此，k1 = 7648.0，k2 = +27648.0unipolar：假定輸出整型值介于0和27648之間，因此，k1 = 0.0，k2 = +27648.0就此次設(shè)計中參數(shù)out（float） = (in-0)/(100-0) * (276480) + 0表3 fc106參數(shù)說明參數(shù)說明數(shù)據(jù)類型描述使能輸入端使能輸出端欲轉(zhuǎn)換為實型值的輸入值_工程單位的上限值_工程單位的下限值狀態(tài)為輸入雙極性否則單極性轉(zhuǎn)換結(jié)果_

27、返回值3.2 多段斜率控溫的實現(xiàn)溫度設(shè)定曲線示意如圖17圖17多段溫度設(shè)定曲線示意圖3.2.1多段斜率控溫的設(shè)計思路（）斜率升降溫的實現(xiàn)斜率算法中的時間刻度取ob35的周期100ms。算法如式6： （6）set_t：本段目標(biāo)溫度last_t：上段目標(biāo)溫度load_tim：本段狀態(tài)時間tim_1：時間刻度t_chang：每個時間刻度溫度變化量程序中封裝為fb1塊如圖18：具體參數(shù)見圖19：圖18 fb1塊圖19 db1參數(shù)列表圖在ob35中調(diào)用fb1塊，每個ob35的掃描周期加一次t_chang值，既有：（sp）last_tt_chang由于每100ms溫度值變化t_chang，所以斜率曲線實際

28、上是階梯性的，由于時間刻度很小，可近似的看做一定斜率的直線，如圖20：圖20斜率曲線設(shè)置示意圖（2）多段曲線的實現(xiàn)多段的實現(xiàn)主要由計數(shù)器和比較指令在ob35中完成，本段的狀態(tài)時間load_time與時間刻度tim_1的比值作為計數(shù)器1的預(yù)置值，每個時間刻度計數(shù)器當(dāng)前值加一，到達(dá)預(yù)置值觸發(fā)計數(shù)器2加一，計數(shù)器1清零。計數(shù)器2中的預(yù)置值為設(shè)定段數(shù)n，當(dāng)計數(shù)器2的當(dāng)前值依次為0到n時，將不同段的目標(biāo)溫度和持續(xù)時間依次裝載入fb1中，當(dāng)計數(shù)器2達(dá)到預(yù)置值n時，裝載進出料的時間，當(dāng)進出料時間到，重新執(zhí)行多段，此過程可在自動模式下循環(huán)執(zhí)行。3.2.2多段斜率控溫的適應(yīng)性本次設(shè)計中預(yù)設(shè)的可設(shè)定段數(shù)為8段，進

29、出料（準(zhǔn)備段）時間為5min，時間刻度為100ms。程序中每段溫控都是通過調(diào)用fb1塊來實現(xiàn)的，即fb1塊的可循環(huán)調(diào)用給預(yù)設(shè)段數(shù)的變化提供了可能，可根據(jù)客戶的實際需要修改參數(shù)來實現(xiàn)段數(shù)的擴展，從而達(dá)到實際應(yīng)用的需要。在應(yīng)用中由于物料量和材質(zhì)的不同，需要不等的進出料（準(zhǔn)備段）時間，可通過修改ob35中程序段10參數(shù)md30中預(yù)設(shè)的進出料時間來配合現(xiàn)場需要。同時對不同斜率精度需要的生產(chǎn)過程，可通過修改時間刻度tim_1（db1.dbd4）來改變精度，需注意的是時間刻度與ob35的中斷時間一致。3.2.3多段斜率雙極性控溫算法程序流程圖 算法流程圖如圖21-圖24：圖21 ob100初始化 圖22

30、fb2 pid運算雙極性輸出 圖23 ob1主程序 圖24 ob35定時中斷程序4設(shè)計調(diào)試分析.溫度對象特點開環(huán)測試現(xiàn)場測試時對鍋爐內(nèi)膽注水400mm，外膽注滿水。首先在手動狀態(tài)下全功率加熱，冷卻測試夾套鍋爐對象的開環(huán)響應(yīng)曲線如圖25：圖25開環(huán)測試曲線上圖分為全功率加熱段，零功率保持段和全功率降溫段。各階段歸檔參數(shù)見下表4-9。 表4開始全功率加熱表5停止加熱表6最大超調(diào)過渡點表7全功率降溫開始表8源水箱水溫常態(tài)表9 源水箱水溫升高（1）對象升溫段特性測試：由圖表可知對象升溫滯后約1分20秒左右，由表5-6計算可知升溫斜率約3.56/min,對象為不自衡的一階積分對象，需注意的系統(tǒng)投運時斜率

31、設(shè)置不能超過3.56/min。（2）對象保溫段特性測試：由表6-7可知保溫段慣性超調(diào)3.36，升溫慣性滯后時間為4分30秒，保溫段自然散熱速度約0.12/min。（3）對象降溫段特性測試：由圖示可以看出降溫段呈現(xiàn)非線性形態(tài)，是由于夾套降溫水回流源水箱，造成源水箱溫度不斷上升造成的，可將降溫曲線分為兩種情況處理。由表7-9知，若采用外部流動水進行降溫操作，即源水箱水溫保持恒定的低溫，降溫斜率約為-3.48/min（后期調(diào)試階段采用此斜率），需注意的系統(tǒng)投運時斜率設(shè)置不能低于-3.48/min。若采用源水箱的換熱回流水降溫，由于換熱后帶回的能量，源水箱水溫會緩慢上升，降溫斜率約為-1.79/min

32、。.2不同控制規(guī)律結(jié)果分析在進行分析之前我們需要對pid控制器進行簡單的介紹。pid控制器是控制系統(tǒng)中常見的一種控制規(guī)律，是根據(jù)偏差的比例（p），積分（i），微分（d）來進行控制的8。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，kp的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)振蕩9；微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，是系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。本設(shè)計中使用的控制

33、器fb41為增量型控制器。4.2.1 p控制規(guī)律現(xiàn)象分析圖26 比例控制趨勢圖26中 p=40，升溫段滯后1分40秒，最大偏差1.3。恒溫段最大偏差1.8。降溫段滯后2分鐘，最大偏差-2.39。圖27 比例控制趨勢圖27中 p=60，升溫段滯后1分20秒，最大偏差1.4。恒溫段最大偏差1.53。降溫段滯后2分鐘10秒，最大偏差-2.34。由以上兩圖可知，隨著比例作用的增強，升溫滯后有所縮短，同時由于加熱慣性導(dǎo)致降溫滯后增加，整體偏差較大，曲線跟隨性能較差，不能達(dá)到精度要求，嘗試加入積分作用來消除誤差減小偏差。4.2.2 pi控制規(guī)律現(xiàn)象分析圖28 比例積分控制趨勢圖圖28中 p=40 i=90

34、s,加入積分作用的同時減弱了比例作用。升溫段滯后1分33秒，最大偏差2.2。保溫段最大偏差-2.36，超調(diào)較嚴(yán)重，振蕩幅值較大。降溫段最大偏差-3.0，加熱慣性影響下存在降溫滯后。嘗試減弱積分作用。圖29 比例積分控制趨勢圖圖29中 p=40 i=120s,比例不變，減弱積分作用。升溫段最大偏差2.2。保溫段最大偏差-0.24，超調(diào)很小，基本無振蕩現(xiàn)象，本段已達(dá)到控制要求精度。降溫段最大偏差-2.8，加熱慣性影響下存在降溫滯后。由以上兩圖可知，隨著積分作用的減弱，超調(diào)減小很多，但由于加熱慣性和降溫慣性（調(diào)節(jié)閥滯后）的存在，當(dāng)前值曲線在設(shè)定值上下穿越現(xiàn)象嚴(yán)重，升溫段和降溫段偏差較大，曲線跟隨性能

35、較差，不能達(dá)到精度要求，設(shè)想主要原因是滯后的累加，如圖30所示。接下來嘗試采用pd控制規(guī)律。圖30 加熱慣性和冷卻慣性滯后示意圖4.2.3 pd控制規(guī)律現(xiàn)象分析圖31 比例微分控制趨勢圖圖31中 p=50 d=9s,切除積分作用。升溫段最大偏差-0.9。保溫段最大偏差0.31，超調(diào)很小，輕微振蕩。降溫段最大偏差-0.64。控制器改為pd控制規(guī)律，控制品質(zhì)明顯改善，為了弱化跟隨振蕩，嘗試進行死區(qū)處理。圖32 比例積分控制示意圖圖32中 p=50 d=12s,死區(qū)寬度dead_w=0.1。升溫段最大偏差-0.8，當(dāng)前值曲線整體偏下設(shè)定值曲線。保溫段最大偏差-0.2，超調(diào)很小，基本無振蕩。降溫段最大

36、偏差-1.5。加入死區(qū)后振蕩現(xiàn)象明顯改善，但無法有效的消除誤差，降溫偏差超出了控制精度范圍。為了消除余差嘗試加入微弱的積分作用。以上兩圖可見pd控制規(guī)律的應(yīng)用明顯改善了控制品質(zhì)，這似乎有悖于經(jīng)驗中的隨動控制忌諱使用微分分量，容易引入高頻干擾，從而使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而使控制品質(zhì)下降?？紤]我們的隨動是一個線性的隨動，即按一定的規(guī)律變化的，并非等同于串級控制中的內(nèi)環(huán)的給定值，所以對系統(tǒng)的干擾作用很弱。而且升降溫階段，主要是加熱滯后和閥門滯后作用造成了當(dāng)前值得穿越，所以從微分超前控制的作用考慮，微分分量的加入有利于控制品質(zhì)的改善。4.2.4 pid控制規(guī)律現(xiàn)象分析圖33 pid控制示意圖 圖33中

37、p=40，i=900s，d=9s，dead_w=0.1，加入積分作用，適當(dāng)?shù)臏p小比例和微分的作用。升溫段曲線整體偏下，最大偏差-0.8。保溫段最大偏差-0.3。降溫段出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。圖34 pid控制示意圖圖34中 p=30，i=600s，d=11s，dead_w=0.1，增加微分作用，適當(dāng)?shù)臏p小比例作用。升溫段曲線整體偏下，最大偏差-0.6。保溫段最大偏差0.71。降溫段偏差-1.1。圖35 pid控制示意圖圖35中 p=60，i=600s，d=11s，dead_w=0.1，增加比例作用。升溫段最大偏差-0.7。保溫段最大偏差0.4。降溫段最大偏差-0.9?；具_(dá)到要求的控制精度。采用pid控制規(guī)律，加入微弱的積分作用，有效的消除了余差，通過微分的配合，以及死區(qū)的加入有效地解決超調(diào)問題，同時有效的解決了滯后問題，是控制品質(zhì)達(dá)到預(yù)期控制精度。4.3總結(jié)分析本設(shè)計中設(shè)定值sp是一個按斜率有規(guī)律地不斷變化（線性變化）的值，微分作用能反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，本設(shè)計中微分作用在輸出量中占得分量較大，在改善系統(tǒng)的動態(tài)性能方面效果明顯