PLC課程設(shè)計（論文）爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) plcplc技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文） 題目：題目： 爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 自動化自動化072072 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時間：起止時間： 2010.12.22-2010.12.312010.12.22-2010.12.31 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 本科生課程設(shè)計（論文） 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語 院（系）：電氣工程學(xué)院

2、 教研室： 注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級自動化072 課程設(shè)計 （論文） 題目 爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 課程設(shè)計（論文）任務(wù) 課題完成的功能課題完成的功能： 石灰進入石灰窯燒制后形成熟石灰，石灰窯溫度是決定熟石灰質(zhì)量的關(guān)鍵因素。石灰窯的溫度控制 需通過調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量來實現(xiàn)。控制系統(tǒng)需完成以下功能： 1、完成高爐煤氣的流量控制； 2、完成燃燒空氣的流量控制； 3、完成冷卻空氣的流量控制； 4、完成上料皮帶秤的啟停控制； 5、完成爐窯的窯頂預(yù)熱帶、煅燒帶和冷卻帶的溫度檢測。 設(shè)計任務(wù)及要求：設(shè)計任務(wù)及要求： 1、采用西門子公司 200

3、 系列 plc； 2、方案設(shè)計，i/o 分配表； 3、硬件設(shè)計和軟件開發(fā)； 4、離線運行結(jié)果分析； 5、撰寫課程設(shè)計說明書； 技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)： 1、溫度范圍在 800-1000，各種氣體流量范圍為 2-5m3/h-2200n； 2、上料皮帶電動機的額定功率22kw，額定電壓380v，額定電流7a，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。 進度 計劃 1、熟悉課程設(shè)計題目，查找及收集相關(guān)書籍、資料（2 天） ；2、設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖（1 天） ； 3、儀表、控制系統(tǒng)等設(shè)備的選型（1 天） ；4、程序開發(fā)（4 天） ；5、撰寫課設(shè)論文（1.5 天） ； 6、設(shè)計結(jié)果考核（0.5天） ； 指導(dǎo)教師評語及成績

4、平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 本科生課程設(shè)計（論文） 摘摘 要要 在石灰產(chǎn)品生產(chǎn)的流程中，窯爐燒制是一個非常重要的環(huán)節(jié)。石灰窯燒制工 業(yè)生產(chǎn)過程當中,需要調(diào)控的量有很多,最重要的就是高爐煤氣流量的控制,燃燒空 氣流量的控制,冷去流量的控制及上料皮帶秤的啟?？刂?pid 調(diào)節(jié)作為經(jīng)典控制理 論中最典型的閉環(huán)控制方法。 本設(shè)計對石灰窯爐加熱溫度調(diào)整范圍為 8001000，各種氣體流量范圍 為 2-5m3/h-2200n。軟件設(shè)計須能進行人工啟動，考慮到本系統(tǒng)控制對象為石灰 窯爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不 予要求。 被控對象

5、為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號，經(jīng)溫度變送器將溫 度值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入 plc 模塊。plc 把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差， 經(jīng) pid 運算后，發(fā)出控制信號，相應(yīng)的控制可控調(diào)節(jié)閥，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控 制。 關(guān)鍵詞：爐窯溫度控制；pid 算法；plc 編程； 本科生課程設(shè)計（論文） 目目 錄錄 第第 1 1 章章 緒論緒論 .1 第第 2 2 章章 課程設(shè)計的方案課程設(shè)計的方案 .2 2.1 概述 .2 2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .2 第第 3 3 章章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 .5 3.1 plc 的選型和硬件配置 .5 3.2 傳感器選擇 .6 3.3 可控閥門及電動機選擇

6、.7 第第 4 4 章章 基于基于 plcplc 的爐溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計的爐溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .8 4.1 step 7 micro/win32 軟件介紹 .8 4.2 系統(tǒng) pid 算法及流程圖 .8 4.2.1 pid 算法簡介.8 4.2.2 pid 算法的數(shù)字化處理.9 4.3 i/o 口分配 .15 4.3 主程序清單 .15 第第 5 5 章章 課程設(shè)計總結(jié)課程設(shè)計總結(jié) .23 參考文獻參考文獻 .24 本科生課程設(shè)計（論文） 1 第第 1 1 章章 緒論緒論 隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種 最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程

7、變量。例如：在冶金工業(yè)、 化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、 熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進行控制。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機進行 pid 控制,然而單片機控制的 ddc 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控 制方面更不是其長處,然而 plc 在這方面卻是公認的最佳選擇。 在石灰產(chǎn)品生產(chǎn)的流程中，窯爐燒制是一個非常重要的環(huán)節(jié)。某種石灰燒制 的工藝，要求窯爐溫度從室溫升高到 1000左右，經(jīng)過長時間恒定高溫?zé)?，?后由 1000左右降至室溫。在溫度變化的過程，石灰窯的溫度控制需通過調(diào)節(jié)煤 氣和空氣的流量來實現(xiàn)，必須對窯爐溫度的升溫、恒溫和降溫進行精確

8、地控制。 對窯爐溫度的控制好壞直接關(guān)系到石灰產(chǎn)品的質(zhì)量、廢品率和廠家的生產(chǎn)成本以 及安全。 本文針對石灰窯爐快速升溫和恒溫的過程，在 pid 調(diào)節(jié)方法中，采用西門子 s7200plc，實現(xiàn)了窯爐溫度精確控制的效果。 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，常常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量和 液位等連續(xù)變化的量。pid 調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中最典型的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)方法。 本科生課程設(shè)計（論文） 2 第第 2 2 章章 課程設(shè)計的方案課程設(shè)計的方案 2.1 概述 本 plc 溫度控制系統(tǒng)的具體指標要求是：對石灰窯爐加熱溫度調(diào)整范圍為 8001000，各種氣體流量范圍為 2-5m3/h-2200n。

9、軟件設(shè)計須能進行人工啟 動，考慮到本系統(tǒng)控制對象為石灰窯爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較 寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。 2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)系統(tǒng)具體指標要求，可以對每一個具體部分進行分析設(shè)計。整個控制系 統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計兩部分。 系統(tǒng)硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖所示: 石灰石 料斗 振動篩 單斗提升機 爐窯 煙氣 除塵機換熱 器 抽風(fēng)機 排空 煤氣流量傳感器 空氣流量傳感器 出灰機 煤氣 鼓風(fēng)機 圖 2.1 系統(tǒng)硬件框圖 本科生課程設(shè)計（論文） 3 整個控制系統(tǒng)是一個相對聯(lián)系的結(jié)合體，但是又可以分開討論。當被控對象 為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號，經(jīng)變送

10、器將溫度值轉(zhuǎn)換成電壓信 號送入 plc 模塊。plc 把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng) pid 運算后， 發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。 當被控對象為煤氣流量，流量傳感器檢測煤氣輸送管道內(nèi)的流量信號，經(jīng)變 送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入 plc 模塊。plc 把這個測量信號與設(shè)定值比較 得到偏差，經(jīng) pid 運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn)爐溫的連 續(xù)控制。 當被控對象為燃燒空氣流量，流量傳感器檢測燃燒空氣輸送管道內(nèi)的流量信 號，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入 plc 模塊。plc 把這個測量信號與設(shè) 定值比較得到偏差，經(jīng) pid 運算后，發(fā)出控

11、制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn) 爐溫的連續(xù)控制。 當被控對象為冷卻空氣流量，流量傳感器檢測冷卻空氣輸送管道內(nèi)的流量信 號，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入 plc 模塊。plc 把這個測量信號與設(shè) 定值比較得到偏差，經(jīng) pid 運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn) 爐溫的連續(xù)控制。 當被控對象為皮帶秤石灰石上料量，皮帶秤傳感器檢測皮帶秤上的石灰石料 量信號，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入 plc 模塊。plc 把這個測量信號 與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng) pid 運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而 實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。 可控閥門 石灰 窯爐 溫度傳 感 器 給定溫度 s7

12、- 200plc cpu 運算處理 變送器 圖 2.2 溫度系統(tǒng)硬件框圖 本科生課程設(shè)計（論文） 4 可控閥門 煤氣 輸送 管道 煤氣流量 傳感器 給定流量 s7-200plc cpu 運算處理 變送器 圖 2.3 高爐煤氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 燃燒空氣 輸送管道 燃燒空氣流 量傳感器 給定流量 s7-200plc cpu 運算處理 變送器 圖 2.4 燃燒空氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 冷卻空氣 輸送管道 冷卻空氣 傳感器 給定流量 s7-200plc cpu 運算處理 變送器 圖 2.5 冷卻空氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 上料 皮帶 皮帶秤 傳感器 給定值 s7- 200plc cpu 運算處

13、理 變送器 圖 2.6 皮帶秤系統(tǒng)硬件框圖 本科生課程設(shè)計（論文） 5 第第 3 3 章章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 3.1 plc 的選型和硬件配置 s7-200 系列 plc 是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器， 它能夠滿足多種自動化控制的需求，其設(shè)計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可 擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復(fù)雜 的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充 分發(fā)揮作用。 s7-200 系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。 并可以將這些模塊安裝在同一機架上。 siemenss7-200 主

14、要功能模塊介紹： (1)cpu 模塊 s7-200 的 cpu 模塊包括一個中央處理單元,電源以及數(shù)字 i/o 點,這些都被集成在一個緊湊,獨立的設(shè)備中。cpu 負責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場 設(shè)備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號,驅(qū)動外部負載.從 cpu 模塊的功能來 看, cpu 模塊為 cpu22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置 cpu 單元：cpu221 它有 6 輸入/4 輸出,i/0 共計 10 點.無擴展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲容量較小,有一 定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。cpu222 它有 8 輸入/6 輸出，i/0 共計 14 點，和 cpu 221 相比,

15、它可以進行一定的模擬量控制和 2 個 模塊的擴展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。cpu224 它有 14 輸入/10 輸 出，i/0 共計 24 點，和前兩者相比,存儲容量 擴大了一倍,它可以有 7 個擴展模 塊,有內(nèi)置時鐘,它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力,是使用得最多 s7-200 產(chǎn)品。cpu226 它有 24 輸入/16 輸出,i/0 共計 40 點,和 cpu224 相比,增加 了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型 控制系統(tǒng)。cpu226xm 它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展, 其他指標和 cpu226 相同。 (2)開關(guān)量

16、i/o 擴展模塊 當 cpu 的 i/0 點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的 控制時,就要進行 i/o 擴 展,i/o 擴展包括 i/o 點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。 通常開關(guān)量 i/o 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。 為了保證 plc 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如 光電隔離,輸入保護(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器 等。由于 plc 要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負載進行選擇,有直流 輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 本科生課程設(shè)計（論文） 6 3 種

17、：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從 輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中； 若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應(yīng)仔細 查看開關(guān)量 i/o 模塊的技術(shù)特性，按照實際情況進行選擇。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，cpu224xp 相比與其他型號具有更好的硬 件指標，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本， cpu224xp 自帶的模擬量 i/o 規(guī)格如表： 表 3.1 模擬量 i/o 配置表 i/o 信號信號類型電壓信號電流信號 模擬量輸入*2 10v/ 模擬量輸出 010v02

18、0ma cpu224xp 自帶的模擬量輸入通道有 2 個，模擬量輸出通道 1 個。 在 s7-200 中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是 032000，雙極 性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000+32000 3.2 傳感器選擇 在此設(shè)計中, 爐窯窯頂?shù)念A(yù)熱帶、燃燒帶和冷卻帶溫度由 3 個熱電偶傳感器 進行采集。按照測溫的范圍，選擇熱電偶傳感器。熱電偶傳感器的測量范圍為- 501600，精度為（1%5%） 。 熱電偶溫度傳感器的工作原理：兩種不同的金屬 a 和 b 構(gòu)成閉合回路,當兩 個接觸端 t t0 時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng), 該 電動勢稱為熱電勢。這兩種

19、不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體 a、b 稱為熱電極。 兩個接點，一個稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時將它 置于被測介質(zhì)中;另一個稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導(dǎo)線與顯示儀表相 連。 圖 3.1 熱電偶測溫系統(tǒng)簡圖 tt0 a b 本科生課程設(shè)計（論文） 7 流量傳感器是對高爐煤氣,燃燒空氣以及冷卻空氣流量的檢測部件，在此論文 中選擇法蘭式 v 錐流量傳感器 ffm61s。 工作原理：v 錐流量計是由 v 錐傳感器和差壓變送器組合而成的一種差壓流 量計，可精確測量寬雷諾數(shù)（8103re5107）范圍內(nèi)各種介質(zhì)的流量。 其測量理論是：由于實際流體都具有粘性，不是理想流體，當其在

20、管道中流 動時，在充分發(fā)展管內(nèi)流動的前提下，具有層流和紊流兩種流動狀態(tài)。根據(jù)連續(xù) 流動的流體能量守恒原理和伯努力方程：對于以層流狀態(tài)流動的流體，其流速分 布是以管道中心線為對稱的一個拋物面，流體通過一定管道的壓力降與流量成正 比；對于紊流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個指數(shù)曲 面，流體通過一定管道的壓力降與流量的平方成正比。如圖 3.3。 圖 3.2 法蘭式 v 錐流量傳感器 ffm61s 3.3 可控閥門及電動機選擇 電動調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領(lǐng)域的 自動化程度越來越高正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)林宇中。與傳統(tǒng)的氣動 調(diào)節(jié)閥相比具有明

21、顯的優(yōu)點，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷。 可控閥門是對高爐煤氣,燃燒空氣以及冷卻空氣流量的控制部件，在此論文中 選擇電動調(diào)節(jié)閥。 上料皮帶電動機的額定功率 22kw，額定電壓 380v，額定電流 7a，額定轉(zhuǎn) 速 1450rpm。電機直接帶動皮帶的轉(zhuǎn)動，因此應(yīng)該考慮其功率和電流的大小，所 以選擇 yc ycl 系列的電動機。 本科生課程設(shè)計（論文） 8 第第 4 4 章章 基于基于 plcplc 的爐溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計的爐溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 4.1 step 7 micro/win32 軟件介紹 step7-micro/win32 編程軟件是由西門子公司專為 s7-200 系列 plc 設(shè)計開 發(fā)

22、，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編 輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時它還有一些 工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置 plc 的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯 誤。梯形圖中的錯誤處的下方自動加紅色曲線，語句表中錯誤行前有紅色叉，且 錯誤處的下方加紅色曲線。 軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn) 也可以在離線工作方式下進行。 聯(lián)機方式：有編程軟件的計算機與 plc 連接，此時允許兩者之間做直接通 信。 離線

23、方式：有編程軟件的計算機與 plc 斷開連接，此時能完成大部分基本 功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在 計算機上。 兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機方式下可直接針對相連的 plc 進行操作，如上載和 下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與 plc 聯(lián)系，所有程序和參 數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機后在下載到 plc 中。 4.2 系統(tǒng) pid 算法及流程圖 4.2.1 pid 算法簡介 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 80 年歷史，它以其 結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好

24、、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 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， 本科生課程設(shè)計（論文） 9 這時應(yīng)用 pid 控制技術(shù)最為方便。即當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行控制的。 比例（p）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸 出與輸入誤差信號成比例

25、關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 （steady-state error） 。 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)（system 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)

26、在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 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

27、于零，甚至 為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(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。 4.2.2 pid 算法的數(shù)字化處理 為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差 算式，才能用來計算輸出值，數(shù)字計算機處理的算式如下： mn =kc*en +ki*ex+mintial+kd*(en-en-1) 輸出=比例項+積分項+微分項 其中：mn 在采樣時刻 n，pid 回路輸出的計算值 kc pid 回路增益 en 采樣時刻 n 回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一個值 本科生課程設(shè)計（論文） 10 ex 采樣時刻

28、 x 的回路偏差值 ki 積分項的比例常數(shù) mintial 回路輸出的初始值 kd 微分項的比例常數(shù) 從這個公式可以看出，積分項是從第一個采樣周期到當前采樣周期所有誤差 項的函數(shù)，微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項是當前采樣的函數(shù)， 在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。 其中：min 第 n 采樣時刻積分項的值由于計算機從第一次采樣開始，每有 一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項前值。作為數(shù) 字計算機解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個 簡化算式。簡化算式是： mn =kc*en +ki*en +mx+kd*(en-en-

29、1) 輸出=比例項+積分項+微分項 其中：mn 在第 n 采樣時刻，pid 回路輸出的計算值 kc pid 回路增益 en 采樣時刻 n 回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的起一個值 ki 積分項的比例常數(shù) mx 積分項前值 kd 微分項的比例常數(shù) cpu 實際上使用以上簡化算式的改進形式計算 pid 輸出，這個改進型算式是： mn =mpn +min +mdn 輸出=比例項+積分項+微分項 其中：mn 第 n 采樣時刻的計算值 mpn 第 n 采樣時刻的比例項值 min 第 n 采樣時刻的積分項值 mdn 第 n 采樣時刻的微分項值 比例項 mp 是增益（kc）和偏差（e）的乘積。其中 k

30、c 決定輸出對偏差的靈 敏度，偏差（e）是給定值（sp）與過程變量值（pv）之差，s7-200 解決的求比 例項的算式是： mpn=kc*（spn-pvn） 其中：mpn 第 n 采樣時刻比例項的值 kc 增益 本科生課程設(shè)計（論文） 11 spn 第 n 采樣時刻的給定值 pvn 第 n 采樣時刻的過程變量的值 積分項值 mi 與偏差和成正比。s7-200 解決的求積分的算式是： min=kc*ts/ti*(spn-pvn)+mx kc 增益 ts 采樣時間間隔 ti 積分時間 spn 第 n 采樣時刻的給定值 pvn 第 n 采樣時刻的過程變量的值 mx 第 n-1 采樣時刻積分項（積分項

31、前值） 積分和（mx）是所有積分項前值之和，在每次計算出 min 后，都要用 min 去更新 mx。其中 min 可以被調(diào)整或限制，mx 的處置通常在第一次計算輸出以 前被設(shè)為 minitial（初值） 。積分項還包括其他幾個常數(shù)：增益（kc） ，采樣時間 （ts）和積分時間（ti） 。其中采樣時間是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間 控制積分項在整個輸出結(jié)果中影響的大小。 微分項值 md 與偏差的變化成正比，s7-200 使用下列算式來求解微分項： mdn=kc*td/ts*(spn-pvn)-(spn-1-pvn-1) 為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變 spn=sp

32、n- 1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改進為： mdn=kc*td/ts*(spn-pvn-spn+pvn-1) 或 mdn=kc*td/ts*(pvn-1+pvn) 其中：mdn 第 n 采樣時刻的微分項值 kc 回路增益 ts 回路采樣時間 td 微分時間 spn 第 n 采樣時刻的給定值 spn-1 第 n-1 采樣時刻的給定值 pvn 第 n 采樣時刻的過程變量的值 pvn-1 第 n-1 采樣時刻的過程變量的值 為了下一次計算微分項值，必須保存過程變量，而不是偏差，在第一采樣時 刻，初始化為 pvn-1=pvn。 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。例如

33、只需要比例回路或者 比例積分回路，通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。 本科生課程設(shè)計（論文） 12 如果不想要積分動作（pid 計算中沒有“i” ） ，可以吧積分時間（復(fù)位）置為 無窮大“inf” 。即使沒有積分作用，積分項還是不為零，因為有初值 mx。 如果不想要微分回路，可以把微分時間置為零。 如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為 0.0， 系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時，把增益當做 1.0 看待。 本系統(tǒng)設(shè)計采用 pid 算法閉環(huán)控制系統(tǒng)程序，優(yōu)點是: pid 算法蘊涵了動態(tài) 控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。pid 控制適應(yīng) 性

34、好，有較強的魯棒性，對各種工業(yè)應(yīng)用場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。pid 算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整 的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。pid 控制根據(jù)不同的要 求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形成了一系列改進的 pid 算法。 爐窯溫度采集 比較 判斷 pid 算法 輸出控制 n y 圖 4.1 爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖 本科生課程設(shè)計（論文） 13 高爐煤氣流量采集 比較 判斷 pid 算法 輸出控制 n y 圖 4.2 高爐煤氣流量控制系統(tǒng)流程圖 燃燒空氣流量采集 比較 判斷 pid 算法 輸出控制 n y 圖 4.3 燃燒空氣流

35、量控制系統(tǒng)流程圖 本科生課程設(shè)計（論文） 14 冷卻空氣流量采集 比較 判斷 pid 算法 輸出控制 n y 圖 4.4 冷卻空氣控制系統(tǒng)流程圖 皮帶秤石料采集 比較 判斷 pid 算法 輸出控制 n y 圖 4.5 皮帶秤控制系統(tǒng)流程圖 本科生課程設(shè)計（論文） 15 4.3 i/o 口分配 系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉由 i0.0 和 i0.1 分別控制。系統(tǒng)中有四個被控對象，分別 是上料皮帶秤，煤氣流量調(diào)節(jié)閥，燃燒空氣調(diào)節(jié)閥，冷卻空氣調(diào)節(jié)閥。其中: 上 料皮帶電動機的額定功率 22kw，額定電壓 380v，額定電流 7a，額定轉(zhuǎn)速 1450rpm。各種氣體流量范圍為 2-5m3/h-2200n。 表 4.1 i/o 口分配 4.3 主程序清單 在程序中，分為五個部分，包括利用 pid 算法在爐窯溫度控制上，利用 pid 算法在皮帶秤石灰石石料的控制上，利用 pid 算法在高爐煤氣流量的控制上，利 用 pid 算法在燃燒空氣流量的控制上，利用 pid 在冷卻流量的控制上。其中 i/o 已經(jīng)分配。 具體程序如下： i0.0 啟動 q0.0 上料皮帶秤啟動 i0.1 停止 q0.1 上料皮