PLC的反應(yīng)釜模糊PID溫度控制系統(tǒng)研

1、河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)作 者： 栗勇朋 學(xué) 號(hào)： 126741 系： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及自動(dòng)化 題 目： 基于PLC的反應(yīng)釜模糊 PID溫度控制系統(tǒng)研究 指導(dǎo)者： 李華 副教授 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者： 張惠娟 教授 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2016 年 6 月 7 日基于PLC的反應(yīng)釜模糊PID溫度控制系統(tǒng)研究摘要： 在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。工業(yè)過(guò)程離不開(kāi)溫度控制。而且溫度控制廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，溫度控制的精度以及不同控制對(duì)象的控制方法選擇都起著至關(guān)

2、重要的作用。溫度是反應(yīng)釜內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是保證其設(shè)備安全的重要參數(shù)。運(yùn)用現(xiàn)在控制理論和方法對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行溫度控制，既能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，又提高了生產(chǎn)力。 PLC是一種通用的工業(yè)控制器，具有可靠性高、使用方便靈活、控制功能完善、控制精度較高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)溫度變化特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一個(gè)智能溫度控制系統(tǒng)。使用S7200型PLC采用模糊控制與PID 控制相結(jié)合的控制策略。該溫度控制系統(tǒng)能使溫度應(yīng)對(duì)外界干擾條件的變化 ，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律 ，具有良好的溫度跟蹤性能和抗干擾性能。關(guān)鍵詞: 溫度 PLC 反應(yīng)釜 模糊控制 PID控制畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院2016屆本科畢業(yè)論文

3、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要Title Research on fuzzy PID temperature control system of reaction kettle based on PLC AbstractIn a lot of production process, the measurement and control of the temperature is been linked to the safe production. It can improve production efficiency, ensure product quality, energy conser

4、vation other major technical and economic indicators. The industrial process is inseparable from the temperature control. And the temperature control is widely used in every field of social life, such as home appliances, material, automobile, power electronics - temperature control precision and con

5、trol method for different control objects for selection plays a crucial role. Temperature is not only an important indicator of the reactor production quality .but also an important parameter for the safety of their equipment. Based on this, using the now control theory and method to control the tem

6、perature of the reaction kettle. This can only control meets the needs of industrial production, but also can improve the productivity.PLC is a general industrial controller and has the advantages of high reliability, convenient and flexible to use, perfect control function, higher precision control

7、. In this paper, the design of an intelligent temperature control system an intelligent temperature control system is designed. Using the S7 - 200 PLC with the control strategy combining fuzzy control and PID control. This temperature control system can make the temperature respond to external inter

8、ference conditions change, under the real-time control rules, with good temperature tracking performance and anti-jamming performance.Keywords： temperature PLC reaction kettle fuzzy control PID control 目 錄1 引言- 1 -1.1 研究背景- 1 -1.2 控制策略的選擇- 1 -2 課題研究方法和理論- 2 -2.1模糊PID反應(yīng)釜系統(tǒng)控制流程圖- 2 -2.2模糊控制器設(shè)計(jì)- 3 -2.3

9、 PID 控制器設(shè)計(jì)- 7 -3 硬件組成- 10 -3.1 CPU模塊- 10 -3.2 S7-200的通信方式與通信參數(shù)的設(shè)置- 11 -3.3 I/O分配表- 12 -4 程序執(zhí)行流程- 13 -5效果展示- 14 -結(jié) 論- 18 -參 考 文 獻(xiàn)- 20 -致 謝- 22 -附錄- 23 -主程序- 23 -模糊控制程序（部分）- 25 -PID控制程序- 27 -1 引言1.1 研究背景溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等

10、重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)過(guò)程離不開(kāi)溫度控制。溫度控制廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如汽車、家電、材料、電力電子等。溫度控制的精度以及不同控制對(duì)象的控制方法選擇都起著至關(guān)重要的作用，溫度是反應(yīng)釜生產(chǎn)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是保證其設(shè)備安全的重要參數(shù)。同時(shí)，溫度是影響反應(yīng)釜內(nèi)過(guò)程和設(shè)備效率的主要因素?；诖?，運(yùn)用現(xiàn)在反饋控制理論對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行溫度控制，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求，又可以提高生產(chǎn)力。目前，在很多國(guó)家中溫度控制正朝著更小、更智能、更高精度的方向發(fā)展。但我國(guó)的溫度控制系統(tǒng)的控制性能還不是特別好，控制精度和可靠性均不是特別高?！包c(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器是現(xiàn)在應(yīng)用比較

11、廣泛，技術(shù)比較成熟的控制器，然而它們不能適應(yīng)對(duì)控制性能要求比較苛刻的控制場(chǎng)合，而只能適用于一般常見(jiàn)場(chǎng)合的溫度控制，很難控制那些隨時(shí)間變化明顯、控制條件復(fù)雜、滯后時(shí)間長(zhǎng)的控制系統(tǒng)?？傊瑖?guó)內(nèi)這方面的技術(shù)仍然比較落后。隨著目前工業(yè)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)現(xiàn)代的工業(yè)溫度控制系統(tǒng)提出了愈來(lái)愈嚴(yán)格的要求，比如，更為智能、更為人性及更高的精度控制，對(duì)智能溫度控制系統(tǒng)的更深層次的開(kāi)發(fā)研究將會(huì)成為必然趨勢(shì)。1.2 控制策略的選擇在我國(guó)HEDP 研發(fā)和生產(chǎn)已有近四十年歷史，制造工藝經(jīng)歷多次研發(fā)，為了減小人為操作因素帶來(lái)的質(zhì)量、安全等方面的弊端， 應(yīng)利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能控制。本文針對(duì)HEDP生產(chǎn)工藝的特

12、點(diǎn)提出采用自適應(yīng)模糊控制算法和PID控制方法，進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的智能控制1。 (1)對(duì)于溫度控制:溫度是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中最重要的控制指標(biāo)之一，只要保證每一時(shí)刻的溫度都在工藝要求的適合值,便可得到合格的產(chǎn)品和較高的收率， 溫度控制精度越高， 產(chǎn)品的質(zhì)量和收率也就越高， 如何保證溫度控制的精度?顯然，這是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的關(guān)鍵 1。 (2)對(duì)于真空度控制:在整個(gè)生產(chǎn)控制過(guò)程中， 在系統(tǒng)中真空度是主要的控制指標(biāo)之一。真空度的大小不僅直接影響生產(chǎn)過(guò)程的安全性， 而且當(dāng)真空度太大時(shí)， 乙酰氯溢出速度快，影響反應(yīng)進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量。所以對(duì)真空度的控制不容忽視。如1.1是HEDP工藝流程圖。圖1.1 HEDP工藝

13、流程圖PID控制可以有效地克服穩(wěn)態(tài)誤差，但在控制對(duì)象時(shí)存在大滯后以及參數(shù)發(fā)生較大變化無(wú)法保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。模糊控制魯棒性較強(qiáng)，但存在穩(wěn)態(tài)誤差4。模糊PID控制將模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，克服了時(shí)滯對(duì)控制性能的影響，能夠較好地控制反應(yīng)釜內(nèi)溫度。利用PLC實(shí)現(xiàn)模糊-PID控制，保留了PLC控制系統(tǒng)控制靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。只須填寫(xiě)缺省參數(shù)即可調(diào)用PLC內(nèi)部的PID集成軟件，編程快捷方便，充分利用了新型PLC指令豐富、編程靈活的優(yōu)點(diǎn)4。 2 課題研究方法和理論2.1模糊PID反應(yīng)釜系統(tǒng)控制流程圖 根據(jù)反應(yīng)釜工作原理和HEDP生產(chǎn)過(guò)程分析反應(yīng)釜溫度控制方法。采用模糊控制與 PID 控制

14、相結(jié)合的策略通過(guò)對(duì)真空閥開(kāi)度和滴加速度的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度控制。在第一次升溫階段，初期要緩慢升溫，否則因溫度升高快，反應(yīng)釜中化學(xué)反應(yīng)突然加速，反應(yīng)中生成大量的氯化氫氣體，使得系統(tǒng)中壓力大增，不僅會(huì)因泄漏造成空氣污染，而且還極易引起玻璃管線(生產(chǎn)所必需)發(fā)生爆炸，所以在此階段采用模糊控制策略，在以后的溫度變化過(guò)程中當(dāng)溫度變化慢時(shí)由控制策略選擇程序切換為PID控制減少響應(yīng)時(shí)間，提高控制精度4。同時(shí)在整個(gè)過(guò)程反應(yīng)中以真空度的變化作為安全預(yù)警。模糊PID反應(yīng)釜系統(tǒng)控制流程圖如圖1.2所示。 是否是真空度小于下限大于上限反應(yīng)停止歸一化第一次升溫段溫模糊控制策略PID控制策略輸出輸出最小值是否否對(duì)真空閥

15、門(mén)開(kāi)度和滴加速度調(diào)節(jié)圖1.2 模糊PID反應(yīng)釜系統(tǒng)控制流程圖2.2模糊控制器設(shè)計(jì)2.2.1模糊控制器的控制規(guī)則 (1)模糊語(yǔ)言變量的確定。根據(jù)語(yǔ)法規(guī)則，選擇輸入輸出模糊語(yǔ)言變量的詞集對(duì)于描述誤差和誤差變化量等語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值一般是“NB，NM，NS，O，PS，PM，PB”各元素的詞集6。 (2)確定語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)。把精確量離散化，并將其由基本論域變換到模糊論域，根據(jù)語(yǔ)義規(guī)則定義各模糊變量的模糊子集，即形成隸屬度函數(shù)或模糊變量賦值表。這里要注意隸屬度函數(shù)曲線形狀對(duì)控制性能的影響另外，還要注意使模糊子集分布合理，覆蓋整個(gè)論域6。隸屬度函數(shù)可以是連續(xù)的隸屬度函數(shù)曲線，也可以由離散的量化等級(jí)形式表

16、示。 三角形函數(shù)。其形狀和分布由三個(gè)參數(shù)表示 (1)(3)據(jù)手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則表。這里采用的是經(jīng)驗(yàn)歸納法，遵循的設(shè)計(jì)原則是誤差較大時(shí)，控制量變化應(yīng)盡力使誤差迅速減少誤差較小時(shí)，主要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至震蕩。(4)模糊推理，對(duì)于二維模糊控制器一般有如下條件形式 If x=a1 and y=b1 then u=c If x=a2 and y=b2 then u=d。其輸入量一般為孤立精確點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行模糊推理，它不同于模糊集似然推理方法。對(duì)三角分布隸屬度函數(shù)，同時(shí)考慮工程運(yùn)算的簡(jiǎn)便與快速性，擬采用madmin推理法6。根據(jù)模糊集合運(yùn)算理論，在模糊控制問(wèn)題中

17、，由于得到的輸入變量，即誤差e 和誤差變化率ec往往不是一個(gè)模糊子集，而是一些孤立的點(diǎn)（如e=x，ec=y）madmin推理法的原理可描述如下:任取兩條推理規(guī)則if e=PB and ec=PS then u=NB。If e=NS and ec=PS then U=0應(yīng)用madmin極小運(yùn)算法：已知e=x，ec=y (2) (3) (4)根據(jù)以上總結(jié)出的模糊控制規(guī)則，確定并計(jì)算模糊控制關(guān)系。 (5) (6). (7) (5)解模糊。以上模糊推理的結(jié)果一般都是模糊值，需要先轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可接受的精確量。用于被控對(duì)象，此過(guò)程即為模糊，或模糊判決，即根據(jù)模糊推理的結(jié)果，求得最能反映控制量的真實(shí)分布。

18、二維型模糊控制器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。 輸入量模糊化模糊推理解模糊1-Z-1EECuU(t)e(t)Ce(t）圖2.1 二維模糊控制器結(jié)構(gòu)示意圖就反應(yīng)釜溫度變化特點(diǎn)而言，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。此類控制器都以系統(tǒng)誤差和誤差變化為輸入，具有類似控制器的作用，與傳統(tǒng)控制相比，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)與抑制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)輸出的影響等方面都能取得更好的效果，但有時(shí)其穩(wěn)態(tài)性能并不如和控制，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)顫振現(xiàn)象，隨著被控系統(tǒng)的復(fù)雜化，以及控制系統(tǒng)性能要求的提高，同時(shí)考慮到模糊控制規(guī)則的可調(diào)整性及控制性能的優(yōu)化等問(wèn)題。此模糊控制器的功能即是由通過(guò)

19、PLC編程實(shí)現(xiàn)，具體包括輸入量的模糊化，模糊推理和解模糊三個(gè)部分。其中E和EC分別為過(guò)程精確偏差值和偏差變化率。e和ec模糊化后的模糊輸入，U為模糊輸出量，而為解模糊后的精確輸出量。2.2.2模糊控制表的建立模糊控制器控制規(guī)則設(shè)計(jì)原則是誤差較大時(shí)，控制量變化應(yīng)盡力使誤差迅速減少。誤差較小時(shí)，主要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至震蕩。本文采用的是經(jīng)驗(yàn)歸納法建立模糊控制規(guī)則，即根據(jù)人的控制經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)推理，經(jīng)整理、加工和提煉后構(gòu)成模糊規(guī)則系統(tǒng)的方法。實(shí)現(xiàn)上述功能的具有二維模糊控制器的溫度控制系統(tǒng)。e為溫差，ec為溫差變化率。選用語(yǔ)言變量為:NB，NM，NS，O，PS，PM，PB，將輸

20、入變量量化為7檔-3，3，隸屬函數(shù)均取為三角隸屬函數(shù)，采用49條控制規(guī)則。根據(jù)輸入語(yǔ)言變量賦值表和控制規(guī)則求得控制規(guī)則表。便可得到形如if e=PB and ec=PS then u=NB。If e=NS and ec=PS then U=0的一系列模糊控制規(guī)則語(yǔ)句，其控制思想非常清晰，如當(dāng)誤差為正大，誤差變化率為正小，即誤差還在不斷增大時(shí)，為迅速減小誤差，應(yīng)使控制量迅速減小。模糊控制表如表2.1所示。表 2.1 模糊控制表eecPBPMPS0NSNMNBPBNBNBNBNM000PMNBNBNMNS000PSNBNMNS00PS00NBNSNS0PSPMPBNS0NS00PS PMPBNM0

21、00PSPMPBPBNB000PMPBPBPB 取“偏差”e(nT)= S- y(nT)，“偏差變化”ec(nT)= y(nT)- y(nT- T)/t為兩個(gè)參數(shù)，用以衡量輸入特性與希望特性的偏離情況。其中，S是系統(tǒng)的設(shè)定值，y(nT)是過(guò)程第n個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值。根據(jù)輸入語(yǔ)言變量賦值表和控制規(guī)則求得控制規(guī)則表，將其轉(zhuǎn)為具體數(shù)值如圖表2.2所示。表2.2 控制規(guī)則表eec3210123-33332000-23321000-132100-1003110-1-2-310100-1 -2-32000-1-2-3-33000-2-3-3-32.2.3 輸入量等級(jí)量化 根據(jù)溫度偏差e和溫度偏差變化率ec

22、論域所分的等級(jí)，將實(shí)際溫度變化范圍分為7檔，S7-200的A/D轉(zhuǎn)換模塊，誤差E(nt)=S-y(nt)，S為設(shè)定溫度，y為實(shí)際溫度。而設(shè)定值一般是不改變，將反應(yīng)釜期望溫度值設(shè)定在30。本文中最高溫度50。最低10所以溫度偏差e的基本論域-2020。表2.3 e 對(duì)應(yīng)的模糊等級(jí)量化表e-20-15-15-10-10-5-5551010151520X -3 -2 -1 0 1 2 3 而故變化率 EC 為過(guò)程變量y(n)與上一次過(guò)程變量 y(n-1)之差，即:Ec=(y(n)-y(n-1)/t。偏差e的絕大部分值處于此區(qū)間，高于-20或低于-20 的只包括很少幾個(gè)點(diǎn)，工程上把這些超越界限的值進(jìn)行

23、邊界化處理及高于20的按+20運(yùn)算。同理，得到偏差ec的基本區(qū)域?yàn)?7/min+7/min。 表2.4 ec對(duì)應(yīng)的模糊等級(jí)量化表ec-7-5-5-3-3-1-11133557X -3 -2 -1 0 1 2 32.3 PID 控制器設(shè)計(jì) 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，常需要用閉環(huán)控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度、液位、壓力、流量等模擬量控制15。因?yàn)镻ID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型而且易于實(shí)現(xiàn)，所以模擬量的PID調(diào)節(jié)是常見(jiàn)的一種閉環(huán)控制方式，工程上易于實(shí)現(xiàn)。積分作用可以消除系統(tǒng)的靜差，微分作用有助于減小超調(diào)，克服震蕩。比例、積分、微分三者有效地結(jié)合可以滿足不同的控制要求。PLC 作為一種新

24、型的工業(yè)控制裝置，在工業(yè)控制、生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量PID的閉環(huán)控制，具有用戶使用方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。PID 是Proportional( 比例) 、Integral( 積分) 、Differential(微分)三者的縮寫(xiě)。 PID 控制器是將給定值與反饋值之間的偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。2.3.1 PID 的控制方程如公式 （8） 計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制， 常通過(guò)中斷方式反復(fù)調(diào)用控制算法， 根據(jù)測(cè)得的反饋值計(jì)算輸出量. 而這一過(guò)程是一個(gè)離散的過(guò)程， 所以必須對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行離散化處

25、理4. 離散化處理的方法是以T 為采樣周期， K 為采樣序號(hào)， 用矩形積分近似代替連續(xù)積分， 用一階后向差分近似代替連續(xù)微分， 離散化后如下： （9） （10）e是給定值和過(guò)程變量之差。Kc為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù),Ts為采樣時(shí)間，Pv過(guò)程變量，MX 積分前值，SP給定值。2.3.2 PID控制參數(shù) 根據(jù)離散化公式，系統(tǒng)包含9 個(gè)用來(lái)控制和監(jiān)視PID 運(yùn)算的參數(shù)，在PID 指令使用時(shí)要構(gòu)成控制參數(shù)表，如表4 所示。 西門(mén)子S7-200系列PLC中的PID回路指令，如表2.5所示。表2.5 PID回路指令名稱指令格式指令表格式梯形圖PID運(yùn)算PIDPID TBL，LOO

26、PPID回路指令運(yùn)用回路表中輸入信息和組態(tài)信息，進(jìn)行PID運(yùn)算，編程及其簡(jiǎn)單。該指令有兩個(gè)操作數(shù)：TBL和LOOP，如圖所示。其中TBL是回路表的起始地址，操作數(shù)限用VB區(qū)域（BYTE型）；LOOP是回路號(hào)，可以是0到7的整數(shù)（BYTE型）。進(jìn)行PID運(yùn)算的前提條件是邏輯堆棧棧頂值必須為1.在程序中最多可以用8條PID指令。PID回路指令不可重復(fù)使用同一個(gè)回路號(hào)（即這些指令的回路表不同），否則會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。回路表包含9個(gè)參數(shù)，用來(lái)控制和監(jiān)視PID的運(yùn)算。這些參數(shù)分別是過(guò)程變量當(dāng)前值PVn，過(guò)程變量前值PVn-1，給定值 SPn，輸出值Mn，增益Kc，采樣時(shí)間Ts，積分時(shí)間Ti，微分時(shí)間

27、Td和積分前項(xiàng)Mx。36個(gè)字節(jié)的回路表格式如圖所示。若要以一定的采樣頻率進(jìn)行PID運(yùn)算，采樣時(shí)間必須輸入到回路表中。且PID指令必須編入定時(shí)發(fā)生的中斷程序中，或者在主程序中由定時(shí)器控制PID指令的執(zhí)行頻率。 使用方法：當(dāng)PID指令的端口EN滿足執(zhí)行條件時(shí)，PLC就可以進(jìn)行PID運(yùn)算。TBL和LOOP是該指令的兩個(gè)操作數(shù)，前者TBL是回路表的起始地址，這里采用的是VD100，由于共有32個(gè)字節(jié)會(huì)被一個(gè)PID回路占用，所以該指令占用了內(nèi)存地址VD100到VD132。PID回路在PLC中的地址分配情況如表2.6所示。表2.6 PID 控制參數(shù)表地址變量名格式說(shuō)明VD100PVn32位實(shí)數(shù)過(guò)程變量0.

28、0 1.0VD104SPn32位實(shí)數(shù)設(shè)定值0.0 1.0VD108Mn32位實(shí)數(shù)輸出值0.0 1.0VD112Kc32位實(shí)數(shù)增益，可正可負(fù)VD116Ts32位實(shí)數(shù)采樣時(shí)間，單位為s，正數(shù)VD120Ti32位實(shí)數(shù)積分時(shí)間常數(shù)，單位為min，正數(shù)VD124Td32位實(shí)數(shù)微分時(shí)間常數(shù)，單位為min，正數(shù)VD128Mx 32位實(shí)數(shù)累計(jì)偏移量（積分項(xiàng)前值）VD132PVn-132位實(shí)數(shù)上一次的過(guò)程變量2.3.3 控制方式S7-200 PLC執(zhí)行PID指令時(shí)為“自動(dòng)”運(yùn)行方式。不執(zhí)行PID指令時(shí)為“手動(dòng)”方式。PID指令有一個(gè)允許輸入端（EN）當(dāng)該輸入端檢測(cè)到一個(gè)正跳變（從0到1）信號(hào)，PID回路就從手動(dòng)

29、方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式。無(wú)擾動(dòng)切換時(shí)，系統(tǒng)把手動(dòng)方式的當(dāng)前輸出值填入回路表中的Mn欄，用來(lái)初始化輸出值Mn，且進(jìn)行一系列的操作。對(duì)回路表中的值進(jìn)行組態(tài)：設(shè)定給定值SPn=過(guò)程變量PVn置過(guò)程變量前值PVn-1=過(guò)程變量當(dāng)前值PVn置積分項(xiàng)前值MX=輸出值Mn梯形圖中，若PID指令的允許值（EN）直接接至左母線，在啟動(dòng)CPU，或CPU從STOP方式轉(zhuǎn)為RUN方式時(shí)，PID使能位默認(rèn)值是1，可以執(zhí)行PID指令，但無(wú)正跳變信號(hào)，因而不能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)的切換。3 硬件組成3.1 CPU模塊可編程控制器主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成，如圖3.1所示。圖3.1 可編程控制器基本結(jié)構(gòu)本論文

30、采用的是CUP224。它具有24輸入/10輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B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)。26K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)。S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元如表3.1所示。表3.1 S

31、7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型號(hào)輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)可帶擴(kuò)展模塊數(shù) S7-200CPU221640S7-200CPU222862個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU22424107個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU224XP24167個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU22624167個(gè)擴(kuò)展模塊3.2 S7-200的通信方式與通信參數(shù)的設(shè)置3.2.1 S7-200的通信方式S7-200的通信功能強(qiáng)，有多種通信方式可供用戶選擇。在運(yùn)行Windows或Windows NT操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)上安裝了STEP7-Micro/WIN V4.9編程軟后，PC可作為通信中的主站。(1）單主站方式單主站與一個(gè)或多

32、個(gè)從站相連，STEP7-Micro/WIN V4.9每次和一個(gè)S7-200 CPU通信，但是它可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上的所有CPU。(2）多主站方式通信網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)主站，一個(gè)或多個(gè)從站。帶CP通信卡的計(jì)算機(jī)是主站，S7-200 CPU可以是從站或主站。表3.2給出了可供用戶選擇的STEP7-Micro/WIN V4.0支持的通信硬件和波特率。除此之外，S7-200還可以通過(guò) PROFIBUS-DP模塊連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，各通信卡提供一個(gè)與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)相連的RS-485通信口。表3.2 STEP 7-Micro/WIN 32支持的硬件配置支持的硬件類 型支持的波特率/Kbps

33、支持的協(xié)議PC/PPI電纜到PC通信口的電纜聯(lián)接器9.6，19.2PPI協(xié)議CP 5611PCI卡(版本3或更高)9.6，19.2，187.53.2.3網(wǎng)絡(luò)部件(1)通信口S7-200 CPU上的通信口是與RS-485兼容的9針D型連接器，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170。表3.4給出了通信口的引腳分配。表3.4 S7-200 CPU通信口引腳分配針PROFIBUS名稱端口0/端口11屏蔽邏輯地224V返回邏輯地3RS-485信號(hào)BRS-485信號(hào)B4發(fā)送申請(qǐng)RTS(TTL)55V返回邏輯地6+5V+5V，100串聯(lián)電阻7+24V+24V8RS-485信號(hào)ARS-485信號(hào)A9不用10位協(xié)議選擇連

34、接器外殼屏蔽屏蔽(2)網(wǎng)絡(luò)連接器利用西門(mén)子提供的兩種網(wǎng)絡(luò)連接器可以把多個(gè)設(shè)備很容易的連到網(wǎng)絡(luò)中。兩種連接器都有兩組螺釘端子，可以連接網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出。一種連接器僅提供連接到CPU的接口，而另一種連接器增加了一個(gè)編程接口。兩種網(wǎng)絡(luò)連接器還有網(wǎng)絡(luò)偏置和終端偏置的選擇開(kāi)關(guān)，OFF位置時(shí)未接終端電阻。接在網(wǎng)絡(luò)終端部的連接器上的開(kāi)關(guān)應(yīng)放在ON位置。（3）使用PC/PPI電纜通信使用PC/PPI電纜可實(shí)現(xiàn)S7-200CPU與RS-232標(biāo)準(zhǔn)兼容的設(shè)備的通信。 當(dāng)數(shù)據(jù)從RS-232傳送到RS-485口時(shí)，PC/PPI電纜是發(fā)送模式。當(dāng)數(shù)據(jù)從RS-485傳送到RS-232口時(shí)，PC/PPI電纜是接收模式。檢測(cè)

35、到RS-232的發(fā)送線有字符時(shí)，電纜立即從接收模式切換到發(fā)送模式。RS-232發(fā)送線處于閑置的時(shí)間超過(guò)電纜切換時(shí)間時(shí)，電纜又切換到接收模式。3.3 I/O分配表 當(dāng)開(kāi)關(guān)I0.0,I0.1,I0.3,I0.4打開(kāi)時(shí)，分別表示輸入溫度分別為10,20，30,40。以 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6（PID控制中）和以Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4（模糊控制中）作為相對(duì)應(yīng)的溫度指示燈。以Q2.5和Q2.6作為真空度超上下限的報(bào)警指示燈。Q2.7作為溫度上限指示燈。具體的輸入輸出分配表如表3.5所示。表3.5 I/O分配表輸入I0.0PID啟動(dòng)開(kāi)關(guān)I0.110溫度開(kāi)關(guān)I0.2

36、20溫度開(kāi)關(guān)I0.330溫度開(kāi)關(guān)I0.440溫度開(kāi)關(guān)I0.5計(jì)時(shí)器啟動(dòng)開(kāi)關(guān)輸出Q2.5真空度上限報(bào)警燈Q2.6真空度下限報(bào)警燈Q2.7溫度上限報(bào)警燈PID部分模糊部分Q0.0、Q0.1、Q0.2高位真空閥開(kāi)度L3高位真空閥開(kāi)度Q0.0、Q0.1中位真空閥開(kāi)度L2中位真空閥開(kāi)度Q0.0低位真空閥開(kāi)度SL1低位真空閥開(kāi)度Q0.7、 Q1.0 、Q1.1滴加速度快SL(1)滴加速度快Q0.7、 Q1.0 滴加速度中L(2)滴加速度中Q0.7滴加速度慢L(3)滴加速度慢Q2.0 10溫度指示燈Q0.3 10溫度指示燈Q2.120溫度指示燈Q0.420溫度指示燈Q2.2 30溫度指示燈Q0.5 30溫度

37、指示燈Q2.340溫度指示燈Q0.640溫度指示燈4 程序執(zhí)行流程 在主程序里判斷真空度是否超過(guò)界限，當(dāng)沒(méi)有超過(guò)時(shí)，在第一階段（虛擬設(shè)置前5分鐘）調(diào)用子程序SBR_1，進(jìn)行模糊反應(yīng)。在模糊反應(yīng)中對(duì)模糊輸入量e和ec分7等級(jí)量化后，按先i后j的順序查詢模糊控制查詢表，得到相對(duì)應(yīng)得控制量存入VD2中然后根據(jù)VD2中的值進(jìn)行對(duì)真空閥開(kāi)度和滴加速度進(jìn)行選擇17。在之后階段（虛擬設(shè)置5分鐘后）模糊控制停止，PLC掃描一個(gè)周期調(diào)用子程序SBR_0進(jìn)行PID反應(yīng)，在子程序SBR_0中實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定值輸入，設(shè)置比例時(shí)間，采樣時(shí)間，積分時(shí)間，關(guān)閉微分能，設(shè)置中斷連接每100毫秒調(diào)用一次中斷程序INT_0。在中斷程

38、序中進(jìn)行PID運(yùn)算。通過(guò)最終輸出控制真空閥開(kāi)度的大小和滴加速度的快慢。程序流程圖如圖4.1所示。主程序（MAIN）模糊部分（SBR_1）PID部分（SBR_0）中斷程序（INT_0）剛開(kāi)始反應(yīng)前5分鐘是否調(diào)用調(diào)用中斷斷返回返回返回圖4.1 程序執(zhí)行流程圖具體程序詳見(jiàn)附錄。5 效果展示當(dāng)開(kāi)關(guān)I0.0,I0.1,I0.3,I0.4打開(kāi)時(shí),分別表示輸入溫度分別為10,20，30,40。以 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6（PID控制中）和以Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4（模糊控制中）作為相對(duì)應(yīng)的溫度指示燈。在PID調(diào)節(jié)中反應(yīng)會(huì)隨著的溫度的不同和時(shí)間的變化對(duì)真空閥開(kāi)度和滴加速度

39、不斷地調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程中溫度也會(huì)不斷地變化。在模糊控制下不同的溫度輸入所對(duì)應(yīng)的不同的真空閥開(kāi)度和滴加速度（根據(jù)模糊控制策略，溫度低時(shí)會(huì)選擇真空閥開(kāi)度小且滴加速度快的檔位，當(dāng)溫度變高時(shí)，會(huì)選擇真空閥開(kāi)度大滴加速度慢的檔位。PLC基本的接線圖如圖5.1所示。 圖5.1 PLC基本的接線圖 以上圖片表示在PID調(diào)節(jié)下，溫度在10時(shí)，處于滴加速度快的檔位和 真空閥開(kāi)度處于低的檔位。 以上圖片表示在PID調(diào)節(jié)下，溫度在20，處于滴加速度中的檔位和 真空閥開(kāi)度處于中的檔位。 以上圖片表示在PID調(diào)節(jié)下，溫度在30，處于滴加速度低的檔位和 真空閥開(kāi)度處于高的檔位。 以上圖片表示在剛開(kāi)始溫度在10，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間

40、的反應(yīng)真空閥由低變高（真空閥由低擋變?yōu)橹袡n），滴加速度由快變慢（滴加速度由高檔變?yōu)橹袡n）。以上圖片表示在模糊控制中以Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4分別表示10,20，30,40的溫度。右側(cè)指示燈L3，L2，SL1分別表示真空閥開(kāi)度的低、中、高三擋。左側(cè)指示燈SL（1），L(2)，L（3）表示滴加速度低，中，高。三擋模糊控制下不同的溫度輸入所對(duì)應(yīng)的不同的真空閥開(kāi)度和滴加速度（根據(jù)模糊控制策略，溫度低時(shí)會(huì)選擇真空閥開(kāi)度小且滴加速度快的檔位，當(dāng)溫度變高時(shí)，會(huì)選擇真空閥開(kāi)度大滴加速度慢的檔位。總結(jié)：不管是PID調(diào)節(jié)還是模糊控制調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度隨著時(shí)間變化逐漸升高時(shí)，真空閥開(kāi)度會(huì)變大變低滴

41、加速度會(huì)變慢，以此來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)溫度的變化。結(jié) 論P(yáng)ID控制能比較有效地克服穩(wěn)態(tài)誤差，但在控制對(duì)象存在大滯后及參數(shù)發(fā)生較大變化時(shí)，無(wú)法保證穩(wěn)定性4。模糊控制魯棒性較強(qiáng)，但存在穩(wěn)態(tài)誤差。模糊PID控制將模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，克服了時(shí)滯對(duì)控制性能的影響，能夠較好地控制反應(yīng)釜內(nèi)溫度?？刂葡到y(tǒng)避免了采用史密斯控制為代表的基于模型的控制方法對(duì)于對(duì)象模型的要求；也避免了目前常用的無(wú)模型控制方法對(duì)樣本和硬件的要求5。系統(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)模糊-PID控制，保留了PLC控制系統(tǒng)控制靈活、可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。只須填寫(xiě)缺省參數(shù)即可調(diào)用PLC內(nèi)部的PID集成軟件，編程快捷方便，充分利用了新型PLC指

42、令豐富、編程靈活的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論是在理論中，還是在實(shí)際操作中，智能溫度控制作為一種新的領(lǐng)域，在自動(dòng)控制系統(tǒng)之中都還不是特別完善，技術(shù)不是特別成熟，還需要更深層次的研究和創(chuàng)新。在本次的課題探討之中，主要的研究?jī)?nèi)容是對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度的控制，同時(shí)考慮反應(yīng)釜內(nèi)真空度的變化6。所涉及到的工業(yè)產(chǎn)品為西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200型PLC，采取的控制策略是把模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合起來(lái)，形成一種復(fù)合的智能溫度控制方法，這種復(fù)合型控制系統(tǒng)的價(jià)值體現(xiàn)在可隨時(shí)調(diào)整PID的控制參數(shù)，以此來(lái)減小溫度誤差值范圍，其參數(shù)是根據(jù)每時(shí)每刻的溫度偏差和偏差變化率的大小而確定的，通過(guò)這種方法能夠減小溫度控制系統(tǒng)的誤差程度。溫度控制

43、系統(tǒng)很難用確切的數(shù)學(xué)解析式的方式建立準(zhǔn)確而又周密的數(shù)學(xué)模型，也很難用數(shù)字表達(dá)出其特性，這正是由于溫度控制系統(tǒng)的非線性所造成的問(wèn)題18。在實(shí)際的工業(yè)控制中，控制系統(tǒng)的環(huán)境需求的要求特別高，而溫度作為應(yīng)用比較廣泛并且較為重要的物理量，它的控制要求很嚴(yán)格。尤其是那些對(duì)于控制精度要求較高的場(chǎng)合，這方面的出現(xiàn)細(xì)微錯(cuò)誤可能就會(huì)造成額外的巨大的損失11。而新老技術(shù)領(lǐng)域的不斷更迭，讓控制系統(tǒng)的精度與準(zhǔn)確成度都有了質(zhì)的飛躍，控制算法也在不斷地革新。雖然在智能溫度控制的研究領(lǐng)域已經(jīng)有許多優(yōu)化與完善，但仍然很值得我們?nèi)パ芯颗c創(chuàng)新，因?yàn)樵趯?shí)際工程中行之有效的方案大都并不是令人特別滿意9。提到的設(shè)計(jì)方法，即在傳統(tǒng)控制理

44、論之中加入智能控制系統(tǒng)，也就是在傳統(tǒng)PID控制之前添加一個(gè)模糊控制，這是在眾多研究方案中的一個(gè)控制性能比較好控制方法。這種方法的特點(diǎn)之一就是運(yùn)用了研究人員的多年人工調(diào)控的經(jīng)驗(yàn)積累與PID的定量調(diào)節(jié)特點(diǎn)，使之既能滿足溫度控制當(dāng)中的高精度，又能滿足溫度控制當(dāng)中的快速性要求，對(duì)于提高那些具有非線性、滯后性的控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能具有很好的作用，是一種良好的控制方案16。本文只是作者在溫度控制領(lǐng)域的一個(gè)探討和嘗試，可能在控制性能及控制算法上均不是特別完善，進(jìn)一步研究及對(duì)目前系統(tǒng)的完善是以后要做的重要工作。參 考 文 獻(xiàn)1李華，任長(zhǎng)明，毛一之，華紹雄. HEDP生產(chǎn)過(guò)程的智能控制J. 化學(xué)工業(yè)與工

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