爐窯溫度控制系統(tǒng)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) PLC技術(shù)及應(yīng)用 課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化072 學(xué) 號(hào)： 070302039 學(xué)生姓名： 李洪任 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間： 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 學(xué) 號(hào)070302039學(xué)生姓名李洪任專(zhuān)業(yè)班級(jí)自動(dòng)化072課程設(shè)計(jì)（論文）題目爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的功能：石灰進(jìn)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(guò)調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)需完成以下功能：1、完成高爐煤氣的流量控制； 2、完

2、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?？刂?；5、完成爐窯的窯頂預(yù)熱帶、煅燒帶和冷卻帶的溫度檢測(cè)。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：1、采用西門(mén)子公司200系列PLC； 2、方案設(shè)計(jì)，I/O分配表；3、硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)； 4、離線運(yùn)行結(jié)果分析；5、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；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(dòng)機(jī)的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。進(jìn)度計(jì)劃1、熟悉課程設(shè)計(jì)題目，查找及收集相關(guān)書(shū)籍、資料（2天）；2、設(shè)計(jì)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

3、（1天）；4、程序開(kāi)發(fā)（4天）；5、撰寫(xiě)課設(shè)論文（1.5天）；6、設(shè)計(jì)結(jié)果考核（0.5天）；指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 要在石灰產(chǎn)品生產(chǎn)的流程中，窯爐燒制是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。石灰窯燒制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)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(jì)對(duì)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(jì)須能進(jìn)行人工

4、啟動(dòng)，考慮到本系統(tǒng)控制對(duì)象為石灰窯爐，是一個(gè)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(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不予要求。被控對(duì)象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測(cè)爐內(nèi)的溫度信號(hào)，經(jīng)溫度變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，相應(yīng)的控制可控調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)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； 目 錄第1章 緒論1第2章 課程設(shè)計(jì)的方案22.1 概述22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2第3章 硬件設(shè)計(jì)53.1 PLC的選型和硬件配置53.2 傳感器選擇63.3 可控閥門(mén)及電動(dòng)機(jī)選擇7第4章 基于PLC的爐溫控制系統(tǒng)的軟件

5、設(shè)計(jì)84.1 STEP 7 MICRO/WIN32軟件介紹84.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖84.2.1 PID算法簡(jiǎn)介8 PID算法的數(shù)字化處理94.3 I/O口分配154.3 主程序清單15第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)23參考文獻(xiàn)24第1章 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(jiàn)的過(guò)程變量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面

6、更不是其長(zhǎng)處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)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(gè)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間恒定高溫?zé)疲詈笥?000左右降至室溫。在溫度變化的過(guò)程，石灰窯的溫度控制需通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)窯爐溫度的升溫、恒溫和降溫進(jìn)行精確地控制。對(duì)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(duì)石灰窯爐快速升溫和恒溫的過(guò)程，在PID調(diào)節(jié)方法中，采用西門(mén)子S7200PLC，實(shí)現(xiàn)了窯爐溫度精確控制的效果。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來(lái)控制溫度、壓力、流量和液位等連

7、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。第2章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1 概述本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是：對(duì)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(jì)須能進(jìn)行人工啟動(dòng)，考慮到本系統(tǒng)控制對(duì)象為石灰窯爐，是一個(gè)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(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)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(biāo)要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)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(dòng)篩單斗提升機(jī)爐窯煙氣除塵機(jī)換熱器抽風(fēng)機(jī)排空煤氣流量傳感器空氣流量

8、傳感器出灰機(jī)煤氣鼓風(fēng)機(jī)圖2.1系統(tǒng)硬件框圖整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)聯(lián)系的結(jié)合體，但是又可以分開(kāi)討論。當(dāng)被控對(duì)象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測(cè)爐內(nèi)的溫度信號(hào)，經(jīng)變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)可控閥門(mén)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對(duì)象為煤氣流量，流量傳感器檢測(cè)煤氣輸送管道內(nèi)的流量信號(hào)，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)可控閥門(mén)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對(duì)象為燃燒空氣流量，流量傳感器檢測(cè)燃燒空氣輸送管道內(nèi)的流量信號(hào)，經(jīng)

9、變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)可控閥門(mén)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對(duì)象為冷卻空氣流量，流量傳感器檢測(cè)冷卻空氣輸送管道內(nèi)的流量信號(hào)，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)可控閥門(mén)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對(duì)象為皮帶秤石灰石上料量，皮帶秤傳感器檢測(cè)皮帶秤上的石灰石料量信號(hào)，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)可控閥門(mén)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)

10、爐溫的連續(xù)控制?？煽亻y門(mén)石灰窯爐溫度傳感 器給定溫度S7-200PLCCPU運(yùn)算處理變送器圖2.2 溫度系統(tǒng)硬件框圖可控閥門(mén)煤氣輸送管道煤氣流量傳感器給定流量S7-200PLCCPU運(yùn)算處理變送器圖2.3 高爐煤氣系統(tǒng)硬件框圖可控閥門(mén)燃燒空氣輸送管道燃燒空氣流量傳感器給定流量S7-200PLCCPU運(yùn)算處理變送器圖2.4 燃燒空氣系統(tǒng)硬件框圖可控閥門(mén)冷卻空氣輸送管道冷卻空氣傳感器給定流量S7-200PLCCPU運(yùn)算處理變送器圖2.5 冷卻空氣系統(tǒng)硬件框圖可控閥門(mén)上料皮帶皮帶秤傳感器給定值S7-200PLCCPU運(yùn)算處理變送器圖2.6 皮帶秤系統(tǒng)硬件框圖第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 PLC的選型和硬件

11、配置S7-200 系列 PLC 是由德國(guó)西門(mén)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(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)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(duì)象的不同, 可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。SiemensS7-200 主要功能模塊介紹： (1)CPU 模塊S7-200的CPU 模塊包括一個(gè)中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點(diǎn),這些都被集成在一個(gè)緊湊,獨(dú)立的設(shè)備中。CPU 負(fù)

12、責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào),輸出部分則輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載.從 CPU 模塊的功能來(lái)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(jì) 10 點(diǎn).無(wú)擴(kuò)展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)容量較小,有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力,非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計(jì) 14 點(diǎn)，和 CPU 221 相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)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(jì) 24 點(diǎn)，和前兩者相比,存儲(chǔ)容量 擴(kuò)大了一

13、倍,它可以有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊,有內(nèi)置時(shí)鐘,它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)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(jì) 40 點(diǎn),和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點(diǎn)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(chǔ)容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和 CPU226相同。 (2)開(kāi)關(guān)量 I/O 擴(kuò)展模塊 當(dāng) CPU 的 I/0 點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí),就要進(jìn)行 I/O 擴(kuò) 展,I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。通常開(kāi)關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分

14、3 種類(lèi)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(hù)(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(duì)象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)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(kāi)關(guān)器件種類(lèi)不同又分為 3 種：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(lái)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(shí)際使用時(shí)，亦應(yīng)仔細(xì)查看開(kāi)關(guān)量 I/O

15、模塊的技術(shù)特性，按照實(shí)際情況進(jìn)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(hào)具有更好的硬件指標(biāo)，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(hào)信號(hào)類(lèi)型電壓信號(hào)電流信號(hào)模擬量輸入*210V/模擬量輸出010V020mACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個(gè)，模擬量輸出通道1個(gè)。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是032000，雙極性模擬信號(hào)的數(shù)值范圍是-32000+320003.2 傳感器選擇在此設(shè)計(jì)中, 爐窯窯頂?shù)念A(yù)熱帶、燃燒帶和冷卻帶溫度由3個(gè)熱電偶傳

16、感器進(jìn)行采集。按照測(cè)溫的范圍，選擇熱電偶傳感器。熱電偶傳感器的測(cè)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(dāng)兩個(gè)接觸端T T0時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng), 該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。這兩種不同材料的導(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(gè)接點(diǎn)，一個(gè)稱熱端，又稱測(cè)量端或工作端，測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)介質(zhì)中;另一個(gè)稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過(guò)導(dǎo)線與顯示儀表相連。 圖3.1 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 流量傳感器是對(duì)高爐煤氣,燃燒空氣以及冷卻空氣流量的檢測(cè)部件，在此論文中選擇法蘭式V錐流量傳感器FFM61

17、S。工作原理：V錐流量計(jì)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(jì)，可精確測(cè)量寬雷諾數(shù)（8103Re5107）范圍內(nèi)各種介質(zhì)的流量。其測(cè)量理論是：由于實(shí)際流體都具有粘性，不是理想流體，當(dāng)其在管道中流動(dòng)時(shí)，在充分發(fā)展管內(nèi)流動(dòng)的前提下，具有層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)流動(dòng)的流體能量守恒原理和伯努力方程：對(duì)于以層流狀態(tài)流動(dòng)的流體，其流速分布是以管道中心線為對(duì)稱的一個(gè)拋物面，流體通過(guò)一定管道的壓力降與流量成正比；對(duì)于紊流狀態(tài)流動(dòng)的流體，其流速分布是以管道中心線為對(duì)稱的一個(gè)指數(shù)曲面，流體通過(guò)一定管道的壓力降與流量的平方成正比。如圖3.3。.gy圖3.2 法蘭式V錐流量傳感器FFM61S3.3

18、 可控閥門(mén)及電動(dòng)機(jī)選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動(dòng)化過(guò)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(dòng)化程度越來(lái)越高正被越來(lái)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(dòng)調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷?？煽亻y門(mén)是對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)閥。上料皮帶電動(dòng)機(jī)的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。電機(jī)直接帶動(dòng)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)機(jī)。第4章 基于PLC的爐溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.1 STEP 7 MICRO/WIN32軟件介紹 STEP7-Micro/WIN3

19、2編程軟件是由西門(mén)子公司專(zhuān)為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開(kāi)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(guò)程中編輯器具有簡(jiǎn)單語(yǔ)法檢查功能。同時(shí)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(yùn)行監(jiān)控等。程序編輯過(guò)程中的語(yǔ)法檢查功能可以提前避免一些語(yǔ)法和數(shù)據(jù)類(lèi)型方面的錯(cuò)誤。梯形圖中的錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色曲線，語(yǔ)句表中錯(cuò)誤行前有紅色叉，且錯(cuò)誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 連接，

20、此時(shí)允許兩者之間做直接通信。離線方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 斷開(kāi)連接，此時(shí)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(jì)算機(jī)上。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機(jī)方式下可直接針對(duì)相連的PLC進(jìn)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(shí)存放在磁盤(pán)上，等聯(lián)機(jī)后在下載到PLC 中。4.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖 PID算法簡(jiǎn)介在工程實(shí)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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工

21、業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（

22、I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)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(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)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(wú)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比

23、關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)

24、態(tài)特性。 PID算法的數(shù)字化處理為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)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(lái)計(jì)算輸出值，數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：Mn =Kc*en +Ki*ex+Mintial+Kd*(en-en-1)輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 在采樣時(shí)刻n，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一個(gè)值 ex 采樣時(shí)刻x的回路偏差值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù)從這個(gè)公式可以看出，積分項(xiàng)是從第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采

25、樣的函數(shù)，比例項(xiàng)是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，不保存所有的誤差項(xiàng)，實(shí)際上也不必要。其中：MIn 第n采樣時(shí)刻積分項(xiàng)的值由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開(kāi)始，每有一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。作為數(shù)字計(jì)算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時(shí)刻必須計(jì)算的方程的一個(gè)簡(jiǎn)化算式。簡(jiǎn)化算式是：Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(en-en-1)輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 在第n采樣時(shí)刻，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的起一個(gè)值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) MX 積分項(xiàng)前值 Kd 微分

26、項(xiàng)的比例常數(shù)CPU實(shí)際上使用以上簡(jiǎn)化算式的改進(jìn)形式計(jì)算PID輸出，這個(gè)改進(jìn)型算式是：Mn =MPn +MIn +MDn輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值 MPn 第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值 Min 第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值 MDn 第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值比例項(xiàng)MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘積。其中Kc決定輸出對(duì)偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過(guò)程變量值（PV）之差，S7-200解決的求比例項(xiàng)的算式是：MPn=Kc*（SPn-PVn）其中：MPn 第n采樣時(shí)刻比例項(xiàng)的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值積分項(xiàng)值MI與偏

27、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(shí)間間隔 Ti 積分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值 MX 第n-1采樣時(shí)刻積分項(xiàng)（積分項(xiàng)前值） 積分和（MX）是所有積分項(xiàng)前值之和，在每次計(jì)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(jì)算輸出以前被設(shè)為Minitial（初值）。積分項(xiàng)還包括其他幾個(gè)常數(shù)：增益（Kc），采樣時(shí)間（Ts）和積分時(shí)間（Ti）。其中采樣時(shí)間是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，而積分時(shí)間控制積分項(xiàng)在整個(gè)輸出結(jié)果中影響的大小。微分項(xiàng)

28、值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用下列算式來(lái)求解微分項(xiàng)：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=SPn-1，這樣可以用過(guò)程變量的變化替代偏差的變化，計(jì)算算式可改進(jìn)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(shí)刻的微分項(xiàng)值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時(shí)間 Td 微分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 SPn-1 第n-1采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值 PVn-1 第n-1采

29、樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值為了下一次計(jì)算微分項(xiàng)值，必須保存過(guò)程變量，而不是偏差，在第一采樣時(shí)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(lèi)型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類(lèi)型。如果不想要積分動(dòng)作（PID計(jì)算中沒(méi)有“I”），可以吧積分時(shí)間（復(fù)位）置為無(wú)窮大“INF”。即使沒(méi)有積分作用，積分項(xiàng)還是不為零，因?yàn)橛谐踔礛X。如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)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(huì)在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)，把增益當(dāng)做1.0看待。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PID算法閉環(huán)控制系統(tǒng)程序，優(yōu)點(diǎn)是:

30、PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，都可在不同的程度上應(yīng)用。PID算法簡(jiǎn)單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對(duì)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡(jiǎn)單，形成了完整的設(shè)計(jì)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(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。 爐窯溫度采集 比較判斷PID算法輸出控制NY圖4.1爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖高爐煤氣流量采集 比較判斷PID算法輸出控制NY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NY圖4.3燃燒空氣流量控制

31、系統(tǒng)流程圖冷卻空氣流量采集 比較判斷PID算法輸出控制NY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NY圖4.5皮帶秤控制系統(tǒng)流程圖4.3 I/O口分配系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉由I0.0和I0.1分別控制。系統(tǒng)中有四個(gè)被控對(duì)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(dòng)機(jī)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 I0.0啟動(dòng)Q0.0上料皮帶秤啟動(dòng)I0.1停止Q0.1上料皮帶秤停止AQ2高爐煤氣調(diào)節(jié)閥AQ4燃燒空氣調(diào)節(jié)閥AQ6冷卻空氣調(diào)節(jié)閥4.3 主程序清單 在程序中，分為五個(gè)