太陽能浴室水溫水位控制系統(tǒng)設計說明

1、 PAGE36 / NUMPAGES36 西南科技大學自動化專業(yè)方向設計報告設計名稱：太陽能浴室水溫水位控制系統(tǒng)設計 姓 名： 剛 學 號: 20096348 班 級： 自動化0903 指導教師： 王順利 起止日期：2012.10.15-2012.11.14 西南科技大學信息工程學院制方 向 設 計 任 務 書學生班級： 自動化0903 學生： 剛 學號： 20096348 設計名稱： 太陽能浴室水溫水位控制系統(tǒng)設計 起止日期：2012.10.15-2012.11.14 指導教師： 王順利 設計要求： 如太陽能浴室結構示意圖所示，針對太陽能水箱的溫度恒溫控制目標，基于PLC控制設計PID算法實

2、現對出水口的水溫的恒溫調節(jié)與儲水箱的水位調節(jié)。水溫控制系統(tǒng)的設計與仿真設計水溫控制系統(tǒng)的整體結構與通過網上查詢資料進行器件選型；設計PID算法實現對水溫的控制，調節(jié)PID控制器的參數，并給出整定后系統(tǒng)的階躍響應特性曲線和擾動的響應曲線；針對設計的PID調節(jié)系統(tǒng)綜合設計出原理圖，要求具有較好的超調和響應時間和水位過高或過低的報警與控制。實驗調節(jié)與參數改進根據調試結果改進PID算法和參數，實現對水溫水位的設定參數指標的調節(jié)，對溫度的控制要求具有較好的響應時間，人體可以接受的溫度超調量。課程設計論文應完成的工作摘要，要求100字的中英文摘要。關鍵詞（35個），中英文關鍵詞。前言、 方案論證與方案選擇

3、、基于PID的水溫水位控制系統(tǒng)的設計、調試與結論、致、參考文獻。方 向 設 計 學 生 日 志時間設計容2012.10.82012.10.14通過網路和書籍查找相關資料2012.10.152012.10.21針對設計課題做出整體硬件結構框圖2012.10.222012.10.28針對設計課題做出整體軟件結構框圖2012.10.292012.11.4根據框圖，利用S7200編程軟件編寫程序2012.11.52012.11.11在實驗室S7200仿真平臺上調試程序2012.11.122012.11.14繼續(xù)調試，并撰寫設計報告太陽能浴室水溫水位控制系統(tǒng)設計摘要：本課題研究了可編程控制器（PLC）在

4、太陽能熱水器水溫水位制系統(tǒng)中的應用。重點研究了基于PLC控制設計PID算法實現對出水口的水溫的恒溫調節(jié)，以與儲水箱的水位調節(jié)。指出了 PLC 設計的關鍵主要是能滿足基本控制功能, 并考慮維護的方便性、系統(tǒng)可擴展性等。在本文中經研究確定出了系統(tǒng)的各個工序，繪制了系統(tǒng)的工藝流程圖；進行了系統(tǒng)的I/O分配和PLC的選型；根據系統(tǒng)設計要求設計繪制了系統(tǒng)的控制梯形圖；繪制出了控制系統(tǒng)電氣原理圖和接線圖等。通過用PID對太陽能熱水器水溫水位控制系統(tǒng)的改造，大大增強了系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性，也使系統(tǒng)結構簡單、檢修維護方便快捷、可靠性提高，增進了系統(tǒng)的先進性。關鍵詞：水溫 水位 PID PLCABSTRACT

5、This study is a programmable logic controller (PLC) in the solar water heater temperature and water level in the system of systems.PLC-based control design PID algorithm to adjust the outlet water temperature thermostatically controlled, and the water level of the water tank. PLC design, the key is

6、to meet the basic control functions, and to consider the ease of maintenance, and system scalability. The study identified in this article the various processes of the system to draw a process flow diagram of the system; system I / O assignment and PLC selection; system design requirements designed

7、to draw the control of the system ladder; draw out the control system electrical schematics and wiring diagrams.Through the transformation of the solar water heater temperature and water level control system with PID, greatly enhance the response speed and stability of the system, the system structu

8、re is simple, quick and easy repair and maintenance, improve reliability, and enhance the advanced nature of the system.Keywords：Water temperatureWater level PID PLC一、設計目的和意義用太陽能解決我國家庭熱水是最有希望的、最有效可行的途徑。太陽能光熱應用市場前景廣闊，除家庭用熱水外，還可用于工業(yè)熱水、采暖、空調、干燥、農業(yè)種植、水產養(yǎng)殖、海水淡化等領域。從發(fā)展角度看，城市家庭生活熱水的供給不應由業(yè)主考慮，而應與建筑設計開發(fā)同時進行。

9、在此基礎上設計出了全玻璃真空管式熱水器的自動控制系統(tǒng)。在電子技術飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術對原電氣控制系統(tǒng)進行改造，以提高可靠性，并實現系統(tǒng)的自動控制，提高太陽能熱水器穩(wěn)定性?？删幊炭刂破饔捎诳商峁┦褂玫臅r間繼電器和中間繼電器相當多，而且其常開常閉觸點可多次重復使用，使得我們在編程中可以隨心所欲。用部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路量的時間繼電器和中間繼電器，簡化控制線路、有效提高系統(tǒng)的可靠性，是PLC的突出特點。目前，我國大部分太陽能熱水器控制部分，往往需要大量的中間繼電器和時間繼電器來滿足生產工藝要求，結果使電路設計復雜、繁瑣，故障時有發(fā)生，給使用和日常維護帶來了很大的

10、不便。太陽能熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高 、應用最普遍的技術 。但是在熱水器自動控制系統(tǒng)多采用單片機控制 ，單片機開發(fā)價格較高，而PLC開發(fā)價格便宜。選用PLC控制，它具有速度快，可靠性高，體積小，功能全，編程簡單的特點。通過改進或完善已有太陽能熱水器控制系統(tǒng)的不足，設計開發(fā)新型太陽能水溫水位控制系統(tǒng)基于PLC的太陽能熱水器水溫水位自動控制系統(tǒng)。二、控制要求圖1 陽能浴室的結構示意圖根據太陽能浴室的結構示意圖圖1，具體控制要求如下：2.1、水溫部分：當溫度探測器PT100從太陽能熱水箱中才寄出溫度后，進過變送器，進行標準化和線性化，最后輸出紋4-20mA的標準電流信號，再經由以250的

11、電阻，將之轉換成1-5V的標準電壓輸出，以此與PLC里面的設定溫度進行PID運算控制加熱晶閘管的通斷。2.2、水位部分：當水位到達探測點1時，表示太陽能熱水器里面的水量過少，發(fā)出聲光報警，提醒用戶加水，聲音報警需要手動關閉；當水位到達探測點2時，表示水量已經較少，需要加水，因此控制上水電磁閥合上；當水位到達探測點3時，表示水量應經達到正常的水量，因此斷開上水電磁閥；當水位到達探測點4時，表示水量過高，超過正常值，因此發(fā)出圣光報警，并且聲音報警只能手動關閉。三、設計方案論證本設計是以西門子S7200PLC為主控制器，來實現太陽能水箱水溫水位的自動控制。設計的目的是在設計過程中能夠了解S7200P

12、LC是如何被運用于工農業(yè)生產過程的。通過在實驗臺上動手操作和觀察，實時觀察水箱的水溫水位控制的運行情況，得到完整的實時曲線。本設計中使用的主要硬件如圖2所示。計算機PLCS7-200AE2000B型過程控制裝置圖2 系統(tǒng)硬件圖按照設計的具體要求，所有需要設計的環(huán)節(jié)，都需要逐一進行分析。因此我把水箱溫度控制系統(tǒng)分成兩大部分來分別設計軟硬件。系統(tǒng)硬件框圖結構如圖3所示:圖3 基于PLC的太陽能水溫控制系統(tǒng)方框圖設計中的被控對象是水箱的溫度，利用Pt100鉑熱電阻傳感器來檢測被控對象（即太陽能水箱的溫度），經過溫度變送器給S7-200PLC的EM235模塊送入測量到的水箱溫度轉換的15V的電壓信號。

13、然后把比較測量值和設定值所得到的差值經過PID運算后就可以得到的控制信號來控制加熱器的電壓，這樣就能控制水箱的溫度了。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖4，系統(tǒng)程序框圖如圖5。圖4 系統(tǒng)結構框圖 啟動晶閘管探測點1探測點4水位探測變送器設定值溫度傳感器PLC內部PID模塊高水位報警關閉上水開始上水低水位報警探測點2探測點3關閉上水圖5 系統(tǒng)程序框圖四、系統(tǒng)設計4.1、系統(tǒng)的硬件設計4.1.1 、S7-200PLC選型可編程控制器(Programmable logic Controller)，簡稱PLC或PC，是指可以通過編程或HYPERLINK :/baike.baidu /view/551674.htm

14、軟件配置改變控制對策的控制器，它是一種工業(yè)控制計算機。在可編程序控制器出現以前，繼電器在工業(yè)生產中的控制占了主要地位。但是如果在生產過程中工藝要求出現了改變，那么身為佼佼者的繼電器控制系統(tǒng)會因為體積大、耗電多、壽命短等缺點導致其適應性、可靠性都不高，因此當發(fā)生這種情況時，整個系統(tǒng)就必須重新設計。 隨著現代社會生產的發(fā)展和技術進步，出現了現在在工業(yè)生產自動化中占領重要地位的一種新的工控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是以繼電氣控制系統(tǒng)為基礎的，具有很高的可靠性，它隨著當代生產自動化要求的提高和電子技術的發(fā)展融合了微型計算機技術、自動控制技術和通信技術并且能夠很好的應用于工農業(yè)生產中。1968年，美國汽車制造行業(yè)的

15、巨頭通用汽車公司(GM公司)打算設計一款結合了計算機的多功能、通用性好等優(yōu)點以與繼電氣控制系統(tǒng)物美價廉、輕松易懂的優(yōu)點的通用控制裝置。為了降低成本、增加使用壽命，通用汽車公司(GM公司)便打算在新設計的控制裝置時去掉舊的繼電氣裝置在使用時需要重新設計和接線的缺點，因此他們用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，同時簡化了計算機的編程方法和程序的輸入方法，這樣一來也使得不熟悉計算機的人可以看懂程序。為實現這個設想，美國數字設備公司(DEC公司)在1969年研制出了世界上第一臺PLC。PLC除了能夠進行邏輯、順序控制，還能對計時和計數進行控制。從1970之后，微電子技術一直在向更高端發(fā)展，大規(guī)

16、模的集成電路（簡稱LSI）和微型處理器也被運用到了PLC中，這大大增強了PLC的功能，使得PLC在原來的基礎上還可以進行處理數據、算術運算，還能實現跟外界的通訊以與對分支、自診斷和中斷進行處理，大大提高了工作效率。 目前，全世界的PLC生產廠家約有200多家，生產300多個品種，主要集中在美國、德國、日本的多家公司。其中德國和美國是以大型PLC而聞名，日本則主要是生產小型PLC。美國的PLC廠家很多，其中以A-B(ALLEN-BRADLEY)公司、美國通用（GE）公司生產的PLC最具代表性。德國的西門子PLC對于大中小型的自動控制都可適用，使用圍極為廣泛。由于PLC具有輸入輸出光電隔離、停電保

17、護、自診斷等功能，所以抗干擾能力強，能置于環(huán)境惡劣的工業(yè)現場中，故障率低。PLC編程簡單，易于通信和聯網、用于水暖控制能提高性能價格比，如果從長遠觀點來看，其壽命長，故障率低，易于維修，所以選用。本設計中要求以德國生產的西門子S7PLC-200為主控制器，因此在此只粗略介紹西門子S7-200PLC。S7-200 系列 PLC 是由德國西門子公司生產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，其設計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以與強大的指令功能，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，在大型網絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用

18、安太興等，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)J.數字技術與應用，2011.2。4.1.1.1、 S7200-PLC的CPU模塊CPU模塊是PLC控制系統(tǒng)的核心，它控制著整個PLC控制系統(tǒng)有序地進行。PLC控制系統(tǒng)中，PLC程序的輸入和執(zhí)行、PLC之間或者PLC與上位機之間的通信、接受現場設備的狀態(tài)數據都離不開CPU模塊。CPU模塊還可以進行自我診斷，即當電源、存儲器、輸入/輸出端子、通信等出故障時，它可以給出相應的指示或做出相應的動作。圖6是西門子S7-200PLC的模塊面板示意圖。圖6 SYMATIC S7-200PLC CPU的模塊面板示意圖 西門子S7-200PLC包括CPU221、CPU222、

19、CPU224和CPU226這4種型號的CPU，它們的主要性能指標如表1所示。 表1 西門子S7-200CPU主要性能指標 性能指標CPU221CPU222CPU224CPU226 外形尺寸 908062908062120.580621908062本機數字量I/O6個輸入/4個輸出8個輸入/6個輸出14個輸入/10個輸出6個輸入/4個輸出 程序空間 2048字 2048字 4096字 4096字 數據空間 1024字 1024字 2560字 2560字用戶存儲器類型 E2 PROM E2 PROM E2 PROM E2 PROM 擴展模塊數量 不能擴展 2個模塊 7個模塊 7個模塊 數字量I/O

20、128輸入/128輸出128輸入/128輸出128輸入/128輸出128輸入/128輸出 模擬量I/O 無16輸入/16輸出32輸入/32輸出32輸入/32輸出定時器/計數器 256/256 256/256 256/256 256/256 部繼電器 256 256 256 256布爾指令執(zhí)行速度0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令 通信口數量1（RS-485） 1(RS-485) 1(RS-485)2(RS-485)根據控制系統(tǒng)實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，為以后新設備的介入或設備調整留有余地，CPU224 有14 路輸入/10路輸出，一共有

21、24個I/O點，存儲容量比起CPU221和CPU222擴大了一倍,它可以有7個擴展模塊,有置時鐘，并且CPU224高速計數處理能力也很強，是S7-200產品中使用得最多的一個。因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224。4.1.1.2、EM 235模擬量輸入/輸出模塊在溫度控制系統(tǒng)中，溫度傳感器把檢測到的溫度信號轉換成4-20mA的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉換成數字信號再送入PLC中進行處理。在本設計中考慮到系統(tǒng)擴展的問題，可以用EM235模擬量輸入/輸出模塊用來對CPU進行擴展。EM235模塊有12位模擬量，輸入速度迅速，價錢低廉，應用廣泛。EM235模塊可

22、以在149s的時間段把輸入模塊的模擬量信號轉換成為與其對應的阿拉伯數字值。由于EM235都是在程序訪問模擬點的時候把輸入的模擬量信號轉換成阿拉伯數字。因此，模擬量輸入指令的基本時間是把模擬量轉換成數字所花費的時間也計算在的。圖7就是EM235模擬量擴展模塊的接線方法。圖7 EM235模擬量擴展模塊的接線方法電壓信號按正、負極直接接入X和X；電流信號則需要將RX和X短接后接入電流輸入信號的“”端；未連接傳感器的通道要將X和X短接。通過表2，我們可以了解怎樣通過DIP開關來影響并選擇EM235模塊輸入模擬信號的單/雙極性、增益和衰減。表2 DIP開關對EM235極性影響EM235開關單/雙極性選擇

23、增益選擇衰減選擇SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON單極性OFF 雙極性OFF OFF X1OFF ONX10 ONOFF X100ONON無效ONOFF OFF 0.8OFF ONOFF 0.4OFF OFF ON0.2EM235模塊具有4個模擬信號輸入通道以與1個模擬信號的輸出通道。它允許S7-200PLC連接微小的模擬量信號，電壓信號控制在在80mV以。我們可以通過選擇DIP開關去決定所需要的熱電偶的型號。4.1.1.3 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則（1）根據工藝流程進行設計，充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足需要控制的裝置的控制要求。（2）在不影響控制系統(tǒng)精度的前提下，盡量減少PL

24、C系統(tǒng)硬件費用。（3）控制系統(tǒng)要使用和維護方便，同時降低系統(tǒng)的危險性。（4）考慮到以后控制任務的變化，所以當我們在挑選合適的PLC型號、PLC的輸入/輸出點數和需要的存儲器種類以與容量的時候，都要考慮到控制系統(tǒng)的多變性，多留出一點輸入/輸出點數和存儲器容量。4.1.1.4 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 （1）控制要求分析。 （2）確定輸入輸出設備。 （3）選擇合適PLC。 （4）I/O點數分配。 （5）PLC程序設計。 （6）模擬調試。 （7）現場聯機調試。（8）整理技術文件。4.1.2.1、熱電式傳感器熱電式傳感器能夠把溫度的變化轉換成電流、電壓變化的裝置就是我們所說的熱電式傳感器。目前有很

25、多種熱電式傳感器，最常見就是把溫度的變化量相對的轉變成電勢和電阻。熱電偶、熱電勢是被用于溫度測量的最普遍的、目前在工業(yè)生產中廣泛應用的器件。它們的傳感原理都是相似的，熱電偶可以把變化的溫度變換成電勢，而熱電阻則是把變化的溫度相應的轉換成電阻。 該系統(tǒng)對傳感器的要可以把將溫度信號轉化為電流信號，測量的水溫上限為100，權衡之下Pt100電阻傳感器是非常合適的。Pt100鉑熱電阻簡稱為：Pt100鉑電阻。Pt100傳感器的精度高，熱補償性較好。其阻值會隨著溫度的變化而改變。Pt后的100表示它在0時阻值為100，它的工作原理是當Pt100在0時阻值為100，在100時它的阻值約為138.5.它的阻

26、值會隨著溫度的上升而勻速增長。Pt100的測溫圍是-200+420，經過調節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉換成420mA直流信號。4.1.2.2、可控硅加熱裝置本系統(tǒng)采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420mA標準電流信號，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現水箱溫度的連續(xù)控制。4.2、系統(tǒng)的軟件設計4.2.1、 PID控制算法在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱PID 調節(jié)。PID控制在工業(yè)領域的應用已經有很多年了，現在依然廣泛地被應用。P、I、D各有自己的長處和缺點，它們一起使用的時候又

27、和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質量。人們在應用的過程中積累了許多的經驗，對PID的研究現在已經達到了一個比較高的程度。4.2.1.1、 PID控制算法的特點比例（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系。若產生偏差，控制器就發(fā)生作用調節(jié)控制輸出，使被控量向減小偏差的方向變化。偏差減小的速度由比例系數 Kp來決定，Kp越大偏差減小的越快。但這樣會引起振蕩，特別是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的時候，比例系數Kp減小，振蕩發(fā)生的可能性就會減小，但同時也會導致調節(jié)速度變慢。比例控制的缺點是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，必須要有積分控制來輔助。積分（I）控制在積

28、分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項會隨著時間的增加而增大。因此，就算誤差很小，積分項也會慢慢變大，由它推動控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差慢慢減小至零。所以，比例積分 (PI) 控制器可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。微分（D）控制在微分控制下，控制器的輸出的微分增加了，輸入誤差信號的微分同時也會增加。而自動控制系統(tǒng)在對于誤差的控制來說，會出現別的不必要的問題，比如波動，更嚴重的會失穩(wěn)。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，但

29、是加入的微分項卻能夠避免較大的誤差出現，因為它可以預測誤差變化的方向。但是微分控制會放大高頻噪聲, 降低系統(tǒng)的信噪比,導致系統(tǒng)抑制干擾的能力下降，也就是說微分控制不能消除余差。4.2.1.2、 PID控制算法原理PID控制本質上是一個二階線性控制器, 通過調整比例( P)、積分( I)和微分( D)三個參數, 使得大多數工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。PID控制器的理想計算公式為:(4.1)：(4.1) 公式(4.1)中: u(t)為控制器的輸出; e(t)為控制器的輸入(常常是設定值與被控量之差, 即e(t)=r(t)-c(t);Kp、Ti、Td 分別為控制器的比例放大系數、積分時間常數

30、、微分時間常數。 設u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值(采樣周期為T),用一階向后差分代替微分，用矩形法數值積分代替連續(xù)積分，將上式進行離散化處理,可得離散的PID計算公式：(4.2)式(4.2)為位置式PID控制算法, 其當前采樣時刻的輸出與過去的狀態(tài)有關, 計算時要對e(k)進行累加, 運算量大, 因此實際應用中一般采用增量PID控制算法。由式(4.2)可得:(4.3) (4.4) 其中式(4.3)、(4.4)是增量PID算法的計算公式, 系統(tǒng)的采樣周期T選定后, 一旦確定了Kp、Ti、Td, 只要使用前后3次測量的溫度偏差值即可由式(4.3)、(4.4)求出控制量。4.2.1.3、

31、PID算法程序實現在S7-200PLC中PID功能是通過PID指令功能塊來實現的。通過定時(按照采樣時間T)執(zhí)行PID功能塊, 按照PID運算規(guī)律, 根據當時的給定、比例-積分-微分數據, 計算出控制量。4.2.1.4、 PID在PLC中的回路指令西門子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，見表3。 表3 PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形圖PID回路在PLC中的地址分配情況如表4所示。 表4 PID回路在PLC中的地址分配情況偏移地址名稱格式類型說明0過程變量（PVn）實數輸入0.01.0之間4給定值（SPn）實數輸入0.01.0之間8輸

32、出值（Mn）實數輸入/輸出0.01.0之間12增益（Kc實數輸入比例常數，可正可負16采樣時間（Ts）實數輸入單位為s，正數20采樣時間（Ti）實數輸入單位為min，正數24微分時間（Td）實數輸入單位為min，正數28積分項前值（MX）實數輸入/輸出必須在0.01.0之間32過程變量前值（PVn-1）實數輸入/輸出必須在0.01.0之間4.2.1.5、 PID參數整定調節(jié)器參數的整定，是自動調節(jié)系統(tǒng)中相當重要的一個問題。PID參數整定方法就是確定調節(jié)器的比例系數P、積分時間Ti和和微分時間Td，一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界

33、比例帶法和反應曲線法。4.2.1.6、 PID算法的數字化處理如果我們想要計算出輸出值，就必須把連續(xù)算式轉化成周期采樣的偏差算式。只有這樣才能保證計算控制式能被計算機識別并且處理。數字計算機處理的算式如(4.5)所示： Mn=Kc*en +Ki*ex+ MX + Kd*(en-en-1) (4.5) 輸出 = 比 例 項 + 積 分 項 + 微 分 項其中：Mn 在采樣時刻n，從PID回路輸出的需要計算的項 Kc 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 ex 采樣時刻x的回路偏差值 Ki 積分項的比例常數 Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項的比例常數上

34、面的式子表明，ex就是表示從開始到即時的采樣周期里面誤差項的和的函數，也就是“積分項”；“微分項”就是所求的采樣函數以與其前一次的采樣函數；而“比例項”就是所求的當前的采樣函數。在計算機中是沒有必要保存所有的誤差項的。從第一次采樣開始，每出現一個偏差采樣，計算機就不得不計算其相對的輸出值，但我們只需要計算機記錄偏差項的前一個值以與積分項的前一個值。因此，我們用一個算式來解決計算機算數的重復性。算式如(4.6)所示：Mn =Kc*en + Ki*en +Minitial + Kd*(En-En-1) (4.6)輸出= 比例項 + 積分項 + 微分項其中：Mn 在第n采樣時刻，需要計算的PID回路

35、的輸出 Kc 比例-積分-微分控制回路的增益 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 比例系數（積分） MX 在第n-1采樣時刻積分項的值 Kd 比例系數（微分） 其實，CPU最終使用的計算比例-積分-微分回路中輸出項的算式是另一個改進式。CPU所用的算式是(4.7)：Mn = MPn + MIn + MDn (4.7)PID回路輸出 = 比例項 + 積分項 + 微分項其中：Mn 第n采樣的時候的需要計算的數值 Min 第n采集樣本時候回路的積分項的數值 MDn 第n采集樣本時候回路的微分項的數值 比例項MP是增益（Kc）和偏差（e）相乘得到的結果。其采樣的時候中

36、輸出數值對于測得的偏差的靈敏度是由Kc說了算的。偏差（e）是給定值（SP）與設定值（PV）之差，西門子S7-200PLC使用的求解比例的算式是(4.8)： MPn=Kc*（SPn-PVn） (4.8)其中：MPn 我們要求的第n時刻的比例 Kc 增益 SPn 設定的在第n時刻采集到設定值 PVn 在第n時刻采集的測量值偏差越大，積分值MI就越大，它們呈現一種正比例的關系。西門子S7-200解決的求積分的算式是(4.9)： MIn=Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX (4.9)其中：MIn 第n采樣時刻積分項的值 Kc 增益 Ts 采集樣本之間的時間間隔 Ti 積分時間 SPn 設定的在

37、第n時刻采集樣本時的數值 PVn 在第n時刻采集樣本時測量到的數值 MX 第n采集樣本時刻的積分項的前一個的積分項的值 采集過程中全部積分項的前面的每一項相加就是積分和（MX）。我們需要在計算出MIn之后，用它來把MX重新計算一遍。但是MIn是能夠調整的，當然也可以由一些條件來限制MIn。我們習慣在第一次計算輸出以前把MX設成Minitial，也就是通常所說的初值。還有其他的幾個常數能構成積分項，它們是增益（Kc），采樣時間（Ts）和積分時間（Ti）。在這里，采樣時間就是再次算出輸出時間之間的間隔，而積分項對整個結果的影響的多少是由積分時間來決定的。偏差越大，積分項Md的數值就越大；偏差越小，

38、積分項Md的值也就隨之變得越小，它們之間是一種正比例關系。西門子S7-200PLC通過下列算式(4.10)來求解微分項：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1) (4.10)如果設定值發(fā)生變化，那么由于它的微分作用就會引起一定程度的跳變，為了不引起跳變，我們可以讓把設定值不要發(fā)生變化，也就是令Spn=Spn-1，那么我們就可以用測量值的變化量來表示偏差的變化量。由此能將原來的算式轉換成(4.11)或(4.12)這樣： Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn-SPn+PVn-1) (4.11)或 Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn-1+PVn) (4.12)其

39、中：Mdn 在第n時刻采集的微分項的數值 Kc 回路增益 Ts 比例-積分-微分回路的采樣控制時間 Td 微分時間 SPn 事先設定的第n時刻采集到的數值 SPn-1 設定的在第n-1時刻采集到的那個值 PVn 在第n時刻采集到的測量的值 PVn-1 第n-1時刻采集到的測量的數值如果想繼續(xù)計算微分項的數值，那么我們就需要保存測量得到的數值，偏差則不需要保存。在第一次采樣的時候，測量值被初始化成PVn-1=PVn。大部分的控制系統(tǒng)里面，并不需要很多的回路控制，只需要一到兩種即可。比較典型的就是P（比例）控制或者是PI（比例積分）控制回路。常量參數可以決定回路的控制類型，如果要選擇回路的控制類型

40、，只需要簡單地常量參數設置一下就可以將回路控制類型對號入座。我們可以通過將積分時間（復位）設置成無窮大模式INF，就可以去掉PID回路里面的積分動作，即只留下PD作用。但是就算積分作用不動作，由于初值MX的存在，積分項并不是0。但是想去掉微分回路就不能如法炮制了，因為微分時間是可以被設置成0的，這樣就達到我們的目的了。對于比例控制，如果想去掉它但是又要留下其它的兩種回路或者兩種中間的一個，我們可以把回路的增益設置成0.0，這個時候，控制系統(tǒng)會自動把回路增益看作是1.0來計算微分或者積分項。4.2.2、 STEP7-Micro/WIN32STEP7-Micro/WIN32編程軟件是由西門子公司專

41、為S7-200系列PLC設計開發(fā)，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，還可直接用軟件設置PLC的工作方式、參數和運行監(jiān)控等。輸入輸出點配置：設計中對輸入輸出點的分配如表5所示，地址分配如表6所示： 表5 PLC的I/O分配輸入輸出I 0.0系統(tǒng)關閉Q0.1加熱時紅燈亮I 0.1系統(tǒng)開啟Q0.2保溫時綠燈亮I.0.2高水位探測點4聲光報警Q0.3水位過高時紅燈亮I0.3到達水位探測點3Q0.4報警器I0.4低水位加水探測點2Q0.5水位過低時紅燈

42、亮I0.5低水位聲光報警探測點1Q0.6低水位加水閥門I0.6報警器停止表6 PLC的存地址分配地址說明VB0-119PID數據存儲VD500太陽能水箱設定水溫存放地址VW200PT100采集數據存放五、設計結果與分析5.1、水箱實際溫度的檢測水箱實際溫度的檢測是要把測得的溫度量轉化為0.0到1.0之間的數以便于PLC能夠識別。因為PID只能針對浮點型實數進行運算，因此要先把溫度變送器輸出的值轉換成16位的整型存儲在累加寄存器AC0中，再將AC0中的值轉化為32位的雙整型繼續(xù)存放于AC0中，接著把AC0中的數由雙整型轉化為實型，仍然存放到AC0中。鑒于實型數的小數點有6位，所以其相對來說還是比

43、較精確的。接下來就要把實數再轉化成PLC能夠識別的0.01.0之間數。用到的公式是式(1): (1) 其中 Rnorm 標準化的實數值 Rraw 沒有標準化的實數值或原值 offset 偏差。單極性為0.0，雙極性為0.5 Span 值域大小?？赡艿淖畲笾禍p去可能的最小值。 單極性是32000（典型值）系統(tǒng)程序如圖8所示： 圖8 將采集實際溫度轉換為PLC計算數值的程序5.2、水箱水位檢測和控制根據太陽能浴室結構示意圖可知,水箱中有4個液位探測點,當探測點在水中時，輸出為高電平，當探測點在空氣中時為低電平，對照根據要求:當水位到達探測點1時，表示太陽能熱水器里面的水量過少，發(fā)出聲光報警，提醒用

44、戶加水，聲音報警需要手動關閉；當水位到達探測點2時，表示水量已經較少，需要加水，因此控制上水電磁閥合上；當水位到達探測點3時，表示水量應經達到正常的水量，因此斷開上水電磁閥；當水位到達探測點4時，表示水量過高，超過正常值，因此發(fā)出圣光報警，并且聲音報警只能手動關閉。由以上要求,具體程序設計如圖9、圖10:圖9 水位檢測控制圖10 水位檢測控制5.3、 PID算法在S7-200PLC中的實現S7-200的編程軟件Micro/WIN提供了 HYPERLINK mk:MSITStore:C:UsersvistaDesktop考試畢業(yè)設計Micro%20n%20Power.chm:/s7-200/pr

45、ogramming/wizard/pid_wizard/pid_wiz.htm PID指令向導，PID控制程序可以通過指令向導自動生成，但是PID指令也能夠被程序自動調用。首先選擇運用PID算法的回路，本系統(tǒng)就一個回路，故選擇回路0，如圖11所示：圖11 回路選擇界面第二步給回路參數定值，本系統(tǒng)采用的鉑電阻的測量圍是0100度，故給定圍的低限和高限分別為0和100，回路的參數暫時先不設定。如圖12所示：圖12 回路給定值圍和參數配置界面第三步設置回路輸入輸出項，輸入和輸出量都是單級性的模擬量，因為S7200的單極性模擬量輸入輸出信號的數值圍是032000，所以輸入項的量程為032000。如圖1

46、3所示：圖13 回路輸入輸出參數性質配置界面因為本設計中沒有采用報警電路，因此忽略報警選項，直接到第六步是給該子程序命名和添加手動控制。如圖14所示：圖14 子程序命名和選擇手動控制界面然后在程序中調用向導生成的PID子程序，如圖15、圖16所示：圖15 生成子程序圖圖16 子程序5.4、 輸出控制量的處理 對于系統(tǒng)輸出量的處理，所用程序如圖17所示： 圖17 輸出控制程序圖輸出量和PID控制的輸入是一樣的，也要被從整型轉換成實型數據。在這次設計里面，我用了5伏的電壓變送器反相模塊，相對應的最大值就變成了32000。另外，由于Pt100鉑熱電阻傳感器因為制造的工藝不同，其測溫圍也有所不同，本設

47、計中設定的最大量程為100攝氏度。PLC的模擬輸入/輸出最大位是32000，但由于我使用的200PLC的模擬量模塊的量程是4-20mA，因此最大值要減去6400的差值。如果輸出是0100之間的某個數值，那么輸出值要用25600減掉測定值才能夠跟反向調壓模塊相適應，輸出值由模擬輸出端A1W0輸出。5.5、 通過MATLAB仿真來整定PID控制器的參數在PID參數整定中，工程整定法因其固有的優(yōu)點而受到廣大工程技術人員的歡迎。同時工程整定法中的穩(wěn)定邊界法由于簡單易行而仍在廣泛的使用，但是穩(wěn)態(tài)邊界法在常規(guī)的實驗中還是有其固有的弱點，如在做實驗時必須把控制系統(tǒng)調到等幅震蕩，這樣就可能會影響實驗設備受到損

48、壞。此時，我們就想到利用軟件仿真的形式來實現對PID參數的整定，而MATLABSimulink就給我們提供了一個良好的軟件平臺。下面我們在MATLABSimulink仿真環(huán)境下整定水箱溫度PID控制參數。1)常規(guī)的PID參數整定根據PID控制模型，利用 SIMULINK 靈活的非線性設計功能，可建立倒SIMULINK模型如圖18所示： 圖18 PID控制的SIMULINK模型根據傳遞函數的各項系數，調節(jié)PID的各個參數，當Kp=100 、KI=0.01 、KD=50的時候，運行SIMULINK模型，得到仿真曲線圖如圖19所示：圖19 Kp=100 、KI=0.01 、KD=50時的仿真曲線圖從

49、圖19可以看出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時有比較小穩(wěn)態(tài)誤差，超調量為8.2%，在暫態(tài)時最大超調量比較大，曲線也比較陡峭，這么長的調整時間要求非常高的控制系統(tǒng)，所以還必須進一步調整控制參數，以使得系統(tǒng)工作在最佳的控制狀態(tài)，通過多次試驗，當Kp=50、KI=0.01、KD=50時得到最佳的控制效果如圖20所示 圖20 Kp=50、KI=0.01、KD=50時的仿真曲線圖在不改變參數的情況下，給系統(tǒng)加一個干擾，如圖21所示： 圖21 PID加擾動的SIMULINK模型運行SIMULINK模型得到相應的仿真曲線如圖22所示： 圖22PID加擾動的仿真曲線根據圖常規(guī)PID的抗干擾性測試看出，本次試驗得到的參數還是比較理

50、想的。經過常規(guī)PID的抗干擾測試，可以看出系統(tǒng)的響應曲線基本沒有太大波動。結束語：時間流逝的很快，不知不覺我已經要結束在大學的生活了，畢業(yè)設計是學校給我們的最后一次考試，考查我們在大學四年是是否荒廢，學到了多少東西。我的畢業(yè)設計是在導師王新江老師的悉心指導下完成的。王老師學識淵博，他治學態(tài)度嚴謹，對待工作一絲不茍，對學生認真負責。在我們畢業(yè)設計期間遇到的各種問題王老師都會詳細耐心地給我們解答，有時候忙的連吃飯的時間都沒有，我們都非常的敬佩他。跟著王老師做畢業(yè)設計期間我學到了很多東西，在此謹向王老師致以誠摯的意和崇高的敬意！通過這次畢業(yè)設計，我對于本專業(yè)的知識有了更深入的了解。以前只是為了通過考

51、試而死記硬背一些課本上的東西，但是在畢業(yè)設計期間，所有的東西都需要自己動手去做，不懂的地方也要自己去查找資料，王老師也鼓勵我們多了解、學習相關的軟件、硬件，為以后的工作打基礎。在設計過程中，我學到了很多東西，并且大大的鍛煉了我的自學能力和動手能力，可以說是受益匪淺。另外，在畢業(yè)設計期間我也得到了同組其他同學的幫助，在此我表示衷心的感！參考文獻：1畢效輝、于春梅、安永泉.自動控制原理，：工業(yè) 2006。2邵裕森、戴先中，過程控制工程，東南大學：機械工業(yè)20033金以慧，過程控制，：清華大學，19934吳堅、英凱、黃玉清，計算機控制系統(tǒng)，：理工大學，20025黃中霖，控制系統(tǒng)MATLAB計算與仿真，：國防工業(yè)，20016輝，精通SIMULINK系統(tǒng)仿真與控制，：大學，2003.17郭戍生、古天翔、陸玉新、世箕，電子儀器原