基于PLC的溫度控制

論文題目：溫度由繼電器控制改造PLC控制1緒論1.1【摘要】隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步開展，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、反響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正確選擇。隨著PLC功能的擴充在許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能,因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場所中采用PLC控制是較為合理的，通過采用PLC來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，PLC對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。這也正是本課題所重點研究的內(nèi)容。1.2【關(guān)鍵詞】PLC；編程語言；溫度溫度的檢測；采用PLC進行恒溫控制；PID算法在PLC中如何實現(xiàn)；PID參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響；2基于PLC的爐溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)控制要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是：對加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為0℃—150℃，溫度控制精度小于3℃，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%。軟件設(shè)計須能進行人機對話，考慮到本系統(tǒng)控制對象為電爐，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)設(shè)計思路根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對每一個具體局部進行分析設(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)計兩局部。系統(tǒng)硬件框圖結(jié)構(gòu)如下圖:SSRSSR加熱器爐子溫度傳感器給定溫度S7-200PLCCPU運算處理溫度變送器圖2.1系統(tǒng)硬件框圖被控對象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號，經(jīng)溫度變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓信號送入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)調(diào)壓裝置輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。2.3系統(tǒng)的硬件配置2.3S7-200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[2]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。S7-200主要功能模塊介紹：(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,輸入局部從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸出局部那么輸出控制信號,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：①CPU221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)。②CPU222它有8輸入/6輸出，I/0共計14點，和CPU221相比,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。③CPU224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。④CPU226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)。⑤CPU226XM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(biāo)和CPU226相同。(2)開關(guān)量I/O擴展模塊當(dāng)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；假設(shè)從與外部電路平安隔離角度看,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)是單回路的反響系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號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)省了元器件的本錢，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表：表2.1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0~10V0~20mACPU224XP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0~32000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000~+32000[3]2.3溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，通常用PT100來表示。其中PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100PT100是廣泛應(yīng)用的測溫元件，在-50~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比較的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正那么需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應(yīng)溫度值[4]。常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。本設(shè)計采用的就是三線制接線。由于鉑熱電阻測出的是溫度變化，需要在將信號輸入PLC前加一個溫度變送器，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。本系統(tǒng)采用的溫度變送器是DZ4130，使用過程中要加一個24V的電源，該電源可以從PLC上直接獲得。2.3由于PLC輸出的信號是直流信號，而被控制的加熱器小燈泡是由220伏特交流電供給工作的，所以在由PLC接入到小燈泡時要參加一個調(diào)壓裝置，本設(shè)計采用的是一個可將5伏特的直流電轉(zhuǎn)化為220伏特交流電的反相調(diào)壓器EUV-75A。該調(diào)壓裝置工作時需要有兩個工作電源，分別支持交流局部和直流局部工作，交流局部需要220伏特的工作電壓，直流局部需要5伏特的直流電壓。EUV-75A是反相調(diào)壓器，即輸入0伏特對應(yīng)的輸出是220伏特的輸出，而輸入5伏特對應(yīng)的是0伏特是輸出。EUV-75A的硬件接線如下圖：1.1直流局部直流局部交流電源和輸出接口輸出接口交流電源輸入入圖2.2EUV-75A硬件接線圖其中直流局部共有5根線，實際使用的時候只有其中3根式有用的，一根接5伏特的直流電源，一根為信號的輸出端，還有一根是電源和輸出信號的公共接地。EUV-75A的交流局部有3個端口，對角線的兩個端口是接工作電源220伏特的交流電，輸出信號接剩下的一個端口和其下方的一個端。3爐溫PID控制算法3.1模擬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、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(dāng)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，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便[5]。即當(dāng)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[6]。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差〔Steady-stateerror〕。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，那么稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)〔SystemwithSteady-stateError〕。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)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。解決的方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于零，甚至為負值，從而防止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。模擬PID控制系統(tǒng)框圖：圖3.1PID模擬控制系統(tǒng)框圖3.2PID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KcPID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ex采樣時刻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(dāng)前采樣周期所有誤差項的函數(shù)，微分項是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項是當(dāng)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。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-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KcPID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良形式計算PID輸出，這個改良型算式是：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Kc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其中：MIn第n采樣時刻積分項的值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使用以下算式來求解微分項：Mdn=Kc*Td/Ts*((SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1))為了防止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，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改良為：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。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(dāng)做1.0看待。4基于PLC的爐溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1STEP7MICRO/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)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用[8]，例如創(chuàng)立用戶程序、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防止一些語法和數(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，局部功能的實現(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。離線方式：有編程軟件的計算機與PLC斷開連接，此時能完成大局部根本功能。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[9]。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。輸入輸出點配置表4.1程序使用輸入輸出點配置符號地址注釋運行M0.00運行1停止輸出歸一VD9000~1手自動M0.30手動1自動手動輸出VD7000~1實際溫度VD550度設(shè)定溫度VD650度模擬輸出AQW016000~0PID輸出VW800VW8004.3系統(tǒng)流程圖鉑電阻Pt100鉑電阻Pt100溫度變送器模數(shù)轉(zhuǎn)換與設(shè)定值比較PID算法數(shù)模轉(zhuǎn)換直流轉(zhuǎn)換為交流燈泡圖4.1系統(tǒng)流程圖4.4系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)爐溫實際溫度的檢測圖4.2將采集采集實際溫度轉(zhuǎn)換為PLC計算數(shù)值的程序爐溫實際溫度的檢測是要將溫度量轉(zhuǎn)化為PLC可識別的量，所以，將溫度變送器輸出的值先由16位的整型轉(zhuǎn)化為32位的雙整型，再由雙整型轉(zhuǎn)化為實型，實型小數(shù)點后可有6位，故比較精確。由于鉑電阻的最大量程為150攝氏度，PLC模擬輸入輸出最大位為32000，為將測得的溫度值與PLC中計算值相對應(yīng)，故將送入PLC中的溫度值先除以32000再乘以150，此時得到測得溫度值在PLC中計算所對應(yīng)的數(shù)，將該數(shù)送入變量存放器VD550。4.4.S7-200的編程軟件Micro/WIN提供了PID指令向?qū)В琍ID控制程序可以通過指令向?qū)ё詣由蒣10]。除此之外，PID指令也同時會被自動調(diào)用。首先選擇運用PID算法的回路，本系統(tǒng)就一個回路，應(yīng)選擇回路0：圖4.3回路選擇界面第二步給回路參數(shù)定值，本系統(tǒng)采用的鉑電阻的測量范圍是0~150度，故給定范圍的低限和高限分別為0和150；回路的參數(shù)可以先不設(shè)定，因為新的S7-200CPU支持PID自整定功能圖4.4回路給定值范圍和參數(shù)配置界面第三步設(shè)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(shù)值范圍是0~32000[11]，所以輸入項的量程為0~32000，由于輸出時通過的變相器的量程只有輸入時的一半，故輸出的量程設(shè)置為0~16000圖4.5回路輸入輸出參數(shù)性質(zhì)配置界面第四步是給該子程序命名和添加手動控制圖4.6子程序命名和選擇手動控制界面這步完成以后PID向?qū)Ь蛶臀覀兺瓿闪薖ID算法子程序的設(shè)計。然后在程序中調(diào)用向?qū)傻腜ID子程序〔如以下圖〕圖4.7生成子程序圖圖4.8PID子程序圖輸出控制量的處理圖4.9輸出控制程序圖經(jīng)PID控制過后的輸出量和輸入一樣，同樣要其由整型轉(zhuǎn)化為實型，但由于本系統(tǒng)的電壓變送器采用的是5伏的反相模塊，所以對應(yīng)的最大值變?yōu)?6000。雖然鉑電阻的測溫范圍是在0到150攝氏度之間，所以本系統(tǒng)只對0至150攝氏度之間的溫度做顯示，當(dāng)輸出值大于16000時，說明溫度高于150攝氏度，考慮到反相調(diào)壓模塊，輸出值設(shè)為0；當(dāng)輸出值小于0時說明溫度低于0攝氏度，同樣要考慮到反相調(diào)壓模塊，輸出要設(shè)為16000；當(dāng)輸出在0至150攝氏度之間時，輸出值應(yīng)當(dāng)設(shè)定為16000減去當(dāng)前值才可適應(yīng)于反相調(diào)壓模塊。將輸出值要送至模擬輸出端AW0。當(dāng)開關(guān)M0.0斷開時，會有一個脈沖下降沿，故當(dāng)開關(guān)斷開時同樣要考慮反相調(diào)壓模塊，要將16000送至輸出端。4.5系統(tǒng)程序調(diào)試在進行系統(tǒng)調(diào)試時，要得到精確的控制精度，最關(guān)鍵的問題就是PID控制器三參數(shù)〔比例系數(shù)、積分時間、微分時間〕的整定。整定的好壞不但會影響到控制質(zhì)量，而且還會影響到控制器的魯棒性[12]。為此，需要根據(jù)該控制對象的特性確定準(zhǔn)確的PID參數(shù)。由于西門子S7-200的V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN提供了PID參數(shù)自整定功能。V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。這兩項功能相結(jié)合,使用戶能輕松地實現(xiàn)PID的參數(shù)自整定,同時可以對最多8個回路進行自整定。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。西門子S7-200的PID參數(shù)自整定屬于基于規(guī)那么的自整定,此方法對模型要求較少,借助于控制器輸出和過程輸出變量的觀測值來表征動態(tài)特性,具有易執(zhí)行且魯棒性較強的特點,這種自整定法能綜合采用專家經(jīng)驗進行整定。但這類方法的理論根底較弱,需要豐富的控制知識,其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗以及對反響控制理論的理解程度。S7-200使用的自整定算法為Astrom和Hagglun提出的繼電型PID自整定控制法,它用繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替ZN法(Ziegler-Nichols)中的純比例控制器,使系統(tǒng)出現(xiàn)極限環(huán),從而獲取所需要的臨界值?；诶^電反響的自動整定法防止了ZN法整定時間長、臨界穩(wěn)定等問題,且保存其簡單性,目前已成為PID自動整定方法中應(yīng)用最多的一種。其根本思想是在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài):測試模態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)。在測試模態(tài)下,由一個繼電非線性環(huán)節(jié)來測試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益,而在調(diào)節(jié)模態(tài)下,由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到PID控制器,然后由此控制器對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化,那么需要重新進入測試模態(tài)進行測試,測試完畢之后再回到調(diào)節(jié)模態(tài)進行控制。要確定系統(tǒng)的振蕩頻率ωc與Kc增益,比較常用的是描述函數(shù)方法,根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號之間的基波分量關(guān)系來進行近似分析。S7-200PLC的PID參數(shù)整定過程西門子S7-200的PID參數(shù)自整定可由PID整定控制面板來實現(xiàn)，如以下圖：圖4.10PID調(diào)節(jié)面板界面第一步：在PIDWizard(向?qū)А持型瓿蒔ID功能配置第二步：翻開PID調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)置PID回路調(diào)節(jié)參數(shù)在Micro/WINV4.0在線的情況下，進入PID調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活〔所有地方都是灰色〕，可點擊配置按鈕運行CPU。在PID調(diào)節(jié)面板的當(dāng)前PID區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID回路號，在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)選擇手動，調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。第三步：在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)點擊高級按鈕，設(shè)定PID自整定選項。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會。圖4.11高級PID自動調(diào)節(jié)參數(shù)界面第四步：在手動將PID調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設(shè)定值接近，且輸出