基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計

1上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計恒溫箱作為一種恒定溫度的設備，被廣泛地應用于生產(chǎn)、生活、實驗等領域。在醫(yī)藥，生物實驗、工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)中，都需要穩(wěn)定而精確的溫度。溫度控制系統(tǒng)由于存在著大慣性、非線性等特性，如果采用普通的PID控制算法，建立精確的數(shù)學模型是極其困難的，在線整定參數(shù)的能力差，不能滿足系統(tǒng)在不同條件下對參數(shù)的自整定要求，從而限制了控制效果。而模糊控制的可以較好地處理純滯后、大慣性、參數(shù)漂移大的非線性不確定復雜系統(tǒng)。將模糊控制和常規(guī)PID控制相結合，構成模糊PID控制法，既具有模糊控制的靈活、適應性。在本設計中，恒溫箱溫度由傳感器和EM235進行實時溫度的傳送，經(jīng)S7-200預先編寫的模糊PID控制算法計算對K,,K,K,進行修正，來控制恒溫設備的加熱與制恒溫箱,模糊PID2 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊Incubatorhavebeenwidelyusedinthefieldsofproduction,lifeandrealization,asaconstanttemperatureoftheequipment.Itisnecessarytohavestableandprecisetemperatureinmedicine,biologicalexperiments,industrialproductionandotherindustries.Temperaturecontrolsystemisduetothepresenceoflargeinertia,nonlinearcharacteristics.usingordinaryPIDcontrolalgorithmisextremelydifficulttoestablishaprecisemathematicalmodel,whichcannotmeetsystemparametersunderdifferentconditionsfromthetuningrequirementsandonlinetuningparametersispoor,thuslimitingthecontroleffect.Fuzzycontrolcanbebettertodealwithdelay,largeinertia,nonlinearparameterdriftuncertaintyofcomplexsystems.FuzzycontrolandconventionalPIDcontrolcombinedwhichconstituteafuzzyPIDcontrolmethodwithfuzzycontrolflexibleandadaptable,butalsohasthecharacteristicsofhighprecisionPIDcontrol.Inthisdesign,theincubatortemperaturesendreal-timetemperaturebysensorsandtheEM235.CalculatingK,,K,K,byS7-200prewrittenfuzzyPIDcontrolalgorithmistocontrolthermostatheatingandcoolingequipmentinordertoachievethe3上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計4上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計江政0212098251緒論1.1研究背景恒溫箱是在一定溫度下，用以飼養(yǎng)或培養(yǎng)生物或生物的一部分(細胞等)的箱型器具。常用的恒溫箱主要分為三類：高溫恒溫箱(高于60℃);中溫恒溫箱(-10~60℃);低溫恒溫箱(低于-10℃)?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求迅速的反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)則、低成本和高質量的產(chǎn)品。在恒溫箱領域達到了更新周期為三年左右。為了滿足這一需求，生產(chǎn)設備的控制系統(tǒng)必須具有極高的靈活性和可靠性，可編程控制器就順應而生。同時在對于恒溫箱發(fā)展起很大影響的溫度傳感器同樣是日新月異。利用各種物理性質隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉換為電量的傳感器溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。恒溫箱在實驗研究、工業(yè)生產(chǎn)、民生工程方面都發(fā)揮著重要的作用。恒溫箱對于我們國家的科技水平更加高薪、國民經(jīng)濟的更加繁榮、民生健康等方面時刻顯示著其重要性。而從國家的有關政策看，國家現(xiàn)階段在科技創(chuàng)新的政策是提高自主創(chuàng)新能力，建設創(chuàng)新型國家是國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，是提高綜合國力的關鍵。也提升科技創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為刻不容緩的歷史使命。為此我們有必要在恒溫箱的研究應用上花費應有的人5上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計1.2研究現(xiàn)狀及意義1.2.1研究現(xiàn)狀隨著計算機控制技術的發(fā)展，恒溫控制已在工業(yè)生產(chǎn)領域中得到廣泛的應用，并取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。在不同領域內，由于控制環(huán)境、目標、成本等因素，需要對具體情況來設計系統(tǒng)結構和功能，以取得最佳的控制效果，其中恒溫環(huán)境的自動化控制技術在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運營重視一個重要的研究課題。我國目前在恒溫控制技術總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以點位控制以及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變的溫度系統(tǒng)控制。在適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表領域內，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。從各個角度上看，我國恒溫箱儀器儀表產(chǎn)品還存在不少問題。產(chǎn)品的穩(wěn)定性長期以來沒有得到解決，影響到我國其他相關行業(yè)的發(fā)展，而對于大型精密儀器我們還沒有達到理想水平，國內對恒溫箱的需求依賴進口較多。為了以恒溫箱為基礎的其他行業(yè)能夠更深入更長遠的發(fā)展，對恒溫箱的研究就變得相當重要。國外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，并且都產(chǎn)出了一批性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化，小型化等方面快速發(fā)展，6 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊因此，我國在恒溫控制等控制儀表行業(yè)與國外還有著一定的差距。隨著社會發(fā)展的需求，恒溫箱的應用和需求越來越廣泛。在生物實驗室中，為了得到準確的數(shù)據(jù)，對與溫度環(huán)境的要求十分嚴格。所以恒溫箱在生物實驗中顯得尤為重要，比如根據(jù)動物生活習性的需要控制飼養(yǎng)棚合適的問題來進行孵卵或動物培養(yǎng)，在恒溫環(huán)境下各種細菌培養(yǎng)等。在實驗過程中，準確的溫度環(huán)境能夠讓研究人員獲得準確的過程數(shù)據(jù)以及結果，對生物，農(nóng)業(yè)，漁業(yè)的發(fā)展有巨大的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，恒溫箱有著廣泛的應用，在直接生產(chǎn)產(chǎn)品中，由于產(chǎn)出的一些產(chǎn)品的特殊性，必須保持恒溫環(huán)境下，運用恒溫箱就可以達到這個效果，借此來保證產(chǎn)品的質量，所以對于工業(yè)生產(chǎn)來說，恒溫箱對于保存工業(yè)產(chǎn)物扮演著極為重要的角色。在醫(yī)藥方面，醫(yī)用恒溫箱主要用于藥品，試劑的儲存，運輸；疫苗，血液的冷藏保溫，透析液的加溫，生理鹽水的加溫，細菌培養(yǎng)，放射免疫分析，血清融化、石蠟融化、試管消毒等。醫(yī)藥作為人類生命健康的保障，是十分重要的，而恒溫箱就是這重要保障的前提。恒溫箱對于我國的科技水平更加高薪，國民經(jīng)濟更加繁榮，民生健康等方面時刻顯現(xiàn)著其重要性，因此對于恒溫箱的研究有極其重要的意1.3研究內容與安排本畢業(yè)設計的主要內容是：本設計主要以SIMATICS7-200為核心，7 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 溫度傳感器作為檢測溫度裝置，EM235作為溫度的傳送裝置，加熱制冷設到SIMATICS7-200中，使之成為一個模糊PID控制器，通過以上軟硬件為基礎設計出一個自動控制的恒溫箱。其主要運作原理是：由溫度傳算法的STEP-7已成為一個模糊PID控制器，該溫度通過STEP-7的算法計算之后輸出來控制制冷加熱設備進行恒溫控制，組態(tài)王可以全程監(jiān)控溫度變化以達到人機交互的目的。本設計論文共分六章，每一章的內容簡述如下：第一章緒論，主要介紹恒溫箱的研究背景，意義以及現(xiàn)狀。第二章本設計主要應用的各種理論，恒溫控制，模糊算法，PID控第三章硬件設計，主要介紹傳感器以及PLC的比較以及選擇。第四章軟件設計，簡單介紹軟件的流程圖，STEP7MicroWIN32以及組態(tài)王軟件編程。第五章總結。2溫度控制及算法溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預報、物資倉8 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，準確獲得目標的溫度信息是十分重要的。計算機技術的發(fā)展極大的推動了工業(yè)控制系統(tǒng)的理論領域增加了新的內容。計算機硬件與控制軟件的緊密集合必然導致新型的微機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設計方案和智能控制方案。第一類：經(jīng)典控制方案經(jīng)典控制方案可以分為數(shù)字控制器的間接設計方案和數(shù)字控制器的直接設計方案。數(shù)字控制器的間接設計方案是一種根據(jù)模擬設計方案而轉換而來的設計方案。傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中的控制器設計已有一套成熟的方法，其中以PID控制器為代表。PID控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)的、使用范圍廣等優(yōu)點。將模擬控制器轉換成數(shù)字控制器是用離散時近似方法將一連續(xù)時間系統(tǒng)的控制規(guī)律離散為數(shù)字控制器的控制規(guī)律，其中確保數(shù)字控制器與模擬控制器的近似，要適當選擇采樣周期。第二類：基于現(xiàn)代控制理論的設計方案現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要的工具，以狀態(tài)空間法為基礎來分析和設計控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質上是一種時域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和提示系統(tǒng)的內部狀態(tài)和性能。基于現(xiàn)代控制理論的設計方案是建立在對系統(tǒng)內部模型的描述之上的。它是通過數(shù)學方法對控制系統(tǒng)進行綜合?？刂埔?guī)律的確定是通過極小化預先確定的性能指標函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應而推導出來的。此類設計方案主要有：系統(tǒng)辨別、最優(yōu)控制、自校正控制等。這類設計方案適用范圍廣，適合多輸入多輸出系統(tǒng)、某些非線性時變系統(tǒng)和一些9 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 具有隨即擾動的系統(tǒng)。該方法理論嚴謹，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題可以嚴格證明，性能指標能定量分析，得到的控制品質較好。但這類方法需要知道精確的被控對象的數(shù)學模型形式。第三類智能控制方案智能控制方案是一類無需人的干預就能針對控制對象的狀態(tài)自動地調節(jié)控制規(guī)律以實現(xiàn)控制目標的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學模型和用常規(guī)控制理論進行定量計算與分析的困難性。它實質是一種無模型的控制方案，即在不需要知道對象精確模型的情況下，通過自身的調節(jié)作用，使實際響應曲線逼近理想響應曲線。智能控制系統(tǒng)有以下一些特點(1)智能控制系統(tǒng)一般具有以知識表示的非數(shù)學廣義模型和以數(shù)學模型表示的混合控制工程。它適用于有復雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在已知算法的生產(chǎn)過程。(2)智能控制具有信息處理和決策機構，它實際上是對人神經(jīng)結構或專家決策機構的一種模仿。(3)智能控制器具有非線性、這是因為人的思維具有非線性。作為模仿人的思維進行決策的智能控制也具有非線性的特點。(4)智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點。智能控制方案主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法控制等。常用的溫度控制電路根據(jù)應用場合和要求的性能指標有所不同。除了傳統(tǒng)的PID控制方法，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等智能控制方法應用于溫控系統(tǒng)，包括智能控制與PID控制相 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊結合及這些智能控制之間的結合。具體有如下一些方法：(1)模糊控制是基于模糊邏描述一個過程的控制算法，它不需要被控對象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗和直接判斷，容易應用。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡與PID的結合：神經(jīng)網(wǎng)絡是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細胞結構及對信息的記憶和處理而構成的信息處理方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡以其高度的非線性映射、自阻組織、自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應速度快，抗干擾能力強、算法簡單，且易于用硬件和軟件實現(xiàn)。在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素作為網(wǎng)絡的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實驗數(shù)據(jù)作為樣本，在微機上反復迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡權值，達到自整定PID控制器參數(shù)的目的也就是神經(jīng)網(wǎng)絡整定PID參數(shù)的方法。(3)模糊控制與PID的結合：具體結合形式有很多種，主要是當偏差較大時采用模糊控制，響應速度快，動態(tài)性能好；偏差較小時采用PID控制，使具有良好的靜態(tài)性能。是一種模糊控制和PID控制的分階段切換控制方法。②模糊整定PID參數(shù)的方法：根據(jù)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調整PID參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則調節(jié)PID參數(shù)(4)模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡的結合：模糊控制所基于的經(jīng)驗不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應不同被控對象的要求。所以應使模糊控制向著自適應的方向發(fā)展?；谶@樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡來修正 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 偏差和偏差變化率的比例系數(shù)，達到優(yōu)化模糊控制器的作用，從而進一步改進實時控制的效果，有強的魯棒性和適應能力。神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制都屬于智能控制方法它們與PID結合，適應溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大滯后、時變等情況、模糊控制特別適應于大慣性和純滯后的系統(tǒng)，無需知道系統(tǒng)的精確信息。恒溫箱的設計主要是一種溫度控制系統(tǒng)的設計，采用的是PID和智能控制的結合，溫度控制系統(tǒng)由于存在著大慣性、非線性等特性，如果采用普通的控制算法，例如PID等，建立精確的數(shù)學模型是極其困難的，在線整定參數(shù)的能力差，不能滿足系統(tǒng)在不同條件下對參數(shù)的自整定要求，從而限制了控制效果的進一步提高。如果采用自適應等控制算法，就要花費大量的精力去分析系統(tǒng)的模型，并且由于溫度控制系統(tǒng)的模型復雜，建立模型也比較難于正確地描述系統(tǒng)的真實行為，所以采用該控制方法也不是非常合適的。溫度控制系統(tǒng)本身就是時變的、非線性的、有滯后的復雜系統(tǒng)，因此無論使用經(jīng)典的PID控制還是現(xiàn)代控制理論的各種算法都很難達到滿意的控制效果。但是，對于這些難以利用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)自動控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗的操作人員使用手動控制卻能夠取得令人滿意的控制結果。而模糊控制的核心是模擬人的思維方式對一些無法得到精確數(shù)學模型的被控對象設計模糊控制器，可以較好地處理純滯后、大慣性、參數(shù)漂移大的非線性不確定復雜系統(tǒng)。將模糊控制和常規(guī)PID控制相結合，構成模糊PID控制法，既具有模糊控制的靈活、適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。因此將模糊PID控制運用到恒溫箱，能使恒溫箱的溫度控制更好，更準確。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計2.2模糊理論及模糊控制模糊理論(FuzzyLogic)是在美國加州大學伯克利分校電氣工程系發(fā)展起來的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等就寫出了有關"含糊性"的論文。他認為所有的自然語言均是模糊的，比如“紅的”和“老的””等概念沒有明確的內涵和外延，因而是不明確的和模糊的?？墒?，在特定的環(huán)境中，人們用這些概念來描述某個具體對教授在1965年發(fā)表了著名的論文，文中首次提出表達事物模糊性的重要概念：隸屬函數(shù)，從而突破了19世紀末康托爾的經(jīng)典集合理論，奠定模糊理論的基礎。1966年，P.N.Marinos發(fā)表模糊邏輯的研究報告，1974年，L.A.Zadeh發(fā)表模糊推理的研究報告，從此，模糊理論成了一個熱門的課題。1974年，英國的E.H.Mamdan了世界上第一個實驗性的蒸汽機控制，并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果，從而宣告模糊控制的誕生。1980年丹麥的L.P.Holmblad和0stergard在水泥窯爐采用模糊控制并取得了成功，這是第一個商業(yè)化的有實際意義的模糊控制器。模糊理論應用最有效，最廣泛的領域就是模糊控制，模糊控制在各種領域出人意料的解決了傳統(tǒng)控制理論無法解決的或難以解決的問題，并取得了一些令人信服的成效。模糊控制的基本思想：把人類專家對特定的被控對象或過程的控制 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 策略總結成一系列以“IF(條件)THEN(作用)”形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程?？刂谱饔眉癁橐唤M條件語句，狀態(tài)語句和控制作用均為一組被量化了的模糊語言集，如(1)簡化系統(tǒng)設計的復雜性，特別適用于非線性、時變、模型不完全的系統(tǒng)上。(2)利用控制法則來描述系統(tǒng)變量間的關系。(3)不用數(shù)值而用語言式的模糊變量來描述系統(tǒng)，模糊控制器不必對被控制對象建立完整的數(shù)學模式。(4)模糊控制器是一種語言控制器，使得操作人員易于使用自然語言進行人機對話。(5)模糊控制器是一種容易控制、掌握的較理想的非線性控制器，具有較佳的適應性及強健性Tolerance)。模糊控制的主要研究方向可以分為常規(guī)模糊控制，高性能模糊控制以及復合模糊控制三大類。(1)常規(guī)模糊控制：它是由輸入與輸出變量模糊化、模糊推理和決策算法、模糊判決等部分組成的一種語言控制器。(2)高性能模糊控制有以下幾種：自校正模糊控制、自組織模糊控制、多變量模糊控制。(3)復合模糊控制：模糊控制與專家控制結合、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡、基上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計于遺傳算法優(yōu)化的模糊控制。模糊控制的應用方面可粗略分為幾個研究方向：(1)適用處理工程普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評價理論體系；關于控制器的魯棒性能的分析；判定系統(tǒng)的可控性和可觀測行的方法等等。(2)對設計模糊控制規(guī)則的方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)的設定方法、量化水平、采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實現(xiàn)及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)自動生成等問題。對于這些問題，還要求我們通過研究，進一步給出模糊控制器的系統(tǒng)化設計方法。(3)確定模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調整理論，和對推理規(guī)則的學習方式和算法的修正等等；(4)模糊動態(tài)模型的識別方法；(5)模糊預測系統(tǒng)的設計方法和加快計算速度的方法；(6)模糊控制算法改進的研究，目前能真正在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應用的概念和原則為數(shù)很少，但實際上，模糊邏輯的范疇包含了大量的概念和原則，因此，如何將更多的概念和原則應用于模糊邏輯系統(tǒng)中，這需要更進一步的研究。(7)最優(yōu)化模糊控制器的研究：根據(jù)被提出的性能指標。規(guī)范控制規(guī)則的設計依據(jù)，并在某種意義上達到最優(yōu)；(8)加強開發(fā)簡單、使用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制裝置、通過模糊控制系統(tǒng)等并將其推廣。2.3PID控制 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID控制是最早發(fā)展起來的經(jīng)典控制策略，是用于過程控制最有效的策略之一。由于其原理簡單、技術成熟。在實際應用中較易于整定，在工業(yè)控制中得到廣泛的應用。它最大的優(yōu)點是不需了解被控對象精確的數(shù)學模型，只需在線根據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡單參數(shù)，經(jīng)過經(jīng)驗進行調節(jié)器參數(shù)在線整定，即可取得滿意的結果，具有很大的適應性和靈活性。在PID控制算法中，存在著比例、積分、微分三種控制作用。這三種控制作用的特點如下(1)比例控制作用的特點系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)k,。缺點是對于具有自平衡(即系統(tǒng)階躍響應終值為一有限值)能力的被控對象存在靜差，加大k,可減小靜差，但k,過大，會導致系統(tǒng)超調增大，使系統(tǒng)(2)積分控制作用的特點能對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質變壞，以至于導致閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。(3)微分控制作用的特點通過對誤差進行微分，能感覺出誤差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應，使超調減小。缺點是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。 其傳遞函數(shù)可表示為：但PID控制算法也有它的局限性和不足，由于PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時變的情況下，才能獲得理想的效果。當一個調好參數(shù)的PID控制器被應用到模型參數(shù)時變系統(tǒng)時，系統(tǒng)的性能會變差，甚至不穩(wěn)定。另外，在對PID參數(shù)進行整定的過程中，PID參數(shù)的整定值是具有一定局域性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值，因此這種控制作用無法從根本上決絕動態(tài)品質和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。2.4模糊PID控制模糊自整定PID控制器結構如圖2.1所示：是模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器的結合，利用模糊推理判斷的思想，根據(jù)不同的偏差e偏差變化率 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊ec對PID的參數(shù)K,,K,K?進行在線自整定，傳統(tǒng)PID控制器在獲得新的輸入e圖2.1模糊PID控制器恒溫箱將模糊控制和常規(guī)PID控制相結合，構成模糊PID控制法，既具有模糊控制的靈活、適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。因此將模糊PID控制運用到恒溫箱，能使恒溫箱的溫度控制更好，更準確。模糊控制器的一個關鍵就是模糊控制規(guī)則，其優(yōu)劣直接關系到模糊控制性能的好壞，是模糊控制設計中重要的部分，本設計主要是根據(jù)專家經(jīng)驗來生成控制規(guī)則的，這種方法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結描述來生成待定領域的控制規(guī)則，本控制規(guī)則由49條控制規(guī)則組成，這些控制規(guī)則構成一個規(guī)則庫，這些規(guī)則根據(jù)人類控制專家經(jīng)驗總結得出，按照IF….is….and….THEN….is….的形式表達。規(guī)則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。表2.1就是描述在模糊控制溫度系統(tǒng)中模糊控制器的控制規(guī)則矩陣表。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計表2.1.模糊控制規(guī)則表△K?！鱇,△K?eCeNBNMNSZPSPMPBNBPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPM/NM/NBPS/NS/NBZ/Z/NMZ/Z/PSNMPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPS/NS/NMPS/NS/NMZ/Z/NSNS/Z/ZNSPM/NB/ZPM/NM/NSPM/NS/NMPS/NS/NMZ/Z/NBNS/PS/NSNS/PS/ZZPM/NM/ZPM/NM/NSPS/NS/NSZ/Z/NSNS/PS/NSNM/PM/NSNM/PM/ZPSPS/NM/ZPS/NS/ZZ/Z/ZNS/PS/ZNM/PM/ZNM/PM/ZNM/PB/ZPMPS/Z/PBZ/Z/PSNS/PS/PSNM/PS/PSNM/PM/PSNM/PB/PSNB/PB/PBPBZ/Z/PBZ/Z/PMNS/PS/PMNM/PM/PMNM/PM/PSNM/PB/PSNB/PB/PB2.5模糊PID恒溫箱控制算法本設計的控制器采用恒溫箱內的溫度偏差e和偏差變化率ec作為輸NM,NS,Z,PS,PM,PB},論域為[-3,3],模糊輸出△K,取為{Z,PS,PM,PB},論域為[-0.3,0.3],△K,取為{NB,NM,NS,Z,PSPM,PB},論域為[-0.6,0.6],△K,取為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},用以及相互的互聯(lián)關系。根據(jù)Kp,K,,K,對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，(1)當|e較大時，為加快系統(tǒng)響應速度并防止起始偏差e瞬間變大，可 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍，應取較大的K,和較小的K?,同時為避免系統(tǒng)因積分飽和所引起的較大超調，應對積分作用加以限制，通常取K;=0。(2)當le|和|ec為中等大小時，為使系統(tǒng)響應的超調減小，并保證系統(tǒng)的響應速度Kp,K,K?的值的大小適中。同時為了避免系統(tǒng)在設定值附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的干擾性能，應適當3恒溫箱溫度控制系統(tǒng)硬件設計3.1溫度傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。并按照一定的規(guī)律(數(shù)學函數(shù)法則)轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。按用途分類可以分為壓力和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器。熱敏傳感 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊由于本設計需要溫度檢測故用到了溫度傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器：接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內的溫度。非接觸式溫度傳感器：它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法(見光學高溫計)、輻射法(見輻射高溫計)和比色法(見比色溫度計)。各類輻射測溫方法只能測出對應的 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體(吸收全部輻射并不反射光的物體)所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。接觸式溫度傳感器又可分為熱電阻傳感器和熱電偶傳感器，盡管其作用相同都是測量物體的溫度，但是他們的原理與特點卻并不完全相同。熱電阻傳感器：熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃~+500℃范圍內的溫度。熱電阻傳感器又可分熱電阻傳感器：該類傳感器為負溫度系數(shù)傳感器，即傳感 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊溫度系數(shù)傳感器，即傳感器阻值隨溫度的升高而增大。熱電偶傳感器：熱電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeckeffect)。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。從1988年1月1日起，我國的熱電偶標準化，熱電偶和熱電阻全部按國統(tǒng)一設計型熱電偶。本設計采用的是K型熱電阻。3.2PLC的基本概念可編程邏輯控制器的英文名稱是ProgrammableLogicController, 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊現(xiàn)代制作業(yè)必須對市場需求做出快速的反應，生產(chǎn)小批量，多品種，多規(guī)格、低成本和高質量的產(chǎn)品，這便要求生產(chǎn)設備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須既有極高的可靠性和靈活性?？勺兂煽刂破髡巾槕@一潮流而出現(xiàn)的，以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制裝置。在20世紀60年代的汽車制造業(yè)，傳統(tǒng)繼電接觸器控制裝置廣泛應用與生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)中。這套裝置設備體積龐大，可靠性差。同時維護不便，而且，完全由邏輯硬件構成，接線十分復雜。一旦生產(chǎn)過程某一環(huán)節(jié)發(fā)生改變，控制裝置就要重新設計改造。隨著汽車生產(chǎn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對于汽車型號頻繁改進，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)捉襟見肘，弊端早起PLC僅僅是代替繼電器控制裝置完成順序控制、定時等任務，但是其簡單易懂，安裝方便、體積小巧、能耗低、有故障顯示、能重復使字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應用而設計，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序。執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與段數(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬或輸入/輸出控制各種類型的機械生產(chǎn)過程?？勺兂煽刂破骷捌湎嚓P外部設備，都易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體、易于擴充其功能的原則設計?！眱H控制功能增強，功耗，體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且已經(jīng)具備遠程I/0、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)處理和圖 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 像處理功能，所有這些特點已經(jīng)使PLC大量應用與連續(xù)生產(chǎn)的過程控制系成為今天自動化技術的三大支柱。3.2.2PLC與其他控制技術比較隨著計算機技術、通信技術、自動控制技術以及個種智能技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了多種實用的控制技術，比如繼電器控制技術、計算機控制技術、單片機控制技術以及PLC控制技術。以下是PLC控制技術與其他控制技術相比所體現(xiàn)的優(yōu)勢。PLC與繼電控制技術相比主要體現(xiàn)在一下幾個方面：1)控制邏輯：繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸頭的串聯(lián)或并聯(lián)以及時間繼電器的延時等組合控制邏輯。其缺點是接線復雜，增加或改變功能都非常困難，繼電器觸頭數(shù)目也有限。而PLC利用其內部存儲器，以程序方式將控制邏輯存儲在內存中，通過改變程序就可以方便的改變控制邏輯。因此PLC控制邏輯的靈活性和擴展性很好2)控制速度：繼電器控制是通過繼電器機械觸頭的動作來實現(xiàn)，觸頭的開閉動作一般在幾十毫秒數(shù)量級。而PLC通過程序指令控制半導體來3)限時控制：繼電器控制邏輯利用時間繼電器的時候動作進行限時控制，但其定時精度不高，易受環(huán)境影響，調整比較困哪。PLC使用半導體集成電路定時器，定時精度高，定時范圍可從0.001s到若干分鐘，通過編寫程序來進行定時控制，非常方便。4)計數(shù)控制：繼電器控制邏輯一般不具備計數(shù)的功能，而PLC能通過程序方便的實現(xiàn)計數(shù)功能。 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊5)可靠性和維護性：繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸頭，觸頭開閉時產(chǎn)生的電弧容易損壞觸電，因此可靠性和可維護性都比較差。而PLC采用無觸電的半導體電路來代替繼電器觸點，因為不存在上述缺陷。PLC還帶有自檢功能，為現(xiàn)場的調試和維護提供了方便。PLC與通用計算機控制技術相比主要體現(xiàn)在以下幾方面：1)使用環(huán)境：通用計算機對環(huán)境要求高。而PLC能適用于環(huán)境差的2)程序設計：通用計算機具備豐富的程序設計語言，如匯編語言、C語言等，能實現(xiàn)復雜的應用，對編程者要求高。而PLC能提供的編程語言少，邏輯簡單，容易學習和使用。3)運算速度和存儲容量：隨著各種電子技術的發(fā)展，通用計算機運算機運算速度要慢，其編程的軟件少，編程剪短，內存容量也小。4)價格：通用計算機功能多，硬件復雜，而PLC相對功能單一，因此在價格上一般PLC要比通用計算機便宜。PLC控制技術與單片機控制技術相比：單片機控制技術一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制，單片機在配置上比通用計算機簡單，價格上相對便宜，但它和通用計算機一樣，不是專門為工業(yè)現(xiàn)場控制所設計的且編程復雜不易掌握，需要處理大量I/0接口，其輸出口驅動負載能力較弱，要驅動工業(yè)負載需要復雜的外圍電路。單片機控制技術的突出優(yōu)點在于它具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制過程處理的是大量的開關量，因而運用在工業(yè)現(xiàn)場控制中單片機的長處得不到發(fā)揮，其可靠性也遠不如PLC。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計3.2.3PLC的結構工業(yè)中生產(chǎn)中使用的可編程控制器的型號有很多，它們雖然各有特點，但作為工業(yè)控制標準設備，它們在結構組成、工作原理和編程方法等許多方面是基本相同的，常見的的PLC模塊有：1)CPU模塊：它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、規(guī)模都是由它的性能來體現(xiàn)。2)電源模塊：它為PLC運行提供內部工作電源，而且，有的還可為輸入信號提供電源。3)I/0模塊：它集成了I/0電路，并依點數(shù)及電路類型劃分為不同規(guī)格的模塊。4)內存模塊：它主要用來存儲用戶程序，有的還為系統(tǒng)提供附加的工作內存。在結構上內存模塊都是附加于CPU模塊之中。5)底板、機架模塊：它是為PLC各模塊的安裝提供基板，并為模塊間的聯(lián)系提供總線。若干底板間的聯(lián)系有的用接口模塊，有的用總線接口。不同的廠家或同一廠家但不同類型的PLC都不大相用。箱體式的PLC還有I/0擴展箱體，它不含CPU,僅有電源及I/0單元的功能、擴展箱體也依據(jù)I/0點數(shù)的多少劃分為不同的規(guī)格。除上述模塊，PLC還有特殊的智能或稱功能模塊。如A/D(模入)模塊、D/A(模出)模塊、高速計數(shù)模塊，位控模塊、溫度模塊等、這些模塊有自己的CPU,可對信號作預處理或后處理，以簡化PLC的CPU對反應的程控制量的控制。智能特性也大不相同，性能好的PLC,這些模塊種類多，性能也好。 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊6)通信模塊，它接入PLC后，可使PLC與計算機?；騊LC與PLC之間進行通信，有的還可實現(xiàn)與其他控制不見，如變頻器、溫控通信，或組成局部網(wǎng)絡。通信模塊代表PLC的組網(wǎng)能力，代表著當今PLC性能的重要方典型的PLC控制系統(tǒng)的硬件組成如下圖3.1。模擬量輸模擬量輸數(shù)字量輸入模塊模擬量輸數(shù)字量輸其他功能模塊計算機可編程終端塊系統(tǒng)總線被控對象圖3.1PLC硬件系統(tǒng)組成3.2.4PLC的工作方式PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號(或地址號)作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令， 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的掃描一個周期必經(jīng)輸入采樣，程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。1)PLC在輸入采樣階段首先以掃描的方式按順序將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即輸入、隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。2)PLC在程序執(zhí)行階段按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內容隨著程序的執(zhí)行而改變。3)輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/0映像區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時才是PLC的真正輸出本次畢業(yè)設計使用的PLC是西門子公司的S7-200型，西門子S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械， 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU。如表3.1。表3.1S7-系列中CPU22X的基本單元型號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU221640S7-200CPU222862個擴展模塊S7-200CPU2247個擴展模塊S7-200CPU224XP7個擴展模塊S7-200CPU2267個擴展模塊本設計采用的是S7-200CPU226,CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數(shù)字量I/0?？涉溄?個擴展模塊，最大擴展至284點數(shù)字量或35器，2路獨立的20Hz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個PS485通訊口，具有PPI,MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4kbit/s,可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。3.3PLC的地址及其通訊方式3.3.1PLC地址表1)本設計中主要用到PLC中的PID指令回路，見表3.2?；芈繁淼钠鹗嫉刂?，本設計采用的是VB100,由于一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可是0~7,不能重復使用。PID回路在PLC的地址分配情況如表3.3所示。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計表3.2PID回路指令名稱PID運算指令格式指令表格式梯形圖表3.3PID回路指令表偏移量域格式類型描述0過程變量實型輸入過程變量，必須在0.0~1.0之間4設定值實型輸入包含設定值必須標定在0.0和0.1之間8輸出實型輸入/輸出輸出值，必須在0.0~1.0之間增益實型輸入增益比例常數(shù)，可正可負采樣時間實型輸入必須是正數(shù)20積分時間實型輸入包含積分時間或復位，單位為分鐘，或復位必須是正數(shù)微分時間實型輸入或速率必須是正數(shù)偏差實型輸入/輸出積分項前項，必須在0.0~1.0之間以前的過實型輸入/輸出保安最后一次執(zhí)行PID指令時所存儲程變量的過程變量的值上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計36~79保留給自整定變量輸入啟動按鈕停止按鈕AIWO接收EM235的溫度檢測值輸出Q0.0運行指示燈Q0.1啟動指示燈Q1.0控制接通加熱器Q1.1控制接通制冷器3.3.2PLC通信方式并行通信：數(shù)據(jù)在多根傳輸線上同時傳輸?shù)姆绞椒Q為并行數(shù)據(jù)通信。有多少位，就需要多少根傳輸線。這種方法傳輸數(shù)據(jù)的速度快，但當傳輸距離遠時，不僅通信線路成本高，而且難以收發(fā)信號。并行通信一般用于PLC內部元件之間、PLC主機與擴展模塊之間或近距離智能模塊之間串行通信：數(shù)據(jù)在一根傳輸線上、以二進制的位為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式稱為串行數(shù)據(jù)通信。串行通信每次只傳送一位，因此傳輸速度比并行傳輸慢，但是串行傳輸只需要一根傳輸線，線路成本低，所以適合遠 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊根據(jù)串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可以分為異步方式和同步方式。異步方式：有又稱起止方式。它在發(fā)送字符時，要先發(fā)送起始位，然后才是字符本身，最后停止位。字符之后還可以加入奇偶檢驗位。異步傳送較為簡單，彈藥增加傳送位，將影響傳輸速率。異步傳送是靠起始位和波特率來保持同步的。同步方式：同步方式要在傳送數(shù)據(jù)的同時，也傳遞時鐘同步信號，并時鐘按照給定的時刻采集數(shù)據(jù)。同步方式傳遞數(shù)據(jù)雖然提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，但對通信系統(tǒng)要求較高。3.3.3S7-200的通信模式及原理S7-200系列PLC的通信端口主要有2種通信模式：PPI模式和Freeport(自由口)模式PPI通信協(xié)議是西門子公司專門為S7-200系列PLC開發(fā)的一種通信協(xié)議，一般不對外開放而自由口模式則是對用戶完全開放的，在自由口模式下通信協(xié)議是由用戶定義的，在自由口模式下PC機與PLC之間是主從關系，PC機始終處于主導地位，計算機通過串行口發(fā)送指令到接收指令信息，然后對指令進行譯碼，譯碼后再調用相應的子程序實現(xiàn)PC機發(fā)出的指令要求，并通過XMT指令返回指令執(zhí)行的狀態(tài)信息。系列PLC通信方式有3種：1)點對點(PPI)方式，用于與西門子公司的PLC編程器或其它產(chǎn)品通信，其通信協(xié)議是不公開的；2)DP方式，這種方式使得PLC可通過Profibus的DP通信接口接的使用范圍；3)自由口(FreePort)通信方式，由用戶定義通信協(xié)議，實現(xiàn)PLC與外設的通信。自由口通信在物理 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 接口上要求雙方都使用RS485接口，波特率最高為38400bps,雖然PC機的標準串口為RS232口，但西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485轉換器，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將PLC和PC機互3.4EM235模擬量輸入模塊模擬量輸入/輸出模塊EM235(具有4路模擬量輸入、1路模擬量輸出):235模塊是組合強功率精密線性電流揮桿其、意法半導體(ST)單片集成變動其ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測回路交流電流轉換成按線性比例輸出的DC4~20每A(通過250歐姆續(xù)輸送到接受裝置(計算機或顯示儀表)。表3.5所示為如何使用組態(tài)DIP開關組態(tài)EM235模塊。開關1至6可選擇輸入量程和分辨率。所有的輸入都設置為相同的模擬輸入量程和格式。在該表中，單極性/雙極性(開關6)、增益(開關4和5)以及衰減(開關1,2和3),ON是閉合，OFF是斷開。只在電源接通時讀取開關設置。表3.5組態(tài)DIP開關單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW60至50mV0至100mV0至500mV0至5V0至20mV0至10V上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計4恒溫箱溫度控制系統(tǒng)軟件設計本設計主要使用的軟件：與S7-200相配套的STEP7MicroWIN32以及組態(tài)王監(jiān)控軟件。4.1STEP7MicroWIN32STEP7MicroWIN32是西門子公司專為SIMATICs-700系列可編程控制器研制開發(fā)的編程軟件，它是基于Windows的應用軟件，功能強大，即可用于開發(fā)用戶程序，又可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。4.2恒溫系統(tǒng)軟件設計流程本設計的軟件流程可簡述為：首先進行參數(shù)設定，該設定值主要取于恒溫控制的模糊PID公式，然后在一定時間內進行采樣，設定恒溫溫度通過計算得出偏差和偏差變化率的數(shù)值，然后將兩個數(shù)值進行模糊化，以恒溫的模糊控制表為依據(jù)，進行查表賦值得出三參數(shù)K,,K,,K的增量，反模糊化三參數(shù)的增量，而后進行加法運算，得到經(jīng)模糊運算后得出的K,,K,,K?,再進行PID運算，輸出控制量，經(jīng)轉脈沖程序，對加熱，制冷設備進行控制。流程圖如圖4.1。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計PID參數(shù)的設置采樣時間NY將A/D采樣的設定值和反饋值分別置入VD250和VD260應元素，置入VW200和VW300中先使用填表程序，利用量化后的ec和e計算出偏移地址尋址，然后在使用賦值的方法得出KP,KI,KD的增量。對KP,KI,KD的增量進行反模糊化，調用加法指令得出KP,KI,KDPID運算輸出U經(jīng)D/A輸出控制結束圖4.1流程圖4.3S7-200程序設計梯形圖模糊控制器的程序主要包括三個部分，輸入量模糊化、模糊推理(模上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計糊決策和模糊控制規(guī)則)和反模糊3個部分。4.3.1輸入量計算以及模糊化在模糊之前，輸入量e和ec必須先進行計算，主要根據(jù)由EM235傳送過來的溫度數(shù)據(jù)以及設定值進行計算，但是由于經(jīng)過EM235模塊的傳送需要轉成標準溫度信號溫度值才能進行計算，所以必須先做數(shù)據(jù)轉換，傳感器輸入的電壓信號經(jīng)過EM235轉換后，是一個整數(shù)值，但PID指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉化成實話。使用DTR就可以了。如本設計中，是從AIWO讀入溫度被傳感器轉換后的數(shù)字量。子程序SBR-1的網(wǎng)絡1是偏差值e以及檢測值的轉換的計算方法如圖4.2所示。VD104-IN1our+vD250DI_Rour/vD260our-vD270圖4.2偏差值e的計算 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊1-1-INOUTvw200的A/D轉換塊理論上模糊控制器的輸入取值范圍在0~32000,然而實際上剛開始啟動時很少有到到32000,在正常運作中的基本論域取值比上述范圍要小，一般可取為[0,2400],模糊化論域為[-3,+3],則量化因子為6/2400=1/400,e對應的模糊化論域表如表4.1所示。表4.1e對應的模糊化論域表e0~200200~600600~10001000~14001400~18001X0123輸入量的變化量e模糊化程序見子程序SBR-1如圖4.3(a)、4.3(b)所示，e量化值存入VW200,ec量化值存入VW300,由于ec與e的模糊化程序大致相似故在此省略。VD270>=DVD270VD270入2-INourlvw200VD270>=DVD270<DMOV_W圖4.3(a)偏差值e的模糊化上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計VD270VD2704MOVaWyD270VD2700our/vw200ENVD270MoV_WVD270圖4.3(b)e的模糊化程序4.3.2模糊推理模糊控制查詢表是經(jīng)模糊推理與逆模糊化運算獲得的一個7*7(基于上述對語言變量論域范圍的設定)的二維矩陣。AKp,△K,△K,的查詢方式相似所以在此只列舉△K,的查詢方式，△K,論域為[-0.3,0.3],論域劃分如下表4.2。表4.2△Kp的論域劃分NBNMNSZ-0.3-0.2-0.10根據(jù)表4.2以及表2.1(模糊控制規(guī)則表),可列出表4.3,表中矩陣元 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊素是由輸入量e和ec的論域元素確定的輸出控制量的量化值。表4.3△Kp的量化值e0123001010021022033003該程序就是依據(jù)上表以及填表指令進行完成，S7-200中有一填表指令(ATT),它向表(TBL)中增加1個字值(DATA)。表中第1個數(shù)VW900表示自動加1。把0,1,2……48用ATT指令存入表中；然后把經(jīng)過量化后的e,后通過查表指令(FND)搜索與VW320中的內容相等的數(shù)據(jù)，則INDX會給出相等時的數(shù)據(jù)編號di(d=0,1,2……,48),把該數(shù)據(jù)的編號存入VW322中。如VW322中的值為0、1、7,則利用傳送指令把0.3送到VD800中；如VW322中的值為2、3、9,則利用傳送指令把0.2送到分別把0.1,0,-0.1,-0.2,-0.3送給VD800,此時VD800控制量是模糊集中的某個值，再乘以控制量的比例因子，即可得到△Kp。為了簡略程序，故設置填表子程序，在每一次對△Kp,△K,△K,進行計算時進行調用，填上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計ADLTBLENOENENO1+DATAw900LTBEENO|TBEENO|CNDATAVw900-LtBLADTTBLEHENO3*ATARD1=1RLENENDEN4VW3004VW300TaL→×→IN2MUL_IADD_IENO41上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計2)當VW322=0,1,7,8時，△K,=0.3,故將0.3送入VD800.如圖4.7。WW322VW38)ENO圖4.7當VW320=0,1,7,8時的賦值程序3)當VW322=2,3,9,14,15,16,21,22時，△Kp=0.2,故將0.2送入VD800,如圖4.8。限于篇幅，當=0.1,0,-0.1,-0.2,-0.3時，程序與上述相似，故不再舉例。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計不不SM0.0Vw3222VW322MOV_R?3W3229VW322VW322==1VW322W322VW322圖4.8當VW322=2,3,9,14,15,16,21,22時的賦值程序MULMUL_RVD800-IN1MUL_RVD804-IN1MUL_RVD808-IN1OUTour-vo124OUTVD120SM0.0)圖4.9反模糊化程序把由表7查出的控制量模糊論域中的值乘以比例因子K1便可以得到實際的比例系數(shù)△K,*=K1x△Kp,實際的積分時間△K,*=K2x△K,實際的微分時間AK,*=K3x△K。本設計的恒溫控制系統(tǒng)中取比例系數(shù)范圍是 0～10,積分時間范圍0～10分鐘，微分時間范圍是0～5分鐘，,故K1=10/6=1.6667,K2=10/6=1.6667,K3=5/6=0.83程序如圖4.9所示。K,=K?o+△K,………………(4.1)K?=K?+△K………………(4.3)程序如圖4.10所示：0.00085IN1)ENO圖4.10參數(shù)調整程序4.3.4參數(shù)可調的PID程序SBR-0對設定值，采樣時間，中斷時間進行設定以及調用中斷程序，程序如圖4.11。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計GMOVFATCHMOV_RV?104→圖4.11子程序SBR-0中斷程序如圖4.12(a)、4.12(b),主要調用各種子程序，并且進行PID運算，計算值控制經(jīng)A/D轉換進行輸出。SBR-1為e的計算以及模上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計VB100-TBLMULRVD108-IN1OUTACDOUI-AcoOUT-vw400→→圖4.12(b)中斷程序中斷程序中的輸出控制可以有2種方法一種是根據(jù)PID指令編程，另一種是根據(jù)PID指令向導進行編程，本設計主要采用了第一種方法使用PID指令，然后進行轉脈沖的方法進行控制，主要原理：溫度傳感器檢測到的溫度值送入PLC后，若經(jīng)PID指令元算得到一個0~1的實數(shù)，則把該實數(shù)按比例換算成一個0~100的整數(shù)該整數(shù)作為一個范圍為0~10s的時間t。設計一個周期為10s的脈沖，脈沖寬度為t,把該脈沖給加熱器和制冷器即可控制溫度，該程序如圖4.13(a)、4.13(b),此處Q1.0為加熱器Q1.1為制冷器。上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計SMSM0.0VW400-SUB_ISM0.0T38VW402-PT圖4.13(a)控制量轉脈沖程序圖4.13(b)控制量轉脈沖程序4.3.5主程序該程序主要控制該系統(tǒng)的啟動停止，以及調用模糊PID程序如圖4.141)啟動過程：按下啟動按鈕后，開始標志位M0.1置位，M0.2復位。打開運行指示燈Q0.0,熄滅停止指示燈并初始化PID。開始運行SBR-0。2)停止過程；按下停止按鈕后，開始標志位M0.1復位，電量停止指示燈，上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計M0.1M0.1S1M0.2R1M0.1RM0.2SM0.0Q0.1Q0.1R100.0C100.1sRMOV_W→→SM0.0M0.1SM0.0M?.2圖4.14(c)執(zhí)行機構程序 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 合工作，即可實現(xiàn)所需的軟件功能.工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，常常要求有1)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能；2)數(shù)據(jù)存儲功能：包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)顯示等：3)系統(tǒng)故障或事故報警；4)現(xiàn)場動態(tài)圖形功能.顯示現(xiàn)場生產(chǎn)過程或實時狀態(tài)；5)自動或召喚出實時和歷史報表功能；或數(shù)據(jù)曲線顯示功能；6)友好的人機界面等。過去在開發(fā)控制系統(tǒng)軟件時，開發(fā)者要選擇一種程序設計語言來實現(xiàn)上述功能，往往軟件的編程量很大，軟件開發(fā)成本高.開發(fā)周期長，軟件的維護量大.組態(tài)軟件就是在這種需求下產(chǎn)生。組態(tài)軟件將上述常用功能組合在一起形成一個新的軟件平臺，用戶只須在這個軟件平臺下進行二次開發(fā)系統(tǒng)所需的軟件即可。組態(tài)軟件正在代替各種計算機語言1)提高系統(tǒng)的成功率和可靠性：2)縮短項目開發(fā)周期；3)減少開發(fā)費用.本設計主要采用組態(tài)王kingview6.55,組態(tài)王是亞控科技根據(jù)當前的自動化技術的發(fā)展趨勢，面向低端自動化市場及應用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標開發(fā)的一套軟件。組態(tài)王具有強大的通訊能力和良好地開放性，可以與一些常用I/0設備直接進行通訊，I/0設備包括：可編程控制器(PLC)、智能模塊、板 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊 卡，智能儀表等等。組態(tài)王的驅動程序采用ActiveX技術。使通訊程序和組態(tài)王扮成一個完整的系統(tǒng)，保證運行系統(tǒng)的高效率.為了方便用戶使用.組態(tài)王中增加了設備配置向導，用戶只需要按照安裝向導的提示就可坩完成I/0設備的配置工作.在系統(tǒng)運行的過程中，組態(tài)王通過內嵌的設備管理程序負責與I/0設備的實時數(shù)據(jù)交換.已配置的I/0設備在工程瀏覽器的設備節(jié)點中分類列出，用戶可以隨時查詢和修改.組態(tài)王板卡方式，網(wǎng)絡節(jié)點方式，人機接口卡方式。1)串行通訊方式：這是組態(tài)王與t/0設備之間最常用的一種數(shù)據(jù)交串行通訊電纜連接到“組態(tài)王計算機“的串口。如果計算機擁有多個串口，可以同時與多個I/0設備連接.組態(tài)王最多可與32個串口設備相連。(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)是Windows的一個標準的傳輸協(xié)議.通過DDE方式任何170設備都可以與“組態(tài)王計算機”進行數(shù)據(jù)交換。3)板卡方式：板卡類設備直接插在“組態(tài)王計算機”的擴展槽內，“組態(tài)王計算機”通過訪問板卡的I/0地址直接與其進行數(shù)據(jù)交4)網(wǎng)絡節(jié)點方式：I/0設備作為一個網(wǎng)絡節(jié)點與“組態(tài)王計算機。進行數(shù)據(jù)交換.I/0設備與。組態(tài)王計算機”之問通過TCP/IP的網(wǎng)絡連接.采用此方式的I/0設備多數(shù)為其它計算機. 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊5)人機接口卡方式：某些廠家的可編程控制器(PLC)在與計算機進行數(shù)據(jù)交換時，要求在計算機中安裝一個特殊的人機接口的板卡.板卡機”通過^機接口卡實現(xiàn)與FO設備之間的數(shù)據(jù)交換。人機接口卡和連接電纜由PLC生產(chǎn)廠家提供。使用^機接口卡可以與一個PLC連接，也可以與一“組態(tài)王”提供給用戶豐富方便的作圖工具，提供了大量常用的工業(yè)設備圖符和儀表圖符等如十幾個圖庫多達幾百種組件，大大方便了用戶開發(fā)工程界面，利用圖庫的開放性，工程人員可以生成自己的圖庫元素，它還提供了實時和歷史趨勢曲線與報警窗口等。4.4.2組態(tài)王軟件編程通過對監(jiān)控系統(tǒng)的要求以及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)王軟件由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構成。工程管理器：工程管理器用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對以有工程進行搜索、田間、備份、恢復以及現(xiàn)實數(shù)據(jù)詞典的導入和導出等工程。工程瀏覽器：工程動畫鏈接、命令語言以及設定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。運行系統(tǒng)：工程運行界面，從采集設備中獲得通訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設計現(xiàn)實動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設備的交互操作。使用組態(tài)王進行設計大致分為六個步驟：1)創(chuàng)建新工程為工程創(chuàng)建一個目錄來存放與工程相關的文件.如圖上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計新建工程向導之二—選擇工程所在路徑新建工程向導之二—選擇工程所在路徑(選擇文祥夾請革擊“C:\Usersluser\Desktop測覽圖4.15路徑設置2)定義硬件設備并添加工程變量添加工程中需要的硬件設備和工程中使用的變量，包括內存變量和I/0變。本設計主要涉及溫度變量以及K,K,K?三參數(shù)，以溫度為例，變量創(chuàng)建如下圖4.16,報警定如圖4.17,記錄設置如圖4.18。定義變量定義變量基本愿性|報警定義丨記錄和安全區(qū)|變望名南嘉箱盤廢變重類型江/0黎數(shù)結構成費變化覆融度[后最小值日最小原始值后連擅設箭恒晶箱10設備寄存器取消廣保存禁數(shù)廣保存數(shù)值G●線性轉換方式成員類型采集烯率毫秒SNDRT圖4.16定義畫面變量設置上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計基本屬性報警定義記錄和安全區(qū)報警限界限值廣低低廠高高0報警文本低高屬高廠變化率偏差廠小偏差|廠大偏差?□死區(qū)F%/C:廠離散C關斷的)關開->關開到關關->開保到開擴展域2秒分時確定圖4.17報警定義基本屬性」報警定義記錄和安全區(qū)記錄C定時記錄分數(shù)據(jù)變化記錄變化靈敏□生成事件取消確定X圖4.18記錄設置3)著作圖形畫面并定義動畫連接，按照實際工程的要求繪制監(jiān)控畫面 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動態(tài)效果。恒溫箱系統(tǒng)繪制運行的情況如下圖4.19。溫度傳感器恒溫箱S7-200Kp的當前值Ki的當前值0.05溫度設定值圖4.19監(jiān)控中心4)編寫命令語言，通過腳本程序的編寫以完成較為復雜的操作上位控制。在恒溫箱的組態(tài)王編譯中主要使用了，子菜單命令以及退出，返回命令，以退出命令為例如下圖圖4.20在工具欄中按鈕位置上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)①先在工具欄中找出按鈕，放入監(jiān)控畫面中如圖4.20。②雙擊按鈕彈出動畫連接如圖4.21。動畫連接動畫連接紙屬性CtrlShift廠高散值輸出命令語言連接按下時 按住時等價鍵位置與大小變化8寬度110T值輸出水平移動垂直移動高度40無廠T圖4.21動畫連接③在命令語言連接中點擊彈起時，設置命令語言如圖4.22。文件內]編輯[舊全部函數(shù)數(shù)學田報警組名稱田關鍵字名稱ifelse于控件S?L)/*+= 上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊5)進行運行系統(tǒng)的配置對運行系統(tǒng)、報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡、用戶等進行設置。恒溫箱溫度控制系統(tǒng)主要是對溫度曲線進行監(jiān)控故設置了溫度實時曲線如下圖4.23以及溫度歷史趨勢曲線如圖4.24,報警如圖恒溫箱溫度07圖4.23實時曲線圖4.24歷史趨勢曲線上海工程技術大學畢業(yè)設計(論文)基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設計畫面特殊一調試關于?囚罪勤本站點事件日期事件時間報警日期報警時間變量名報警類型報E-—恒溫箱溫度2低恒蓋輸溫度2低-——恒溫箱溫度2高恒溫箱晶度2屬-————恒溫箱溫度2低恒鼎箱溫度2低—-—恒溫箱溫度2低恒遇箱晶度2低-—-—恒溫箱溫度2低低恒溫輸溫度2低低-—-—恒溫箱溫度2高恒溫植溫度2高— 一恒溫箱溫度2低恒溫箱晶度低——恒溫箱溫度2低恒溫箱溫度2低—恒溫箱顯度2高#報警的數(shù)目：100新報警出現(xiàn)的位置：后面滾動6)保存工程5總結隨著科技的發(fā)展，恒溫箱已經(jīng)廣泛的應用到各個領域，其恒溫