【正文】 制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。 （ 6） 從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長越好。 （ 2） 閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。所以采樣周期的選擇甚為重要。 采樣周期的選擇 采樣周期：在周期性測量過程變量信號的系統(tǒng)中，相鄰兩次實測之間的時 間間隔。這樣每進(jìn)行一次采樣，就可以經(jīng)過計算得到一個新的算術(shù)平均值。去極值平均濾波算法可以通過圖 33所示的程序流程圖來實現(xiàn) 。算術(shù)平均值法的 算法公式為 （ ） 其中： N—采樣次數(shù)； Xi—第 i 次采樣值； X 為平均值。 PLC 常用的數(shù)字濾波方法是平均值濾，即對采樣和模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到的幾個數(shù)據(jù)求平均值，以此平均值最為模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進(jìn)行處理。典型的 PLC模擬量處理是將工業(yè)現(xiàn)場的各種被控對象（如溫度、壓力、流量、液位等）通過相應(yīng)的傳感器將其變換為一標(biāo)準(zhǔn)的模擬電量（常見的是電壓、電流），電壓電流等模擬量常常會因為現(xiàn)場的瞬時干擾而產(chǎn)生較大的波動，這種波動經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后亦反映在 PLC 的數(shù)字量輸入端。 本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為 : )3 2 0 0 0/( r a wn o u m RR ? （ ） 2. 回路輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本設(shè)計中，回路的輸出值是在 ~ 之間，是一個標(biāo)準(zhǔn)化了的實數(shù)格式的數(shù)據(jù)，在輸出變量傳送給 D/A 模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。在 PLC 內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)運算之前，必須將這些值轉(zhuǎn)換為無量綱的標(biāo)準(zhǔn)化格式 [~]。 表 32 PID 指令回路表 偏移地址 名稱 數(shù)據(jù)類型 說明 0 過程變量（ PVn） 雙字實數(shù) 必須在 ~ 之間 4 給定值（ SPn） 雙字實數(shù) 必須在 ~ 之間 8 輸出值（ Yn） 雙 字實數(shù) 必須在 ~ 之間 12 增益（ Kc） 雙字實數(shù) 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時間（ Ts） 雙字實數(shù) 單位為 s，必須是正數(shù) 20 積分時間（ Ti） 雙字實數(shù) 單位為 min，必須是正數(shù) 24 微分時間（ Td） 雙字實數(shù) 單位為 min，必須是正數(shù) 28 積分項前值（ YX） 雙字實數(shù) 必須在 ~ 之間 32 過程變量前值（ PVn1） 雙字實數(shù) 最后一次執(zhí)行 PID 指令的過程變量值 20 1. 回路輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本文中，設(shè)定的溫度是給定值 SP，需要控制的變量是爐子的溫度。 表 31 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 使用方法：當(dāng) EN 端口執(zhí)行條件存在時候，就可進(jìn)行 PID 運算。 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，系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時，把增益當(dāng)做 看待。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。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）。簡化算式是： Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(enen1) （ ） 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 Kc PID 回路增益 en 采樣時 刻 n 回路的偏差值 en1 回路的偏差值的 前 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進(jìn)形式計算 PID 輸出，這個改進(jìn) 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。 模擬 PID 控制系統(tǒng) 原理 框圖如圖 31 所示： 圖 31 PID 模擬控制系統(tǒng) 原理 框圖 PID 控制器的微分方程和傳遞函數(shù)形式為 : 錯誤 ! 未 指 定 書 簽 。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。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(jìn)一步減小，直到等于零。 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。 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(jìn)行控制的 [11]。 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。 可 控硅 電壓 調(diào)整 器雙 向可 控硅變 壓 器智 能 控 制 器輸 出 信 號可 控 硅 觸 發(fā)信 號加 熱元 件電 壓 反 饋交 流3 8 0 V交 流2 2 0 V 圖 210 反饋回路加變壓器控制原理圖 3. ZK1 可控硅電壓調(diào)整器接口匹配情況 在電加熱爐系統(tǒng)中，本系統(tǒng)選用的模擬量輸出信號為 0~10V 的電壓信號，與 ZK1 可控硅電壓調(diào)整器的輸入信號（要求 0~10mA 電流信號）不匹配，解決方法如下： （ 1）使用變流 器，將 0~10V 的電壓信號轉(zhuǎn)換為 0~10mA 電流信號。因為ZK1 可控硅電壓調(diào)整器的工作電壓為交流 220V，電路系統(tǒng)當(dāng)中，其工作電壓和反饋電壓都是以 220V 為標(biāo)準(zhǔn)，輸出電壓比例為 0~100%。當(dāng) ａ 增大時， 電阻絲兩端電壓 U 降低，加熱器功率下降，溫度降低，反之，則溫度升高。當(dāng)ａ越小被切割的波形面積越小，輸出交流電壓的平均值越大。在 0～ α 時間內(nèi)， SCR1 因控制極Ｇ無正脈沖信號而正向阻斷，而 SCR2 則反向不導(dǎo)通。 （ 5）體積小，重量輕，操作簡單，使用方便，接線容易，無需調(diào)試 （ 6）可用于各種單 相電路以及三相負(fù)載星型接法及三角形接法。 （ 2）采用新穎的小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路，觸發(fā)電路與電網(wǎng)實行光電隔離，從而保證各種可控硅快速可靠開通，安全可靠。 圖 27 模擬量輸出數(shù)據(jù)之間的數(shù)字量格式 可控硅電壓調(diào)整器 可控硅電壓調(diào)整器簡介 ZK 系列可控硅電壓調(diào)整器與可控硅配合使用，能作為單相或三相的電壓功率調(diào)整，其調(diào)節(jié)精度較高，抗干擾能力強(qiáng)。 為了使 DIP 開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給 PLC 的電源 斷電再通電。對單極性格式，最高位為符號位，最低 3 位是測量精度，即 A/D轉(zhuǎn)換是以 8 為 單位進(jìn)行的；對于雙極性格式，最低 4 位為轉(zhuǎn)換精度， A/D 轉(zhuǎn)換是以 16 為單位進(jìn)行的。如圖 22 所示： 變送器P L CP T 1 0 00 ~ 1 0 V 圖 22 PT100 標(biāo)準(zhǔn)一體化溫度變送器接線圖 模擬 量輸入模塊 S7200 系列 PLC 模擬量 I/O 模塊主要由 EM231 模擬量 4 路輸入、EM232 模擬量 2 路輸出和 EM235 模擬量 4 輸入 /1 輸出混合模塊 3 種，另外還有 EM231 模擬量輸入熱電偶模塊和 EM231 模擬量輸入熱電阻模塊 [7]。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。 由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。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 ， 在 200～ +850℃ 范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢 。 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用 的一種 溫度測量元件 。 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。對于實驗室等短距離的應(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC 進(jìn)行測量。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。從 17 世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測 量。在S7200 中，單極性模擬量的輸入 /輸出信號的數(shù)值范圍是 0~32022，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是 32022~+32022[4]。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；若從 與外部電路安全隔離角度看 ,繼電器輸出型最好。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。它可用于點數(shù)較多 ,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序 ,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號 ,輸出部分則輸出控制信號 ,驅(qū)動外部負(fù)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： ① CPU221 它有 6 輸入 /4 輸出 ,I/0 共計 10 點 .無擴(kuò)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)。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 [3]。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具 有極高的可靠性和靈活性。隨著 PLC 功能的擴(kuò)充在許多PLC 控制器中都擴(kuò)充了 PID 控制功能。成熟產(chǎn)品主要以 “ 點位 ” 控制及常規(guī) 3 的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 2 控制 系統(tǒng) 的設(shè)計原理 加熱 爐 溫度 控制 系統(tǒng) 基本構(gòu)成如圖 11 所示，它由 PLC主控 系統(tǒng) 、可控硅電壓調(diào)整器、 加熱 爐、溫度傳感器、溫度變送器等幾個部分組成 [2]。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。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。 隨著 PLC功能的擴(kuò)充在許多 PLC 控制器中都擴(kuò)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。 I 摘 要 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。 加熱爐溫度是一個大慣性系統(tǒng)，一般采用 PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。 關(guān)鍵詞 ： 溫度控制； PID；溫度傳感器；可控硅電壓調(diào)整器 II Abstract Temperature control system has been widely used in the industry controlled field， as the temperature control system of boilers and welding machines in steel works、 chemical plant、heatengine plant etc. Heatingstove temperature control has also been applied widely in all kinds of fields .The application of this aspect is based on SCM which is making the PID control, yet the hardware and software design of DDC system controlled by SCM is somewhat plicated , it’s not an advantage especially related to logic control, however it is accepted as the best choice when mentioned to PLC. The furnace temperature of heatingstove is a large inertia system， so generally using PID adjusting to control. With the expanding of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is more reasona