【正文】 學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期 2020 年 5 月 南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) Design of Temperature Control Program Based on Instruction List Programming 總 計(jì) ： 31 頁 表 格 ： 4 個(gè) 插 圖 ： 27 幅 南陽理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) Design of Temperature Control Program Based on Instruction List Programming 學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師 （職稱）： 評(píng)閱教師 ： 完成日期 ： 南陽理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) I 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 謝志強(qiáng) ［ 摘 要 ］ 本課題在 S7300 PLC中用語句表編程調(diào)用 FB41 PID模塊和 FB43 PWM模塊對(duì)模擬工業(yè)對(duì)象電加熱鍋爐的水溫進(jìn)行控制。這兩種規(guī)律有效地克服了傳統(tǒng) PID控制器在溫控過程中因溫控慣性和積分飽和而出現(xiàn)的滯后與超調(diào)現(xiàn)象并使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間變短。 controlzone。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多 領(lǐng)域中，溫度控制占有著極為重要的地位 , 特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。國內(nèi)還沒有一套較好的針對(duì)積分溫度對(duì)象的控制規(guī)律和參數(shù)整定技 術(shù)。 本課題包含的主要工作 本課題以過程控制實(shí)驗(yàn)室自制過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了鍋爐溫度加熱控制系統(tǒng)。程序控溫過程的中穿越幅度小，在溫變拐點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了既無超調(diào)又無欠溫的鈍角拐點(diǎn)的控制效果。 第 4 章介紹了 FB41“CONT_C”連續(xù)控制器和 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器的 工作原理、介紹了主程序、中斷服務(wù)和初始化程序的編寫，其中主程序編寫又包含程序控溫算法的設(shè)計(jì)。 表 1 J 型熱電偶的參數(shù)表 溫度范圍 安裝方式 接線盒 精度等級(jí) 插入深度 保護(hù)套直徑 防護(hù)套材料 0750℃ 無固定方式 防濺式 Ⅱ 250mm 16mm 不銹鋼 變送器 AI818 是常用又很普遍的智能儀表，可以處理溫度、壓力、流量、液位、濕度。輸入規(guī) 格 Sn=5，表示儀表接收的是 J 型熱電偶 020mV電壓信號(hào)。輸出方式 OPt=4，表示 420mA 線性限流輸出，主輸出模塊上安裝線性電流輸出模塊 [3]。 技術(shù)數(shù)據(jù)如表 2 所示： 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 3 表 2 CUP314 的技術(shù)數(shù)據(jù)表 （ 2）信號(hào)模塊 (SM) 信號(hào)模塊是數(shù)字量輸入、輸出模塊和模擬量輸入、輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號(hào)電壓或電流與 PL 內(nèi)部的信號(hào)電平匹配。 模擬量輸入模塊 SM331，訂貨號(hào)為： 6ES7 3317KF020AB0，是具有 8 個(gè)模擬量輸入通道， 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 。其中回路電流 I 的計(jì)算公式為 φUPI cos? (1) 額定電壓 輸入電流 功率損失 工作存儲(chǔ)器 裝載存儲(chǔ)器 緩沖 帶電池 DC24V 1000ma 8W 24KB 40KB(集成 ) 存在 是 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 4 式 1中， I為負(fù)載電流 (A)， P為功率 (W)， U為相電壓 (V）， cosφ為功率因數(shù)。 STEP 7 對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)（包括 PLC、遠(yuǎn)程 I/O、HMI、驅(qū)動(dòng)裝置和通信網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控。通過 OPC 的方式， WinCC 還可以與更多的第三方控制器進(jìn)行通訊 [5]。 WinCC 與自動(dòng)化控制系統(tǒng)間的通訊依靠通訊驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。組態(tài)的過程值歸檔如圖 5 所示。等號(hào)右邊的 3 項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分。式子 (4)中的積分對(duì)應(yīng)與圖 7 中曲線與坐標(biāo)軸包圍的面積，一般用矩形積分來近似精確積分，每塊矩形的面積為 SS )( TnjTev 。除了專用的閉環(huán)控制模塊， S7300/400 也可以用 PID 控制功能塊來實(shí)現(xiàn) PID 控制。 FB41“CONT_C”是采用位置式 PID 算法思想設(shè)計(jì)的控制軟件模塊。它的積分分量可以清零、保持，這就方便實(shí)現(xiàn)抗積分飽和或積分分離。 PLC 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。 圖 10 脈寬調(diào)制波形圖 脈沖寬度調(diào)制簡(jiǎn)稱為脈寬調(diào)制，設(shè)每個(gè) PER_TM 周期調(diào)用 10 次 FB43，如果輸入變量為最大值的 30%，則前 3 次調(diào)用 (10 次調(diào)用的 30%)時(shí)脈沖輸出 QPOS_P 為 1 狀態(tài)。例如調(diào)用 FB43 的次數(shù)增加為 100 次時(shí)，控制值的分辨率將達(dá)到 1%，一般分辨率不大于 5%為佳。 圖 11 為 溫度 時(shí)間曲線設(shè)置格式， 由圖可以看出， X 軸即時(shí)間軸，根據(jù)設(shè)定曲線的段數(shù)將 X 軸劃分為不同時(shí)間長(zhǎng)度的時(shí)間段。程序控溫算法流程圖如圖 12 所示。 圖 13 程序控溫功能塊 FB1 和功能 FC1 主程序 OB1的流程圖如圖 14。 中 斷 結(jié) 束否執(zhí) 行 周 期 性中 斷 O B 5手 動(dòng) 賦 值程 序 控 溫 賦 值減 計(jì) 數(shù) 1 0 0 次每 5 s 觸 發(fā)一 次 M 1 . 3定 值 控 溫 觸 發(fā)M 2 . 5調(diào) 用 F B 4 1調(diào) 用 F B 4 3拐 點(diǎn) 控 制M 1 . 3 = 1 ？M 2 . 3 = 1 ？開 始D B 1 . D B X 0. 0 = 1 ?初 始 化 F B 4 1復(fù) 位 一 次 Q 4 . 2M 1 . 5 = 1升 溫 段 積 分限 幅 及 P I D 參數(shù) 賦 值是是積 分 清 零拐 點(diǎn) 控 制輸 出 死 區(qū)M 2 . 4 = 1 或M 2 . 5 = 1 ？是是是否否否否復(fù) 位 Q 4 . 2復(fù) 位 L M NE R = 5 ？是否M 1 . 5 = 0M 1 . 5 = 0 且M 2 . 5 = 1 ?輸 出 上 限 圖 15 中斷服務(wù)程序流程圖 初始化程序 OB100 的編寫 OB100 稱為暖啟動(dòng)，主要是來執(zhí)行初始化程序的，當(dāng)系統(tǒng)上電后初始化一些參數(shù)和狀態(tài)，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)想要的就緒狀態(tài)。 如圖 17 所示為開環(huán)控制原理圖，鍋爐內(nèi)水位高度為 165mm，加熱絲功率為 ，F(xiàn)B43 “PULSEGEN”脈沖輸出模塊周期時(shí)間為 5s，把 FB41 “CONT_C” 連續(xù)控制模塊切換到手動(dòng)模式，手動(dòng)設(shè)定一個(gè)值送給 FB43 “PULSEGEN” 脈沖輸出模塊來控制輸出脈沖，控制加熱絲的加熱與否。綜合四組結(jié)果得：滯后時(shí)間為 ， iT 為 ℃ 。 圖 19 比例作用 P 調(diào)節(jié)控制曲線圖 （ 1）定值溫控 比例作用 P=12，系統(tǒng)超調(diào)小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ℃ ，調(diào)節(jié)時(shí)間 11min 左右。 PD 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 當(dāng)控制器接通 PD 作用時(shí)，由于微分作用的是阻礙被控量的變化，所以在參數(shù)整定時(shí)，加入微弱的微分作用的同時(shí)要放大比例作用 P[11]，控制結(jié)果如圖 20 所示。 整體調(diào)節(jié)效果好于單獨(dú)的比例作用，并且縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。由于 P 作用減小的同時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，最后積分作用累加輸出值較大，以致系統(tǒng)受到干擾影響較大，同一組整定的參數(shù)，上午調(diào)節(jié)效果較好，下午便不合適。 圖 21 比例積分作用 PI調(diào)節(jié)控制曲線圖 雖然積分有消除余差的作用，但從整體的控制效果和抗干擾程度來看，曲線的跟蹤效果并沒有比單獨(dú)的比例作用 P 或比例為分作用 PD 調(diào)節(jié)更好。 圖 22 比例積分微分作用 PID 調(diào)節(jié)控制曲線圖 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 18 （ 1） 定值控溫 比例作用 P=5，積分作用 I=930，微分作用 D=50，系統(tǒng)超調(diào)小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ，調(diào)節(jié)時(shí)間 12min 左右。 第一段定值控溫效果要好于比例積分作用 PI 的調(diào)節(jié)效果，但是程序控溫超調(diào)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了控制要求。超調(diào)量很穩(wěn)態(tài)誤差小，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。隨著當(dāng)前值逐漸接近設(shè)定值，偏差 ev(n)越來越小，但是偏差 ev(n)對(duì)時(shí)間的積分累加值卻在不斷增加，如圖 24 所示，積分飽和產(chǎn)生正是由于這個(gè)原因。其控制方法如下：如圖 25所示，根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況，人為設(shè)定一閾值 ε(ε0)；當(dāng)偏差值 |ev(n)|ε 時(shí)，使系統(tǒng)輸出其上限 (LMN=LMN_HLM)或下線 (LMN=LMN_LLM)。 L M N = L M N _ L L M U p p e r c o n t r o l z o n e L o w e r c o n t r o l z o n eL M N = L M N _ H L MT i m eT e m p e r a t u r eS P _ I N T + C O N _ Z O N ES P _ I N TS P _ I N T C O N _ Z O N E 圖 25 控制帶方框圖 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 20 則控制器第 n 此采樣時(shí)的的輸出為 ? ??????????????????????ε ev(n) ε ev(n)ε |ev(n) |Mnj)e(ne(n)TTKev(j)TsTKev(n )Kmv(n )sDPIPP010001 (13) 當(dāng)過程值進(jìn)入控制帶時(shí)，微分作用可造成可調(diào)節(jié)變量快速減小 。 （ 2）應(yīng)用輸出死區(qū) 在定值控溫過程中，為抵消溫控對(duì)象的慣性所帶來的超調(diào)量，引入了帶死區(qū)輸出的PID 控制，其控制框圖如圖 26 所示，當(dāng)死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的輸入量 (即誤差 ev(n))的絕對(duì)值小于值 0ev 時(shí)，這時(shí) PID 調(diào)節(jié)器的輸出為零， PID 調(diào)節(jié)器不起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)處于開環(huán)。在該溫控系統(tǒng)中 0ev =℃ 。在進(jìn)行程序控溫時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行程序控過程時(shí)，為保證控制效果無超調(diào)、滯后，在溫變點(diǎn)形成鈍角的拐點(diǎn)，在第一溫變拐點(diǎn) B 提前滯后時(shí)間 (E 點(diǎn)的時(shí)間 )就使控制器有值輸出，以抵消滯后時(shí)間 [13]。 第 一 溫 變拐 點(diǎn) B X / TY / CEF加 熱滯 后系 統(tǒng)慣 性第 二 溫 變拐 點(diǎn) CDACB 圖 27 程序控溫拐點(diǎn)圖 另外，為了保證第二溫變拐點(diǎn)溫超調(diào)量，主要為消弱積分作用來弱化調(diào)節(jié)器的輸出，以抵消系統(tǒng)慣性作用，所以拐點(diǎn)控制的前提是在進(jìn)行溫控時(shí)，系統(tǒng)的積分作用較強(qiáng)，這又產(chǎn)生另外一個(gè)問題是積分作用不可以從初值進(jìn)行累加，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的累加會(huì)給系統(tǒng)帶來振蕩，這又會(huì)使積分項(xiàng)累加過強(qiáng)，所以要對(duì)積分進(jìn)項(xiàng)進(jìn)行限幅輸出。對(duì)累加器和標(biāo)志位的直接操作，提高了程序調(diào)試效率。這兩種規(guī)律有效地克服了 傳統(tǒng) PID 控制器在溫控過程中因溫控慣性和積分飽和而出現(xiàn)的滯后與超調(diào)現(xiàn)象并系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變短。 L 1 I T MW 104 L 0 =I = M JCN _004 L 100 T MW 104 _004: L 96 //控制帶的使用 |er|=5 ABS L +000 =R = M