【正文】 調(diào)試最主要就是對(duì) 控制效果既PID 控制器參數(shù)的整定。主要是因?yàn)槲覀優(yōu)榱藴p小超調(diào)量給的控制 器 參數(shù)比較保守，一味求穩(wěn)而使系統(tǒng)喪失了 一定的 快速性。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 系統(tǒng)硬件組裝完畢，軟件 PID 參數(shù)調(diào)試結(jié)束后，我們實(shí)測(cè)了幾組試驗(yàn)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。 軟件調(diào)試 最初編寫(xiě)軟件時(shí)我們分別編寫(xiě)了模糊控制和 PID 控制兩種方案的程序，分別對(duì)其進(jìn)行了調(diào)試，測(cè)得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)后期的調(diào)試總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)， 由于與一維模糊控制相比 PID 具有控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以 經(jīng)過(guò)初步調(diào)試我們決定 選擇使用 PID 算法。 圖 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖 所示， PID 控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 輸入部分程序設(shè)計(jì) 輸入部分主要用于處理溫度控制目標(biāo)值的設(shè)定，在通常的大氣壓條件下，水的沸點(diǎn)為 100 攝氏度，所以 系統(tǒng) 設(shè)定 值 的 范圍為 50100。采用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運(yùn)算 。對(duì)控制規(guī)模較大、控制關(guān)系較復(fù)錄的系統(tǒng)，由于控制功能的關(guān)系可以較清楚地表達(dá)出來(lái)，因此，編程和組態(tài)時(shí)間可以縮短，調(diào)試時(shí)間也能減少 。由于采用軟連接的方式進(jìn)行功能模塊之間及功能模塊與外部端子的連接，因此控制方案的更改、陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 40 頁(yè) 信號(hào)連接的替換等操作可以很方便實(shí)現(xiàn)。對(duì)大型的程序，可分工設(shè)計(jì)，采用較為靈活的程序結(jié)構(gòu)，可節(jié)省程序設(shè)計(jì)、調(diào)試時(shí)間 。 ⑶ 功能表圖 (Sepuential Function Chart)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是用功能表圖來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 ⑵ 布爾助記符 (Boolean Mnemonic)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是用布爾助記符來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是 : 功能模塊圖語(yǔ)言采用功能模塊圖的形式，通過(guò)軟連接的方式完成所要求的控制功能，它不僅在 PLC 中得到了廣泛的應(yīng)用，在集散是 開(kāi)始 初始化數(shù)據(jù) 設(shè)定目標(biāo)值 X3 閉合否 計(jì)算 U（ k） max 進(jìn)行 PID 運(yùn)算 輸出 顯示實(shí)時(shí)溫度 否 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 40 頁(yè) 控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)時(shí)也常常被采用。共陰極數(shù)碼管是指將所 有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。 7448 是 7 段陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 40 頁(yè) 顯示譯碼器 ,輸出高電平有效的譯碼器。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。 光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。省略了存儲(chǔ)用 戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為 177。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。C 范圍內(nèi) ,精度為 177。 Pt100是鉑熱電阻溫度變送是一種可選的溫度變送器， Pt100的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。例如：基本單元 FX0N64MR 的輸入繼電器編號(hào)為 X000~X037（ 32 點(diǎn)） 。 FX 系列 PLC 的輸出繼電器也是八進(jìn)制編號(hào)其中 FX0N60MR 編號(hào)范圍為 Y00~Y27（ 24 點(diǎn)）。 M8039：若使其線圈得電，則 PLC 按D8039 中指定的掃描時(shí)間工作。 FX2N 系列中有 256 個(gè)特殊輔助繼電器，可分成觸點(diǎn)型和線圈型兩大類(lèi) 。當(dāng)電源再次接通時(shí)，除了因外部輸入信號(hào)而變?yōu)?ON 的以外，其余的仍將保持OFF 狀態(tài)，它們沒(méi)有斷電保護(hù)功能。這類(lèi)計(jì)數(shù)器為遞加計(jì)數(shù)，應(yīng)用前先對(duì)其設(shè)置一設(shè)定值，當(dāng)輸入信號(hào)（上升沿）個(gè)數(shù)累加到設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器動(dòng)作，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。 ② 積算定時(shí)器 積算定時(shí)器具有計(jì)數(shù)累積的功能。它們是通過(guò)對(duì)一定周期的時(shí)鐘脈沖的進(jìn)行累計(jì)而實(shí)現(xiàn)定時(shí)的，時(shí)鐘脈沖有周期為 1ms、 10ms、 100ms 三種，當(dāng)所計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)觸點(diǎn)動(dòng)作。 ③ 變址寄存器 （ V/Z） FX2N 系列 PLC 有 V0～ V7 和 Z0～ Z7 共 16 個(gè)變址寄存器，它們都是 16 位的寄存器。數(shù)據(jù)寄存器有以下幾種類(lèi)型。處理的時(shí)間也不受 PLC 掃描周期的限制。分為分支用指針、輸入中斷指針及定時(shí)中斷指針和記數(shù)中斷指針。所以本設(shè)計(jì)選擇了第二種方案。 PID 控制的效果完全取決于其四個(gè)參數(shù) ,即采樣周期 ts、比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki、微分系數(shù) Kd。增加了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)輸入輸出動(dòng)作的輸入濾波器功能、外部輸入中斷功能、快速響應(yīng)輸入功能、高速計(jì)數(shù)器功能，模擬設(shè)定定時(shí)器功能等采用快速山村，無(wú)電池的內(nèi)存支持得以實(shí)現(xiàn)，維護(hù)簡(jiǎn)單化。這和西門(mén)子產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有著十分大的關(guān)系 . 其中就有 S7200、S7300、 S7400。 FX 的 PLC 支持順序控制。 圖 PLC 原理圖 常用 PLC 的特點(diǎn)比較 市面上最常見(jiàn)的是三菱、西門(mén)子、歐姆龍三家公司的 PLC，現(xiàn)在我對(duì)它們簡(jiǎn)單的進(jìn)行一下對(duì)比介紹。 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)大體如下， PLC采用三菱 FX0N60MR，由于沒(méi)有熱電偶變送器及與三菱 FX0N60MR 搭配使用的 AD模塊，我們決定采用 DS18B20采集溫度，使用 AT89C2051單片機(jī)制作一個(gè) PLC輸入模塊，將溫度通過(guò)光電耦合器連接到 PLC的輸入節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置按鈕和數(shù)碼管做為人機(jī)交互模塊，通過(guò) PLC 輸出接點(diǎn)驅(qū)動(dòng)繼電器，調(diào)節(jié)電熱爐工作的占空比。溫度控制廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)與工業(yè)控制流程的各個(gè)方面，比如精細(xì)材料加工流程中溫度的控制、鍋爐供暖系統(tǒng)溫度的控制以及化學(xué)染色系統(tǒng)的溫度控制上。 同 美國(guó)、 日本 、 歐洲 等先進(jìn)國(guó)家 和地區(qū) 相比仍然有著 很 大的差距。在整個(gè)控制系統(tǒng)中 以電阻爐 作為 被控對(duì)象，以 水 溫為被控變量 ，以 三菱 FX0N60MR型 PLC 為控制器， 輸入部分外加光電耦合器，并用按鍵和數(shù)碼管構(gòu)建了人機(jī)接口設(shè)置目標(biāo)溫度 ； 控制算法的選擇經(jīng)過(guò)對(duì)模糊控制和 PID 算 法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比， 最終選擇采用 PID。除此之外該系統(tǒng)還具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 系統(tǒng) 可靠性高、 制作 成本低廉、 控制器參數(shù)易于 調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)狀中的問(wèn)題 主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 位式調(diào)節(jié)器依然占主導(dǎo)地位。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外必然發(fā)展的趨勢(shì)。 PLC 的選型 可編程控制器 簡(jiǎn)稱 PLC（ Programmable logic Controller)是一種工業(yè)控制 用 計(jì)算機(jī)，是繼承自動(dòng)控制技術(shù) 、 計(jì)算機(jī) 和 電子及 通信技術(shù)為一 體的新型自動(dòng)裝置。在 FX 系列可編程控制器控制器中，除基本的指令表變成方式外，還可以采用在圖形畫(huà)面上進(jìn)行階梯符號(hào)作圖的梯形圖編程方式，以及對(duì)應(yīng)機(jī)械動(dòng)作流程進(jìn)行順控設(shè)計(jì)的 SFC（順序功能圖）方式，而且，這些程序可以相互轉(zhuǎn)換換。應(yīng)用指令 FX 系列 PLC 基于追求 “基本功能、高速處理、便于使用 ”的規(guī)范理念， FX 可編程控制器具有數(shù)據(jù)的傳送和比較，四則運(yùn)算及邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)的循環(huán)和位移等基本指令，還有輸入輸出刷新、中斷、高速計(jì)算器專(zhuān)用比較指令、高速脈沖輸出等高速處理指令，以及在 SFC 控制方面，將機(jī)械控制的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作封袋化的狀態(tài)初始化指令等。 西門(mén)子 S7300 它設(shè)計(jì)緊湊，安裝在 DIN 導(dǎo)軌上，在 CPU 中集成了許多功能，通過(guò)在微型存儲(chǔ)器上保持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)， PROFIBUS 上的等時(shí)模式，屬于故障安全類(lèi)型?，F(xiàn)將兩種控制方案大致介紹如下。在 PID 算法中，針對(duì) P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)的整定和優(yōu)化的問(wèn)題成為關(guān)鍵問(wèn)題。FX 系列 PLC 是由三菱公司近年來(lái)推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原 F、 FF2 系列 PLC產(chǎn)品。 ② 中斷指針（ I0～ I60） 中斷指針是用來(lái)指示某一中斷程序的入口位置。根據(jù)高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)當(dāng)前值與計(jì)數(shù)設(shè)定值之關(guān)系確定是否執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 ② 特殊數(shù)據(jù)寄存器（ D8000～ D8255） 共 256 點(diǎn)。 ⑷ 三菱 FX 系列 PLC 定時(shí)器（ T） PLC 中的定時(shí)器（ T）相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的通電型時(shí)間繼電器。通用定時(shí)器有 100ms 和 10ms 通用定時(shí)器兩種。 1ms 積算定時(shí)器（ T246～ T249）共 4 點(diǎn)，是對(duì) 1ms 時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)的，定時(shí)的時(shí)間范圍為 ～ 。 輔助繼電器不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，負(fù)載只能由輸出繼電器的外部觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。 ② 斷電保持輔助繼電器 （ M500～ M3071） FX2N 系列有 M500～ M3071 共 2572 個(gè)斷電保持輔助繼電器。 M8002：初始脈沖（僅在運(yùn)行開(kāi)始時(shí)瞬間接通） ， M8003 與 M8002 相反邏輯。狀態(tài)器有五種類(lèi)型：初始狀態(tài)器 S0～ S9 共 10 點(diǎn)；回零狀態(tài)器 S10～ S19 共10 點(diǎn)；通用狀態(tài)器 S20～ S499 共 480 點(diǎn)；具有狀態(tài)斷電保持的狀態(tài)器有 S500～ S899，共 400 點(diǎn)；供報(bào)警用的狀態(tài)器（可用作外部故障診斷輸出） S900～ S999 共 100 點(diǎn)。 PLC 通過(guò)輸入接口將外部輸入信號(hào)狀態(tài)（接通時(shí)為 “1”，斷開(kāi)時(shí)為 “0”）讀入并存儲(chǔ)在輸入映象寄存器中。輸入部分： 溫度 傳感器 溫度采集開(kāi)始想的是用熱電偶測(cè)溫，通過(guò) 對(duì) 變送器送出來(lái)的是 15V 的電壓信號(hào) 進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)溫度 。 變送器如果由兩個(gè)用來(lái)測(cè)量溫差的傳感器組成，輸出信號(hào)與溫差之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系。 利用 DS18B20 采集 DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 簡(jiǎn)介新的 “一線器件 ”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì) Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感器。 DS1822 的精度較差為 177。176。繼 “一線總線 ”的早期產(chǎn)品后， DS1820 開(kāi)辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。 圖 DS18B20 輸出數(shù)據(jù)格式 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例 :用 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入部分電路設(shè)計(jì) 圖 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入部分電路 由于沒(méi)有 FX0N 系列 PLC 專(zhuān)用 AD 模塊，所以使用 DS18B20 與 51 單片機(jī)聯(lián)合制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的 AD 輸入模塊，它能夠?qū)?shí)時(shí)溫度轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)據(jù)送入 PLC，包括 7 位數(shù)據(jù)位， 1 位符號(hào)位。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè) 發(fā)光二極管 單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為 1 位、 2 位、 4 位等等數(shù)碼管。 Vcc 16 f g a b c d e 1 B C LT BI/RBO RBI D A GND 74LS48 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 數(shù)碼管實(shí)物圖 圖 顯示部分電路圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 40 頁(yè) 3．系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的要解決的核心問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析結(jié)合設(shè)計(jì)要求， 大致 將軟件劃分為輸入部分、顯示部分、 PID 運(yùn)算部分三個(gè)大模塊。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用因果關(guān)系來(lái)描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果，每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系。與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性 。采用助記符來(lái)表示操作功能，具有容易記憶，便于撐握的特點(diǎn) 。功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是 : 功能表圖來(lái)源于佩特利 (Petri)網(wǎng)，由于它具有圖形表達(dá)方式，能比較簡(jiǎn)單清楚地描述并發(fā)系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)的所有現(xiàn)象，并能對(duì)系統(tǒng)中存在的象死鎖、不安全等反常現(xiàn)象進(jìn)行分析和建模，在模型的基礎(chǔ)上可以直接編程，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 在大中 型的可編程序控制器系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)描述控制系統(tǒng)中各個(gè)變量的關(guān)系。 顯示部分程序 在設(shè)置目標(biāo)溫度時(shí) 系統(tǒng) 需要顯示設(shè)定值，在進(jìn)行控制時(shí) 系統(tǒng) 需要顯示當(dāng)前的實(shí)時(shí)溫度，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了三位數(shù)碼管顯示，顯示 時(shí)首先對(duì)要顯示的數(shù)進(jìn)行分解取出百位、十位、個(gè)位對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后逐一送出進(jìn)行顯示 。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。 + + + + 比例（ P） 積分（ I） 微分（ D） 執(zhí)行部件 設(shè)定 Y（ t） 反饋 e（ t） —— 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 40 頁(yè) 表 模擬與離散形式 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( 所以 PID 輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為 :