【正文】 gramming software and configuration monitoring software Win CC and the temperature control about heating system of a boiler in AE 2000 experimental facility .Besides during the heating progress, using the function of well humanputer interface ,data collection and so on to monitor the temperature by Win CC configuration .This experiment adopt PLC S7300 programming environment’s STEP7 to conduct PID technology by invoking FB41 module analyze the heating object, and build its mathematical model and the analysis and pare to the experiment data.【KEYWORDS】temperature control；Siemens PLC；PID control；Win CC configuration。并且在加熱過程中，利用了Win CC具有良好的人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集等功能，通過Win CC組態(tài)進(jìn)行溫度畫面的監(jiān)控。設(shè)計(jì)一套完善可行的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)有其巨大的經(jīng)濟(jì)價值、環(huán)保意義。在工業(yè)自動化的三大支柱(PLC、上業(yè)機(jī)器人、CADICAM)中位居第一。當(dāng)利用變頻器構(gòu)成自動控制系統(tǒng)進(jìn)行控制時，很多情況下是采用PLC和變頻器相配合使用，PLC可提供控制信號和指令的通斷信號。與歐美、日本，德國等先進(jìn)國家相比，其差距較大。 本課題主要研究的內(nèi)容 基本研究內(nèi)容以PLC控制為核心，PLC將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差，經(jīng)過PID運(yùn)算后得到的信號控制輸出電壓的大小，采用PID算法，運(yùn)用PLC編程語言編程，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的自動控制。（3） 本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對象數(shù)學(xué)模型的建立。如圖22圖22 AE2000A實(shí)驗(yàn)控制對象實(shí)物圖 西門子可編程控制器隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，PLC可編程控制器的優(yōu)越性就體現(xiàn)的淋漓精致，其凸顯的快速性，穩(wěn)定性，安全方便性越加符合現(xiàn)代社會一些有關(guān)于制造的公司和企業(yè)要求。4) 可靠，抗干擾性能強(qiáng)以往的一些繼電器可能很容易出現(xiàn)問題故障，不能可靠的供用戶使用，但是PLC還有其軟件功能，給用戶解決的不穩(wěn)定的因數(shù)，也排除了很多之前的故障問題。相當(dāng)于原來的一半都不到。 S7300PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡述本次系統(tǒng)溫度控制設(shè)計(jì)，主要采用的是西門子S7300PLC進(jìn)行編程控制，以PLC控制為核心，PLC將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差，經(jīng)過PID運(yùn)算后得到的信號控制輸出電壓的大小，采用PID算法，運(yùn)用PLC編程語言編程，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的自動控制。具有模塊化、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等待點(diǎn)。輸入自定義的工程名稱，最后點(diǎn)擊‘Finish’按鈕，結(jié)束對項(xiàng)目的創(chuàng)建過程。最終得到最后的硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖33所示。完成后將PLC置于RUN模式。它具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。圖39 添加驅(qū)動模塊(3) 右鍵點(diǎn)擊MPI通道單元，在快捷菜單中選擇“新驅(qū)動程序的連接”，在“連接屬性”對話框中輸入“cpu3152dp”作為邏輯連接名，然后再點(diǎn)擊“屬性”按鈕，在連接設(shè)置中將插槽號設(shè)置為2。 圖315 鼠標(biāo)事件圖316 C動作腳本3) 實(shí)時曲線圖 位于“對象選項(xiàng)板“的”控制“菜單下的”Win CC Online Table“，即Win CC在線趨勢控件（如圖317）所示。由式（41）和式（42）可知，PID控制器的輸出是由比例控制、積分控制和微分控制三項(xiàng)組成，三項(xiàng)在控制器中所起的控制作用相互獨(dú)立。圖44為比例積分微分控制器的階躍響應(yīng)曲線。（一）積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法的基本思想是在系統(tǒng)偏差較大時，取消積分作用；而在小于某個閾值時才引入積分作用，即： （46）式中的邏輯系數(shù)為： （β為根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)置的分離閾值）（二）不完全微分PID控制算法對于具有高頻擾動的生產(chǎn)過程，由于標(biāo)準(zhǔn)PID控制算式中的微分作用過于靈敏，導(dǎo)致系統(tǒng)控制過程振蕩，降低了調(diào)節(jié)品質(zhì)。通常，我們希望在滿足系統(tǒng)控制要求的前提下，控制器的輸出越平穩(wěn)越好。確定好PID控制器的結(jié)構(gòu)以后，就要選擇控制器的參數(shù)，也就是進(jìn)行PID控制器的參數(shù)整定。（2）然后是加入階躍信號，慢慢的增大比例系數(shù)，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩狀態(tài)，記下這時候的比例系數(shù)為臨界比例系數(shù)，則能夠得到臨界比例度為 。（3）在曲線最大斜率處作切線，求出等效的滯后時間τ和等效的時間常數(shù)，以及它們的比值。但是如果比例系數(shù)過大，會使系統(tǒng)產(chǎn)生的超調(diào)比較大，并形成振蕩，穩(wěn)定性下降。首先將微分時間常數(shù)設(shè)為零，然后逐步增大，同時相應(yīng)的改變和，逐步湊試多組PID參數(shù)，從中找出一組最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。這也是一個簡單的PID控制。（4）測量變送器 測量變送器的性能直接決定測量信號的準(zhǔn)確性，進(jìn)而對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生非常大的影響。在系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和整定中，單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是最基本的方法，適用于其他各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、整定和投運(yùn)。（3）被控的數(shù)據(jù)要有足夠大的靈敏度。 比例微分控制器：比例微分控制器適用于過程容量較大，有延時的場合。下面介紹一種常用的擬合法。得到的特性曲線如圖53所示，其中綠色的曲線即為對象的特性曲線；紅線指示控制系統(tǒng)的給定值，因?yàn)橄到y(tǒng)是處于開環(huán)狀態(tài)，所以加了給定值對系統(tǒng)是沒有影響的。 電加熱器溫度控制的實(shí)現(xiàn) FB41模塊FB41“CONT_C”（連續(xù)PID控制器）用在SIMATIC S7可編程邏輯控制器上，用于調(diào)節(jié)帶有連續(xù)輸入和輸出變量的技術(shù)過程。（2）過程變量的輸入：過程變量可以以外設(shè)（I/O）或浮點(diǎn)數(shù)格式輸入。這就允許組態(tài)成P，PI，PD和PID調(diào)節(jié)器。圖58 Kp=200時的P調(diào)節(jié)曲線圖比較：圖57響應(yīng)速度非常慢，加熱也很慢，圖58響應(yīng)速度明顯比之前快了，但是效果還都不好。圖510 Kp=150，Ti=50的PI調(diào)節(jié)曲線圖℃，從而超調(diào)量=（）/35=%，達(dá)到穩(wěn)定的時間是252s，超調(diào)量和達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間來比，比之前的PI調(diào)節(jié)的超調(diào)小了一點(diǎn)，但是波動增大了，誤差也相應(yīng)增加了，系統(tǒng)很不穩(wěn)定。圖513 Kp=180，Ti=40，Td=50的PID調(diào)節(jié)曲線圖℃，,則超調(diào)量可以計(jì)算出等于（）/50=% ＜5%，達(dá)到穩(wěn)定的時間是90s，℃，調(diào)整了微分之后，比之前PID測試的系統(tǒng)還要穩(wěn)定，波動很少，調(diào)節(jié)時間短了，更能很快趨于穩(wěn)定狀態(tài)，比較理想。但是加大只是減少穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。在我遇到問題時能及時提出他自己的意見和想法，讓我有了更多的思路去發(fā)掘問題的所在。5. 系統(tǒng)在比例控制的情況下，再加入積分控制過程中，我們需要注意的是在整定時應(yīng)先將積分時間常數(shù)設(shè)為一個較大的值，并將上一步中的減小，然后逐漸減小，使系統(tǒng)響應(yīng)變的好，并且反復(fù)的測試多組的和值，從中確定最合適的參數(shù)。2. WinCC組態(tài)軟件中，我們需要學(xué)會畫面的繪制，最主要的就是很PLC的驅(qū)動連接，不然將不能正常的和PLC一起工作。圖511 Kp=180，Ti=40的PI調(diào)節(jié)曲線圖℃，,則超調(diào)量可以計(jì)算出等于（）/40=%，達(dá)到穩(wěn)定的時間是198s，℃＜40℃5%=2℃，比之前幾組的測試好了很多，波動也少了很多，調(diào)節(jié)時間也縮短了。（2）將控制器調(diào)節(jié)為閉環(huán)自動模式，打開比例、積分開關(guān)。表51 FB41“CONT_C”主要輸入?yún)?shù)的說明。圖56 FB41功能模塊框圖 PID溫度控制的實(shí)現(xiàn)PID控制器有4個主要的參數(shù)TS、KP、TI和TD需要整定，這些參數(shù)的取值對控制效果的影響非常大。賦參數(shù)可以簡單地通過參數(shù)值工具進(jìn)行。圖53 50%開環(huán)特性曲線圖54 80%開環(huán)特性曲線c) 根據(jù)圖53和圖54建立被控對象的數(shù)學(xué)模型（1）從圖53中的特性曲線可得:τ=，T=；溫度初始值為c(0)=℃,℃，即c(∞)=℃,則增益K為： 則此時的對象數(shù)學(xué)模型為： （52）（2）從圖54中的特性曲線可得:τ=27s，T=；溫度初始值為c(0)=℃,℃，即c(∞)=℃,則增益K為：則此時的對象數(shù)學(xué)模型為： （53）從以上兩組數(shù)據(jù)差異可以看出控制器輸出的大小，即加在電加熱管兩端的電壓大小對延遲時間的影響比較大，當(dāng)電加熱管兩端的電壓加大時，控制對象的延遲時間減小，最后的穩(wěn)定值c(∞)相應(yīng)的增加。我們把階躍輸入的幅值設(shè)置為Δu，則我們可以求得增益K，求得： 接下來可以用作圖法，來確定時間常數(shù)T以及延遲時間τ，在圖51所示響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)P處，即最大斜率處作切線，與時間軸交于A點(diǎn)，而與響應(yīng)曲線穩(wěn)定值的漸近線交于B點(diǎn)，則0A對應(yīng)延遲時間τ，AC對應(yīng)時間常數(shù)T。2）根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律被控對象傳遞函數(shù)可近似為： = ，可根據(jù)對象的延時時間和對象自衡時間常數(shù)的比值 來選擇控制器的控制規(guī)律：a) /＜，選擇比例或者比例積分控制器；b) ＜/≤，選擇比例微分或者比例積分微分控制器；c) 當(dāng)/＞，采用簡單控制系統(tǒng)往往就不能滿足控制的要求，應(yīng)該選用比如串級、反饋、預(yù)測控制等復(fù)雜的控制系統(tǒng)。執(zhí)行器的選擇：（1）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)、被控介質(zhì)的情況（如高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶、強(qiáng)腐蝕、高粘度等）、安全運(yùn)行和推力等，選用氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器。2）系統(tǒng)必須具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量。簡單控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，占控制回路的85％左右。單回路控制系統(tǒng)的組成原理方框圖如圖48所示：調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對象測量變送ecmD擾動y圖48 單回路控制系統(tǒng)組成原理方框圖（1）調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器是構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)的核心元件，是控制系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。（3）加大微分的常數(shù)有利于系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高，減小超調(diào)，增加穩(wěn)定性，但它使系統(tǒng)抗干擾的能力下降。表41 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法參數(shù)整定表控制度控制方式KPTITDTSPIPID T/τ—PIPID T/τ T/τ—PIPID T/τ T/τ—PIPID T/τ T/τ— （三）歸一參數(shù)整定法數(shù)字PID控制器的歸一參數(shù)整定法是在擴(kuò)充臨界比例度法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行簡化而來的。圖46 擴(kuò)充臨界比例度法（3）選擇必要的控制度。模擬PID控制器的參數(shù)整定是按照控制性能指標(biāo)要求，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)；而數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，除了需要確定、外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期。（四）消除積分不靈敏區(qū)的PID控制算法在數(shù)字PID控制算法增量式中的積分項(xiàng)輸出為： （47）當(dāng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算字長較短時，如果采樣周期比較小，而積分時間又比較長，則會使的值小于計(jì)算機(jī)字長精度，此時就會被看成“零”而丟掉，積分控制作用就會消失，把