【正文】 簡(jiǎn)單最基本的一種，因此它又被稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易掌握，廣泛的適應(yīng)性，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可靠性高。（2）按生產(chǎn)安全原則，選取氣開或氣關(guān)式。得到響應(yīng)曲線對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為： （51）這種近似方法擬合精度較差，但方法簡(jiǎn)便，而且實(shí)踐表明它可以成功應(yīng)用于PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，故應(yīng)用較為廣泛。該調(diào)節(jié)器可作為固定設(shè)定值PID調(diào)節(jié)器，或者在多閉環(huán)控制中心作為串級(jí)調(diào)節(jié)器，混合調(diào)節(jié)器或比例調(diào)節(jié)器（本課題把它作為PID調(diào)節(jié)器）。參數(shù)數(shù)據(jù)類型數(shù)值范圍缺省值說明MAN_ONBOOL0或11手動(dòng)數(shù)值接通：1：中斷閉環(huán)控制0：閉環(huán)控制PVPER_ONBOOL0或10過程變量外設(shè)通道P_SELBOOL0或11比例分量接通：1：接通 0：斷開I_SELBOOL0或11積分分量接通：1：接通 0：斷開D_SELBOOL0或10微分分量接通：1：接通 0：斷開SP_INTREAL100至+100（%）或物理量1內(nèi)部設(shè)定值PV_INREAL100至+100（%）或物理量1過程變量輸入PV_PERREAL—W160000過程變量外設(shè)MANREAL100至+100（%）或物理量2手動(dòng)值輸入GAINREAL—比例增益輸入TITIME—T20S復(fù)位時(shí)間輸入TDTIME—T10S微分時(shí)間輸入LMN_HLMREAL（%）或物理量2被控量上限LMN_LLMREAL(%)或物理量2被控量下限 調(diào)試的結(jié)果分析（1）將控制器設(shè)置為閉環(huán)控制，自動(dòng)模式。（3）將控制器調(diào)節(jié)為閉環(huán)自動(dòng)模式，同時(shí)打開比例、積分和微分開關(guān)。6. 最后就是三個(gè)參數(shù)的同時(shí)調(diào)節(jié)，將微分時(shí)間常數(shù)設(shè)為零，然后逐步增大，同時(shí)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)。穩(wěn)態(tài)時(shí)加大，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。℃，設(shè)定給定溫度是35℃，所得為Kp=150，Ti=50的曲線圖，如圖510所示。比例，積分和微分分量并聯(lián)連接，可以分別激活和取消。以下是用試湊法來確定的最終的PID參數(shù)。對(duì)于電加熱爐，其對(duì)象特性具有一階慣性特性，且有一定的延遲。 （2）若以上不能作為被控的數(shù)據(jù)，則我們需要選擇一個(gè)具有跟直接數(shù)據(jù)有單值函數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)作為被控?cái)?shù)據(jù)來用。但是，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性在一般情況下不能人為的加以改變，只能通過選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律及優(yōu)化調(diào)節(jié)器參數(shù)來改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)。第三步，若采用PI控制消除系統(tǒng)靜差后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不能滿足設(shè)計(jì)要求，比如超調(diào)量過大，或調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，則需要加入微分控制，構(gòu)成PID控制器。0ty(t)PTt（2）記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個(gè)變化過程曲線，如圖47所示。此外，還可以根據(jù)被控對(duì)象的特性和控制性能指標(biāo)的要求，采用一些改進(jìn)的PID算法。為了避免出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，必須對(duì)PID控制算法計(jì)算出的控制量進(jìn)行約束，也就是對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，形成各種改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法。積分比例微分廣義被控對(duì)象圖41 PID控制系統(tǒng)方框圖因此，連續(xù)系統(tǒng)中PID控制器的傳遞函數(shù)為: (41)PID控制規(guī)律為:(42)其中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)，為PID控制器的輸入，為PID控制器的輸出。在右側(cè)一欄中點(diǎn)擊“變量管理器”， 在快捷菜單中選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”，選擇“SIMATIC S7 Protocol Suite”，則該驅(qū)動(dòng)將會(huì)安裝在“變量管理器”的子目錄下，如圖39所示。圖36 PID Blocks結(jié)構(gòu)圖d) 在軟硬件都完成了設(shè)計(jì)之后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊SIMATIC 300 Station ，在PLC處于STOP模式下，點(diǎn)擊工具欄中的下載按鈕，完成下載過程。（1） 創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行STEP7，在“File”菜單下選擇“‘New Project’Wizard”，點(diǎn)擊‘Next’按鈕，按照順序進(jìn)行選擇，選擇CPU3152DP，選擇需要用的組織塊OB1和OB35，再選擇編程語(yǔ)言LAD。PLC的掃描時(shí)間：在執(zhí)行工作程序的狀態(tài)下，每執(zhí)行一次上述圖所示的步驟，就是一個(gè)掃描周期。并且，PLC的負(fù)載能力極其強(qiáng)大，所以其適應(yīng)性也廣泛全面。 溫度傳感器熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的，從它引出的導(dǎo)線電阻發(fā)生變化，就會(huì)給測(cè)量溫度裝置帶來不必要的誤差，所以溫度傳感器熱電阻大都是由純金屬材料制做而成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界PLC生產(chǎn)廠家約150家，生產(chǎn)300多個(gè)品種，2000年銷售額約為86億美元，占到絕大部分的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)市場(chǎng)份額，這邊明PLC在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)市場(chǎng)中起到主頭作用。兩者的結(jié)合，更是編程技術(shù)上的進(jìn)步。目前面向節(jié)能降耗、提高軋制產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量設(shè)計(jì)的加熱爐工程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代冶金企業(yè)的加熱爐生產(chǎn)控制中。目　錄摘　要 IIAbstract t III目　錄 IV1 緒論 1 選題背景及其意義 1 工業(yè)控制領(lǐng)域PLC的控制 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 2 本課題主要研究的內(nèi)容 2 基本研究?jī)?nèi)容 22 電加熱過程控制試驗(yàn)系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)介 4 AE2000A型實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)述 4 電加熱器過程結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型 4 電加熱器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4 西門子可編程控制器 6 PLC的特點(diǎn) 6 PLC的工作原理 7 S7300PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)述 73 電加熱控制系統(tǒng)軟、硬件環(huán)境 9 S7300編程軟件STEP7介紹 9 STEP7硬件組態(tài)設(shè)置步驟 9 STEP7軟件編程 12 Win CC西門子監(jiān)控組態(tài)軟件 12 Win CC組態(tài)設(shè)計(jì)及其畫面監(jiān)控的實(shí)現(xiàn) 124 溫度加熱實(shí)驗(yàn)控制策略介紹 19 PID的控制系統(tǒng) 19 PID控制概述 19 數(shù)字PID的控制算法 19 改進(jìn)的數(shù)字PID的控制算法 21 PID控制器的參數(shù)整定 23 單回路控制系統(tǒng) 26 單回路控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 26 單回路控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 27 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 285 電加熱器溫度控制的實(shí)現(xiàn) 30 電加熱器的數(shù)學(xué)模型 30 單回路PID控制器的參數(shù)整定 33 電加熱器溫度控制的實(shí)現(xiàn) 34 FB41模塊 34 PID溫度控制的實(shí)現(xiàn) 35 調(diào)試的結(jié)果分析 376 總結(jié) 43參考文獻(xiàn) 44致謝 45附錄 46491 緒論 選題背景及其意義溫度控制系統(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。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，也是正因?yàn)镻LC具有了這些穩(wěn)定并且可靠的特點(diǎn)，在社會(huì)上予以得到了廣泛的應(yīng)用。并且普遍采用自適應(yīng)控制、模糊控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)。溫度傳感器熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。跟同類別的相比具有很明顯的優(yōu)越性和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。PLC會(huì)不斷的執(zhí)行用戶的程序，從而能更精確的接收到可能隨時(shí)產(chǎn)生變化的輸入信號(hào)，直到PLC停止工作。 STEP7硬件組態(tài)設(shè)置步驟STEP7軟件硬件組態(tài)設(shè)置是來模擬真實(shí)的PLC硬件系統(tǒng)，從而對(duì)PLC硬件模塊的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的過程。梯形圖程序如圖35所示。使用WinCC的運(yùn)行軟件，操作人員可監(jiān)控生產(chǎn)過程，使用WinCC來開發(fā)和組態(tài)一個(gè)項(xiàng)目的步驟是：l 啟動(dòng)WinCCl 建立一個(gè)項(xiàng)目l 選擇以及安裝通訊驅(qū)動(dòng)程序l 定義變量l 建立和編輯過程畫面l 指定WinCC運(yùn)行系統(tǒng)的屬性l 激活WinCC畫面l 使用變量模擬器測(cè)試過程畫面結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，討論Win CC軟件開發(fā)過程，開發(fā)過程主要分為工程建立、通信設(shè)置、變量設(shè)置、監(jiān)控過程畫面的繪制等。他具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但過大，會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。通常，對(duì)于具有自平衡性的被控對(duì)象，應(yīng)采用含有積分環(huán)節(jié)的控制器，如PI、PID。（5）按已經(jīng)得出的整定后的參數(shù)，投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀察其控制系統(tǒng)的反應(yīng)效果，再恰當(dāng)?shù)娜フ{(diào)整所需參數(shù)，講不完整的改掉，直到獲得滿意的控制效果為止。第二步，如果在比例控制的情況下，系統(tǒng)的靜差不滿足設(shè)計(jì)要求，則加入積分控制。（2）執(zhí)行器 執(zhí)行調(diào)節(jié)器的輸出指令信號(hào)，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)步驟：（1）建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 （2）選擇控制方案 （3）建立系統(tǒng)方框圖 （4）進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算 （5）實(shí)驗(yàn)和仿真 （6）系統(tǒng)投運(yùn) 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)于過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來說，控制方案的設(shè)計(jì)是核心。而在廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)小，并且負(fù)荷變化也小時(shí)，我們可以引入比例積分規(guī)律。 調(diào)節(jié)器移相調(diào)壓內(nèi)膽溫度溫度測(cè)量變送輸出設(shè)定值圖55 單回路PID控制控制環(huán)路用以上得出的三個(gè)參數(shù)：τ=，T=, K= 查表41。為了抑制由于被控量量化引起的小的、恒定的振蕩，為誤差信號(hào)設(shè)置了一個(gè)死區(qū)（DEADBAND）。℃，設(shè)定給定溫度是30℃，所得為Kp=200，Ti=40的曲線圖，如圖59所示。動(dòng)態(tài)若偏大，則振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。在她的指導(dǎo)下，我的動(dòng)手能力和工作能力都有了極大的提高。圖512 Kp=180，Ti=40，Td=40的PID調(diào)節(jié)曲線圖℃，,則超調(diào)量可以計(jì)算出等于（）/45=%，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間是108s，℃＜45℃5%=℃，加了微分之后系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定，波動(dòng)也變少了很多，調(diào)節(jié)時(shí)間也縮短了，能很快趨于穩(wěn)定狀態(tài)。其中紅色的曲線是給定的溫度，綠色的曲線是控制對(duì)象水溫的測(cè)量曲線。圖56為FB41模塊的框圖。a) 在鍋爐內(nèi)加一定量的水，開啟水循環(huán)系統(tǒng)。1）調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的適用范圍比例控制器：比例控制器適用于過程通道容量較大，純延時(shí)時(shí)間較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求不高的場(chǎng)合。過程控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可以分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)（串級(jí)）。（3）控制器。（四）試湊法試湊法是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運(yùn)行情況，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，根據(jù)PID控制器各組成環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從一組初始PID參數(shù)開始，反復(fù)試湊，不斷修改參數(shù)，直至獲得滿意的控制效果為止，是目前實(shí)際工程應(yīng)用最為廣泛的一種PID控制器參數(shù)整定方法。（一）擴(kuò)充臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法是以模擬PID控制器中使用的臨界比例度為基礎(chǔ)的一種數(shù)字PID控制器參數(shù)整定方法，它適用于具有自平衡性的被控對(duì)象，不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。這樣，不易引起振蕩，改善了控制效果。為了加快控制過程，可以通過檢測(cè)誤差的變化率來預(yù)報(bào)誤差，根據(jù)誤差變化趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除在萌芽狀態(tài)。 圖313 添加輸入/輸出域 圖314 I/O域組態(tài)2) 按鈕：在“對(duì)象選項(xiàng)板”中的“Windows對(duì)象”欄中，鼠標(biāo)選中“按鈕”，將它拖拉到繪圖區(qū)的合適位置，在彈出的屬性對(duì)話框中（如圖315），修改按鈕的名稱的等屬性，并在“事件”任務(wù)欄中，選中“鼠標(biāo)”，在執(zhí)行條件選項(xiàng)中可以選擇多種執(zhí)行條件，在“動(dòng)作”欄，鼠標(biāo)右鍵，可以添加動(dòng)作事件例如“C動(dòng)作”或者“直接連接”。對(duì)比這三種編程語(yǔ)言，我們可以發(fā)現(xiàn)梯形圖和功能塊圖都是采用圖形化的編程語(yǔ)言，易于明白，使用方便；語(yǔ)句表的話它更趨向于程序員的編程語(yǔ)言，控制可能比較靈活。d) 對(duì)模擬量模塊的屬性進(jìn)行修改，選中要修改的模塊的屬性對(duì)話框，分別修改模擬量輸入模塊的‘Addresses’和‘Inputs’屬性進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為電壓型輸入，即‘E’，測(cè)量范圍為1..5V。PLC一般使用AC 200V電源或DC 24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為