【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 越來(lái)越高，在此期間溫控系統(tǒng)技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。尤其以日本，美國(guó)，德國(guó)，瑞典為代表，它們的技術(shù)遙遙領(lǐng)先，并且已經(jīng)生產(chǎn)出商品化，性能高的溫度控制器及儀器儀表。我國(guó)與他們相比，雖然在各行各業(yè)都有廣泛使用溫度控制系統(tǒng)，但是在生產(chǎn)制造、科學(xué)研究等方面，我國(guó)與日本，美國(guó)等國(guó)有很大差距。目前國(guó)內(nèi)有基于單片機(jī)的、 PLC 的、 IPC 的溫度控制系統(tǒng)，還有集散型、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)。 這些溫度控制系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行 穩(wěn)定，但是它受單片機(jī)的影響較大，因?yàn)閱纹瑱C(jī)響應(yīng)慢，中斷源少，所以此溫度控制系統(tǒng)不適用于復(fù)雜，高要求的工作環(huán)境；考慮到工控機(jī)性能穩(wěn)定，可用軟件多，價(jià)格低的因素，它被廣泛應(yīng)用，但是單獨(dú)使用時(shí)，容易被干擾，可靠性差；集散型溫度控制系統(tǒng)是款集聚監(jiān)控及協(xié)調(diào)管理的不錯(cuò)的控制系統(tǒng)，但是它的成本過(guò)高，難以大范圍的應(yīng)用；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)是個(gè)優(yōu)點(diǎn)較多的控制系統(tǒng)，但是它才剛開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化，并且各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，在國(guó)際上互換使用比較麻煩；相對(duì)于上述溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， PLC 的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，易于學(xué)習(xí)掌握，所以它在工業(yè)上的使用更 加廣泛，從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)講，其成本低，市場(chǎng)占有率高，前景廣闊。 通過(guò)運(yùn)用串級(jí)系統(tǒng)的思想與 PLC 技術(shù)，以及對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，使得加熱爐溫度控制系統(tǒng)達(dá)成預(yù)定目標(biāo)，即主、副控制器采用 PID控制算法，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，手動(dòng)整定 PID 參數(shù)，控制調(diào)壓裝置及加熱電阻絲兩端電壓，使夾套溫度能夠穩(wěn)定在設(shè)定溫度值的附近，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前內(nèi)膽溫度值與夾套溫度值。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 設(shè)計(jì)方案及控制算法 第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案 一、系統(tǒng)總體方案 加熱爐溫度控制系統(tǒng)主要由硬件 、軟件和上位機(jī) [4][5]三部分組成。 設(shè)計(jì)方案是對(duì) PLC 進(jìn)行編程來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制；溫度變送器采集夾套和內(nèi)膽溫度信號(hào)；兩個(gè)常開(kāi)按鈕分別對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行與停止進(jìn)行手動(dòng)控制；指示燈用來(lái)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；模擬量擴(kuò)展模塊承擔(dān)兩個(gè)模擬量輸入和一個(gè)模擬量輸出的任務(wù)；調(diào)壓裝置根據(jù)模擬量擴(kuò)展模塊的輸出信號(hào)對(duì)加熱爐內(nèi)電阻絲兩端電壓進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制 [6]。利用上位機(jī)中的組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合本系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，允許操作人員通過(guò)上位機(jī)直接向設(shè)備發(fā)出控制指令。 二、硬件設(shè)計(jì)方案 硬件基本構(gòu)成有 PLC 部分、模擬量 擴(kuò)展模塊、調(diào)壓裝置、溫度變送器、電加熱鍋爐（內(nèi)含加熱電阻絲）、啟動(dòng) /停止按鈕與指示燈七個(gè)部分組成 [7]。 其硬件部分組成及其關(guān)系如圖 所示： 圖 硬件連接圖 基本工作原理：加熱爐是控制對(duì)象（本設(shè)計(jì)采用自來(lái)水作為控制對(duì)象）的容器，通過(guò)溫度變送器檢測(cè)內(nèi)膽水溫和夾套溫度，各自產(chǎn)生 1－ 5V 電壓信號(hào)，傳送給 S7－ 200 PLC 的模擬量擴(kuò)展模塊 EM235，由 PLC 主控系統(tǒng)部分進(jìn)行運(yùn)算和處理，之后再將由模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 產(chǎn)生 4－ 20mA 的控制信號(hào)傳送給調(diào)壓啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 裝置，調(diào)壓裝置根據(jù)不同的控制信號(hào)輸出不同的電壓 來(lái)控制加熱爐內(nèi)的電阻絲來(lái)對(duì)水進(jìn)行加熱，由此水溫升高或降低會(huì)影響溫度變送器，從而產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)回路控制，因此達(dá)到平衡控制水溫的目的。通過(guò)啟動(dòng)和停止產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量數(shù)字信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行與停止，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的功能。指示燈顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 三、軟件設(shè)計(jì)方案 軟件基本結(jié)構(gòu)由主 /副 PID 控制器控制對(duì)象溫度。其基本工作原理 [7]：首先預(yù)計(jì)出兩個(gè) PID 控制器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行 PID 初始化；把夾套溫度變送器傳送回來(lái)的 1－ 5V電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊 EM235的輸入口 A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?6400－ 32020 的數(shù)字量（稱(chēng)為主回路的 夾套溫度過(guò)程值 PV1），同時(shí)給定一個(gè)夾套溫度給定值 SP，將 SP 和 PV1 傳送給主控制器 PID1 運(yùn)算，得到的結(jié)果 OUT1 作為副控制器的給定值 SP，將它和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來(lái)的內(nèi)膽溫度過(guò)程值 PV0傳送給副控制器 PID0 運(yùn)算，得到的結(jié)果 OUT0 經(jīng)過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 的輸出口 D/A 轉(zhuǎn)換變?yōu)?4－ 20mA 的控制信號(hào)傳送給調(diào)壓裝置，對(duì)爐內(nèi)加熱電阻絲進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)內(nèi)膽溫度和夾套溫度進(jìn)行檢測(cè)，形成雙閉環(huán)回路的串級(jí)控制。其控制回路組成圖如圖 所示： 圖 溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 流程圖如圖 所示： 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 系統(tǒng)流程圖 四、上位機(jī)設(shè)計(jì)方案 使用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)出能反應(yīng)系統(tǒng)的組成；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；顯示加熱爐實(shí)時(shí)溫度；手動(dòng)啟、停系統(tǒng)；設(shè)定期望溫度值的工程。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二節(jié) 控制算法 一、控制算法選擇 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng) PID 控制 [8]，又稱(chēng) PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 80 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控 制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合使用 PID 控制技術(shù)。PID 控制，實(shí)際中也有 PI和 PD控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 二、 PID 算法介紹 比例（ P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單，最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分（ I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入 誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)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。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（ D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系 統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。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。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或 滯后的被控對(duì)象，比例啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 +微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 圖 帶 PID 控制器的閉控制系統(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)。偏差 e 和輸入量 r 、輸出量 c 的關(guān)系： )()()( tctrte ?? （ 2－ 1） 控制器的輸出為： ? ??? tdip dt tdeTdtteTteKtu 0 ])()(1)([)( （ 2－ 2） 式中， )(tu —— PID 回路輸出 pK —— 比例系數(shù) P iT—— 積分系數(shù) I dT —— 微分系數(shù) D PID 調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為： ]11[)( )()( STSTKsE sUsD dip ???? （ 2－ 3） 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周 期采樣后，計(jì)算機(jī)計(jì)算之后再輸出結(jié)果。式（ 2－ 2）離散化的規(guī)律如表 所示： 表 模擬與離散形式 模擬形式 離散形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? ?t dtte0 )( ??ni iet 0 )( dttde)( t nene )1()( ?? 所以 PID 輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為： 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 )()()()]}1()([)()({)(0 nunununeTieTtneKnu dipdniip ???????? ?? （ 24） 式中， )()( neKnu pp ? —— 比例項(xiàng) ???niipi ieTtKnu0 )()(—— 積分項(xiàng) )]1()([)( ??? neTKnu dpd—— 微分項(xiàng) 上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒(méi)有必要保留所有采樣周期的積分項(xiàng)，只需要保留前一個(gè)積分項(xiàng)，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種簡(jiǎn)化思想來(lái)計(jì)算的。 所以在 PLC 中，上面三個(gè)式子可以近似 [9]為： )()( nnpp PVSPKnu ?? —— 比例項(xiàng) )1()()( ???? nuPVSPTtKnu innipi—— 積分項(xiàng) )]()[()(11 ?? ???? nnnndpd PVSPPVSPtTKnu—— 微分項(xiàng) 式中， nSP —— 采樣時(shí)間 n 的輸入量（回路設(shè)定值） ， nPV —— 采樣時(shí)間 n 的反饋量（回路過(guò)程值） 第三節(jié) 本章小結(jié) 經(jīng)過(guò)研究控制對(duì)象及要求，決定從硬件、軟件和上位機(jī)三個(gè)方面來(lái)研究。本章概略地描述了硬件 、軟件和上位機(jī)如何設(shè)計(jì)；針對(duì)不確定系統(tǒng)參數(shù)或模型時(shí)，使用 PID 控制算法最簡(jiǎn)單有效，并說(shuō)明了在 PLC 中 PID 計(jì)算的思想。后面幾章是遵循這種思路，做了詳細(xì)地描述。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第三章 加熱爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第一節(jié) 系統(tǒng)硬件組成 一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)可編程邏輯控制器 PLC、一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊、一個(gè)調(diào)壓裝置、兩個(gè)溫度變送器、一個(gè)電加熱鍋爐（內(nèi)含加熱電阻絲）、兩個(gè)啟動(dòng) /停止按鈕，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。 二、各組成部分的任務(wù) 按鈕和指示燈 運(yùn)行指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)。 啟動(dòng)按鈕 /停止按鈕實(shí)現(xiàn)控制系 統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行，運(yùn)行指示燈熄滅。 溫度變送器 用來(lái)檢測(cè)夾套和內(nèi)膽溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓模擬量信號(hào)，同時(shí)傳送給PLC 模擬量擴(kuò)展模塊。 調(diào)壓裝置和電加熱鍋爐 電加熱鍋爐是 PLC 控制對(duì)象的容器。 調(diào)壓裝置受到 PLC 模擬量擴(kuò)展模塊輸出的 4－ 20mA 電流信號(hào)控制，來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)壓裝置的輸出電壓，對(duì)電阻絲進(jìn)行控制，來(lái)升高或者維持內(nèi)膽溫度。 可編程邏輯控制器及模擬量擴(kuò)展模塊 可編程邏輯控制器對(duì)讀取到的溫度數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度變換處理，得到實(shí)際的溫度 值；另一方面，經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換處理得到的實(shí)際溫度值，和給定的溫度值進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算采用 PID 控制算法。 模擬量擴(kuò)展模塊可以在輸入口對(duì)從溫度變送器送來(lái)的電壓模擬信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，得到與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，并且 PLC 可以讀取儲(chǔ)存數(shù)字量的地址；PLC 計(jì)算之后可以在輸出口地址中儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)化并輸出給調(diào)壓裝置，進(jìn)而控制調(diào)壓裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻絲的控制。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第二節(jié) AE2020 型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一、電加熱鍋爐 由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼鍋爐冷卻夾套組成，內(nèi)膽與夾套沒(méi)有水的交換 ，可以利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。其中加熱電阻絲在鍋爐內(nèi)膽中，兩端電壓由調(diào)壓裝置控制，進(jìn)而控制內(nèi)膽中水的溫度。通過(guò)熱傳遞的方式，將熱量由溫度高的內(nèi)膽水傳到溫度低的夾套水中去。 鍋爐內(nèi)膽有進(jìn)水口、出水口和溢水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，加熱冷水以提升水溫。夾套有另一套進(jìn)水口和出水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，在夾套內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，吸收熱傳遞的熱量，以此提升水溫，最終由出水口流出，獲得期望溫度的熱水。由于內(nèi)膽與夾套的進(jìn)水口、出水口相互獨(dú)立，所以進(jìn)入鍋爐的水流大小由不同的水閥控制。 二、溫度變送器 溫度變送器 采用熱電偶、熱電 阻作為測(cè)溫元件，從測(cè)溫元件輸出信號(hào)送到變送器模塊，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線(xiàn)性校正、 V/I 轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度成線(xiàn)性關(guān)系的 標(biāo)準(zhǔn) 電信號(hào)輸出 。溫度傳感器是一種能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的元件，本系統(tǒng)采用了鉑熱電阻 PT100， PT100 是一種廣泛應(yīng)用的熱電阻式溫度傳感器，是將溫度