【文章內(nèi)容簡介】 可以獲得較高的控制質(zhì)量。 PID算法圖 24 帶PID控制器的閉控制系統(tǒng)框圖 如圖24所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系： (21)控制器的輸出為： (22)上式中, ——PID回路的輸出；——比例系數(shù)P； ——積分系數(shù)I；——微分系數(shù)D。PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： (23)數(shù)字計算機處理這個函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出值。其離散化的規(guī)律如表21所示。表 21 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為； (24)式24中， 稱為比例項； 稱為積分項； 稱為微分項；上式中，積分項是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值。計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項，只需要保留積分項前值，計算機的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實現(xiàn)位置式PID控制算法量?，F(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令見表22。表22 PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進行PID運算。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因為一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可以是0~7，不可以重復使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表23所示。表23 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）實數(shù)~4給定值（SPn）實數(shù)~8輸出值（Mn）實數(shù)~12增益（Kc）實數(shù)比例常數(shù)，可正可負16采樣時間（Ts）實數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時間（Ti）實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時間（Td）實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項前值（MX）實數(shù)~32過程變量前值（PVn1）實數(shù)~1) 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本設(shè)計中回路的輸入為兩個溫度模擬量輸入，夾套和內(nèi)膽溫度經(jīng)過溫度檢測模塊，傳送給EM235經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的是16為整數(shù)，而設(shè)計中所需要的過程變量為實數(shù)，所以我們需要將整數(shù)轉(zhuǎn)換為實數(shù)，這里就要用到I_DI，DI_R指令，就如在標度變換中的轉(zhuǎn)換一樣，得到實際的溫度值。輸出為0~5V的電壓信號，所以我們輸入到EM235的數(shù)值也為16位整數(shù)類型，而經(jīng)過PID回路運算后得到的數(shù)據(jù)為32為實數(shù)，這里我就要用到ROUND,DI_I指令，就如在副控制器中斷程序一樣，得到的數(shù)據(jù)從模擬量輸出端口輸出。2) 實數(shù)的歸一化處理因為PID中除了采樣時間和PID的三個參數(shù)外，~，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一化處理。~。歸一化的公式為： （25）式中, ——標準化的實數(shù)值； ——未標準化的實數(shù)值；——補償值或偏置，； ——值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000，雙極性為6400。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為： （26）因為溫度經(jīng)過檢測和標度變換后，得到的值是實際溫度值，所以為了SP值和PV值在同一個數(shù)量值0~~100℃，所以輸入SP值的時候應(yīng)該是填寫一個是實際溫度1/100的數(shù)，即想要設(shè)定目標控制溫度為80℃時。3) 回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本設(shè)計中，利用回路的輸出值來設(shè)定下一個周期內(nèi)的加熱時間。~，是一個標準化了的實數(shù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過程是實數(shù)值標準化過程。 （27）S7200不提供直接將實數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令，必須先將實數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW34 PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如表24所示。表 24溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大20~6020~400~3實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。 1） 整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。經(jīng)過經(jīng)驗得出本設(shè)計的PID參數(shù)如下，，積分時間為30min，； ，積分時間位27min，微分之間為0min。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)的硬件組成溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一臺可編程控制器、一臺調(diào)功器、兩個溫度檢測回路、一個加熱器、一個模擬量輸入輸出擴展模塊EM23兩個數(shù)顯表、兩個啟動/停止按鈕，一個系統(tǒng)運行指示燈。（1）運行指示燈和啟動按鈕/停止按鈕實現(xiàn)運行監(jiān)控和啟動和停止系統(tǒng)的控制：按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始運行，運行指示燈點亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運行系統(tǒng)指示燈熄滅。（2）數(shù)顯表：根據(jù)PLC的輸出實時顯示內(nèi)膽溫度和夾套溫度的實際溫度值，便于控制和觀察。（3）溫度變送器：用來檢測夾套和內(nèi)膽溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換為PLC可以讀取的電壓模擬量信號，同時傳送給PLC模擬量輸入模塊EM235。（4）調(diào)功器和加熱器：是PLC的控制對象，根據(jù)PLC模擬量輸出模塊輸出的0~5V電壓信號，來控制調(diào)功器的輸出功率電壓，對加熱器進行控制，來加熱爐內(nèi)溫度。（5）可編程控制器和模擬量輸入/輸出擴展模塊：可編程控制器對采集來的溫度信號進行標度變換處理后得到實際的溫度值，將數(shù)據(jù)傳送給兩個數(shù)顯表對內(nèi)膽溫度和夾套溫度分別顯示；另一方面，根據(jù)采集到得溫度值，和給定的溫度值進行計算處理，采用PID控制算法處理后通過模擬量輸入輸出擴展對調(diào)功器進行控制來實現(xiàn)對加熱器的控制。 可編程控制器可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PLC。（1）可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。(2)配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中，加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。(3)易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。(4)系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。(5)體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。全球PLC有二百多種，國內(nèi)常用PLC也就二三十種，常用的有德國西門子，法國施耐德，美國AB，ABB，GE日本歐母龍，三菱，松下，韓國，三星，國產(chǎn)和利時，科創(chuàng)思等。西門子PLC相對于其他的PLC價錢比較高，但是性能相對強大，可操作性強，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)軟件。而且在大學期間我所接觸的也大多數(shù)是西門子公司的PLC。西門子PLC的種類分為S7200PLC，S7300PLC，S7400PLC等，S7300PLC，S7400PLC與S7200PLC相比功能更為強大，為S7200的升級產(chǎn)品，但由于本系統(tǒng)所需功能和技術(shù)要求S7200完全能夠解決，所以從經(jīng)濟方面考慮選用西門子S7200PLC系列產(chǎn)品。S7200系列PLC是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能滿足多種自動化控制的需求，其設(shè)計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于具有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7200系列可以根據(jù)對象不同，可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機架上。（1）CPU模塊：S7200的CPU模塊包括一個中央處理單元，電源及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊，獨立的設(shè)備中，CPU負責執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。從CPU模塊功能來看，CUP模塊為CUP22*，它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU單元：①CPU221它有6輸入/4輸出，I/O共計10點。無擴展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，有一定的高速計數(shù)處理能力，非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。②CUP222它有8輸入/6輸出，I/O共計14點，和221相比，它可以進行一定的模擬量控制和2個模擬量擴展，因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。③CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計24點，和前兩者相比，存儲容量擴大了一倍，它可以有7個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用得最多S7200產(chǎn)品。④CUP226 它有24輸入/16輸出，I/O共計40點，和CUP224相比，增加了通信口數(shù)量，通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。⑤CUP226XM 它在用戶程序存儲量和數(shù)據(jù)存儲量上進行了擴展，其他指標和CUP226相同。在本設(shè)計中由數(shù)字量2輸入/4輸出，需要一個模擬量擴展，而CUP222本機數(shù)字量8輸入/6輸出，和兩個模擬量，可完成設(shè)計所需的技術(shù)要求，所以本設(shè)計選用CUP222 DC/DC/DC。CUP用24V DC電源，24V DC輸入，24V DC輸出，其功率為5W，訂貨號為6ES7 2121AB230XB0。（2）模擬量擴展模塊： 溫度傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成0～100mV的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理，得到的控制信號也要通過模擬量輸出模塊把數(shù)字信號轉(zhuǎn)成0~5V的電壓信號對調(diào)功器進行控制。S7200PLC的模擬量模塊有EM231，EM232和EM235三種類型的模擬量擴展模塊。EM231有4路模擬量輸入，EM232有2路模擬量輸出，EM235有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。本設(shè)計中需要檢測兩個溫度信號，和輸出一個電壓控制信號，所以需要2路模擬量輸入/1路模擬量輸出，所以我們選擇EM235模擬量輸入/輸出模塊，其功耗為2W。訂貨號為6ES7 2350KD220XA0。其輸入/輸出特性如表31所示。表31 EM235輸入 /輸出特性模擬量輸入特性：模擬量輸入點數(shù)4輸入范圍 電壓(單極性) 電壓(雙極性) 電流0～10V，0～5V， 177。10V，177。5V，177。， 0～20mA數(shù)據(jù)字格式 單極性，全量程范圍 32000～+32000 雙極性，全量程范圍 0～32000