【導(dǎo)讀】實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):. 構(gòu)成數(shù)字PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)。THFCS-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:. 第3～4天，硬軟件設(shè)計(jì)。第5～6天，實(shí)驗(yàn)調(diào)試。第10天，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：。溫度是工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，本文通過(guò)設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)，體現(xiàn)。PLC在模擬量信號(hào)檢測(cè)與控制中應(yīng)用的優(yōu)越性?？刂葡到y(tǒng)中，爐溫經(jīng)過(guò)熱電偶檢測(cè)和溫度變送器的轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號(hào)，送往。PLC控制器，再經(jīng)過(guò)模擬量輸入/輸出模塊（A/D）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由程序?qū)⒔o定的。溫度值與測(cè)量值比較，然后根據(jù)偏差大小按比例調(diào)節(jié)規(guī)律，計(jì)算出校正量。量輸入/輸出模塊的輸出控制作用，消除爐溫的偏差，從而使?fàn)t溫達(dá)到并穩(wěn)定在給定的。關(guān)鍵字PLC；溫度控制；比例調(diào)節(jié)

　　

【正文】 = （ ） 式中 T=ARS，它與水箱的底面積 A和 V2的 RS有關(guān)； K=RS。 式（ ）就是單容水箱的傳遞函數(shù)。 若令 Q1（ S） = ， R0=常數(shù)，可改為 H（ S） = =K 對(duì)上式取拉氏反變換得 h(t)=KR0(1et/T) （ ） 當(dāng) t— ∞時(shí)， h（∞） =KR0，因而有 K=h（∞） /R0=輸出穩(wěn)態(tài)值 /階躍輸入 當(dāng) t=T 時(shí)，則有 h(T)=KR0(1e1)==(∞ ) 式（ ）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖 所示。 圖 單容水箱的單調(diào)上升指數(shù)曲線 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖 所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的 63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù) T。該時(shí)間常數(shù) T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù) T，由響應(yīng)曲線求得K和 T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)如式（ ）所示。 圖 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線 如果對(duì) 象的階躍響應(yīng)曲線為圖 ，則在此曲線的拐點(diǎn) D處作一切線，它與時(shí)間軸交于 B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于 A 點(diǎn)。圖中 OB即為對(duì)象的滯后時(shí)間τ， BC 為對(duì)象的時(shí)間常數(shù) T，所得的傳遞函數(shù)為： H(S)= （ ） 控制系統(tǒng)流程圖 本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的流程圖如圖 所示。 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 圖 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖 上水箱液位檢測(cè)信號(hào) LT1 為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，直接傳送到 SIEMENS 的模擬量輸入模塊 SM331， SM331 和分布式 I/O 模塊 ET200M 直接相連， ET200M 掛接到PROFIBUSDP總線上， PROFIBUSDP 總線上掛接有控制器 CPU3152 DP（ CPU3152 DP 為 PROFIBUSDP 總線上的 DP 主站），這樣就完成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)到 CPU 的傳送。 本實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶 PROFIBUSPA 通訊接口的閥門(mén)定位器，掛接在PROFIBUSPA總線上， PROFIBUSPA 總線通過(guò) LINK 和 COUPLER 組成的 DP 鏈路與PROFIBUSDP 總線交換數(shù)據(jù)， PROFIBUSDP 總線上掛接有控制器 CPU3152 DP，這樣控制 器 CPU3152 DP 發(fā)出的控制信號(hào)就經(jīng)由 PROFIBUSDP 總線到達(dá)PROFIBUSPA總線來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門(mén)定位器。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱作為被測(cè)對(duì)象（也可選擇中水箱或下水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門(mén) F1 F1 F16全開(kāi)，將上水箱出水閥門(mén) F19開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度，其余閥門(mén)均關(guān)閉。 接通控制柜和控制臺(tái)的相關(guān)電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵，接通空壓機(jī)電源。控制柜無(wú)需接線。 打開(kāi)作上位控制的 PC 機(jī)，點(diǎn)擊“開(kāi)始”菜單，選擇彈出菜單中的“ SIMATIC”選項(xiàng)，再點(diǎn) 擊彈出菜單中的“ WINCC” ，再選擇彈出菜單中的“ WINCC CONTROL CENTER ” ,進(jìn)入 WINCC 資源管理器，打開(kāi)組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點(diǎn)擊管理器工具欄上的“激活（運(yùn)行）”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主界面如圖 所示。 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 圖 監(jiān)控主界面 鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“一階單容水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)， 在實(shí)驗(yàn)界面的左邊是實(shí)驗(yàn)流程圖，右邊是參數(shù)整定，下面一排六個(gè)切換鍵的功能如下： “實(shí)驗(yàn)流程”鍵：系統(tǒng)進(jìn)入正常測(cè)試狀態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)界面左邊就會(huì)顯示實(shí)驗(yàn)流程圖，當(dāng)點(diǎn)擊“歷史曲線”鍵時(shí)，實(shí)驗(yàn) 流程圖將會(huì)被歷史曲線所覆蓋，如需轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)流程圖，應(yīng)點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)流程”鍵就可在實(shí)驗(yàn)界面左邊再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程圖。 “參數(shù)整定”鍵：系統(tǒng)進(jìn)入正常測(cè)試狀態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)界面右邊就會(huì)顯示參數(shù)整定畫(huà)面，當(dāng)你點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)曲線”或“數(shù)據(jù)報(bào)表”鍵時(shí)，參數(shù)整定畫(huà)面的下半部分將會(huì)被實(shí)時(shí)曲線或數(shù)據(jù)報(bào)表所覆蓋，如需轉(zhuǎn)到參數(shù)整定，點(diǎn)擊“參數(shù)整定”鍵即可在實(shí)驗(yàn)界面右邊再現(xiàn)參數(shù)整定畫(huà)面。 “實(shí)時(shí)曲線”鍵：系統(tǒng)進(jìn)入正常測(cè)試狀態(tài)時(shí)，實(shí)時(shí)曲線是不顯示的，如果需要觀察實(shí)時(shí)曲線，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)曲線”鍵，即可在實(shí)驗(yàn)界面右下方顯示實(shí)時(shí)曲線。 “歷史曲線”鍵：系統(tǒng)進(jìn)入正常 測(cè)試狀態(tài)時(shí)，歷史曲線是不顯示的，如果需要觀察歷史曲線，點(diǎn)擊“歷史曲線”鍵，即可在實(shí)驗(yàn)界面左邊顯示歷史曲線。 “數(shù)據(jù)報(bào)表”鍵：系統(tǒng)進(jìn)入正常測(cè)試狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)表是不顯示的，如果需要數(shù)據(jù)報(bào)表，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)報(bào)表”鍵，即可在實(shí)驗(yàn)界面右下方顯示歷史曲線。 “返回主菜單”鍵：實(shí)驗(yàn)結(jié)束，需退出實(shí)驗(yàn)時(shí)，點(diǎn)擊“返回主菜單”鍵，即關(guān)閉當(dāng)前實(shí)驗(yàn)界面返回實(shí)驗(yàn)主界面。 4．在上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面窗口給定閥門(mén)開(kāi)度值（既可拉動(dòng)輸出值旁邊的滾動(dòng)條，基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 也可直接在輸出值顯示框中輸入閥門(mén)開(kāi)度值），使水箱的液位處于某一平衡位置。 點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)界面下邊的“實(shí)時(shí) 曲線”鍵，在界面的右下方將顯示液位的變化曲線。 6．在上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面窗口改變給定的閥門(mén)開(kāi)度值，使其輸出有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（此增量不宜過(guò)大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)節(jié)后，水箱的液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，其響應(yīng)曲線如圖 所示。 圖 單容箱特性響應(yīng)曲線 7．觀察上位機(jī)監(jiān)控界面上水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。 結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)所得的特性曲線及其特性分析如下 : 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 圖 如圖 所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)分析中所得公式可知： 傳遞函數(shù)為 )()(1sQsH= 1?TSK = ?S 在圖 ，減小輸出值得到的響應(yīng)曲線如圖 ： 圖 如圖 所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知： 傳遞函數(shù)為 )()(1sQsH= 1?TSK = ?S 在圖 的基礎(chǔ)上。保持其他參數(shù)不變，增大輸出值得到的響應(yīng)曲線如圖 圖 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 如圖 所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知： 傳遞函數(shù)為 )()(1sQsH= 1?TSK = ?S 由以上結(jié)果分析可知： 當(dāng)比例度為 、積分時(shí)間為 、微分時(shí)間為 時(shí)，當(dāng)參數(shù)整定的輸出值為 80%， 50%， 70%，其測(cè)量值依次為 131mm、 38mm、 105mm，因而系統(tǒng)放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)也隨之改變，其傳遞函數(shù)也相應(yīng)的改變。 圖 如圖 所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知 傳 遞函數(shù)為 )()(1sQsH= 1?TSK = ?S 將圖 與圖 ：當(dāng)參數(shù)設(shè)定的輸出值不變時(shí)，比例度由原來(lái)的 變?yōu)?、積分時(shí)間由 變?yōu)?、微分時(shí)間由 變?yōu)?時(shí)，其測(cè)量值由 105mm 變?yōu)?111mm. 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 圖 如 圖所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知： 傳遞函數(shù)為 )()(1sQsH= 1?TSK = ?S 將圖 與圖 ，其參數(shù)設(shè)定輸出值同為 80%，比例度由 變?yōu)?，積分時(shí)間由 到 ，微分時(shí)間由 到 時(shí)，其測(cè)量值由 131mm 到 128mm. 由以上可得改變 PID 的參數(shù)（比例度 Kp、積分時(shí)間 TI、微分時(shí)間 TD）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性有影響，具體每個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能有什么影響，本課設(shè)不做研究。 實(shí)驗(yàn)曲線所得的結(jié)果 參數(shù)值 測(cè)量值 放大系數(shù) K 周期 T 時(shí) 間常數(shù)τ 液位 h 正階躍輸入 35 128 負(fù)階躍輸入 30 平均值 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 結(jié)論 從本次電爐溫度控制系統(tǒng)的 PLC 設(shè)計(jì)中體會(huì)到，要對(duì)論文控制并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制問(wèn)題，它涉及到多方面的知識(shí)，并與 PLC 相互配合。系統(tǒng)的工作中，其他電路構(gòu)成。采用 PLC 進(jìn)行控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等特點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 隨著電氣設(shè)備性能的日趨完善和微型處理機(jī)技術(shù)的普及與廣泛應(yīng)用，爐溫控制 設(shè)備的智能化程度越來(lái)越高，同時(shí)也使煉鋼、電氣專(zhuān)業(yè)和相關(guān)專(zhuān)業(yè)的聯(lián)系更加密切。今后的發(fā)展模式的多能化，面對(duì)不斷更新的產(chǎn)品，電氣設(shè)計(jì)與其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)一樣都需要不斷地協(xié)調(diào)創(chuàng)新和完善。 本課程設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)單容水箱液位控制系統(tǒng)原理的了解和實(shí)際的系統(tǒng)特性的測(cè)試，我學(xué)會(huì)了系統(tǒng)特性測(cè)試的方法和傳遞函數(shù)的推導(dǎo)計(jì)算方法，并且對(duì) PID控制有了初步的了解。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證得到很多有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是我進(jìn)一步體會(huì)到過(guò)程控制這門(mén)學(xué)科知識(shí)的重要性，及其在工程上的應(yīng)用和重要性。 這次的課程設(shè)計(jì)讓我知道掌握理論知識(shí)的重要性，更重要的是將課堂上學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，進(jìn)行研究性的學(xué)習(xí)，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，才會(huì)更加深刻的理解理論，從而更好地應(yīng)用理論為實(shí)際工程服務(wù)。 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 參考文獻(xiàn) [1] 吳中俊，黃永紅 .可編程序控制器原理及應(yīng)用（第 2 版） .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020. 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