【正文】 )。time(s)39。 plot(time,f,39。ylabel(39。)。 plot(time,rin,39。 error_2=error_1。u_1=u(k)。 end %return of pid parameters u_5=u_4。 end elseif M==2 f(k)=1。 if M==1 if abs(error(k))=B f(k)=1。 A=。ki=。 %Linear model yout(k)=den(2)*y_1+num(2)*u_5。error_2=0。 y_1=0。u_2=0。zoh39。 ts=20。 第 27 頁 總之，本設(shè)計(jì)基本上實(shí)現(xiàn)了畢業(yè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)中還采用了 WP 系列變送器進(jìn)行爐溫的顯示和變送，以此使整個(gè)系統(tǒng)即使在 PLC 不能正常工作的情況下，也能得到爐內(nèi)的溫度值。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也日新月異，很多過程控制已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種行業(yè)對(duì)溫度精度的要求越來越高，對(duì)溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性要求越來越嚴(yán)格。而 PLC 與上位機(jī)之間用一 RS－ 232/PPI 電纜進(jìn)行連接，具體調(diào)試步驟如下： 首先在 STEP 7－ Micro/WIN 中編寫簡單的控制燈泡亮暗的程序，讓 PLC 每 2S鐘發(fā)送一次控制量（高電平為 24V，低電平為 0V），如燈泡每 2S 亮暗一次，依次循環(huán)，則調(diào)試成功。自由口模式用于下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，而 PPI 模式用于上位機(jī)下載 PLC 控制程序到 PLC中。 本設(shè)計(jì)中使用 RS－ 232/PPI 電纜，故具體通訊設(shè)置如下： 電纜小盒中的 5 號(hào) DIP 開關(guān)設(shè)置為“ 1”，而其他保持“ 0”。 在自由口模式下，使用 XMT（發(fā)送）和 RCV（接受）指令，為所有的通訊活動(dòng)編程。不隔離的 CPU 通訊口支持的標(biāo)準(zhǔn)PPI 通訊距離為 50m，如果使用一對(duì) RS－ 485 中繼器，可以使其達(dá)到 RS－ 485 的標(biāo)準(zhǔn)通訊距離 1200m。 PPI 是一種主－從協(xié)議：主站設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)讀 /寫請(qǐng)求到從站設(shè)備，從站設(shè)備響應(yīng)。 開中斷10s到？調(diào)用溫度信號(hào)采集子程序調(diào)用變速積分PID控制子程序帶解耦算法的控制量輸出子程序通過通訊程序，將溫度信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控程序Y初始化N開始 圖 系統(tǒng)程序流程圖 第 22 頁 表 程序中主 要變量地址分配表 地址 地址中的內(nèi)容 地址 地址中的內(nèi)容 VD101 第一段溫度緩沖區(qū) VD354 第一段上次采樣溫度誤差 VD109 第三段溫度緩沖區(qū) VD362 第三段上次采樣溫度誤差 VD200 第一段溫度保存地址 VD366 第一段兩次誤差之差 VD204 第二段溫度保存地址 VD370 第二段兩次誤差之差 VD208 第三段溫度保存地址 VD374 第三段兩次誤差之差 VD310 存放比例系數(shù) pK VD378 第一段前多次誤差和 VD314 存放積分系數(shù) iK VD382 第二段前多次誤差和 VD318 存放微分系數(shù) dK VD386 第三段前多次誤差和 VD322 存放采樣時(shí)間 T VD390 第一段的變積分系數(shù) )]([ kef VD330 存放系數(shù) A VD394 第二段的變積分系數(shù) )]([ kef VD334 存放系數(shù) B VD398 第三段的變積分系數(shù) )]([ kef VD338 存放溫度標(biāo)準(zhǔn)值 VD438 第一段控制輸出量 )(ku VD342 第一段此次采樣溫度差 VD468 第二段控制輸出量 )(ku VD346 第二段此次采樣溫度差 VD498 第三段控制輸出量 )(ku VD350 第三段此次采樣溫度差 PLC 與上位機(jī)通訊設(shè)計(jì) PLC 與上位機(jī)通訊主要完成上位機(jī)程序的下載和 PLC 與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。同時(shí)在程序中加入了簡單的解耦控制算法，來調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的平衡。變速積分 PID 控制算法子程序流程圖如圖 所示。 溫度信號(hào)采集子程序要完成將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變換：若先轉(zhuǎn)化為整型數(shù)，然后除以 則得到 0～ 1 之間的控制量；若直接除以 32，則得到實(shí)際溫度值 [10]。 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)概述 要完成對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制，除了有配套的硬件設(shè)計(jì)之外，控制程序的編寫是至關(guān)重要的，系統(tǒng)程序的好壞，直接關(guān)系到控制精度的高低、控制溫度的穩(wěn)定及系統(tǒng)的靈敏度等因素。 STEP 7－ Micro/WIN 可以在 Microsoft 公司出品的如下操作系統(tǒng)環(huán)境下安裝： 1. Windows 2021， SP3 以上 2. Windows XP Home 3. Windows XP Professional 對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件有如下要求 [6]： 1. 任何能夠運(yùn)行上述操作系統(tǒng)的 PC 或 PG（西門子編程器）。 PLC 程序運(yùn)行環(huán)境 S7－ 200 的編程軟件是 STEP 7－ Micro/WIN。本節(jié)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖和工作流程進(jìn)行說明。 在本設(shè)計(jì)中采用 EM231 4TC，而熱電偶使用的是鎳鉻－鎳硅熱電偶（ K 型），測(cè)量的單位為攝氏度，故 DIP 開關(guān)具體設(shè)置如下： SW1＝ 0 SW2＝ 0 SW3＝ 1 SW4＝ 0、 SW5＝ 0 SW6＝ 0 SW7＝ 0 SW8＝ 0 模擬量輸入 /輸出模塊 EM235 在本設(shè)計(jì)中完成 B 段 PLC 與溫度變送器模塊模擬量輸入，并完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能，完成溫度信號(hào)采集過程。 對(duì)于 EM231 4TC 模塊， SW1～ SW3 用于選擇熱電偶類型， SW4 沒有使用 （ 要求設(shè)置到 OFF 的位置 ） ， SW5 用于選擇斷線檢測(cè)方向， SW6 用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)， SW7 用于選擇測(cè)量單位， SW8 用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ) 償。℃ 。 ? 轉(zhuǎn)換時(shí)間： s?250? 。 ? 最大輸入電壓 DC30 ，最大輸入電流 mA32 。 EM231TC 作為模擬量輸入模塊，實(shí)現(xiàn)將溫度的模擬量信號(hào) (電壓、電流信號(hào) )轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后送到 CPU 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備，鑒于以上特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用此系列 PLC。 交流固體繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機(jī)導(dǎo)通型（簡稱隨機(jī)型）；按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單相可控硅反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）；按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；另外輸入端又有寬范圍輸入（ DC3－ 32V）的恒流源型和串電阻限流型等。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具體繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，單相 SSR 為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)控制輸出端，輸入輸出之間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號(hào)到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。 本設(shè)計(jì)中 WP 系列變送器用作溫度顯示與變送功能，其輸出端接至 EM235 模擬量輸入端， 并 將 0～ 1000 攝氏 度轉(zhuǎn)化為 0～ 5V，故相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下： diL＝ 0 diH=1000 Addr＝ 0 bAud＝ 50000 硬件器件的選擇 本設(shè)計(jì)中硬件方面用到的器件為 PC 機(jī) 、 RS232/RS485 接口轉(zhuǎn)換器（ PC/PPI 電纜）、 第 13 頁 S7200PLC 系列 PLC22 EM231TC、 EM23單相交流固體繼電器、熱電偶、顯示屏等。具體設(shè) 第 12 頁 計(jì)思路如圖 所示 。單相交流 固體繼電器模塊構(gòu)成執(zhí)行器控制加熱電壓，以熱電偶和模擬量輸入模塊 EM231TC 組成溫度信號(hào)的采集。 硬件設(shè)計(jì)方法介紹 要對(duì)三段電阻爐進(jìn)行溫度控制，就要對(duì)三段電阻絲分別進(jìn)行供、停電，其控制回路從硬件觸發(fā)到軟件分別形成了三個(gè)單獨(dú)的子回路。 A B C 圖 三段電阻爐爐體示意圖 如圖 所示，因?yàn)榭紤]到 B 段受外界因素影響較小，其溫度在加熱過程中會(huì)明顯高于 A、 C 兩段，若不進(jìn)行抑制，會(huì)造成加熱不平衡，進(jìn)而影 響加熱效果。 圖 變速積分 PID 控制單位階躍響應(yīng) 圖 普通 PID 控制單位階躍響應(yīng) 第 10 頁 解耦控制輸出算法 三段電阻爐在冶金、工礦和科研單位應(yīng)用廣泛，故爐內(nèi)溫度均衡性的重要性不言而喻。 設(shè)被控對(duì)象為一延遲對(duì)象 160)( 80?? ?sesG s （ ） 采樣時(shí)間為 20s，延遲時(shí)間為 4 個(gè)采樣時(shí)間，即 80s，取 pk ＝ ， dk ＝ 12，ik ＝ ,A =， B =（寫成公式） 。變速積分的 PID 積分項(xiàng)表達(dá)式為： Tkekefiekku kiii ?????? ?? ???10 )()]([)()( （ ） 系數(shù) f 與偏差當(dāng)前值 )(ke 的關(guān)系可以線性的或非線性的，可設(shè)為 ????? ???0)(1)][(AkEBAEf BAKEBAKEBBKE??????)()()( （ ） f 值在 ? ?1,0 區(qū)間內(nèi)變化，當(dāng) )(ke 差大于所給分離區(qū)間 BA? 后， f ＝ 0，不再對(duì)當(dāng)前值 )(ke 進(jìn)行繼續(xù)累加；當(dāng)偏差 )(ke 小于 B 時(shí)，加入當(dāng)前值 )(ke ，即積分項(xiàng)變?yōu)????kiii Tiekku 0 )()(，與一般 PID 積分項(xiàng)相同，積分動(dòng)作達(dá)到最高速；而當(dāng)偏差)(ke 在 B 與 BA? 之間時(shí)，則累加計(jì)入的是部分當(dāng)前值，其值在 0 ~ )(ke 之間隨 )(ke的大小而變化 。 變速積分 PID 控制算法的基本思路是當(dāng)溫度偏差大于某一設(shè)定值 N 時(shí)，控制輸出 )(ku 為 1， 而小于此設(shè)定值 N 時(shí)，采用變速積分 PID 控制算法 [7]。而系統(tǒng)對(duì)積分的要求是系統(tǒng)偏差大時(shí)積分作用應(yīng)減弱甚至全無，而在偏差小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中，由于電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有非線性 、 大滯后 、 大慣性 、 升溫單相性等特點(diǎn)，若用傳統(tǒng)的 PID 控制算法，很難達(dá)到控制要求和控制精度，并且容易產(chǎn)生大的超調(diào)和不穩(wěn)定等現(xiàn)象，故本設(shè)計(jì)采用變速積分 PID 控制算法。 控制信號(hào)負(fù)載電流 圖 直流固態(tài)繼電器工作波形圖 本設(shè)計(jì)中采用調(diào)功方式控制 的 周波控制法，調(diào)節(jié)負(fù)載功率 從 而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的 , 調(diào)功的原理為： 設(shè)電網(wǎng)連接 N （設(shè)為 500 個(gè)）個(gè)完整的正弦波 ，作 為一個(gè)控制周期 T （設(shè)為 10s） , 第 7 頁 則： fNT /? （ ） 式中 f 為電網(wǎng)頻率， HZ 。 電路 是 在 過零時(shí)開啟 (并非電壓為 0V 處導(dǎo)通 ,而是有一定電壓 )， 電流過零時(shí)關(guān)斷的特性 , 其工作波形如圖 所示。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 SSR 是一種無觸點(diǎn)功率半導(dǎo)體器件， 其特點(diǎn)是 [3]： 1. 輸入控制電壓低 （ 3～ 14V）， 直流或脈沖電壓均能作輸入控制信號(hào) , 驅(qū)動(dòng)電流小，輸入控制電壓與 TTL、 HTL、 CMOS、 PMOS 電平兼容； 2. 輸入、輸出 間一般采用光電隔離 , 隔離絕緣大于 2kV , 符合國際電氣安全標(biāo)準(zhǔn)； 3. 輸出無觸點(diǎn)、無噪聲、無火花 , 開關(guān)速度快； 4. 有交流、直流輸出方式 , 輸出電壓有多種規(guī)格選擇； 第 5 頁 5. 采用環(huán)氧樹脂全灌封裝 , 防塵、耐濕、耐振、壽命長。 爐溫控制方法的選擇 多段電阻爐的加熱過程是由交流電源 A、 B、 C 三相分別通過通斷過程來控制電阻絲的通斷電 ， 以此達(dá)到加熱和控制溫度的目的。 本設(shè)計(jì) 以三段電阻爐溫度控制系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，將多段電阻爐分為三段自動(dòng)控制溫度，并要求每段穩(wěn)態(tài)控制精度高，溫度上升速度快，三段溫度升溫平衡。本人通過收集各種多段電阻爐溫度控制的資料，了解到多段電阻爐的工業(yè)用途、發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及電阻爐的控制要求， 確定了 以單相交流固態(tài)繼電器的控制輸出方式和帶有解耦控制輸出的變積分 PID 控制算法 。 PID 調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)是按與輸入信號(hào)成比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）的運(yùn)算規(guī)律而動(dòng)作。 2. 爐溫的準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié) 即調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用仍然是依靠儀表中的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，但其調(diào)節(jié)性能和連續(xù)調(diào)節(jié)器相仿，準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)又稱連續(xù)