【正文】 臨界比例度法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行簡化而來的。（3）在曲線最大斜率處作切線，求出等效的滯后時間τ和等效的時間常數(shù)，以及它們的比值。一般情況下，擴(kuò)充響應(yīng)曲線法適用于多容自平衡系統(tǒng)，其整定步驟如下：（1）斷開數(shù)字控制器，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，并使之穩(wěn)定，然后突然改變給定值，給被控對象一個階躍輸入信號。（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。圖46 擴(kuò)充臨界比例度法（3）選擇必要的控制度。（2）然后是加入階躍信號，慢慢的增大比例系數(shù)，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩狀態(tài)，記下這時候的比例系數(shù)為臨界比例系數(shù)，則能夠得到臨界比例度為 。（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象，不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。理論計算法要求必須知道各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，計算比較復(fù)雜，實際系統(tǒng)很難滿足要求，工程上一般不采用此方法。模擬PID控制器的參數(shù)整定是按照控制性能指標(biāo)要求，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)；而數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，除了需要確定、外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期。確定好PID控制器的結(jié)構(gòu)以后，就要選擇控制器的參數(shù)，也就是進(jìn)行PID控制器的參數(shù)整定。對具有滯后性質(zhì)的被控對象，往往應(yīng)加入微分環(huán)節(jié)。通常，對于具有自平衡性的被控對象，應(yīng)采用含有積分環(huán)節(jié)的控制器，如PI、PID。（四）消除積分不靈敏區(qū)的PID控制算法在數(shù)字PID控制算法增量式中的積分項輸出為： （47）當(dāng)計算機(jī)的運(yùn)算字長較短時，如果采樣周期比較小，而積分時間又比較長，則會使的值小于計算機(jī)字長精度，此時就會被看成“零”而丟掉，積分控制作用就會消失，把這種情況稱為積分不靈敏區(qū)，將影響積分消除靜差的作用。通常，我們希望在滿足系統(tǒng)控制要求的前提下，控制器的輸出越平穩(wěn)越好。這樣，不易引起振蕩，改善了控制效果。 標(biāo)準(zhǔn)PID調(diào)節(jié)器 圖45 不完全微分PID控制器框圖總之，不完全微分?jǐn)?shù)字PID控制器的微分作用輸出逐漸減弱，作用時間長，微分項能在各個采樣周期內(nèi)起到作用。如果輸出值較大，在一個采樣時間內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能到達(dá)應(yīng)到的位置，會使輸出失真。（一）積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法的基本思想是在系統(tǒng)偏差較大時，取消積分作用；而在小于某個閾值時才引入積分作用，即： （46）式中的邏輯系數(shù)為： （β為根據(jù)系統(tǒng)的實際情況設(shè)置的分離閾值）（二）不完全微分PID控制算法對于具有高頻擾動的生產(chǎn)過程，由于標(biāo)準(zhǔn)PID控制算式中的微分作用過于靈敏，導(dǎo)致系統(tǒng)控制過程振蕩，降低了調(diào)節(jié)品質(zhì)。在PID控制算法的增量式中，當(dāng)給定值發(fā)生階躍變化時，由比例項和微分項計算出的控制增量將會增大，如果超過了執(zhí)行機(jī)構(gòu)所允許的最大限度，同樣會引起飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)出現(xiàn)過大的超調(diào)和持續(xù)振蕩，動態(tài)品質(zhì)變差。但過大，會使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)的作用：只要系統(tǒng)存在偏差，積分環(huán)節(jié)就會產(chǎn)生控制作用減小偏差，直到最終消除偏差，但積分作用太強(qiáng)或者過大都會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。圖44為比例積分微分控制器的階躍響應(yīng)曲線。為了加快控制過程，可以通過檢測誤差的變化率來預(yù)報誤差，根據(jù)誤差變化趨勢，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43為比例積分控制器的階躍響應(yīng)曲線。 數(shù)字PID的控制算法1）比例控制器比例控制器是最簡單的一種控制器，其控制規(guī)律為: (43)式中，為控制量的基準(zhǔn)值，即偏差時的控制作用（如閥門原始開度、基準(zhǔn)電壓等）。由式（41）和式（42）可知，PID控制器的輸出是由比例控制、積分控制和微分控制三項組成，三項在控制器中所起的控制作用相互獨(dú)立。PID控制器是一種線性控制器，它將給定值與實際輸出值的偏差的比例、積分和微分進(jìn)行線性組合，形成控制量輸出，結(jié)構(gòu)如圖41所示。他具有算法簡單、魯棒性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 圖317 趨勢圖添加 圖318 在線趨勢圖屬性4 溫度加熱實驗控制策略介紹 PID的控制系統(tǒng) PID控制概述在工業(yè)控制中，PID控制是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。 圖315 鼠標(biāo)事件圖316 C動作腳本3) 實時曲線圖 位于“對象選項板“的”控制“菜單下的”Win CC Online Table“，即Win CC在線趨勢控件（如圖317）所示。 圖313 添加輸入/輸出域 圖314 I/O域組態(tài)2) 按鈕：在“對象選項板”中的“Windows對象”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)行條件選項中可以選擇多種執(zhí)行條件，在“動作”欄，鼠標(biāo)右鍵，可以添加動作事件例如“C動作”或者“直接連接”。下面對圖形界面的編輯中用到的主要對象進(jìn)行簡單的介紹。建立的結(jié)果如圖311所示。圖39 添加驅(qū)動模塊(3) 右鍵點(diǎn)擊MPI通道單元，在快捷菜單中選擇“新驅(qū)動程序的連接”，在“連接屬性”對話框中輸入“cpu3152dp”作為邏輯連接名，然后再點(diǎn)擊“屬性”按鈕，在連接設(shè)置中將插槽號設(shè)置為2。圖37 資源管理器 圖38 創(chuàng)建項目(2) 添加通訊驅(qū)動程序，完成PLC與Win CC之間通信。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)一個項目的步驟是：l 啟動WinCCl 建立一個項目l 選擇以及安裝通訊驅(qū)動程序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 使用變量模擬器測試過程畫面結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計，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。 Win CC組態(tài)設(shè)計及其畫面監(jiān)控的實現(xiàn)WinCC組件分別由組態(tài)軟件和運(yùn)行軟件構(gòu)成。它具有豐富的設(shè)置項目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。對比這三種編程語言，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言，易于明白，使用方便；語句表的話它更趨向于程序員的編程語言，控制可能比較靈活。l STL：語句表，它是用文本編程的形式。不同的編程語言為具有不同知識背景的編程人員提供了選擇。完成后將PLC置于RUN模式。其中調(diào)用了FB41模塊，定義了DB41，在正確完成了程序編寫之后，兩個數(shù)據(jù)塊會自動生成，最終PID程序中Blocks中的結(jié)構(gòu)如圖36。梯形圖程序如圖35所示。創(chuàng)建的符號編輯器的結(jié)果如圖34所示，其中鍋爐溫度定義為“AI1”，它位于模擬量輸入通道的“IW2”，輸出到加熱器的控制信號定義為“AQ1”，地址是模擬量輸出通道的“QW18”。最終得到最后的硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖33所示。d) 對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’，測量范圍為1..5V。圖32 PROFIBUS DP設(shè)置c) 在建立好的‘PROFIBUS（1）’網(wǎng)絡(luò)上添加通信模塊IM1531(6ES71531AA030XB0)。雙擊‘DP’，出現(xiàn)DP屬性對話框。輸入自定義的工程名稱，最后點(diǎn)擊‘Finish’按鈕，結(jié)束對項目的創(chuàng)建過程。下面結(jié)合此次設(shè)計的課題逐一對這六個步驟進(jìn)行展開分析。 STEP7硬件組態(tài)設(shè)置步驟STEP7軟件硬件組態(tài)設(shè)置是來模擬真實的PLC硬件系統(tǒng)，從而對PLC硬件模塊的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的過程。S7300還具有不同種類和不同層次的CPU，為用戶提供了強(qiáng)大的功能。具有模塊化、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等待點(diǎn)。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DC 24V電壓和背板總線上的DC 5V電壓，供其他模塊使用。輸入和輸出模塊是I/O模塊，輸入模塊主要是用來收集輸入信號，模擬量輸入模塊是主要用來接收連續(xù)變化地模擬量電壓電流信號，其都是信號模塊。西門子S7300PLC中的CPU的作用是不斷的采集數(shù)據(jù)來執(zhí)行程序，不斷的去更新輸出結(jié)果。 S7300PLC實驗系統(tǒng)簡述本次系統(tǒng)溫度控制設(shè)計，主要采用的是西門子S7300PLC進(jìn)行編程控制，以PLC控制為核心，PLC將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差，經(jīng)過PID運(yùn)算后得到的信號控制輸出電壓的大小，采用PID算法，運(yùn)用PLC編程語言編程，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實現(xiàn)溫度的自動控制。 開始自診斷與編程器通信讀入現(xiàn)場信號執(zhí)行用戶程序輸出結(jié)果STOPRUN 圖23 PLC工作運(yùn)行階段PLC的這種反復(fù)的的循環(huán)工作模式我們稱做PLC掃描工作方式。PLC會不斷的執(zhí)行用戶的程序，從而能更精確的接收到可能隨時產(chǎn)生變化的輸入信號，直到PLC停止工作。 PLC的工作原理PLC有兩種工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。相當(dāng)于原來的一半都不到。再其具有自己軟件的調(diào)試診斷故障的能力，使得能讓用戶更加快速和方便的發(fā)現(xiàn)故障的所在，從而迅速解決和排除一些小故障。而PLC軟件功能中的梯形圖設(shè)計程序，也是一個很容易掌握和學(xué)習(xí)的知識，其易學(xué)易懂，設(shè)計方法也很明白簡單，能更好的被用戶習(xí)得，編程的時間也大大的減少了。這給用戶正常使用控制器提供了保障，其抗干擾的能力是用戶公認(rèn)的突出優(yōu)點(diǎn)。4) 可靠，抗干擾性能強(qiáng)以往的一些繼電器可能很容易出現(xiàn)問題故障，不能可靠的供用戶使用，但是PLC還有其軟件功能，給用戶解決的不穩(wěn)定的因數(shù)，也排除了很多之前的故障問題。大家能隨心所遇的構(gòu)成根據(jù)不同功能的，自己需要的控制系統(tǒng)，從而使用起來也非常方便可靠。跟同類別的相比具有很明顯的優(yōu)越性和價格低的優(yōu)點(diǎn)。 PLC的特點(diǎn)1) 編程方法簡單易學(xué)PLC編程語言中，梯形圖易學(xué)易懂，圖形比較簡單，是應(yīng)用最多的編程方式，其電路符號和表達(dá)式與繼電器電路原理圖很相似。如圖22圖22 AE2000A實驗控制對象實物圖 西門子可編程控制器隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，PLC可編程控制器的優(yōu)越性就體現(xiàn)的淋漓精致，其凸顯的快速性，穩(wěn)定性，安全方便性越加符合現(xiàn)代社會一些有關(guān)于制造的公司和企業(yè)要求。2）鍋爐：鍋爐內(nèi)膽中有電加熱器，可以控制進(jìn)行加熱。其調(diào)壓裝置是一種四層三端半導(dǎo)體器件，主要工作原理是將四層三端半導(dǎo)體器件，接在電源和負(fù)載中間，配上相應(yīng)的觸發(fā)控制電路板，就可以調(diào)整加到負(fù)載上的電壓、電流和功率，從而實現(xiàn)精密控溫。（2）執(zhí)行裝置：三相可控硅移相調(diào)壓裝置用來調(diào)節(jié)三相電加。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。溫度傳感器熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。2 電加熱過程控制試驗系統(tǒng)裝置簡介 AE2000A型實驗裝置簡述AE2000A型過程控制實驗裝置吸取了國外同類實驗裝置的特點(diǎn)和長處，并與目前大型工業(yè)自動化現(xiàn)場緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的AI智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、DCS(分布式集散控制系統(tǒng))，經(jīng)過精心設(shè)計，多次實驗和反復(fù)論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學(xué)、學(xué)科基地建設(shè)的實驗設(shè)備。（3） 本設(shè)計實驗對象