【正文】 圖 數(shù)學(xué)模型加熱爐內(nèi)水溫為被控對象，循環(huán)冷卻水的流量為操縱變量。冷卻水入口溫度T i=20℃，冷卻水出口溫度T o=50℃。首先創(chuàng)建M文件，輸入Matlab仿真程序：clc； clear；sysl=tf（,[407,1],’ioDelay’,30）；step（sys1） 在matab中輸入仿真程序然后保存并且運(yùn)行，可加熱爐以得到對象的響應(yīng)曲線為下圖所示。 單閉環(huán)控制回路采用工程整定經(jīng)驗(yàn)法[10]，設(shè)置PID的三個(gè)參數(shù)，如下圖 PID三個(gè)參數(shù)階躍響應(yīng)閉環(huán)控制效果圖如下 PID 控制階躍響應(yīng)曲線（工程整定經(jīng)驗(yàn)法）由上述仿真圖可看出，采用數(shù)字PID控制對電加熱爐溫度對象進(jìn)行閉環(huán)單回路控制滯后較大，控制效果不是非常理想，故考慮對其進(jìn)行串級控制。嚴(yán)格地說，所有的工業(yè)過程都存在非線性，只是非線性的程度不同而己。但是對于存在嚴(yán)重非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線性化的處理方法常會產(chǎn)生很大的偏差，甚至?xí)贸鐾耆喾吹慕Y(jié)論。2．大時(shí)滯特性。時(shí)滯的存在給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了不利的影響，調(diào)節(jié)作用的不及時(shí)會導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)變差，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩。從50 年代末以來，在時(shí)滯控制方面先后出現(xiàn)了基于模型的方法(如Smith預(yù)估控制、最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等)和無模型的方法兩大類，然而對于時(shí)滯系統(tǒng)的模型不確定性和干擾的不可知性，非參數(shù)模型顯得更為有效，開發(fā)設(shè)計(jì)出各種智能控制方法或以不同的方式結(jié)合在一起，將是解決工業(yè)大時(shí)滯過程的有效途徑匯。在電加熱爐的控制過程中，包含了較多的過程變量，而且這些變量之間又常以各種形式相互關(guān)聯(lián)著，任何一個(gè)變量的變化往往可能引起其他的變量發(fā)生變化，使系統(tǒng)的控制難以達(dá)到滿意的指標(biāo)。在變量間的關(guān)聯(lián)比較緊密的情況下，不能簡單地將系統(tǒng)分為若干個(gè)單變量系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，否則不但得不到滿意的控制效果，甚至得小到穩(wěn)定的控制過程。加熱爐控制系統(tǒng)包括溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)四大部分組成。S7300 適用于各行各業(yè)的檢測，檢測以及控制的自動化，同時(shí)具有極高的可靠性、豐富的指令集和內(nèi)置的集成功能、強(qiáng)大的通信能力和豐富的擴(kuò)展模塊。本文提出一種適合電加熱爐對象特點(diǎn)的控制算法，并以PLC 為核心，組成加熱爐自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其控制精度，可靠性，穩(wěn)定性指標(biāo)均遠(yuǎn)高于常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。在流量增大的同時(shí)，鍋爐的出口溫度隨著降低，使溫度控制器的輸出減小，從而使差值減小，又使控制閥的開度增大，也使鍋爐的出口溫度降低，兩者共同作用，保持鍋爐出口溫度的穩(wěn)定。在流量增大的同時(shí)，鍋爐的液位隨著降低，使液位控制器的輸出減小，從而使差值減小，又使控制閥的開度增大，同時(shí)使鍋爐的液位升高，兩者共同作用，保持鍋爐液位的穩(wěn)定。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應(yīng)速度?！　?） 用于克服被控過程的純滯后 　　被控過程中存在純滯后會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。這會導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。2 串級控制系統(tǒng)的工作過程　　當(dāng)擾動發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。　　2）能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動。4）對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)第三章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及儀表選型準(zhǔn)確生成有效的爐溫監(jiān)測信號是提高恒溫控制精度的前提。本控制系統(tǒng)能將該信號進(jìn)行慮波處理和調(diào)整放大，準(zhǔn)確生成爐溫監(jiān)測的線性控制信號，以保證爐溫的精確控制。另外由于對流和輻射引起的熱量散失、加減爐料引起的溫度變化和電源波動等因素的影響，使得控制參數(shù)隨時(shí)間變化，其控制過程很難用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。為使控制系統(tǒng)具有通用性，本系統(tǒng)加熱電阻可使用單相和三相負(fù)載，可控硅可選用多種加熱功率，PLC和現(xiàn)場的輸入輸出有通用的接口。 PROFIBUS 現(xiàn)場總線介紹現(xiàn)場總線（Fieldbus）是用于過程自動化、樓宇自動化、家庭自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成[14]。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO7498 標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層作為用戶接口，隱去了第3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合。PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。其中，PROFIBUS DP用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器（如PLC、PC），通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如I/O, 驅(qū)動器, 開關(guān)等）進(jìn)行通信。在用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送時(shí), 主站周期地讀取從設(shè)備的輸入信息并周期地向從站設(shè)備發(fā)送輸出信息。如圖所示，本控制系統(tǒng)主要由PROFIBUSDP現(xiàn)場總線中的一臺PC機(jī)作為主站，西門子ET200S作為從站，通過它連接受控對象。電源擴(kuò)展板選件用于提供獨(dú)立于PC電源的供電，使WINAC SLOT在PC斷電時(shí)也可以正常運(yùn)行。而通過PROFIBUSDP現(xiàn)場總線連接至SLOT PLC（CPU4122 PCI）的PROFIBUSDP接口上ET200S模塊，則作為控制從站。而受控對象（電加熱爐）的變送器檢測信號和執(zhí)行器的操作信號將通過信號線被準(zhǔn)確地連接到ET200S上的AI、AO模塊上[15]。這種控制方式多采用由熱電偶構(gòu)成的反饋控制，對加熱電阻只進(jìn)行全通和全斷的兩態(tài)控制，難以達(dá)到提高溫度控制精度的要求，控制系統(tǒng)必須在溫度控制的動態(tài)過程中具有自整定和自適應(yīng)控制參數(shù)的功能?？蛇m配K、S、E、J、T等型號的熱電偶，以適應(yīng)多種場合和不同溫度值的控制要求。PLC根據(jù)爐溫控制狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，生成時(shí)變的占空比控制信號，動態(tài)控制可控硅的供電功率，并完成系統(tǒng)起動、停止、保護(hù)等邏輯控制?？煽毓杩筛鶕?jù)不同加熱功率選用不同的輸出電流，也可選用單相或三相加熱方法[20]。當(dāng)溫差ΔT=ToT逐漸減小時(shí)，誤差電壓Vt逐漸下降，PLC輸出間斷電平，可控硅間斷導(dǎo)通。當(dāng)ΔT=ToT2℃溫差進(jìn)一步減小，Vt低于最低溫差電壓或爐溫T上升過快時(shí)，PLC輸出關(guān)斷電平，可控硅關(guān)斷，電爐電功率為零。1℃時(shí)，誤差電壓Vt相對穩(wěn)定，PLC輸出相對穩(wěn)定的間斷控制電平，可控硅間斷導(dǎo)通，使電爐平均電功率與熱損耗達(dá)到平衡，維持爐溫恒定。PLC根據(jù)Vt數(shù)值的變化進(jìn)行計(jì)算，輸出占空比升高或降低的間斷控制電平，使可控硅平均導(dǎo)通電流增大或減小，增加或減小電功率以適應(yīng)爐溫的波動。誤差電壓Vt經(jīng)模擬量輸入模塊輸入PLC，并與預(yù)存于PLC數(shù)據(jù)寄存器中的門限電平值Vd、Vg（變參數(shù)控制時(shí)Vt的變化范圍：Vd≤Vt≤Vg)進(jìn)行比較,若VtVd,PLC輸出關(guān)斷電平(低電平)，使三相可控硅關(guān)斷，電阻輸出零功率；若VtVg,PLC輸出全通電平(高電平),使三相可控硅全通，電阻滿功率加熱；若Vd≤Vt≤Vg，根據(jù)占空比數(shù)值的大小，PLC經(jīng)過程序運(yùn)算，輸出相應(yīng)占空比的間斷控制電平，使三相可控硅間斷導(dǎo)通，電熱絲間斷加熱。此外，為保證系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，防止控制過程的振蕩。計(jì)算機(jī)電熱爐溫度變送器A/D轉(zhuǎn)換PLCD/A轉(zhuǎn)換溫度變送器開關(guān)可控調(diào)壓裝置 ~220V 溫度控制系統(tǒng) 恒壓控制系統(tǒng) 恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)基本情況 ：系統(tǒng)由變頻器、數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程序控制器（PLC）、傳感器、水泵電機(jī)及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能設(shè)備。系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸入至可編程控制器（PLC）的輸入模塊，信號經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號進(jìn)行比較運(yùn)算，得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值，控制泵站投運(yùn)水泵的臺數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU指令實(shí)施軟啟動、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)控制功能 ，可具備全循環(huán)軟起動功能；2. 具有自動、手動切換和手動操作裝置，不使用控制柜時(shí)，可用手工操作使水泵直接在工頻下運(yùn)行；：控制水泵（包括備用泵）周期性自動交換使用，使水泵壽命基本一致；，有故障顯示功能；，是為了適應(yīng)小流量情況下（如夜間）的使用，系統(tǒng)能自動切換并控制（可選功能）；，或者自動變頻以適應(yīng)消防供水要求；7. 缺相、漏電、過載、瞬時(shí)斷電保護(hù)等電氣保護(hù)功能。壓力傳感器將供水管道中的水壓變換為電壓信號，經(jīng)放大器放大后送至壓力調(diào)節(jié)器與壓力給定信號相比較，其差值經(jīng)PI運(yùn)算后去控制變頻器的輸出頻率，同時(shí)可編程序控制器控制水泵在電路與變頻器輸出之間進(jìn)行切換，改變泵組的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。上位機(jī)軟件用于生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)。由于PLC內(nèi)有較多的內(nèi)部位存儲器和字存儲器、計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器等元件，可以充分地利用它們進(jìn)行邏輯編程，它的輸入輸出各種信號可以反復(fù)使用，很容易實(shí)現(xiàn)自鎖、互鎖和定值、定位控制。STEP 7 為自動化項(xiàng)目中所有的階段提供功能 – 從項(xiàng)目規(guī)劃到投入運(yùn)行、測試和維修?！　TEP 7 既包含設(shè)備硬件配置，也包含模塊的參數(shù)化。F 模塊的項(xiàng)目規(guī)劃正如在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃中一樣，使用 HW 配置，即 STEP 7 配置工具來實(shí)現(xiàn)。帶有 SIMATIC 管理器的 STEP 7 包含用于項(xiàng)目管理的集中式工具。使用 STEP 7 使得通訊連接在項(xiàng)目范圍內(nèi)達(dá)到圖形化確定。它被分為若干簡單的、易于測試的單元，即所說的模塊。 S7 分布式安全提供指令、操作和模塊，以實(shí)現(xiàn) KOP 和 FUP 中的安全程序。V 認(rèn)證的模塊庫可供用于安全功能。在安全程序設(shè)計(jì)中 S7 分布式安全也包含故障識別功能和安全檢查。除安全程序外，可以在 CPU上同時(shí)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)程序。 圖 S7 分布式安全 》VmK=1生成關(guān)斷控制電平 K=0生成間斷控制電平讀k的數(shù)值 計(jì)算控制電平占空比K=f(Vt) 開始間隔5s讀取VtVt《VdVt《Vg生成全通控制電平 PLC 溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 本套控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件采用SIEMENS 公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件SIMATICWINCC。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性。WinCC，這一運(yùn)行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，已發(fā)展成為歐洲市場中的領(lǐng)導(dǎo)者，乃至業(yè)界遵循的標(biāo)準(zhǔn)。WinCC 具有突出的優(yōu)點(diǎn)：通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語言支持，全球通用；可以集成到所有自動化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡便；集成的Historian 系統(tǒng)作為IT 和商務(wù)集成的平臺；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展；“全集成自動化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。 WinCC是SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)及其它西門子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件。通過利用“FDA選件”，并在工程與組態(tài)時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?這在白皮書中已闡明— SIMATIC WinCC符合制藥和食品行業(yè)FDA 21 CFR Part 11的要求(FDA = 美國食品和藥物管理局)。WinCC提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通過S7協(xié)議集)的通訊，以及如PROFIBUSDP/ FMS、DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC(用于過程控制的OLE)，等非專用通道；你亦能以附加件的形式獲得其它通訊通道。 西門子公司的WinCC集成了SCADA、組態(tài)、腳本（Script）語言和OPC等先進(jìn)技術(shù), 為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC提供了一個(gè)稱為“SIMATIC S7 Protocol”的通訊驅(qū)動程序，這個(gè)通訊程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型，通過它的通道單元可以實(shí)現(xiàn)WinCC與各種SIMATIC S7 PLC以及WinAC的通訊。之后在“Component Configurator”中指定PC站的名字（即：“ZDH32”） 圖 系統(tǒng)硬件組態(tài) 　 然后打開WinAC控制面板。如果組態(tài)沒問題，下載正確，則控制面板上的RUN指示燈會變?yōu)榫G色。本系統(tǒng)在WinCC變量管理器中添加新的驅(qū)動程序，先選擇驅(qū)動程序類型為“SIMATIC S7