基于溫控器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 院專 業(yè)學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目基于溫控器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)研究實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):1） 構(gòu)成計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)2） 熟悉溫控器3） 實(shí)驗(yàn)調(diào)試4） thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5） 撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:1） 第12天，查閱文獻(xiàn)，構(gòu)成計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)2） 第34天，熟悉溫控器3） 第56天，實(shí)驗(yàn)調(diào)試4） 第79天，thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5） 第10天，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：201 年 月 日目 錄1 摘要12 溫度控制器簡(jiǎn)介22.1 溫度控制器原理22,2溫度控制器的硬件

2、選擇22.3 pid控制的原理33系統(tǒng)組成53.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介53.2plc簡(jiǎn)介53.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介63.4系統(tǒng)組成64實(shí)驗(yàn)過(guò)程84.1實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明84.2控制手段114.3系統(tǒng)組態(tài)分析124.4pid 參數(shù)的選擇144.5實(shí)驗(yàn)步驟155實(shí)驗(yàn)調(diào)試166實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)177參考文獻(xiàn)191 摘要隨著生產(chǎn)生活的需要，自動(dòng)化控制越來(lái)越起到至關(guān)重要的作用。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中很普遍的過(guò)程控制，人們需要對(duì)各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐等鍋爐中溫度進(jìn)行測(cè)量與控制。特別是冶金，化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用，其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的

3、溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的，工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制具有單向性、時(shí)滯性、大慣性和時(shí)變性的特征，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)溫度控制的快速性和準(zhǔn)確性，對(duì)于對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有很重要的意義。對(duì)于不同的場(chǎng)所、不同的工藝、不同的產(chǎn)品所需要的溫度范圍不同、精度也不同，則采用的溫度測(cè)量元件以及溫度測(cè)量方法和控制方法都有所不同；產(chǎn)品工藝不同、溫度控制的精度不同、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同。因此對(duì)溫度的控制方法要多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)也隨之而產(chǎn)生。溫度控制對(duì)象，在工業(yè)控制過(guò)程中，是相當(dāng)重要的控制對(duì)象，因?yàn)闇囟戎?/p>

4、接的影響到了燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、蒸餾、濃度，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理的和化學(xué)的變化過(guò)程。溫度控制的不好很有可能引起嚴(yán)重的安全事故，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列的問(wèn)題。溫度控制是許多設(shè)備的重要的構(gòu)成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)，以利于進(jìn)行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的變化對(duì)生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會(huì)造成不同程度的影響，所以適時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行控制具有重要的意義。本次計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于溫度控制器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)要求是通過(guò)溫度控制器和現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理，溫度控

5、制器和pid控制規(guī)律，并通過(guò)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)被控對(duì)象的溫度控制?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集控制(即溫度控制器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))。溫度控制器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度控制器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量日漸上升。了解國(guó)內(nèi)外電子溫度控制器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢(shì)對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力十分關(guān)鍵。2 溫度控制器簡(jiǎn)介2.1 溫度控制器原理溫度控制器是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的溫度控制裝置。其主要功能是，根據(jù)用戶設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值來(lái)控制加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變溫度至用戶所需。近些年來(lái)，因?yàn)闇囟瓤?/p>

6、制器環(huán)節(jié)已經(jīng)被納入為分布式控制系統(tǒng)（dcs），個(gè)人電腦（pc）和可編程邏輯控制器（plc），全球工業(yè)電子溫度控制器市場(chǎng)增長(zhǎng)緩慢。隨著我國(guó)電子溫度控制器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。溫度控制技術(shù)無(wú)論在工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活中都起著重要的作用，已成為工業(yè)生產(chǎn)、科研活動(dòng)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié), 能否成功地將溫度控制在所需的范圍內(nèi)關(guān)系到整個(gè)活動(dòng)的成敗。由于控制對(duì)象的多樣性和復(fù)雜性, 導(dǎo)致溫度的控制方法多種多樣，諸如plc控制，和數(shù)字pid調(diào)節(jié)等等。常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為零節(jié)點(diǎn)，超出設(shè)定允許范圍就進(jìn)行溫度調(diào)控，低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實(shí)

7、現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不夠高，容易引起振蕩，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也長(zhǎng)。因此，只能用于精度要求不高的場(chǎng)合。采用pid算法進(jìn)行溫度控制，它具有控制精度高，能夠克服容量滯后的特點(diǎn)，特別適用于精度要求不高的場(chǎng)合。2,2溫度控制器的硬件選擇溫度控制器的硬件選擇通常有兩種方案方案一：利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制本設(shè)計(jì)主要圍繞單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，選取了體積小、精度相對(duì)較高的數(shù)字式溫度傳感器件ds18b20作為溫度采集裝置，以單片機(jī)89c51作為主控芯片，lcd 1602作為顯示輸出。ds18b20直接采集數(shù)據(jù)并以數(shù)字的形式傳到處理器，處理器會(huì)檢查現(xiàn)場(chǎng)溫度并將其與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比對(duì)

8、，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱或者降溫系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)恒溫控制。方案二：利用plc實(shí)現(xiàn)溫度控制利用plc實(shí)現(xiàn)恒溫控制，采用plc控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自控方式，來(lái)保持溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，生成溫差，自適應(yīng)恒溫控制電路根據(jù)差值大小控制電路的通斷。方案一采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高造價(jià)低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化領(lǐng)域和其他測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。綜上

9、所訴采用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制成本低，而且具有較高的可靠性，保證系統(tǒng)工作在最佳工作狀態(tài)提高系統(tǒng)控制精度，有利于提高系統(tǒng)工作效率。對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定要求不是很高的場(chǎng)合非常的合適，采用ds18b20作為溫度傳感器，直接得到數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行運(yùn)算。隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平。方案二采用plc進(jìn)行控制，plc的成本比單片機(jī)高出太多，而且還要提供良好的工作環(huán)境，對(duì)周邊設(shè)備的要求也很高。:所以大多數(shù)溫度控制器采用單片機(jī)作為控制器2.3 pid控制的原理在溫度控制技術(shù)當(dāng)中，pid

10、控制技術(shù)應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)比較廣泛，pid控制器算法簡(jiǎn)單，計(jì)算量少，恒溫效果穩(wěn)定。所以溫度控制器通常采用pid算法進(jìn)行溫度控制。下面介紹pid控制比例、積分、微分控制是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，簡(jiǎn)稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問(wèn)世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用

11、pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（p）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單,最常用的控制方式4。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分（i）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大

12、，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（d）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能

13、預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。pid的基本算式有：位置型、增量型和速度型三種形式，其中最常用的事增量型式。設(shè)u(n)為本周期pid控制器的輸出（控制量），e(n)為本周期的pid輸入偏差信號(hào)，e(n-1)為上一個(gè)周期的偏差信號(hào)，e(n-2)為上上個(gè)周期的偏差信號(hào)。kp 為比例增益，ti為積分時(shí)間，td為微分時(shí)間，則pid基本算式的公式如下：1）位置型pid算式 （3.1）根據(jù)微分方程和差分方程的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知

14、，如果微分方程中的積分運(yùn)算對(duì)應(yīng)差分方程 的累加運(yùn)算，微分方程對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的增量變化，則能很容易的推導(dǎo)出表達(dá)式3.1。2）增量型pid算式 （3.2）由增量型pid算式也可以得到pid控制器的位置輸出： （3.3）3）pid一般算式及模擬控制規(guī)律u（t）=kce(t)+ (3.4)pid算法的原理即調(diào)節(jié)kc,ti,td三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到平衡。pid 控制原理的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在控制過(guò)程中根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律不停地自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定的平衡狀態(tài)過(guò)度, 最后達(dá)到控制范圍精度內(nèi)的穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。要使用好pid 控制原理, 關(guān)鍵在于根據(jù)實(shí)際情況確定pid 的各種參數(shù)，可以調(diào)整pid控制

15、參數(shù)，滿足不同控制對(duì)象與控制品質(zhì)要求。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間大小。這項(xiàng)工作可能是費(fèi)時(shí)的, 但做好了, 將會(huì)提高控制器的使用效果, 達(dá)到較高的控制精度, 是值得的。3系統(tǒng)組成3.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介所謂計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，就是有計(jì)算機(jī)去取代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中控制器的相關(guān)功能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)主要包括計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸入/輸出通道和檢測(cè)與執(zhí)行裝置。對(duì)于大部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其被控過(guò)程通常為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，因此需要經(jīng)過(guò)對(duì)連續(xù)信號(hào)的采樣過(guò)程，將連續(xù)信號(hào)離散化，以便計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。由于引入計(jì)算機(jī)與數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可以歸納為以下三個(gè)步驟：實(shí)時(shí)

16、數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)決策，實(shí)時(shí)控制。以上三個(gè)步驟按順序執(zhí)行，從而使整個(gè)系統(tǒng)按照一定性能指標(biāo)的要求進(jìn)行工作、工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來(lái)的一門專業(yè)技術(shù)，它主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通過(guò)信息技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。3.2plc簡(jiǎn)介可編程控制器(programmable controller)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（plc、工業(yè)機(jī)器人、cad/cam）之一。plc的工作方式是一個(gè)不斷循

17、環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。 cpu 從第一條指令開(kāi)始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描。 plc 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù),由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制,使控制系統(tǒng)的體積增大,耗電多,效率不高且易出故障,不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的plc控制技術(shù)所取代。 而plc本身優(yōu)異的性能使基于plc控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有

18、相當(dāng)?shù)囊饬x。3.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型應(yīng)用形式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fcs）是在分布式控制系統(tǒng)（dcs）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高級(jí)形式，其核心是引入現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)各種智能設(shè)備與中央監(jiān)控之間的全數(shù)字，雙向通訊網(wǎng)絡(luò)，是一種專門面向工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)，高可靠性數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。fcs中的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備為具有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線接口的數(shù)字化多功能儀表，采用總線供電，具有本質(zhì)安全性，一般具有良好的互換性與互操作性。與傳統(tǒng)的dcs相比，fcs主要改變了現(xiàn)場(chǎng)控制層的結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)dcs中的相對(duì)集中現(xiàn)場(chǎng)控制，而將其化整為零，分散于各種現(xiàn)場(chǎng)儀表與設(shè)備，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)

19、成相應(yīng)的控制回路，實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制。3.4系統(tǒng)組成溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的需要選擇硬件，然后將選擇的硬件組成控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和方框圖如圖3-1所示。在以plc控制為核心，加熱爐為基礎(chǔ)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，plc將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測(cè)量值之間的偏差經(jīng)pid運(yùn)算后得到的信號(hào)控制輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制的目的。文章介紹了基于s7-300溫度控制系統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。因此，應(yīng)以plc為核心組成一個(gè)專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測(cè)、控制應(yīng)用類型的功能要求。

20、另外，plc的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)界面及多機(jī)通信皆空提供了可能。本次課程設(shè)計(jì)用thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。以plc為控制器，鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。試驗(yàn)中鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻tt1檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制柜及上位監(jiān)控pc機(jī)三部分組成。本實(shí)驗(yàn)裝置控制柜中的cpu模塊采用cp5611網(wǎng)卡進(jìn)行通訊通訊方式。通訊協(xié)議

21、為profibus-dp。圖3-1 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測(cè)試系統(tǒng)a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖如圖3-2所示。圖3-2 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖本實(shí)驗(yàn)主要涉及兩路信號(hào)，一路是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)鍋爐內(nèi)膽溫度，另外一路是控制移項(xiàng)調(diào)壓模塊輸出的控制信號(hào)。鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測(cè)裝置為pt100熱電阻，pt100熱電阻檢測(cè)到的信號(hào)傳送給溫度變送器，本系統(tǒng)采用帶profibus-pa通訊接口的溫度變送器，掛接在profibus-pa總線上，profibus-pa總線通過(guò)link和coupler組成的dp鏈路與profibus-dp總線交換數(shù)據(jù)，profibus-dp總線上掛接有控制器cpu315-2 dp，這樣

22、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)為移項(xiàng)調(diào)壓塊，移項(xiàng)調(diào)壓模塊所需的控制信號(hào)是4到20ma電流信號(hào)?？刂菩盘?hào)由控制器cpu315-2 dp發(fā)出，經(jīng)由profibus-dp總線到達(dá)分布式i/o模塊et200m，模擬量輸出模塊sm332和分布式i/o模塊et200m直接相連，最后模擬量輸出4到20ma電流信號(hào)控制移項(xiàng)調(diào)壓模塊的輸出電壓。4實(shí)驗(yàn)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)，使其鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值。該系統(tǒng)由水箱、閥門、變頻器、磁力泵、鍋爐內(nèi)膽、三相調(diào)壓裝置、電加熱管、溫度傳感器、可編程邏輯控制器等組成。pid控制器通過(guò)檢測(cè)溫度信號(hào)實(shí)時(shí)控制

23、調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度以及可控硅的電壓，使鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值左右的一定范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)可以通過(guò)外部端子的開(kāi)關(guān)或者遠(yuǎn)程監(jiān)控，使系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行pid運(yùn)算，保證最后鍋爐內(nèi)的水溫。4.1實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖如圖4-1所示：一、本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要由水箱、鍋爐和盤(pán)管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（380v恒壓供水）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、（上、中、下）三個(gè)串接有機(jī)玻璃水箱、4.5kw三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成)、盤(pán)管和敷塑不銹鋼管道等組成。1

24、水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。2模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐。3盤(pán)管：模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，4管道及閥門：整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，圖4-1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖檢測(cè)裝置1壓力傳感器、變送器：三個(gè)壓力傳感器分別用來(lái)對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其量程為05kp，2溫度傳感器：裝置中采用了六個(gè)pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤(pán)管（有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)）以及上水箱出口的水溫。3模擬轉(zhuǎn)換器：三個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器（渦輪流量計(jì)）分別用來(lái)對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤(pán)管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能

25、直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。2水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16cq-8p，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180w。3電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。4三相電加熱管：由三根1.5kw電加熱管星形連接而成，用來(lái)對(duì)鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進(jìn)行加溫，每根加熱管的電阻值約為50左右。二、“thj-3型 西門子plc過(guò)程控制系統(tǒng)”的控制柜主要由電源控制組件、西門子plc控制組件、變頻器控制組件等幾部分組成。1、電源控制組件充分考慮人身安全保護(hù)，裝有漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)。接上三相四線電源，打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)，此時(shí)三只電壓表均指示380v左右，控制柜后面的插座帶電；打

26、開(kāi)風(fēng)扇開(kāi)關(guān)，可以給控制柜散熱；打開(kāi)控制站電源，西門子s7-300plc既可上電。打開(kāi)三相電源開(kāi)關(guān)后，打開(kāi)三相磁力泵和三相電加熱管開(kāi)關(guān)既可各自上電。打開(kāi)單相電源開(kāi)關(guān)后，打開(kāi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、電磁閥開(kāi)關(guān)既可各自上電。2、西門子plc控制組件在本裝置中采用了s7-300plc控制系統(tǒng)。s7-300plc控制系統(tǒng)：本實(shí)驗(yàn)裝置采用了的中小型plc（cpu315-2dp主機(jī)模塊，sm323：8路數(shù)字量輸入輸出模塊，sm331：8路模擬量輸入模塊，sm332：4路模擬量輸出模塊，cp343-1以太網(wǎng)模塊。）以及一塊西門子cp5611專用網(wǎng)卡和一根mpi網(wǎng)線。3、交流變頻器采用日本三菱公司的fr-d720s

27、-0.4k-cht型變頻器，控制信號(hào)輸入為420madc，交流220v變頻輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。4、三相移相scr調(diào)壓裝置采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為420ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來(lái)控制電加熱器的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。三、本裝置中plc控制方案采用了德國(guó)西門子公司的s7-300plc，采用的是step 7編程軟件。利用這個(gè)軟件可以對(duì)plc進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。s7-300plc控制方案采用wincc軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件，西門子公司的wincc是wlndowscontroiconter(視窗控制中心)的簡(jiǎn)稱。

28、 wincc是結(jié)合西門子在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和microsoft的強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。作為一個(gè)國(guó)際先進(jìn)的人機(jī)界面(hmi)軟件和scada系統(tǒng)，wincc提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板；并具有高性能的過(guò)程耦合、快速的畫(huà)面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)；wincc還為用戶解決方案提供了開(kāi)放的界面，使得將wincc集成入復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)化項(xiàng)目成為可能。4.2控制手段實(shí)踐證明溫度對(duì)象的特點(diǎn)是:時(shí)間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時(shí)間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關(guān)，通常溫度的上升與下降和時(shí)間的關(guān)系是一

29、個(gè)指數(shù)曲線關(guān)系。而產(chǎn)生滯后則與熱量的傳遞過(guò)程有關(guān)，再者測(cè)溫元件也有一定的慣性，這些都會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱儲(chǔ)存能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因?yàn)榭梢詫⑺鼩w于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，熱過(guò)程大多具有較大的滯后，它對(duì)于任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一些時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對(duì)于這樣存在大的滯后特性的過(guò)度過(guò)程控制，一般可以采用以下幾種控制方案。1）、輸出開(kāi)關(guān)量控制2）、比例控制（p控制）3）、比例積分控制（ip控制）4）、比例積分加微分控制（ipd控制）結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與我們采用比例積分加微分（pid）控制。其特點(diǎn)是微分的

30、作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著地效果。在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，同時(shí)積分作用可以消除余差。采用pid的控制方式，可以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度，調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。通過(guò)以上的分析，系統(tǒng)的總的滯后時(shí)間比較大，升溫的滯后時(shí)間相對(duì)降溫來(lái)說(shuō)是比較小的。因此，在pid調(diào)節(jié)中，要使系統(tǒng)的品質(zhì)變好，除了加入適當(dāng)?shù)姆e分以消除靜態(tài)誤差外，還應(yīng)該加強(qiáng)比例作用使調(diào)節(jié)更加靈敏，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)還應(yīng)該加入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?，使系統(tǒng)的超調(diào)量減小。在本次課程設(shè)計(jì)中，pid控制器通過(guò)檢測(cè)溫度信號(hào)實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度以及三相調(diào)壓模塊的輸出電壓，使鍋爐內(nèi)膽水

31、溫保持在給定值左右的一定范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)不僅采用自動(dòng)控制原理，而且采用控制調(diào)節(jié)閥流量的開(kāi)度的可變量來(lái)精確的控制鍋爐內(nèi)膽的水溫。4.3系統(tǒng)組態(tài)分析組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過(guò)程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中，如dcs(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，plc梯形圖組態(tài)。人機(jī)界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實(shí)時(shí)監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運(yùn)行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。wincc是西門子公司開(kāi)發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，通過(guò)wincc可以與step7通訊，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制。監(jiān)控

32、設(shè)計(jì)畫(huà)面如圖4-2所示。 圖4-2 實(shí)驗(yàn)界面wincc指的是windows control center，它是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫(huà)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 是基于windows nt 32位操作系統(tǒng)的，在windows nt或windows 2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，wincc具有控制自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能 ，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性價(jià)比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。wincc的顯著特性就是全面開(kāi)放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確的滿足控制系

33、統(tǒng)的要求。不僅如此，wincc還建立了像dde、ole等在windonws程序間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無(wú)困難的集成activex控制和opc服務(wù)器、客戶端功能。wincc的通訊連接和畫(huà)面組態(tài)方法wincc的通訊連接是組態(tài)上位機(jī)監(jiān)控界面的第一步。在wincc的變量管理器里添加新的驅(qū)動(dòng)程序之后，你就會(huì)看到wincc有很多種通訊連接方式，根據(jù)你的通訊硬件配置選取正確的通訊連接方式。wincc比較常用的的通訊方式有mpi、profibus和工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，本系統(tǒng)在上位監(jiān)控機(jī)和控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)方式通訊，在控制器和現(xiàn)場(chǎng)裝置之間采用profibus方式通訊。wincc中建立和plc通訊連接所必須的

34、組態(tài)步驟。1、通訊驅(qū)動(dòng)程序wincc中的通訊通過(guò)使用各種通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成，對(duì)于不同總線系統(tǒng)上不同plc的連接，會(huì)有相應(yīng)的通訊驅(qū)動(dòng)程序可用。2、通道單元變量管理器中的通訊驅(qū)動(dòng)程序條目包含一些子條目，這就是通常所說(shuō)的通訊驅(qū)動(dòng)程序的通道單元，每個(gè)通道單元構(gòu)成一個(gè)確定的從屬硬件驅(qū)動(dòng)程序,pc通訊模塊的接口必須對(duì)通道單元尋址的通訊模塊進(jìn)行定義。3、連接通道單元要讀寫(xiě)plc的過(guò)程值，必須建立與該plc的連接。通過(guò)右鍵單擊相應(yīng)的通道單元條目，并從彈出式菜單中選擇“新建驅(qū)動(dòng)程序連接”來(lái)建立wincc與plc之間的連接。4、wincc變量要獲得plc中的某個(gè)數(shù)據(jù)，必須組態(tài)wincc變量，相對(duì)于沒(méi)有過(guò)程驅(qū)動(dòng)程序

35、連接的內(nèi)部變量，我們稱這些變量為外部變量。在wincc中建立了通訊連接和wincc變量之后，接下來(lái)重要的一步就是畫(huà)面組態(tài)了。用鼠標(biāo)左鍵單擊wincc變量管理器窗口中的“圖形編輯器”條目，再在右邊窗口空白處右鍵單擊，選擇“新建畫(huà)面”條目，右邊窗口就會(huì)出現(xiàn)新建的畫(huà)面，鼠標(biāo)左鍵雙擊，進(jìn)入圖形編輯器。組態(tài)界面設(shè)計(jì)完畢，保存并激活wincc，運(yùn)行工程，可以查看變量曲線的變化，通過(guò)對(duì)pid相應(yīng)控制參數(shù)的設(shè)定，就可以讓測(cè)量值跟蹤設(shè)定值，達(dá)到pid控制的目的，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上對(duì)控制對(duì)象的監(jiān)控。本實(shí)驗(yàn)中組態(tài)是通過(guò)通訊協(xié)議使上位機(jī)監(jiān)視工藝流程的各個(gè)環(huán)節(jié)的情況，并根據(jù)要求隨時(shí)提供控制信號(hào)。其主要功能有實(shí)時(shí)處理、繪出實(shí)

36、時(shí)溫度曲線、記錄溫度歷史曲線、記錄及顯示報(bào)警和參數(shù)修改。4.4pid 參數(shù)的選擇pid控制算法結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種pid的變型，如pi、pd控制及改進(jìn)的pid控制等。它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，本課程設(shè)計(jì)選用pid控制規(guī)律控制溫度。如前所述, pid 的主要參數(shù)是kp、ti 及td。其選擇方法是: 首先根據(jù)控制系統(tǒng)的特性確定k p 的極性。在本文中, 其極性應(yīng)為負(fù), 而不是正極性; 并且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 本系統(tǒng)雖然屬于具有延遲效應(yīng)的溫度控制系統(tǒng), 但kp 不能選擇過(guò)大, 否則將不穩(wěn)定。其次, ti 及td 的選擇相對(duì)而言就不是

37、很嚴(yán)格了, 可根據(jù)設(shè)計(jì)者的要求(如希望積分作用明顯還是微分作用明顯) 而定。關(guān)于采樣周期則可以根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的延遲時(shí)間而定, 一般可選擇比系統(tǒng)響應(yīng)稍快些即可, 選擇過(guò)小的采樣周期反而不好。本文選擇的是與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)?shù)牟蓸又芷? 約0.3 0.5s。pid 參數(shù)的選擇不是唯一的, 但一定要選擇好關(guān)鍵參數(shù)。在本文中則應(yīng)仔細(xì)選擇kp ,然后再選擇其它參數(shù)。只要一組pid 參數(shù)能夠較好地用于控制系統(tǒng), 并且控制效果也是較好的, 則說(shuō)明這樣一組參數(shù)是合適的。經(jīng)過(guò)上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運(yùn)之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法

38、。理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過(guò)理論的計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數(shù)。這類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于工程整定法，工程人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所學(xué)的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。

39、（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) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)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)若經(jīng)過(guò)步驟（2），pi控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成pid控制。先置微分時(shí)間td=0，逐漸加大td，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和pid控制參數(shù)。采樣

40、周期的分析采樣周期ts越小，采樣值就越能反應(yīng)溫度的變化情況。但是，ts太小就會(huì)增加cpu的運(yùn)算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒(méi)什么變化，將是pid控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應(yīng)使采樣時(shí)間太小。，確定采樣周期時(shí)，應(yīng)保證被控量迅速變化時(shí)，能用足夠多的采樣點(diǎn)，以保證不會(huì)因采樣點(diǎn)過(guò)稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時(shí)間不能太短，一般是15s20s，本系統(tǒng)采樣17s4.5實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)選擇鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門f2-1、f2-6、f1-13全開(kāi)，將鍋爐出水閥門f2-12關(guān)閉，其余閥門也關(guān)閉。打

41、開(kāi)變頻磁力泵電源給鍋爐內(nèi)膽貯一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關(guān)閉閥f1-13，打開(kāi)閥f1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準(zhǔn)備。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟如下。1.弱電連線：將“tt1 鍋爐溫度”（pt100電阻信號(hào)）對(duì)應(yīng)接至模擬量輸入通道e1、s1、c1；將模擬量輸出通道ao0接至scr移相調(diào)控輸入，模擬量輸出通道ao1接至變頻器控制信號(hào)。2接通總電源空氣開(kāi)關(guān)，閉合三相電源和單向電源，打開(kāi)變頻器和控制站電源，給變頻器、s7-300plc上電。3打開(kāi)step 7軟件，打開(kāi)“s7-300plc”程序進(jìn)行下載，然后將s7-300plc置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行wincc組態(tài)軟件，打開(kāi)“s7

42、-300plc控制系統(tǒng)”工程，然后激活wincc運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)六、鍋爐內(nèi)膽水溫pid控制”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)六”的監(jiān)控界面。4將wincc設(shè)置為“手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值（50%70%）。5打開(kāi)三相電加熱管開(kāi)關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫平衡于設(shè)定值。6按經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇pid控制規(guī)律，并按整定后的pid參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，待水溫平衡后，突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過(guò)大，一般為設(shè)定值的515%

43、為宜），于是鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值，記錄此時(shí)的設(shè)定值、輸出值和參數(shù)。8適量改變pid參數(shù)，重復(fù)步驟6，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。9打開(kāi)變頻器電源開(kāi)關(guān)，給變頻器上電，將變頻器設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率（25hz左右對(duì)應(yīng)wincc開(kāi)度為50%），變頻器支路開(kāi)始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟48，觀察實(shí)驗(yàn)的過(guò)程曲線與前面不加冷水的過(guò)程有何不同。10分別采用p、pi、pd控制規(guī)律重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察在不同的pid參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。5實(shí)驗(yàn)調(diào)試實(shí)驗(yàn)調(diào)試分為plc程序調(diào)試和wincc調(diào)試plc程序的調(diào)試分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試兩個(gè)調(diào)試過(guò)程，在此之前首先對(duì)p

44、lc外部接線作仔細(xì)檢查，外部接線一定要準(zhǔn)確無(wú)誤。也可以用事先編寫(xiě)好的試驗(yàn)程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來(lái)查找接線故障。為了安全考慮，最好將主電路斷開(kāi)。將編寫(xiě)完成的程序逐條仔細(xì)檢查，并改正寫(xiě)入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。當(dāng)我寫(xiě)完程序過(guò)后，首先編譯檢查錯(cuò)誤，看使用的語(yǔ)句中是否有違反plc規(guī)定的用法，發(fā)現(xiàn)了語(yǔ)句錯(cuò)誤過(guò)后馬上進(jìn)行修改，通過(guò)多次的修改，最后程序沒(méi)有語(yǔ)言錯(cuò)誤，下面就是檢查是否有邏輯錯(cuò)誤，看整個(gè)程序的運(yùn)行狀況怎么樣，能否達(dá)到預(yù)期的效果。wincc的調(diào)試也是主要檢查各個(gè)變量是否準(zhǔn)確無(wú)誤的連接上了，是否能正常的通訊。(1) 在“參數(shù)設(shè)置”窗口上，分別設(shè)置六個(gè)參數(shù)，然后將窗口切換“系統(tǒng)運(yùn)行”窗口，點(diǎn)擊啟動(dòng)和自動(dòng)控制，觀察“實(shí)時(shí)曲線”窗口，五分鐘后，在實(shí)時(shí)曲線中記錄的曲線為給定和實(shí)際溫度值，符合參數(shù)設(shè)置中的給定值，