畢業(yè)論文-基于PLC的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

上海開放大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）題目： 基于PLC的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計分校（站、點(diǎn)）：閔行二分校年級、專業(yè)：2012春機(jī)電一體化教育層次：專科學(xué)生姓名：金岳雷學(xué)號：128020425指導(dǎo)教師：費(fèi)冬青完成日期：2014年12月9號目錄TOC\o"1-3"\u內(nèi)容摘要 I一、溫度控制系統(tǒng)簡介 1二、PID控制原理 1三、時間比例控制 2四、實驗設(shè)備選型、搭建與測試 3五、手工算法調(diào)節(jié)溫度程序設(shè)計與測試 5六、PID控制程序設(shè)計與調(diào)試 8七、總結(jié) 11參考文獻(xiàn)： 11致謝 12PAGE12內(nèi)容摘要與關(guān)鍵詞內(nèi)容摘要PID控制是目前普遍應(yīng)用的控制方法，而溫度控制也是一種典型的控制應(yīng)用。本文通過手工算法與PID算法的比較，獲得了溫度控制的第一手的資料，達(dá)到了較理想的溫度控制效果。關(guān)鍵詞：PLCPID溫度控制AbstractandKeywords基于PLC的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計一、溫度控制系統(tǒng)簡介近年來，自動溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金﹑機(jī)械﹑食品﹑化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐﹑熱處理爐﹑反應(yīng)爐，對工件的處理均需要對溫度進(jìn)行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進(jìn)行檢測和監(jiān)控。由于許多實踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，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)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。二、PID控制原理所謂PID控制就是比例、積分與微分調(diào)節(jié)，當(dāng)一個控制值與目標(biāo)值有差距時，通過PID調(diào)節(jié)可以使控制值向目標(biāo)值靠近，最終的目的是使控制值快速達(dá)到目標(biāo)值，并穩(wěn)定在目標(biāo)值。現(xiàn)在以自動溫度控制系統(tǒng)為例解釋一下PID的控制原理。假設(shè)目標(biāo)溫度為30度，當(dāng)前溫度為20度，那么比列控制就相當(dāng)于在溫度差為10度時用一只100w的燈泡加溫，但溫度升高到25度時，用50w燈泡加溫，依次類推。由此可見，P（比例控制）是使溫度向30度靠近的主要因素；如果溫度上升不能正好停在30度，那必然會超過30度，那這時就要用冷卻管來降溫，所用冷卻管的功率與加溫時所用燈泡的功率類似，也是根據(jù)偏差值來調(diào)整的。根據(jù)經(jīng)驗所知，即使你有一堆不同功率的燈泡與冷卻管，但是要使溫度準(zhǔn)確的達(dá)到30度，是不太容易也不太可能的，很可能就是超過30度，比如33度，然后降到28度，然后又到32點(diǎn)幾度，然后又降到29度，然后到31度，周而復(fù)始，最后進(jìn)過很長一段時間，也不能準(zhǔn)確的達(dá)到并穩(wěn)定在30度。為了克服這個缺陷，就加進(jìn)積分控制，積分控制的意思是當(dāng)溫度低于30度時，你可以再放進(jìn)一盞加熱燈，這樣溫度升得更快，當(dāng)溫度超過30度時，你放進(jìn)一根冷卻管，但同時還放一盞加熱燈，這樣溫度就會盡量靠近30度，而不會跌落到28度，依此類推，雖然溫度仍然會上下波動，但最終會基本上穩(wěn)定在更加靠近30度的位置。現(xiàn)在再看一下D控制，即微分控制的作用。由前所述，不管是比例控制還是積分控制，在溫度達(dá)到30度之前，都是放進(jìn)加熱燈，這樣在加溫過程中，溫度不可能達(dá)到30度就停住，肯定達(dá)到30度后，還要繼續(xù)上升，超過30度，比如到33度，這個超過的3度就是超調(diào)量，并不是我們希望的，我們希望溫度略微超過一點(diǎn)，比如30.5度，然后開始下降，經(jīng)過短時間內(nèi)，就可以穩(wěn)定在30度。要達(dá)到這個目的，當(dāng)溫度接近30度且越升越快時，就要提前逐步的加入冷卻管，這樣控制溫升在接近30度時慢下來，達(dá)到30度后不要過大的過沖。同樣在溫度往下降時，也要提前加一點(diǎn)加熱管，不要使溫度過分跌落。可以看到，D功能，實際上是加一點(diǎn)預(yù)先的提前量。三、時間比例控制時間-比例控制是一種高精度的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。采用該技術(shù)的反饋控制器能夠?qū)㈤_關(guān)量執(zhí)行器或離散量執(zhí)行器作為連續(xù)執(zhí)行器使用，從而產(chǎn)生0%至100%之間任意的控制效果。這一技術(shù)的竅門在于以一定的時間比例切換執(zhí)行器的開關(guān)狀態(tài)，以達(dá)到理想的控制效果。以家用制冷系統(tǒng)為例。大部分恒溫控制器采用“bang-bang”控制算法，該算法先將房間的實際溫度與住戶設(shè)定的溫度作比較，如果實際溫度高于設(shè)定值就讓空調(diào)滿額運(yùn)行；如果實際溫度低于設(shè)定值則完全關(guān)閉空調(diào)。這種技術(shù)會造成室內(nèi)溫度在設(shè)定值上下不斷波動，但在大多數(shù)家庭中，已經(jīng)能夠滿足要求了。恒溫控制器與連續(xù)執(zhí)行器結(jié)合，可以實現(xiàn)更嚴(yán)格的溫度控制。其中，連續(xù)執(zhí)行器可以是一個電動風(fēng)閥，能夠定量地將制冷空氣持續(xù)送入房間。這類應(yīng)用在商用供熱、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）領(lǐng)域司空見慣，但對于一般的家庭使用而言，其價格過于昂貴。

圖1時間比例控制示例

可以通過控制離散執(zhí)行器的輸出狀態(tài)在開和關(guān)之間循環(huán)，達(dá)到和連續(xù)執(zhí)行器一樣的效果。在上面的示例中，控制器讓執(zhí)行器在50%的時間內(nèi)處于“打開”狀態(tài)，從而實現(xiàn)50%的控制效果。在下面示例中，控制器讓執(zhí)行器在3個循環(huán)周期內(nèi)處于“打開”狀態(tài)，之后的1個循環(huán)周期內(nèi)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，從而實現(xiàn)75%的控制效果。但是，如果一個家用恒溫系統(tǒng)采用了時間-比例控制技術(shù)，那么它即使不借助連續(xù)控制器，也能夠達(dá)到類似的效果。它可以利用空調(diào)的開關(guān)功能控制通風(fēng)時間而非進(jìn)入房間的冷空氣數(shù)量。在實現(xiàn)X%的控制效果時，恒溫系統(tǒng)只要使空調(diào)在X個時間單位內(nèi)保持開啟，然后在（100-X）個時間單位內(nèi)保持關(guān)閉即可。如果這些時間單位小于恒溫系統(tǒng)對房間制冷所需要的時間（大約幾分鐘），那么讓空調(diào)在X%的時間內(nèi)滿額運(yùn)轉(zhuǎn)所達(dá)到的平均效果就相當(dāng)于讓空調(diào)以全功率的X%不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的效果。從短期看，室溫仍然會在設(shè)定值上下波動，但是波動幅度一般不會像采用“bang-bang”控制時那么大。在其他的時間-比例控制應(yīng)用中，波動幅度可能需要進(jìn)一步減小，于是“開”狀態(tài)和“關(guān)”狀態(tài)的最小間隔時間——控制器的“工作周期”，也需要相應(yīng)地減小。不幸的是，這樣做勢必增加執(zhí)行器開關(guān)狀態(tài)的切換頻率，從而加快其損耗速度。50%的控制輸出將是最糟糕的情況，因為驅(qū)動器不得不在每一個工作周期結(jié)束時切換狀態(tài)。家用制冷系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的工作周期小于幾分鐘，空調(diào)的啟動電機(jī)將會快速磨損。從另一個極端角度看，如果系統(tǒng)的工作周期長達(dá)數(shù)小時，可能有助于延長啟動電機(jī)的壽命。但是在這種情況下，空調(diào)將會連續(xù)運(yùn)行數(shù)小時，從而增大室內(nèi)溫度的波動幅度，使住戶感覺不舒適。時間-比例控制尤其適用于變化相對緩慢的過程以及那些采用機(jī)械裝置降低執(zhí)行器波動效應(yīng)的過程。除了用于溫度控制之外，這項技術(shù)還適用于大型容器的液位和壓力控制。因為在此類應(yīng)用中，采用連續(xù)執(zhí)行器的價格過于昂貴。四、實驗設(shè)備選型、搭建與測試根據(jù)pid控制原理以及時間比例控制法，構(gòu)思了實驗原理圖（圖2），并搭建了實驗設(shè)備（圖3）。圖2實驗設(shè)備原理圖圖3實驗設(shè)備利用標(biāo)準(zhǔn)儀表對FX2N-2AD的模數(shù)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行測定（圖4）：圖4檢測儀表輸出電流數(shù)碼管0輸出4.06MA數(shù)碼管50輸出12.17MA數(shù)碼管100輸出20.3MA4ma輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換值是40012ma輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換值是120020ma輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換值是2000買的溫度傳感器，就是4-20ma，0-100度，假設(shè)它是準(zhǔn)的。那么ad模塊轉(zhuǎn)換出來，就是400-2000：400對應(yīng)0度，2000對應(yīng)100度。若要30度，則（2000-400）*0.3+400=480+400=880五、手工算法調(diào)節(jié)溫度程序設(shè)計與測試手工算法調(diào)節(jié)溫度程序如下：以上程序選擇AD模塊通道1；啟動通道1的AD轉(zhuǎn)換；將轉(zhuǎn)換的結(jié)果取出，m100-m107放低8位，M108-M115放高4位；將8+4=12位合并傳入D100.plc上電后，D100中就是實測的溫度數(shù)據(jù)。33-47段程序，第一行是將d101-d120置零；第二行將變址寄存器V0置零；M1觸點(diǎn)控制v0到10時，d101-d120復(fù)位；然后第三、四行，將每一個掃描周期讀入的存在的d100中的溫度數(shù)據(jù)放入d101到d110中，共放10個；最后一行比較指令，當(dāng)v0>10時，M0置1，當(dāng)v0=10時，M1置1，當(dāng)v0<10時，M2置1.63-96段程序，第一是對d101到d110中的10個數(shù)據(jù)從小到大排序，排序結(jié)果放到d111-d120;第2行是舍棄最大最小值，取中間8個值的平均值，放到d121中。因為400對應(yīng)0度，2000對應(yīng)100度，所以將讀出的數(shù)據(jù)減去400，存入d130;將d130再除以16，存入D131;這樣D131中就是攝氏溫度值；第5行d140中是設(shè)定溫度值，將設(shè)定溫度值乘以16存入D141，然后再將D141加上400存入d122.d122是設(shè)定溫度轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。111-121段程序，x011是啟動開關(guān)。Mc是主控指令。M2是主控觸點(diǎn)。主控觸點(diǎn)相當(dāng)于一個總開關(guān)，在程序最后END之前，有主控觸點(diǎn)結(jié)束命令，mcrn0,相當(dāng)于m2與mcrn0之間的程序段都受x11控制。定時器T1是每次運(yùn)算的周期，它的值放在d20中；T247是固態(tài)繼電器通斷的控制周期，他的值放在d21中。128-141段程序，每次運(yùn)算前，將設(shè)定值d122減去d121,放入d10;將上一次的d10放入d11;D10與d11是用來比較，判斷溫度變化的趨勢的。141段是每次運(yùn)算時，當(dāng)測量值大于設(shè)定值，并且正在向反方向偏離時，將d0除以40，使d0變小，d0是控制固態(tài)繼電器通斷的時間。當(dāng)測量值小于設(shè)定值，并且正在向設(shè)定值靠近時，將d0乘以20，使d0變大一點(diǎn)，防止溫度下降到設(shè)定值一下幅度過大。當(dāng)測量值小于設(shè)定值，并且正在向反方向偏離時，將d0乘以40，使d0變大，使固態(tài)繼電器多加溫；當(dāng)測量值小于設(shè)定值，并且正在向目標(biāo)值靠近時，將d0除以2，使d0變小，防止溫度過沖。其中的40、20、40、2是實際實驗調(diào)試的結(jié)果，取這一組數(shù)，可使溫度波動限制在大約正負(fù)0.5度之間。當(dāng)然還可以修改程序繼續(xù)優(yōu)化。206-259程序段，206段是當(dāng)d0為0時，給d0置1，否則d0就會停留在零點(diǎn)不能再上升；216段是為當(dāng)前溫度距離設(shè)定溫度差值超過1度時，在一度以外固態(tài)繼電器都是連續(xù)加溫或者關(guān)閉，進(jìn)入1度以內(nèi)，才會通過算法控制d0；為何選擇1度是做了測試的，若選0.5度，溫度就不容易控制，過沖就大；249段是若d0通過運(yùn)算大于2000，則復(fù)制2000，因為固態(tài)繼電器的控制周期為2000ms，d0大于2000無意義。第259段是控制y20,進(jìn)而控制固態(tài)繼電器的通斷。265-294程序段是x11按下時，給用到的數(shù)據(jù)寄存器賦值，d20賦值10，表示運(yùn)算周期1秒，d140賦值33，表示目標(biāo)溫度33度；d21賦值2000，表示固態(tài)繼電器的控制周期為2秒；d10賦值0是給d10賦個初始值；d0賦值40是給占空比一個初始值。292段是主控指令復(fù)位；經(jīng)過實驗，以上手工程序可以控制溫度在±0.5度以內(nèi)，但溫度穩(wěn)定性差，一直在波動。通過手工算法程序的編制與調(diào)試，獲取了經(jīng)驗，為pid算法程序的編制與調(diào)試做好了準(zhǔn)備。六、PID控制程序設(shè)計與調(diào)試PID算法調(diào)節(jié)溫度程序如下：0步程序第一行D500中放入設(shè)定溫度值；D512是濾波常數(shù)；D515將微分置0；D532與D533是輸出上限與輸出下限。26步-47步程序：X10是先進(jìn)行自動調(diào)諧的啟動開關(guān)，X11是不進(jìn)行自動調(diào)諧的啟動開關(guān)。這兩個是開關(guān)，不帶自復(fù)位的。X10啟動后，將M1置1，D510中是自動調(diào)諧的采樣時間，設(shè)為3秒，D511是動作方向，h30為啟動自動調(diào)諧，并設(shè)定輸出上下限。D502是自動調(diào)諧時的輸出1.8秒；47步表示自動調(diào)諧結(jié)束后，將采樣時間改為0.5秒。53步是模擬量模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過來的溫度放在D501中。86步表示啟動時，D502置零。此外當(dāng)x10與x11都關(guān)閉是，d502也置零。所以x10與x11都關(guān)閉就相當(dāng)于關(guān)機(jī)了。93步是啟動pid運(yùn)算，x10與x11只要一個通，即可。M3為運(yùn)行中信號。若先開x11,這時是不自動調(diào)諧的，這時再按下x10，也沒用，不會自動調(diào)諧。要自動調(diào)諧，必須先按下x10.如果按下x10后，又按下x11,那與只按下x10效