爐溫控制試驗(yàn)報(bào)告-Read

1、爐溫控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2008.11.2-2008.11.23 實(shí)驗(yàn)人：劉大樹 06376059一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深對(duì)PLC的工程應(yīng)用的理解，了解PLC在工業(yè)控制方面的優(yōu)點(diǎn)；2. 學(xué)會(huì)運(yùn)用自動(dòng)控制原理的理論知識(shí)來設(shè)計(jì)所需的系統(tǒng)，特別是根據(jù)系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)相應(yīng)的校正環(huán)節(jié)，即PID控制環(huán)節(jié)，能通過實(shí)驗(yàn)深入了解PID控制的應(yīng)用和PID參數(shù)的確定方法；3. 通過實(shí)驗(yàn)熟悉工業(yè)控制設(shè)計(jì)的一般步驟，從建模到參數(shù)確定，再到物理實(shí)現(xiàn)，能對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)有較深入的了解，從而類化到其他控制系統(tǒng)；4. 加深對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的認(rèn)識(shí)，能根據(jù)系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并能協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。二 實(shí)驗(yàn)器材

2、：1. 硬件：SIMATICS7-224PLC一部，KENWOOD電阻式加熱爐一臺(tái)，固體繼電器一部，EM231溫度擴(kuò)展模塊，計(jì)算機(jī)；2. 軟件：SIMATIC-STEP 7-Micro/WIN編程軟件。三 實(shí)驗(yàn)原理：1. 控制原理：由于爐溫系統(tǒng)中的被控對(duì)象為電阻式加熱爐，其輸入只有電壓，因此只能根據(jù)烤爐溫度來調(diào)整電壓的輸入，用占空比的形式按周期輸入電壓能完成控制。具體就是系統(tǒng)根據(jù)烤爐溫度計(jì)算出該加熱時(shí)間然后轉(zhuǎn)化為占空比，如計(jì)算出加熱時(shí)間為5秒，控制周期選擇為10秒，則在5秒內(nèi)給烤爐供電而剩余5秒斷電，即占空比為50%輸入從而完成對(duì)烤爐電壓輸入。而核心部分為能根據(jù)烤爐的當(dāng)前溫度和設(shè)定值計(jì)算該加熱

3、的時(shí)間，相當(dāng)于加入的校正環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)采用PID控制。即當(dāng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)不能滿足生產(chǎn)要求或希望在不同的生產(chǎn)過程中各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠調(diào)整，通過調(diào)整控制器本身的參數(shù)來滿足設(shè)計(jì)需要。2. PLC中PID的控制原理：PID指令是建立在PID算法基礎(chǔ)上的，它實(shí)現(xiàn)的是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。使用該指令可使PLC控制系統(tǒng)的PID算法編程方便快捷。其中P表示比例運(yùn)算，I表示積分運(yùn)算，D表示微分運(yùn)算。有關(guān)PID控制算法和PID指令詳細(xì)介紹如下：（1）PID算法：PID算法是過程控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種控制方法，它是基于單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，并經(jīng)過長期的工程時(shí)間而總結(jié)出來的一套行之有效的控制方法。圖1-1是具有

4、比例，積分和微分控制的PID控制框圖.在圖1-1中，e是回路偏差，它是PID控制環(huán)節(jié)的輸入量，也就是下面所介紹的給定量（SP）和過程量（PV）之差，M(t)是由e通過PID運(yùn)算后多得到的函數(shù)。其中： -回路比例增益； -積分時(shí)間常數(shù)； -微分時(shí)間常數(shù)。在上述的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，PID控制環(huán)節(jié)的輸入和輸出關(guān)系為：； （1）輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。 式中：-回路控制算法的輸出，是時(shí)間函數(shù)； -回路增益； e-回路偏差（給定量和過程變量之差）； -積分項(xiàng)系數(shù)； -回路控制算法輸出的初始值； -微分項(xiàng)的系數(shù)。式（1）的函數(shù)是模擬量控制關(guān)系式，要想在數(shù)字式的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)這一控制算法還需要將上式模擬量

5、進(jìn)行離散化處理，即對(duì)回路偏差e進(jìn)行周期采樣并計(jì)算輸出值。離散形式的PID控制關(guān)系式可以表示為：；式中：-第n個(gè)采樣時(shí)刻計(jì)算出的控制回路輸出值； -第n個(gè)采樣時(shí)刻的回路偏差（給定量和過程變量之差）； -上一個(gè)采樣時(shí)刻的回路偏差。在S7-200系列PLC中，PID指令沒有設(shè)置控制方式，只要流向PID方框的“能流”有效就執(zhí)行PID指令。通常所說的自動(dòng)就是周期性地執(zhí)行PID運(yùn)算；而手動(dòng)則指不執(zhí)行PID運(yùn)算的情況。PID指令具有一個(gè)內(nèi)部的“得電”記錄位，類似計(jì)數(shù)器的指令。PID指令利用這一記錄來檢測(cè)是否有0到1的跳變，若檢測(cè)到有就會(huì)執(zhí)行一系列的動(dòng)作來提供一個(gè)無擾動(dòng)的手動(dòng)到自動(dòng)的切換過程，即開始執(zhí)行PID

6、算法控制。為了保證向自動(dòng)模式的切換無沖擊在手動(dòng)模式中設(shè)定的輸出值必須作為PID指令的一個(gè)輸入，之后才可以切換到自動(dòng)模式。PID指令為此而完成一如下的一系列動(dòng)作：1） 使（給定值）=（過程變量）；2） 使（前一次過程變量）=；3） 使MX（積分和）=（輸出值）。PID指令記錄位的默認(rèn)為1，在CPU啟動(dòng)和每一次由STOP到RUN的工作模式開關(guān)切換時(shí)都置為之一默認(rèn)值，如果在RUN模式時(shí)第一次執(zhí)行PID指令則這一記錄位不會(huì)出現(xiàn)0到1的跳變，故在此時(shí)不會(huì)自動(dòng)執(zhí)行無擾動(dòng)的自動(dòng)切換功能。（2） 回路輸入的轉(zhuǎn)換及歸一化處理：每個(gè)PID回路具有兩個(gè)輸入量，即給定量和過程變量。給定量通常為一固定值，過程變量與PI

7、D回路輸出有關(guān)并反映了控制的效果。給定值和過程變量都是實(shí)際的工程量，其幅值范圍和測(cè)量單位都不一樣，因此在實(shí)施PID算法之前必須將這些值轉(zhuǎn)化為無量綱的歸一化純量和浮點(diǎn)數(shù)形式。首先應(yīng)將工程實(shí)際值由16位整數(shù)轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)，即實(shí)數(shù)形式，然后將實(shí)數(shù)格式的工程實(shí)際值轉(zhuǎn)化為0.0，1.0之間無量綱的相對(duì)值，即歸一化格式。將給定值和過程變量進(jìn)行歸一化處理：；式中：-工程實(shí)際值的歸一化值； -工程實(shí)際值的實(shí)數(shù)形式值，未歸一化處理； -最大允許值減去最小允許值，通常取32000（單極性）和64000（雙極性）； Offest通常取0.0（單極性）和0.5（雙極性）。（3） 回路輸出轉(zhuǎn)換為工程量標(biāo)定的整數(shù)值： 一般

8、回路控制的輸出為控制變量，如果控制回路輸出為0.0,1.0之間的歸一化實(shí)數(shù)格式則在回路輸出驅(qū)動(dòng)模擬輸出之前必須先轉(zhuǎn)化為16位的工程標(biāo)定值，然后才可以用來驅(qū)動(dòng)實(shí)際機(jī)構(gòu)，即歸一化的逆過程。首先應(yīng)將回路輸出轉(zhuǎn)化為按工程量標(biāo)定的實(shí)數(shù)格式：； 式中：-已按工程量標(biāo)定的實(shí)數(shù)格式的回路輸出； -歸一化實(shí)數(shù)格式的回路輸出； Offest通常取0.0(單極性)和0.5（雙極性）； -最大允許值減去最小允許值，通常取32000（單極性）和64000（雙極性）。（4） PID指令： PID指令以回路表中的輸入和組態(tài)信息進(jìn)行PID運(yùn)算。要使該指令得以運(yùn)行必須使得邏輯堆棧頂ROL為ON狀態(tài)。指令中的TBL是控制回路的起

9、始地址，LOOP為控制回路號(hào)（為常數(shù)，在0-7之間）。PID指令的操作數(shù)如下： TBL（BYTE）:VB LOOP(BYTE):常數(shù)0-7. 使用PID指令時(shí)必須遵循的規(guī)則如下：1） 一個(gè)用戶程序最多只能用8條PID指令，一個(gè)回路號(hào)中只能用一條PID指令，如果兩個(gè)或兩個(gè)以上PID指令用同一個(gè)回路號(hào)，那么即使這些指令的回路表不同，這些指令之間也會(huì)相互干涉，產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。2） 在回路控制參數(shù)表中，存儲(chǔ)了9個(gè)參數(shù)用于監(jiān)控PID指令的執(zhí)行狀況，每個(gè)參數(shù)的意義如下表：表1-1 PID指令控制參數(shù)表參數(shù)編號(hào)地址偏移 變量名變量類型注釋1+0 I調(diào)節(jié)量，即被控對(duì)象的輸出量2+4 I給定量，即被控對(duì)象的

10、給定輸出3+8 I/O空置量，用于輸出到被控對(duì)象4+12 I比例增益常數(shù)5+16 I采樣時(shí)間，單位為s,只能為正6+20 I積分時(shí)間常數(shù)，單位為s7+24 I微分時(shí)間常數(shù)，單位為s8+28 I/O累計(jì)偏差值9+32 I/O最近一次PID指令運(yùn)算過程變量3） 為了讓PID指令按預(yù)設(shè)的采樣頻率來工作應(yīng)在時(shí)間中斷程序中編入PID指令，或者在主程序正通過定時(shí)器來控制含有PID指令的程序定時(shí)執(zhí)行。采樣時(shí)間必須通過回路表輸入到PID指令運(yùn)算過程中。3. 溫度模塊工作原理： 由于該控制系統(tǒng)中的溫度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，也作為PID控制器的輸入量，因此溫度的準(zhǔn)確性相當(dāng)重要。此實(shí)驗(yàn)中采用SIMATIC的溫度模塊EM23

11、1，有關(guān)EM231的具體信息如下： EM231具有4路模擬量輸入，輸入信號(hào)可以是電壓也可以是電流，其輸入與PLC具有隔離。輸入信號(hào)的范圍可以由SW等幾個(gè)來設(shè)定。具體技術(shù)指標(biāo)見表1-1。 表1-2 EM231技術(shù)指標(biāo)型號(hào)EM231模擬量輸入模塊總體特性 外形尺寸：71.2mm80mm62mm 功耗：3W輸入特性本機(jī)輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標(biāo)準(zhǔn)DC 24V/4mA輸入類型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit轉(zhuǎn)換速度：250S隔離：有耗電從CPU的DC 5V （I/O總線）耗電10mADIP開關(guān)SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型熱電偶為例）表1-3 K

12、型熱電偶分度表熱電偶是將溫度用電壓形式反應(yīng)，其工作原理是由兩種不同的金屬構(gòu)成，由于兩種金屬間存在電勢(shì)差，溫度變化時(shí)電勢(shì)差也發(fā)生變化，因此可以通過電勢(shì)差反應(yīng)溫度。由組成熱電偶的金屬不同可分為J,K,T,E,R,S,N幾種類型，各種不同類型對(duì)應(yīng)不同的分度表，由于烤爐的溫度不幾百度，且精度要求不是很高，故采用K型熱電偶，其分度表如表1-3： 溫度模塊將熱電偶的電壓經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)化后存為一個(gè)16位的浮點(diǎn)數(shù)存放在模塊緩沖部分各測(cè)量口對(duì)應(yīng)的緩存器中，如A測(cè)量口對(duì)應(yīng)AIW0，要得到溫度模塊測(cè)量出的電壓只需將緩存器中的值讀入PLC中，將其轉(zhuǎn)化為單整數(shù)，再轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)就可得到溫度的10倍值，將此實(shí)數(shù)除以10變得到實(shí)際溫

13、度值。4. 控制的系統(tǒng)的電氣實(shí)現(xiàn)：基于以上的分析可以得到爐溫控制的結(jié)構(gòu)圖如下：計(jì)算機(jī)PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶烤爐圖1-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由結(jié)構(gòu)圖和各模塊的工作原理可得系統(tǒng)的電氣連接圖如下：圖 1-3 系統(tǒng)電氣連接圖四 實(shí)驗(yàn)步驟：1. 模型建立：要得到烤爐響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型可以對(duì)烤爐加上階躍響應(yīng)，測(cè)量其階躍響應(yīng)曲線再求出其具體的數(shù)學(xué)模型。對(duì)系統(tǒng)加上階躍信號(hào)，即一直供電，記錄烤爐的溫度變化，繪制其階躍響應(yīng)曲線。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)采樣周期為5秒，從初始值到穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)很多，故此處只給出去階躍響應(yīng)的曲線：圖 1-4 烤爐階躍響應(yīng)曲線由于系統(tǒng)的階躍響應(yīng)呈“S”形曲線，則可以用飛升曲線法整定PID參數(shù)。飛升曲線

14、法整定PID參數(shù)的關(guān)鍵在于找出轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由于采樣周期為5S，每兩次采樣時(shí)都有個(gè)溫度差，可以根據(jù)溫度差的變化近似的來找轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即把轉(zhuǎn)折點(diǎn)看為斜率變化點(diǎn)。根據(jù)溫度記錄情況，溫度差在550S附近變化出現(xiàn)較大變化，選擇55S處為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，用作圖法作出轉(zhuǎn)折點(diǎn)切線。則根據(jù)飛升曲線法可以求得PID參數(shù)。飛升曲線求PID參數(shù)的具體方法如下：被控過程的傳遞函數(shù)C(s)/U(s)可用一階時(shí)滯過程近似表示如下：；其中，表示加在被控對(duì)象的輸入量的增量，表示穩(wěn)態(tài)時(shí)階躍響應(yīng)的變化增量，工程一般都用%表示，L和T可以由測(cè)試S曲線獲得。則可得“S”形曲線的參數(shù)整定公式如下：表1-4 飛升曲線PID參數(shù)整定表控制器類型 P0 PI

15、0.90PID1.22L0.5L則根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到PID參數(shù)如下：由于輸入量沒有增量，則=1，為穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出的增量，則，即可得。由階躍響應(yīng)曲線圖可得L=2min, T=8.7min，則：；=4min, =1min；這里可以看出比例增益很小，主要由于作圖時(shí)的不精確導(dǎo)致比例增益太小。由后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也知道比例增益太小使得系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間太長，超調(diào)量也較大。故實(shí)驗(yàn)中采用工業(yè)中比例增益的上限120，即=120作為PID參數(shù)整定后的比例增益。 也可用MATLAB工具箱SISO來輔助求出PID的參數(shù)。由系統(tǒng)的響應(yīng)曲線可知烤爐系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用一個(gè)具有時(shí)滯的一階系統(tǒng)來近似。即系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：；由階躍響應(yīng)的

16、曲線可得傳遞函數(shù)具體為，采用MATLAB仿真，要求加入控制器環(huán)節(jié)后系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下的輸出超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。由于SISO工具箱中不能輸入帶指數(shù)的傳遞函數(shù)，故采用泰勒近似將指數(shù)部分近似處理，由泰勒近似可得，即近似后的傳遞函數(shù)為：，在SISO工具箱中導(dǎo)入系統(tǒng)的傳遞的函數(shù)可得系統(tǒng)在沒有加入校正環(huán)節(jié)時(shí)的根軌跡和BODE圖如下：在根軌跡加上零極點(diǎn)和拖動(dòng)根軌跡觀察輸出情況，當(dāng)輸出滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)變得到應(yīng)加入的PID控制器的傳遞函數(shù)。利用MATLAB仿真的優(yōu)勢(shì)在于不需要做大量的運(yùn)算，只需要根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和設(shè)計(jì)要求就可以較為精確的求出應(yīng)加入的校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并且能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)傳遞函數(shù)參數(shù)變化系統(tǒng)響應(yīng)

17、的曲線變化，也能直接拖動(dòng)BODE圖上的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)滿足相頻和幅頻設(shè)計(jì)需求，如相位裕度等，然后再把傳遞函數(shù)用工業(yè)實(shí)現(xiàn)即可。通過增加零極點(diǎn)和增益得到滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的階躍響應(yīng)曲線如下：2. 編程實(shí)現(xiàn)：由于烤爐系統(tǒng)的輸入只有電壓一種形式，因此只需根據(jù)PID計(jì)算出的加熱時(shí)間轉(zhuǎn)化為占空比即可。為了顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)再加入兩個(gè)指示燈來表示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。則可配置出系統(tǒng)的I/O接口，以及程序要用的變量。具體配置如下：I/O/變量作用I/O/變量作用I0.1加熱啟動(dòng)VD4PID控制初始值I0.2停止加熱VD12PID增益KQ0.1加熱指示VD16PID采樣時(shí)間Q0.2停止指示VD20PID積分時(shí)間Q0.3加熱輸出VD2

18、4PID微分時(shí)間M0.0工作模式VW100加熱時(shí)間VD0PID控制過程變量VW102不加熱時(shí)間由于要對(duì)PID參數(shù)初始化和實(shí)現(xiàn)每5秒一次的采樣周期，故采用兩個(gè)子程序來完成。主程序負(fù)責(zé)整個(gè)程序的架構(gòu)。具體程序如下：進(jìn)入程序等待用戶輸入工作模式并鎖存：若用戶選擇加熱模式進(jìn)入PID參數(shù)初始化子程序：PID參數(shù)初始化子程序：設(shè)置各初始值，設(shè)定溫度75度，比例增益120，采樣時(shí)間5秒，積分時(shí)間4分鐘，微分時(shí)間1分鐘：采樣定時(shí)器，相當(dāng)于一個(gè)每5秒產(chǎn)生一個(gè)脈沖的雙定時(shí)器：采樣子程序調(diào)用：采樣子程序完成溫度的采樣和PID指令的調(diào)用，并將溫度模塊的數(shù)值轉(zhuǎn)化為實(shí)際溫度。再將PID指令計(jì)算出來的加熱時(shí)間轉(zhuǎn)化為整數(shù)形式

19、，再用控制周期減去加熱時(shí)間求出一個(gè)控制周期內(nèi)不加熱的時(shí)間：首先從溫度模塊讀入16位溫度值，進(jìn)行實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換再做歸一化處理，由于溫度為單極性變量故采用單極性的歸一化處理規(guī)則：將溫度轉(zhuǎn)化為實(shí)際溫度：調(diào)用PID指令計(jì)算加熱時(shí)間：占空比計(jì)算程序段，就是將PID指令計(jì)算出的加熱時(shí)間進(jìn)行放大，并將其轉(zhuǎn)化為整數(shù)形式，再用控制周期減去加熱時(shí)間得控制周期內(nèi)的不加熱時(shí)間：占空比輸出自程序段，用兩個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)占空比輸出。每個(gè)控制周期的前階段進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間到后段開電源，帶控制完后進(jìn)入下一個(gè)控制周期：五 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析： 1. 響應(yīng)曲線分析： 通過用飛升曲線測(cè)得的PID參數(shù)存在一定誤差，比例增益太小。適當(dāng)增大比例增益

20、后實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好。超調(diào)量很小，在設(shè)定溫度為75度時(shí)超調(diào)只有58度，調(diào)節(jié)時(shí)間也短，只需 經(jīng)過一次超調(diào)后就能在設(shè)定溫度周圍波動(dòng)，并且波動(dòng)誤差小，完全能滿足正負(fù)1度的設(shè)計(jì)要 求，其相應(yīng)曲線如下：圖 15 加入PID控制環(huán)節(jié)后的響應(yīng)曲線（設(shè)定溫度75度）由此可見通過加入PID控制環(huán)節(jié)能較好的滿足設(shè)計(jì)要求，也說明了PID控制在工業(yè)控制的重要性。2 制環(huán)節(jié)算法分析： 基于PID的反饋控制能夠使得爐溫控制達(dá)到較好的控制效果，但系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間還是較長，一般都大于20分鐘。考慮能否用其他系統(tǒng)來改進(jìn)控制系統(tǒng)使得調(diào)節(jié)時(shí)間變短的同時(shí)還能滿足控制要求。一種最直接的算法就是類似于模糊控制方式，即沒有確定的算法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷該給系統(tǒng)多少輸入。具體而言就是當(dāng)烤爐溫度大于設(shè)定值時(shí)斷電，當(dāng)溫度比設(shè)定溫度小時(shí)加熱。用該算法對(duì)爐溫進(jìn)行控制發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不能滿足設(shè)計(jì)要求。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是具有時(shí)滯的一階系統(tǒng)，當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)才斷電，而時(shí)滯會(huì)使?fàn)t溫超過繼續(xù)升高，這樣爐溫就在接近10的范圍內(nèi)振蕩，可見對(duì)以非線性的系統(tǒng)要用線性的算法去控制是比較難以達(dá)到控制要求的。而另一種是在一定溫度基礎(chǔ)上使用PID指令，具體就是加熱烤爐到一定溫度再使用PID指令期望調(diào)節(jié)時(shí)間變短。但實(shí)驗(yàn)證明這種算法