基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要恒溫箱作為一種恒定溫度的設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、實驗等領(lǐng)域。在醫(yī)藥，生物實驗、工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)中，都需要穩(wěn)定而精確的溫度。溫度控制系統(tǒng)由于存在著大慣性、非線性等特性，如果采用普通的PID控制算法,建立精確的數(shù)學(xué)模型是極其困難的，在線整定參數(shù)的能力差，不能滿足系統(tǒng)在不同條件下對參數(shù)的自整定要求，從而限制了控制效果。而模糊控制的可以較好地處理純滯后、大慣性、參數(shù)漂移大的非線性不確定復(fù)雜系統(tǒng)。將模糊控制和常規(guī)PID 控制相結(jié)合，構(gòu)成模糊PID 控制法，既具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性。在本設(shè)計中，恒溫箱溫度由傳感器和E

2、M235進行實時溫度的傳送，經(jīng)S7-200預(yù)先編寫的模糊PID控制算法計算對，進行修正，來控制恒溫設(shè)備的加熱與制冷,以達到恒溫控制的目的。關(guān)鍵詞： 恒溫箱 ，模糊PID控制算法，S7-200Incubator Temperature Control System Design Based on Fuzzy PID AlgorithmABSTRACTIncubator have been widely used in the fields of production, life and realization, as a constant temperature of the equipment

3、. It is necessary to have stable and precise temperature in medicine, biological experiments, industrial production and other industries. Temperature control system is due to the presence of large inertia, nonlinear characteristics. using ordinary PID control algorithm is extremely difficult to esta

4、blish a precise mathematical model,which can not meet system parameters under different conditions from the tuning requirements and online tuning parameters is poor, thus limiting the control effect. Fuzzy control can be better to deal with delay, large inertia, nonlinear parameter drift uncertainty

5、 of complex systems. Fuzzy control and conventional PID control combined which constitute a fuzzy PID control method with fuzzy control flexible and adaptable, but also has the characteristics of high precision PID control. In this design, the incubator temperature send real-time temperature by sens

6、ors and the EM235. Calculating , by S7-200 prewritten fuzzy PID control algorithm is to control thermostat heating and cooling equipment in order to achieve the purpose of the thermostatically controlled.Key word: incubator, fuzzy PID algorithm, S7-200基于模糊PID算法的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計江 政 0212098251緒論1.1研究背景恒溫箱是

7、在一定溫度下，用以飼養(yǎng)或培養(yǎng)生物或生物的一部分（細胞等）的箱型器具。常用的恒溫箱主要分為三類：高溫恒溫箱（高于60）；中溫恒溫箱（-1060）；低溫恒溫箱（低于-10）?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)則、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。在恒溫箱領(lǐng)域達到了更新周期為三年左右。為了滿足這一需求，生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)必須具有極高的靈活性和可靠性，可編程控制器就順應(yīng)而生。同時在對于恒溫箱發(fā)展起很大影響的溫度傳感器同樣是日新月異。利用各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。恒溫箱在實驗研究、工業(yè)生產(chǎn)、民生工程方面都發(fā)揮著重要的作用。恒

8、溫箱對于我們國家的科技水平更加高薪、國民經(jīng)濟的更加繁榮、民生健康等方面時刻顯示著其重要性。而從國家的有關(guān)政策看，國家現(xiàn)階段在科技創(chuàng)新的政策是提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家是國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，是提高綜合國力的關(guān)鍵。也提升科技創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為刻不容緩的歷史使命。為此我們有必要在恒溫箱的研究應(yīng)用上花費應(yīng)有的人力物力財力。1.2研究現(xiàn)狀及意義1.2.1 研究現(xiàn)狀隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。在不同領(lǐng)域內(nèi)，由于控制環(huán)境、目標(biāo)、成本等因素，需要對具體情況來設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果，其中恒溫環(huán)境的自動化控制技術(shù)在工業(yè)生

9、產(chǎn)、商業(yè)運營重視一個重要的研究課題。我國目前在恒溫控制技術(shù)總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以點位控制以及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變的溫度系統(tǒng)控制。在適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表領(lǐng)域內(nèi)，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。從各個角度上看，我國恒溫箱儀器儀表產(chǎn)品還存在不少問題。產(chǎn)品的穩(wěn)定性長期以來沒有得到解決，影響到我國其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，而對于大型精密儀器我們還沒有達到理想水平，國內(nèi)對恒溫箱的需求依賴進口較多。為了以恒溫箱為基礎(chǔ)的其他行業(yè)能夠更深入更長遠的發(fā)展，對恒溫箱的研究就變得相當(dāng)重

10、要。國外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都產(chǎn)出了一批性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化，小型化等方面快速發(fā)展，因此，我國在恒溫控制等控制儀表行業(yè)與國外還有著一定的差距。1.2.2 研究意義隨著社會發(fā)展的需求，恒溫箱的應(yīng)用和需求越來越廣泛。在生物實驗室中，為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對與溫度環(huán)境的要求十分嚴格。所以恒溫箱在生物實驗中顯得尤為重要，比如根據(jù)動物生活習(xí)性的需要控制飼養(yǎng)棚合適的問題來進行孵卵或動物培養(yǎng)，在恒溫環(huán)境下各種細菌培養(yǎng)等。在實驗過程中，準(zhǔn)確的溫度

11、環(huán)境能夠讓研究人員獲得準(zhǔn)確的過程數(shù)據(jù)以及結(jié)果，對生物，農(nóng)業(yè)，漁業(yè)的發(fā)展有巨大的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，恒溫箱有著廣泛的應(yīng)用，在直接生產(chǎn)產(chǎn)品中，由于產(chǎn)出的一些產(chǎn)品的特殊性，必須保持恒溫環(huán)境下，運用恒溫箱就可以達到這個效果，借此來保證產(chǎn)品的質(zhì)量，所以對于工業(yè)生產(chǎn)來說，恒溫箱對于保存工業(yè)產(chǎn)物扮演著極為重要的角色。在醫(yī)藥方面，醫(yī)用恒溫箱主要用于藥品，試劑的儲存，運輸；疫苗，血液的冷藏保溫，透析液的加溫，生理鹽水的加溫，細菌培養(yǎng)，放射免疫分析，血清融化、石蠟融化、試管消毒等。醫(yī)藥作為人類生命健康的保障，是十分重要的，而恒溫箱就是這重要保障的前提。恒溫箱對于我國的科技水平更加高薪，國民經(jīng)濟更加繁榮，民生健康等

12、方面時刻顯現(xiàn)著其重要性，因此對于恒溫箱的研究有極其重要的意義。1.3 研究內(nèi)容與安排1.3.1 研究內(nèi)容本畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容是：本設(shè)計主要以SIMATIC S7200為核心，溫度傳感器作為檢測溫度裝置，EM235作為溫度的傳送裝置，加熱制冷設(shè)備作為調(diào)整溫度的器件，組態(tài)王軟件作為監(jiān)控設(shè)備，利用STEP72MicroWIN32編程程序?qū)ID算法和模糊控制算法編譯出來，下載到SIMATIC S7200中，使之成為一個模糊PID控制器，通過以上軟硬件為基礎(chǔ)設(shè)計出一個自動控制的恒溫箱。其主要運作原理是：由溫度傳感器檢測溫度，通過EM235進行溫度傳送至STEP-7中，此時載入模糊PID算法的STEP-

13、7已成為一個模糊PID控制器，該溫度通過STEP-7的算法計算之后輸出來控制制冷加熱設(shè)備進行恒溫控制，組態(tài)王可以全程監(jiān)控溫度變化以達到人機交互的目的。1.3.2 內(nèi)容安排本設(shè)計論文共分六章，每一章的內(nèi)容簡述如下：第一章 緒論，主要介紹恒溫箱的研究背景，意義以及現(xiàn)狀。第二章 本設(shè)計主要應(yīng)用的各種理論，恒溫控制，模糊算法，PID控制算法。第三章 硬件設(shè)計，主要介紹傳感器以及PLC的比較以及選擇。第四章 軟件設(shè)計，簡單介紹軟件的流程圖，STEP7 MicroWIN32以及組態(tài)王軟件編程。第五章 總結(jié)。2 溫度控制及算法2.1 溫度控制溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報、物資倉儲等都起

14、著極其重要的作用。在許多場合，準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度信息是十分重要的。計算機技術(shù)的發(fā)展極大的推動了工業(yè)控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。計算機硬件與控制軟件的緊密集合必然導(dǎo)致新型的微機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方案和智能控制方案。第一類：經(jīng)典控制方案經(jīng)典控制方案可以分為數(shù)字控制器的間接設(shè)計方案和數(shù)字控制器的直接設(shè)計方案。數(shù)字控制器的間接設(shè)計方案是一種根據(jù)模擬設(shè)計方案而轉(zhuǎn)換而來的設(shè)計方案。傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中的控制器設(shè)計已有一套成熟的方法，其中以PID控制器為代表。PID控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)的、使用范圍廣等優(yōu)點。將模擬控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)

15、字控制器是用離散時近似方法將一連續(xù)時間系統(tǒng)的控制規(guī)律離散為數(shù)字控制器的控制規(guī)律，其中確保數(shù)字控制器與模擬控制器的近似，要適當(dāng)選擇采樣周期。第二類：基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方案現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要的工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來分析和設(shè)計控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和提示系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能?；诂F(xiàn)代控制理論的設(shè)計方案是建立在對系統(tǒng)內(nèi)部模型的描述之上的。它是通過數(shù)學(xué)方法對控制系統(tǒng)進行綜合。控制規(guī)律的確定是通過極小化預(yù)先確定的性能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應(yīng)而推導(dǎo)出來的。此類設(shè)計方案主要有：系統(tǒng)辨別、最優(yōu)控制、自校正控制等。這類

16、設(shè)計方案適用范圍廣，適合多輸入多輸出系統(tǒng)、某些非線性時變系統(tǒng)和一些具有隨即擾動的系統(tǒng)。該方法理論嚴謹，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題可以嚴格證明，性能指標(biāo)能定量分析，得到的控制品質(zhì)較好。但這類方法需要知道精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型形式。第三類 智能控制方案智能控制方案是一類無需人的干預(yù)就能針對控制對象的狀態(tài)自動地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進行定量計算與分析的困難性。它實質(zhì)是一種無模型的控制方案，即在不需要知道對象精確模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。智能控制系統(tǒng)有以下一些特點（1）智能控制系統(tǒng)一般具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣

17、義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制工程。它適用于有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在已知算法的生產(chǎn)過程。（2） 智能控制具有信息處理和決策機構(gòu)，它實際上是對人神經(jīng)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機構(gòu)的一種模仿。（3） 智能控制器具有非線性、這是因為人的思維具有非線性。作為模仿人的思維進行決策的智能控制也具有非線性的特點。（4）智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點。智能控制方案主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法控制等。常用的溫度控制電路根據(jù)應(yīng)用場合和要求的性能指標(biāo)有所不同。除了傳統(tǒng)的PID控制方法，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用于溫控系統(tǒng)，包括智能控制與PID控制相結(jié)合及這

18、些智能控制之間的結(jié)合。具體有如下一些方法：（1）模糊控制是基于模糊邏描述一個過程的控制算法，它不需要被控對象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗和直接判斷，容易應(yīng)用。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID的結(jié)合：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細胞結(jié)構(gòu)及對信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射、自阻組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強、算法簡單，且易于用硬件和軟件實現(xiàn)。在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實驗數(shù)據(jù)作為樣本，在微機上反復(fù)迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得

19、到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達到自整定PID控制器參數(shù)的目的也就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的方法。（3）模糊控制與PID的結(jié)合：具體結(jié)合形式有很多種，主要是FUZZY-PID復(fù)合控制和模糊整定PID參數(shù)的方法。FUZZY-PID復(fù)合控制：當(dāng)偏差較大時采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；偏差較小時采用PID控制，使具有良好的靜態(tài)性能。是一種模糊控制和PID控制的分階段切換控制方法。模糊整定PID參數(shù)的方法：根據(jù)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調(diào)整PID參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制方法。（4）模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合：模糊控制所基于的經(jīng)驗不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)不同被控對象的要

20、求。所以應(yīng)使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展。基于這樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來修正偏差和偏差變化率的比例系數(shù)，達到優(yōu)化模糊控制器的作用，從而進一步改進實時控制的效果，有強的魯棒性和適應(yīng)能力。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制都屬于智能控制方法它們與PID結(jié)合，適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大滯后、時變等情況、模糊控制特別適應(yīng)于大慣性和純滯后的系統(tǒng)，無需知道系統(tǒng)的精確信息。 恒溫箱的設(shè)計主要是一種溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，采用的是PID和智能控制的結(jié)合，溫度控制系統(tǒng)由于存在著大慣性、非線性等特性，如果采用普通的控制算法，例如PID等，建立精確的數(shù)學(xué)模型是極其困難的，在線整定參數(shù)的能力差，不能滿足系統(tǒng)在不同條件下對參數(shù)的

21、自整定要求，從而限制了控制效果的進一步提高。如果采用自適應(yīng)等控制算法，就要花費大量的精力去分析系統(tǒng)的模型，并且由于溫度控制系統(tǒng)的模型復(fù)雜，建立模型也比較難于正確地描述系統(tǒng)的真實行為，所以采用該控制方法也不是非常合適的。溫度控制系統(tǒng)本身就是時變的、非線性的、有滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，因此無論使用經(jīng)典的PID控制還是現(xiàn)代控制理論的各種算法都很難達到滿意的控制效果。但是，對于這些難以利用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)自動控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗的操作人員使用手動控制卻能夠取得令人滿意的控制結(jié)果。而模糊控制的核心是模擬人的思維方式對一些無法得到精確數(shù)學(xué)模型的被控對象設(shè)計模糊控制器，可以較好地處理純滯后、大慣性、參數(shù)漂移大的非線性

22、不確定復(fù)雜系統(tǒng)。將模糊控制和常規(guī)PID 控制相結(jié)合，構(gòu)成模糊PID 控制法，既具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID 控制精度高的特點。因此將模糊PID控制運用到恒溫箱，能使恒溫箱的溫度控制更好，更準(zhǔn)確。2.2 模糊理論及模糊控制模糊理論（Fuzzy Logic)是在美國加州大學(xué)伯克利分校電氣工程系的L.A.zadeh（扎德）教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容. 早在20世紀(jì)20年代，著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家B.Russell就寫出了有關(guān)"含糊性"的論文。他認為所有的自然語言均是模糊

23、的，比如“紅的”和“老的"”等概念沒有明確的內(nèi)涵和外延，因而是不明確的和模糊的?？墒?，在特定的環(huán)境中，人們用這些概念來描述某個具體對象時卻又能心領(lǐng)神會，很少引起誤解和歧義。美國加州大學(xué)的L.A.Zadeh教授在1965年發(fā)表了著名的論文，文中首次提出表達事物模糊性的重要概念：隸屬函數(shù)，從而突破了19世紀(jì)末康托爾的經(jīng)典集合理論,奠定模糊理論的基礎(chǔ)。1966年，P.N.Marinos發(fā)表模糊邏輯的研究報告，1974年，L.A.Zadeh發(fā)表模糊推理的研究報告，從此，模糊理論成了一個熱門的課題。 1974年，英國的E.H.Mamdani首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)了世界上第一個實驗性的蒸汽

24、機控制，并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果，從而宣告模糊控制的誕生。1980年丹麥的L.P.Holmblad和Ostergard在水泥窯爐采用模糊控制并取得了成功，這是第一個商業(yè)化的有實際意義的模糊控制器。模糊理論應(yīng)用最有效，最廣泛的領(lǐng)域就是模糊控制，模糊控制在各種領(lǐng)域出人意料的解決了傳統(tǒng)控制理論無法解決的或難以解決的問題，并取得了一些令人信服的成效。模糊控制的基本思想：把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以“IF(條件)THEN(作用)”形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程?？刂谱饔眉癁橐唤M條件語句,狀態(tài)語句和控制作用均為一組被量化了

25、的模糊語言集，如“正大”、“負大”、“正小”、“負小”、零等。模糊控制的特點：（1）簡化系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，特別適用于非線性、時變、模型不完全的系統(tǒng)上。（2）利用控制法則來描述系統(tǒng)變量間的關(guān)系。（3）不用數(shù)值而用語言式的模糊變量來描述系統(tǒng)，模糊控制器不必對被控制對象建立完整的數(shù)學(xué)模式。（4）模糊控制器是一種語言控制器，使得操作人員易于使用自然語言進行人機對話。（5）模糊控制器是一種容易控制、掌握的較理想的非線性控制器，具有較佳的適應(yīng)性及強健性(Robustness)、較佳的容錯性(Fault Tolerance)。模糊控制的主要研究方向可以分為常規(guī)模糊控制，高性能模糊控制以及復(fù)合模糊控制三大類。

26、（1）常規(guī)模糊控制：它是由輸入與輸出變量模糊化、模糊推理和決策算法、模糊判決等部分組成的一種語言控制器。（2）高性能模糊控制有以下幾種：自校正模糊控制、自組織模糊控制、多變量模糊控制。（3）復(fù)合模糊控制：模糊控制與專家控制結(jié)合、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于遺傳算法優(yōu)化的模糊控制。模糊控制的應(yīng)用方面可粗略分為幾個研究方向：（1）適用處理工程普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評價理論體系；關(guān)于控制器的魯棒性能的分析；判定系統(tǒng)的可控性和可觀測行的方法等等。（2）對設(shè)計模糊控制規(guī)則的方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)的設(shè)定方法、量化水平、采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實現(xiàn)及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)自動生成等問題。對

27、于這些問題，還要求我們通過研究，進一步給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計方法。（3）確定模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論，和對推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算法的修正等等；（4）模糊動態(tài)模型的識別方法；（5）模糊預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計方法和加快計算速度的方法；（6）模糊控制算法改進的研究，目前能真正在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用的概念和原則為數(shù)很少，但實際上，模糊邏輯的范疇包含了大量的概念和原則，因此，如何將更多的概念和原則應(yīng)用于模糊邏輯系統(tǒng)中，這需要更進一步的研究。（7）最優(yōu)化模糊控制器的研究：根據(jù)被提出的性能指標(biāo)。規(guī)范控制規(guī)則的設(shè)計依據(jù)，并在某種意義上達到最優(yōu)；（8）加強開發(fā)簡單、使用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制

28、裝置、通過模糊控制系統(tǒng)等并將其推廣。2.3 PID控制PID控制是最早發(fā)展起來的經(jīng)典控制策略，是用于過程控制最有效的策略之一。由于其原理簡單、技術(shù)成熟。在實際應(yīng)用中較易于整定，在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點是不需了解被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，只需在線根據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡單參數(shù)，經(jīng)過經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線整定，即可取得滿意的結(jié)果，具有很大的適應(yīng)性和靈活性。在PID控制算法中，存在著比例、積分、微分三種控制作用。這三種控制作用的特點如下（1）比例控制作用的特點系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)。缺點是

29、對于具有自平衡(即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值)能力的被控對象存在靜差，加大可減小靜差，但過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。（2）積分控制作用的特點能對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質(zhì)變壞，以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（3）微分控制作用的特點通過對誤差進行微分，能感覺出誤差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小。缺點是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。在PID控制系統(tǒng)中，PID控制器分別對誤差信號進行比例、積分與微分運算，其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號，送給對象模型加以控制。P

30、ID控制器的數(shù)學(xué)描述為公式（2.1）： (2.1)其傳遞函數(shù)可表示為： (2.2)PID控制器的設(shè)計也就是確定其比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)、這三個系數(shù)取值的不同，決定了比例、積分和微分作用的強弱?？刂葡到y(tǒng)的整定就是在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表和控制對象處在正常狀態(tài)下的情況，適當(dāng)選擇控制器的參數(shù)使控制儀表的特性和控制對象的特性相配合，從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)，取得最好的效果。但PID控制算法也有它的局限性和不足，由于PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時變的情況下，才能獲得理想的效果。當(dāng)一個調(diào)好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時變系統(tǒng)時，系統(tǒng)的性能會變差，甚至不穩(wěn)定。另外，在對PI

31、D參數(shù)進行整定的過程中，PID參數(shù)的整定值是具有一定局域性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值，因此這種控制作用無法從根本上決絕動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。2.4 模糊PID控制模糊自整定PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：是模糊控制器與傳統(tǒng)PID 控制器的結(jié)合,利用模糊推理判斷的思想, 根據(jù)不同的偏差偏差變化率對PID 的參數(shù)，進行在線自整定,傳統(tǒng)PID控制器在獲得新的，后,對控制對象輸出控制量。輸出輸入模糊化PID控制器恒溫箱模糊推理器圖2.1 模糊PID控制器將模糊控制和常規(guī)PID 控制相結(jié)合，構(gòu)成模糊PID 控制法，既具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID 控制精度高的特點。因此將模糊

32、PID控制運用到恒溫箱，能使恒溫箱的溫度控制更好，更準(zhǔn)確。模糊控制器的一個關(guān)鍵就是模糊控制規(guī)則，其優(yōu)劣直接關(guān)系到模糊控制性能的好壞，是模糊控制設(shè)計中重要的部分，本設(shè)計主要是根據(jù)專家經(jīng)驗來生成控制規(guī)則的，這種方法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成待定領(lǐng)域的控制規(guī)則，本控制規(guī)則由49條控制規(guī)則組成，這些控制規(guī)則構(gòu)成一個規(guī)則庫，這些規(guī)則根據(jù)人類控制專家經(jīng)驗總結(jié)得出，按照IF.is.and.THEN.is.的形式表達。規(guī)則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。表2.1就是描述在模糊控制溫度系統(tǒng)中模糊控制器的控制規(guī)則矩陣表。表2.1.模糊控制規(guī)則表，NBNM NSZPSPMPBNBPB /NB /PSPB

33、 /NB /NSPM /NM /NBPM /NM /NBPS/NS/NBZ/Z/NMZ/Z/PSNMPB /NB /PSPB /NB /NSPM /NM /NBPS/NS/NMPS/NS/NMZ/Z/NSNS/Z/ZNSPM /NB /ZPM /NM /NSPM /NS/NM PS/NS/NMZ/Z/NBNS/PS/NSNS/PS/ZZPM /NM /ZPM /NM /NSPS/NS/NSZ/Z/NSNS/PS/NSNM /PM /NSNM /PM /ZPSPS/NM/ZPS/NS/ZZ/Z/ZNS/PS/ZNM /PM/ZNM /PM/ZNM /PB/ZPMPS/Z/PBZ/Z/PSNS/P

34、S/PSNM /PS/PSNM /PM /PSNM /PB /PSNB /PB /PBPBZ/Z/PBZ/Z/PMNS/PS/PMNM /PM /PMNM /PM /PSNM /PB /PSNB /PB /PB2.5 模糊PID恒溫箱控制算法本設(shè)計的控制器采用恒溫箱內(nèi)的溫度偏差和偏差變化率作為輸入變量, 以，作為輸出。模糊集E及模糊集EC均取為NB, NM,NS, Z, PS, PM, PB , 論域為 - 3, 3 , 模糊輸出取為NB,NM,NS, Z, PS, PM, PB ,論域為 - 0.3,0.3 , 取為NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB ,論域為 - 0.6,

35、0.6 ,取為NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB , 論域為 - 3, 3 ,PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻3個參數(shù)的作用以及相互的互聯(lián)關(guān)系。根據(jù)， 對系統(tǒng)輸出特性的影響情況,可歸納出在一般情況下,在不同的和和時,被控過程對參數(shù)，的自整定要求如下:（1） 當(dāng)較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度并防止起始偏差瞬間變大，可能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍,應(yīng)取較大的和較小的，同時為避免系統(tǒng)因積分飽和所引起的較大超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取=0。（2） 當(dāng)和為中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小，并保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，的值的大小適中。（3） 當(dāng)較小時,為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)

36、性能,應(yīng)增加和的值, 同時為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的干擾性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取Kd 的值，其原則是:當(dāng)較小時，可取的大些,通常取為中等大小，當(dāng)較大時，應(yīng)取小些。3 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 溫度傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。按用途分類

37、可以分為壓力和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器。熱敏傳感器。由于本設(shè)計需要溫度檢測故用到了溫度傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器：接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工

38、業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學(xué)溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6300K范圍內(nèi)的溫度。非接觸式溫度傳感器：它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變

39、化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和

40、各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。接觸式溫度傳感器又可分為熱電阻傳感器和熱電偶傳感器，盡管其作用相同都是測量物體的溫度，但是他們的原理與特點卻并不完全相同。熱電阻傳感器：熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等

41、材料制造熱電阻。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200+500范圍內(nèi)的溫度。熱電阻傳感器又可分為：（1） NTC熱電阻傳感器：該類傳感器為負溫度系數(shù)傳感器，即傳感器阻值隨溫度的升高而減小。（2）PTC熱電阻傳感器：該類傳感器為正溫度系數(shù)傳感器，即傳感器阻值隨溫度的升高而增大。熱電偶傳感器：熱電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,

42、通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影

43、響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表， 測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。從1988年1月1日起，我國的熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并制定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。本設(shè)計采用的是K型熱電阻。3.2 PLC的基本概念3.2.1 PLC的簡介可編程邏輯控制器的英文名稱是Programmable Logic Controller,簡稱PLC。現(xiàn)代制作業(yè)必須對市場需求做出快速的反應(yīng)，生產(chǎn)小批量，多品種，多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，這便要求生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須既有極高的可靠性和靈活性?？勺兂煽刂破髡巾槕?yīng)這一潮

44、流而出現(xiàn)的，以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。在20世紀(jì)60年代的汽車制造業(yè)，傳統(tǒng)繼電接觸器控制裝置廣泛應(yīng)用與生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)中。這套裝置設(shè)備體積龐大，可靠性差。同時維護不便，而且，完全由邏輯硬件構(gòu)成，接線十分復(fù)雜。一旦生產(chǎn)過程某一環(huán)節(jié)發(fā)生改變，控制裝置就要重新設(shè)計改造。隨著汽車生產(chǎn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對于汽車型號頻繁改進，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)捉襟見肘，弊端日益放大，最終PLC應(yīng)運而生。早起PLC僅僅是代替繼電器控制裝置完成順序控制、定時等任務(wù)，但是其簡單易懂，安裝方便、體積小巧、能耗低、有故障顯示、能重復(fù)使用的特點，使得PLC很快就得到了推廣應(yīng)用。國際電工委員會(IEC)對PLC的正式定義：“

45、可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序。執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與段數(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬或輸入/輸出控制各種類型的機械生產(chǎn)過程?？勺兂煽刂破骷捌湎嚓P(guān)外部設(shè)備，都易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計?！盤LC技術(shù)發(fā)展至今已十分成熟，與前期的產(chǎn)品相比較，目前的PLC不僅控制功能增強，功耗，體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且已經(jīng)具備遠程I/O、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理和圖像處理功能，所有這些特點已經(jīng)使PLC大量應(yīng)用與連續(xù)生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng)，與工業(yè)機器人，C

46、AD/CAM成為今天自動化技術(shù)的三大支柱。3.2.2 PLC與其他控制技術(shù)比較隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)以及個種智能技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了多種實用的控制技術(shù)，比如繼電器控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)、單片機控制技術(shù)以及PLC控制技術(shù)。以下是PLC控制技術(shù)與其他控制技術(shù)相比所體現(xiàn)的優(yōu)勢。PLC與繼電控制技術(shù)相比主要體現(xiàn)在一下幾個方面：1）控制邏輯：繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸頭的串聯(lián)或并聯(lián)以及時間繼電器的延時等組合控制邏輯。其缺點是接線復(fù)雜，增加或改變功能都非常困難，繼電器觸頭數(shù)目也有限。而PLC利用其內(nèi)部存儲器，以程序方式將控制邏輯存儲在內(nèi)存中，通過改變程序就可以方便的改

47、變控制邏輯。因此PLC控制邏輯的靈活性和擴展性很好2）控制速度：繼電器控制是通過繼電器機械觸頭的動作來實現(xiàn)，觸頭的開閉動作一般在幾十毫秒數(shù)量級。而PLC通過程序指令控制半導(dǎo)體來實現(xiàn)控制邏輯，一般一條指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級。3）限時控制：繼電器控制邏輯利用時間繼電器的時候動作進行限時控制，但其定時精度不高，易受環(huán)境影響，調(diào)整比較困哪。PLC使用半導(dǎo)體集成電路定時器，定時精度高，定時范圍可從0.001s到若干分鐘，通過編寫程序來進行定時控制，非常方便。4）計數(shù)控制：繼電器控制邏輯一般不具備計數(shù)的功能，而PLC能通過程序方便的實現(xiàn)計數(shù)功能。5）可靠性和維護性：繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸頭，

48、觸頭開閉時產(chǎn)生的電弧容易損壞觸電，因此可靠性和可維護性都比較差。而PLC采用無觸電的半導(dǎo)體電路來代替繼電器觸點，因為不存在上述缺陷。PLC還帶有自檢功能，為現(xiàn)場的調(diào)試和維護提供了方便。PLC與通用計算機控制技術(shù)相比主要體現(xiàn)在以下幾方面：1）使用環(huán)境：通用計算機對環(huán)境要求高。而PLC能適用于環(huán)境差的工業(yè)現(xiàn)場。2）程序設(shè)計：通用計算機具備豐富的程序設(shè)計語言，如匯編語言、C語言等，能實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用，對編程者要求高。而PLC能提供的編程語言少，邏輯簡單，容易學(xué)習(xí)和使用。3）運算速度和存儲容量：隨著各種電子技術(shù)的發(fā)展，通用計算機運算速度越來越快，一般在微秒級，存儲容量也在增大。而PLC相對通用計算機運算

49、速度要慢，其編程的軟件少，編程剪短，內(nèi)存容量也小。4）價格：通用計算機功能多，硬件復(fù)雜，而PLC相對功能單一，因此在價格上一般PLC要比通用計算機便宜。PLC控制技術(shù)與單片機控制技術(shù)相比：單片機控制技術(shù)一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制，單片機在配置上比通用計算機簡單，價格上相對便宜，但它和通用計算機一樣，不是專門為工業(yè)現(xiàn)場控制所設(shè)計的且編程復(fù)雜不易掌握，需要處理大量I/O接口，其輸出口驅(qū)動負載能力較弱，要驅(qū)動工業(yè)負載需要復(fù)雜的外圍電路。單片機控制技術(shù)的突出優(yōu)點在于它具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制過程處理的是大量的開關(guān)量，因而運用在工業(yè)現(xiàn)場控制中單片機的長處得不到發(fā)揮，其可靠性也遠不如PLC。3.

50、2.3 PLC的結(jié)構(gòu)工業(yè)中生產(chǎn)中使用的可編程控制器的型號有很多，它們雖然各有特點，但作為工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，它們在結(jié)構(gòu)組成、工作原理和編程方法等許多方面是基本相同的，常見的的PLC模塊有：1）CPU模塊：它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、規(guī)模都是由它的性能來體現(xiàn)。2）電源模塊：它為PLC運行提供內(nèi)部工作電源，而且，有的還可為輸入信號提供電源。3）I/O模塊：它集成了I/O電路，并依點數(shù)及電路類型劃分為不同規(guī)格的模塊。4）內(nèi)存模塊：它主要用來存儲用戶程序，有的還為系統(tǒng)提供附加的工作內(nèi)存。在結(jié)構(gòu)上內(nèi)存模塊都是附加于CPU模塊之中。5）底板、機架模塊：它是為PLC各模塊的安裝提供基板，并

51、為模塊間的聯(lián)系提供總線。若干底板間的聯(lián)系有的用接口模塊，有的用總線接口。不同的廠家或同一廠家但不同類型的PLC都不大相用。箱體式的PLC還有I/O擴展箱體，它不含CPU，僅有電源及I/O單元的功能、擴展箱體也依據(jù)I/O點數(shù)的多少劃分為不同的規(guī)格。除上述模塊，PLC還有特殊的智能或稱功能模塊。如A/D（模入）模塊、D/A（模出）模塊、高速計數(shù)模塊，位控模塊、溫度模塊等、這些模塊有自己的CPU，可對信號作預(yù)處理或后處理，以簡化PLC的CPU對反應(yīng)的程控制量的控制。智能模塊的種類、特性也大不相同，性能好的PLC，這些模塊種類多，性能也好。6）通信模塊，它接入PLC后，可使PLC與計算機。或PLC與P

52、LC之間進行通信，有的還可實現(xiàn)與其他控制不見，如變頻器、溫控通信，或組成局部網(wǎng)絡(luò)。通信模塊代表PLC的組網(wǎng)能力，代表著當(dāng)今PLC性能的重要方面。典型的PLC控制系統(tǒng)的硬件組成如下圖3.1。被控對象采樣設(shè)備驅(qū)動裝置檢測裝置模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊數(shù)字量輸出模塊其他功能模塊數(shù)字量輸入模塊系統(tǒng)總線CPU主機模塊電源模塊編程器計算機可編程終端圖3.1 PLC硬件系統(tǒng)組成3.2.4 PLC的工作方式PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序

53、執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的掃描一個周期必經(jīng)輸入采樣，程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。1）PLC在輸入采樣階段 首先以掃描的方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即輸入、隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。2）PLC在程序執(zhí)行階段按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。3）輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，

54、PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時才是PLC的真正輸出本次畢業(yè)設(shè)計使用的PLC是西門子公司的S7-200型，西門子S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機

55、械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU。如表3.1。表3.1 S7-系列中CPU22X的基本單元型號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU221640S7-200CPU222862個擴展模塊S7-200CPU22414107個擴展模塊S7-200CPU224XP24167個擴展模塊S7-200CPU22624167個擴展模塊本設(shè)計采用的是S7-200CPU226,CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數(shù)字量I/O?？涉溄?個擴展模塊，最大擴展至284點數(shù)字量或35點模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空

56、間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，2路獨立的20Hz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個PS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。3.3 PLC的地址及其通訊方式3.3.1 PLC地址表1）本設(shè)計中主要用到PLC中的PID指令回路,見表3.2。PID指令運算執(zhí)行：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件符合時，進行PID運算，TBL是回路表的起始地址，本設(shè)計采用的是VB100，由于一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可是07，不能重復(fù)使用。PID回路在PLC的地址分配情況如表3.3所示。表3.2 PID回路指令名稱 PID運算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形圖表3.3 PID回路指令表偏移量域格式類型描述0過程變量實型輸入過程變量，必須在0.01.0之間4設(shè)定值實型輸入包含設(shè)定值必須標(biāo)定在0.0和0.1之間8輸出實型輸入/輸出輸出值，必須在0.01.0之間12增益實型輸入增益比例常數(shù)，可