基于數(shù)字PID的電阻爐溫度控制

1、摘 要 溫度是工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，本文通過(guò)設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)，體現(xiàn)PID在模擬量信號(hào)檢測(cè)與控制中應(yīng)用的優(yōu)越性。本文中被控對(duì)象是電爐，在爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)中，爐溫經(jīng)過(guò)熱電偶檢測(cè)和溫度變送器的轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號(hào)，送往PLC控制器，再經(jīng)過(guò)模擬量輸入/輸出模塊（A/D）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由程序?qū)⒔o定的溫度值與測(cè)量值比較，然后根據(jù)偏差大小按比例調(diào)節(jié)規(guī)律，計(jì)算出校正量。通過(guò)模擬量輸入/輸出模塊的輸出控制作用，消除爐溫的偏差，從而使?fàn)t溫達(dá)到并穩(wěn)定在給定的數(shù)值上。 關(guān)鍵詞 PLC，溫度控制，PID調(diào)節(jié)目 錄 TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc12720 摘 要 HYPE

2、RLINK l _Toc2804 1 緒 論 PAGEREF _Toc2804 1 HYPERLINK l _Toc31118 1.1 課題背景、目的及意義 PAGEREF _Toc31118 1 HYPERLINK l _Toc31489 1.1.1 課題背景 PAGEREF _Toc31489 1 HYPERLINK l _Toc6544 1.1.2 課題的目的及意義 PAGEREF _Toc6544 1 HYPERLINK l _Toc29981 1.2 本文結(jié)構(gòu)安排 PAGEREF _Toc29981 1 HYPERLINK l _Toc7415 2 PID控制系統(tǒng)的概況 PAGERE

3、F _Toc7415 2 HYPERLINK l _Toc5462 2.1 PID控制系統(tǒng)的概述 PAGEREF _Toc5462 2 HYPERLINK l _Toc15907 2.2 PID的實(shí)現(xiàn)意義 PAGEREF _Toc15907 2 HYPERLINK l _Toc10479 2.3 PID的作用價(jià)值 PAGEREF _Toc10479 3 HYPERLINK l _Toc10277 2.5 PID的系統(tǒng)分類 PAGEREF _Toc10277 4 HYPERLINK l _Toc24102 2.5.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc24102 4 HYPERLINK l _

4、Toc2539 2.5.2閉環(huán)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc2539 4 HYPERLINK l _Toc9008 2.5.3階躍響應(yīng) PAGEREF _Toc9008 5 HYPERLINK l _Toc12241 2.6 PID的調(diào)節(jié)方法 PAGEREF _Toc12241 5 HYPERLINK l _Toc13843 2.7 PID的工作原理 PAGEREF _Toc13843 7 HYPERLINK l _Toc16015 2.7.1 比例（P）控制 PAGEREF _Toc16015 7 HYPERLINK l _Toc13378 2.7.2 積分（I）控制 PAGEREF _

5、Toc13378 7 HYPERLINK l _Toc17129 2.7.3 微分（D）控制 PAGEREF _Toc17129 7 HYPERLINK l _Toc12326 3控制的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc12326 8 HYPERLINK l _Toc9096 3.1控制原理圖 PAGEREF _Toc9096 8 HYPERLINK l _Toc17409 3.2 各獨(dú)立模塊方案論證 PAGEREF _Toc17409 9 HYPERLINK l _Toc12002 3.2.1 溫度檢測(cè)模塊 PAGEREF _Toc12002 9 HYPERLINK l _Toc5323 3.2

6、.2 變頻調(diào)速模塊 PAGEREF _Toc5323 10 HYPERLINK l _Toc3358 3.2.3 主控模塊PLC PAGEREF _Toc3358 11 HYPERLINK l _Toc3311 3.2.4 功率輸出電路及其控制原理的分析 PAGEREF _Toc3311 12 HYPERLINK l _Toc24145 3.2.5 顯示電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24145 13 HYPERLINK l _Toc5661 3.2.6 按鍵接入 PAGEREF _Toc5661 13 HYPERLINK l _Toc20371 3.2.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì) PAGEREF _

7、Toc20371 13 HYPERLINK l _Toc4751 3.2.8 溫度調(diào)節(jié)模塊 PAGEREF _Toc4751 14 HYPERLINK l _Toc1461 3.2.9 硬件總框圖 PAGEREF _Toc1461 14 HYPERLINK l _Toc6500 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc6500 14 HYPERLINK l _Toc29342 4.1主要的工作流程圖 PAGEREF _Toc29342 14 HYPERLINK l _Toc22286 4.2 PID控制器的參數(shù)整定 PAGEREF _Toc22286 15 HYPERLINK l _Toc4

8、759 4.3數(shù)字PID在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc4759 17 HYPERLINK l _Toc14812 5 結(jié)論 PAGEREF _Toc14812 20 HYPERLINK l _Toc14619 6 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc14619 211 緒 論1.1 課題背景、目的及意義1.1.1 課題背景 隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，IC技術(shù)的不斷提高，PID在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各行業(yè)發(fā)揮了重要作用。它因?yàn)榧啥雀?，體積小，運(yùn)行可靠，應(yīng)用靈活，價(jià)格低，面向控制等特點(diǎn)得到了廣大工程技術(shù)人員的好評(píng)。在溫度控制方面，PID能夠代替以前常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器。目前，我國(guó)在這些方

9、面的技術(shù)水平與歐美等擁有先進(jìn)制造技術(shù)的國(guó)家還有一定的差距。我們波撇需要培養(yǎng)和訓(xùn)練能夠設(shè)計(jì)智能化，自動(dòng)化設(shè)備的工程技術(shù)人才。智能作為現(xiàn)在的新發(fā)明，是以后的發(fā)展發(fā)祥和趨勢(shì)，他能夠按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。爐溫控制就是其中的一個(gè)。本設(shè)計(jì)介紹了利用PID進(jìn)行爐溫控制系統(tǒng)的基本組成，工作原理，程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的抗干擾措施。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用型強(qiáng)，有較高自能化，人性化特點(diǎn)。1.1.2 課題的目的及意義本次設(shè)計(jì)選擇“電爐溫度控制的PID控制設(shè)計(jì)”是為了更好地學(xué)習(xí)和研究PID電氣設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，掌握電路設(shè)計(jì)的方法和技巧。學(xué)會(huì)如何將學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)用到實(shí)際當(dāng)中，

10、怎么能夠活學(xué)活用。深入的了解電子元器件的使用方法，了解各個(gè)元器件的基本用法，能夠靈活敏捷的判斷電路中出現(xiàn)的故障，學(xué)會(huì)獨(dú)立設(shè)計(jì)，積累更多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)焊接能力和技巧，同時(shí)在實(shí)踐過(guò)程中鍛煉查閱，歸納質(zhì)料的能力，提高理論知識(shí)聯(lián)系動(dòng)手能力。 1.2 本文結(jié)構(gòu)安排本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以PID為控制核心，加以溫度檢測(cè)電路，變頻調(diào)速器，D/A轉(zhuǎn)換器以及其他電路構(gòu)成。系統(tǒng)由PID通過(guò)對(duì)溫度檢測(cè)電路檢測(cè)到的溫度加以分析，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，找出溫度值所在范圍，根據(jù)PLC中設(shè)置的PID參數(shù)，輸出相應(yīng)溫度初值對(duì)應(yīng)的受控對(duì)象電機(jī)的轉(zhuǎn)速初值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)為變頻器的頻率，控制變頻調(diào)速裝

11、置，帶動(dòng)被控對(duì)象，并且把被控對(duì)象的轉(zhuǎn)速經(jīng)變換電路和D/A轉(zhuǎn)換器反饋到PLC中，與輸出的轉(zhuǎn)速初值進(jìn)行比較，其偏差被PID程序計(jì)算后重新輸出，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。本系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，靈活，可擴(kuò)展性好，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度高，控制效果好的優(yōu)點(diǎn)。2 PID控制系統(tǒng)的概況2.1 PID控制系統(tǒng)的概述PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t）與輸出u (t）的關(guān)系為：u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s。其

12、中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。2.2 PID的實(shí)現(xiàn)意義目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包

13、括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator），其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用P

14、ID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC），還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。可編程控制器（PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器（PLC）可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其HYPERLINK /doc/135199.html遠(yuǎn)程控制功能。2.3 PID的作用價(jià)值 它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。

15、在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制

16、系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問(wèn)題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的。現(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì)

17、產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒(méi)有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開(kāi)環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過(guò)程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù)。PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器。2.4 PLC的發(fā)展1968年美國(guó)GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，并公開(kāi)招標(biāo)提出十項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn): = 1 * GB

18、3 編程方便，現(xiàn)場(chǎng)可修改程序； = 2 * GB3 維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)； = 3 * GB3 可靠性高于繼電器控制裝置； = 4 * GB3 體積小于繼電器控制裝置； = 5 * GB3 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)； = 6 * GB3 成本可與繼電器控制裝置競(jìng)爭(zhēng)； = 7 * GB3 輸入可以是交流115V； = 8 * GB3 輸出為交流115V, 2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，接觸器等； = 9 * GB3 在擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只要很小變更； = 10 * GB3 用戶程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展到4K。1969年，美國(guó)數(shù)字公司(DEC)研制出了第一臺(tái)可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求

19、。這種新型的工業(yè)控制裝置簡(jiǎn)單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長(zhǎng)，很快在美國(guó)其它工業(yè)領(lǐng)域推廣使用。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有了第五代PLC產(chǎn)品。2.5 PID的系統(tǒng)分類2.5.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對(duì)象的輸出（被控制量）對(duì)控制器（controller）的輸入沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。2.5.2閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出（被控制量）會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋（ Negative Feedback），若極性相同，則

20、稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.5.3階躍響應(yīng)指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stabili

21、ty），一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)（Steady-state error）描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。2.6 PID的調(diào)節(jié)方法 PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，PID調(diào)節(jié)儀表也是工業(yè)控制中最常用的儀表之一，PID 適用于需要進(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對(duì)象自動(dòng)演算出最佳PID控制參數(shù)。PID參數(shù)自整定控制儀可選擇外給定（或閥位）控制功能?？?取代伺服放大器直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門等）。PID外給定（或閥位）控制儀可自動(dòng)跟隨

22、外部給定值（或閥位反饋值）進(jìn)行控制輸出（模擬量控制輸出或繼電器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制輸出）?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。手動(dòng)切換至自動(dòng)時(shí)，采用逼近法計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)的平穩(wěn)切換。PID外給定（或閥位）控制儀可同時(shí)顯示測(cè)量信號(hào)及閥位反饋 信號(hào)。PID光柱顯示控制儀集數(shù)字儀表與模擬儀表于一體，可對(duì)測(cè)量 值及控制目標(biāo)值進(jìn)行數(shù)字量顯示（雙LED數(shù)碼顯示），并同時(shí)對(duì)測(cè)量值及控制目標(biāo)值進(jìn)行相對(duì)模擬量顯示（ 雙光柱顯示），顯示方式為雙LED數(shù)碼顯示+雙光柱模擬量顯示，使測(cè)量值的顯示更為清晰直觀。PID參數(shù)自整定控制儀可隨意改變儀表的輸入信號(hào)類型。采用 最新無(wú)跳線技術(shù)，只需設(shè)定儀表內(nèi)部參數(shù)，即可將儀表從一種輸入信

23、號(hào)改為另一種輸入信號(hào)。PID參數(shù)自整定控制儀可選擇帶有一路模擬量控制輸出（或開(kāi) 關(guān)量控制輸出、繼電器和可控硅正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制）及一路模擬量變送輸出，可適用于各種測(cè)量控制場(chǎng)合。PID參數(shù)自整定控制儀支持多機(jī)通訊，具有多種標(biāo)準(zhǔn)串行雙向 通訊功能，可選擇多種通訊方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通訊波特率3009600bps 儀表內(nèi)部參數(shù)自由設(shè)定?？膳c各種帶串行輸入輸出的設(shè)備（如電腦、可編程控制器、PLC 等）進(jìn)行通訊，構(gòu)成管理系統(tǒng)。1.PID常用口訣： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳曲線偏離回

24、復(fù)慢，積分時(shí)間往下降曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低2.PID控制器參數(shù)的工程整定，各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照：溫度T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s壓力P: P=3070%,T=24180s,液位L: P=2080%,T=60300s,流量F: P=40100%,T=660s。2.5.2存儲(chǔ)器2.7 PID的工作原理 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至

25、今已有近70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。2.7.1 比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。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

26、時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。2.7.2 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)（System with Steady-state Error）。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，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。2.7.3

27、 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

28、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。3控制的實(shí)現(xiàn)3.1控制原理圖 溫度下降，則有，經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)以及變換電路把對(duì)側(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)D/A變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入PLC中，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，得知系統(tǒng)處于欠溫度狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)熱電阻，控制加熱功率，從而使?fàn)t溫回升，直到重新等于給定值（即）為止。如果負(fù)荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。u(t)隨之加大，使得。經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)及變換電路把被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)D/A變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入PLC中，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行

29、比較，得知系統(tǒng)處于過(guò)溫度狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。由此看出系統(tǒng)是通過(guò)熱電偶測(cè)量被控量，并反饋到系統(tǒng)的輸入端，從而形成了閉合回路，此反饋信號(hào)通過(guò)比較線路與給定值進(jìn)行加法或減法運(yùn)算，獲得偏差信號(hào)，系統(tǒng)再根據(jù)偏差信號(hào)的大小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，爐溫控制系統(tǒng)是一個(gè)按偏差如圖3.1和圖3.2調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。爐溫控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖4.2 所示。PLC主機(jī)鍵盤(pán)PLC主機(jī)鍵盤(pán)PID調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度檢測(cè)裝置Micrologix1500圖3.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)圖實(shí)際溫度電阻爐 圖3.2爐溫控制系統(tǒng)的原理方框圖3.2 各獨(dú)立模塊方案論證3.2.1

30、溫度檢測(cè)模塊 溫度檢測(cè)電路的選擇 方案一：熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 方案二：熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克效應(yīng)，即兩種不同成分的道題兩端連接成回路，如兩接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點(diǎn)是：A 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。B 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50 +1600度均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269度，最高可達(dá)+2800度。C 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是

31、兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。缺點(diǎn)是熟悉度不夠，想要正常安裝頗有難度。 方案三：采用西門子S7-200，它集成14個(gè)輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。5個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)R5485通訊編程口，具有PPI通訊協(xié)議，MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，I/O端能容易的整體拆卸。具有較強(qiáng)的控制力。 這次設(shè)計(jì)我采用方案三，使用西門子S7-200，其提供一個(gè)4點(diǎn)12位模擬量輸入和溫度

32、傳感輸入模塊，輸入為DC-5+5v和020mA電壓或電流。 下面列展了西門子S7-200的一些主要技術(shù)指標(biāo)集成的數(shù)字量輸入/輸出 14入/10出可連接的擴(kuò)展模塊數(shù)量（最大） 7個(gè) 最大可擴(kuò)展的數(shù)字量輸入/輸出范圍 168點(diǎn)最大可擴(kuò)展的模擬量輸入/輸出范圍 35點(diǎn)用戶程序區(qū) 8 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 8 KB后備數(shù)據(jù)時(shí)間（電容） 100編程軟件 Step 7-Micro/WIN高速計(jì)數(shù)器 6個(gè)30 KHZ高速脈沖輸出 2個(gè)20 KHZ 通訊借口 1個(gè)RS-485外部硬件中斷 4支持的通訊協(xié)議 PPI ,MPI ,自由口模擬電位器 2個(gè)8位分辨率實(shí)時(shí)時(shí)鐘 內(nèi)置時(shí)鐘 3.2.2 變頻調(diào)速模塊 變頻調(diào)速器的

33、選擇。由 n=60f/p知，當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n和電源頻率f成正比。因此，連續(xù)地改變供電電源的頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)速方法就是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有較好的調(diào)速性能，是交流調(diào)速方法中具有重要意義的一種調(diào)速方法。在國(guó)內(nèi)外都已得到推廣和應(yīng)用。目前，國(guó)外生產(chǎn)的變頻裝置容量已達(dá)一萬(wàn)千瓦以上，價(jià)格和性能都可以與直流系統(tǒng)想媲美。國(guó)內(nèi)也有不少產(chǎn)品問(wèn)世。但是，由于元件制造水平低、價(jià)格貴加上技術(shù)上要求復(fù)雜，所以限制了它的推廣和應(yīng)用。隨著生產(chǎn)與技術(shù)水平的提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)必蔣得到更大的發(fā)展，以致在某些領(lǐng)域逐步代替直流調(diào)速系統(tǒng)。故本系統(tǒng)采用變頻調(diào)速器。 變頻調(diào)速器的工作原理。變頻器調(diào)速技

34、術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s)/p，（式中n、f、s、p分別是表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f（1-s)/p。從上式可見(jiàn)，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同調(diào)速方式無(wú)非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。3.2.3 主控模塊PLC S7-200 cup 224 集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B續(xù)7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，

35、16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)R5485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議，MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 圖3.3 CUP 224模塊接線圖 圖3.4 CPU224 AC/DC/繼電器 輸入接線型式簡(jiǎn)圖 圖3.5 24V DC 輸出接線型式 圖3.6繼電器輸出 圖3.7 24VDC輸出 3.2.4 功率輸出電路及其控制原理的分析加熱絲輸出功率大小的調(diào)節(jié)，可以使用移相調(diào)壓電路，也可以采用占空比開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。在采用移想調(diào)壓電路時(shí)，即將計(jì)算到的控

36、制量經(jīng)D/A 變換，控制可控硅的移相觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對(duì)電網(wǎng)有一定的干擾。采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產(chǎn)生的熱量和所家的電壓之間的非線性，通過(guò)調(diào)節(jié)周期時(shí)間內(nèi)的通電時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，可以避免D/A轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大造成的不必要的誤差，也可以通過(guò)可控硅的過(guò)零觸發(fā)電路避免對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。在本系統(tǒng)中采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，功率輸出電路設(shè)計(jì)如圖3.8。 圖3.8功率輸出圖 3.2.5 顯示電路設(shè)計(jì) 方案一：液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)在袖珍儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)

37、中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。方案二：用LED數(shù)碼管來(lái)顯示。LED電子顯示屏作為一種現(xiàn)在電子產(chǎn)品，以其靈活的顯示面積、亮度高、壽命長(zhǎng)、容量大、等特點(diǎn)。 本系統(tǒng)中PLC與液晶顯示器相連太麻煩，但與LED連接比較簡(jiǎn)單。所以選取方案二。該顯示中選通信號(hào)由Y0，Y4控制。前一單元顯示設(shè)定溫度，后一單元顯示當(dāng)前溫度。如當(dāng)前溫度顯示為10則Y0Y3為000100000001000 按鍵接入本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,輸入按鍵有三個(gè)，用一個(gè)來(lái)控制溫度的升高與下降，一個(gè)用來(lái)確認(rèn)，另一個(gè)來(lái)取消。PLC的輸入借口X1用來(lái)接溫度控制按鍵，X2作為確認(rèn)按鍵輸入，X3作為取消按鍵輸入。在需要降穩(wěn)時(shí)按下X1鍵再按確認(rèn)。如錯(cuò)按則用X3取消。加

38、熱時(shí)按兩下X1，再確認(rèn)。3.2.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的是一個(gè)聲光報(bào)警電路。當(dāng)電路檢測(cè)到溫度偏高或偏低時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生發(fā)光發(fā)聲報(bào)警。聲光報(bào)警電路采用高亮的LED燈以及蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路如下圖3.9所示。 圖3.9 聲光報(bào)警電路3.2.8 溫度調(diào)節(jié)模塊 本系統(tǒng)中風(fēng)扇的作用是，當(dāng)爐溫過(guò)高時(shí)控制風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行降溫。當(dāng)系統(tǒng)處于過(guò)溫度狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。本系統(tǒng)中熱電阻的作用是，當(dāng)爐溫過(guò)低時(shí)，控制熱電阻對(duì)其進(jìn)行加熱。當(dāng)系統(tǒng)處于欠溫狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)熱電阻，控制加熱功率，從而使?fàn)t溫回升，直到重新等于給定值為止。3.2.9 硬件總框圖 下圖是總的

39、接線框圖，在接線配線時(shí)需要注意的是在避免干擾的需求較高時(shí)最好用屏障電纜。還有信號(hào)線與電纜線應(yīng)該分開(kāi)走。 圖3.10 硬件總框圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主要的工作流程圖本系統(tǒng)采用PLC作為核心處理器件，把經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集到的溫度數(shù)據(jù)，存入PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，送LED顯示，并與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后由PLC輸出信號(hào)去控制加熱器。進(jìn)行溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：實(shí)時(shí)采集溫度、溫度顯示、與上位PLC通信程序、警告和處理。軟件設(shè)計(jì)主要有：主程序、初值設(shè)定子程序、溫度讀取子程序、顯示子程序和輸出控制子程序等。初值設(shè)定子程序完成對(duì)溫度初值的設(shè)定及數(shù)據(jù)保存；溫度讀子程序完成對(duì)溫度傳感

40、器數(shù)據(jù)的讀取、并通過(guò)液晶顯示子程序顯示溫度值等等。PLC的具體軟件主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程圖4.2 PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。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)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還要通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，方法簡(jiǎn)單，易于掌握，在工程中被廣發(fā)應(yīng)用，PID控制時(shí)和自動(dòng)調(diào)諧時(shí)

41、的動(dòng)作情況如圖4.2。圖4.2 PID控制動(dòng)作圖PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)、然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。本系統(tǒng)采用的是臨界比例法。李勇該方法進(jìn)行PID控制器的參數(shù)整定步驟如下：（1）首先選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后

42、根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。根據(jù)被控對(duì)象以及基本設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行大量的計(jì)算分析，要保證系統(tǒng)良好的性能又要保證給定的技術(shù)要求，在此過(guò)程中，可采用理論指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定控制算法。對(duì)于溫度系統(tǒng)的建模，可以近似地認(rèn)為“純滯后+一階慣性”環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)出開(kāi)環(huán)曲線，對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)象，往往采用PID控制算法，控制效果比較好。 圖4.3 比例積分微分圖 調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的比例積分微分關(guān)系如下： 式（1.1）其中K p為比列系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，T d為微分時(shí)間常數(shù)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字PID調(diào)節(jié)，就是對(duì)式（1）進(jìn)行離散化，離散化時(shí)，令 ， ， 式中T是采樣周期，顯然，上

43、述周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。因此數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，表達(dá)式如下： 式（1.2）由控制理論可知：離散化采樣頻率越高，采樣后失去的信息越少，相應(yīng)的控制性能也越好。但由于水溫是一個(gè)慢變信號(hào)，進(jìn)行PID算法控制時(shí)，若采樣頻率過(guò)高，相鄰兩次采樣信號(hào)差距很小，將會(huì)失去PID控制的優(yōu)勢(shì)，因此確定采樣頻率為1/15HZ，即15S進(jìn)行一次PID算法。在反饋控制部分的然間程序設(shè)計(jì)上主要采用PID控制算法，但由于過(guò)早地引入積分作用容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的PID控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。在

44、本系統(tǒng)的實(shí)際控制中，微分作用的改善不是很明顯，因此，在軟件編制時(shí)可不加微分調(diào)節(jié)。4.3數(shù)字PID在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用典型的數(shù)字P1D控制系統(tǒng)如圖3所示，圖中SP(t)是給定值PV(t)為反饋量，C(t)為輸出值，PID控制器的輸入輸出關(guān)系可表示為：圖4.4圖4.4 數(shù)字PID控制系統(tǒng)PV(t)C(t)M(t)(n)eSP(n)PIDD/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量機(jī)構(gòu)A/DSP(t)由于每次處理工件的溫度、外型及重量不同，PID的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，不能再程序中一次確定。所以在這里采用簡(jiǎn)易PID控制，通過(guò)自調(diào)諧功能，自動(dòng)計(jì)算出社和的PID常數(shù)，解決了PID控制中參數(shù)確定難的問(wèn)題。選擇快速響應(yīng)時(shí)，

45、容易發(fā)生過(guò)調(diào)：選擇慢速響應(yīng)，沒(méi)有過(guò)調(diào)產(chǎn)生，響應(yīng)速度慢。在反饋控制部分的軟件程序設(shè)計(jì)上主要采用PID控制算法，由于過(guò)早地引入積分作業(yè)容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的PID控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。在偏差大時(shí)不進(jìn)行積分，僅當(dāng)偏差的絕對(duì)值小于一預(yù)定的門限值a時(shí)才進(jìn)行積分累加。這樣既防止了偏差大時(shí)有過(guò)大的控制量，也避免了過(guò)積分現(xiàn)象。在PLC控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過(guò)PID控制指令實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入PLC的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入存儲(chǔ)器和寄存器，而在PLC中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)

46、值計(jì)算去逼近。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲞B續(xù)時(shí)間PID算法的差分方程。PID的子程序流程圖如圖3所示，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)到得溫度值和設(shè)定溫度比較，求出相應(yīng)的溫度偏差值E，根據(jù)E與a的比較判斷采用PID算法或是PD算法，隨后進(jìn)行算法處理，求出控制值。PID控制根據(jù)指令指定單元確定動(dòng)作方向，執(zhí)行運(yùn)算。RSLogix500中的PID指令為：指令功能：比例、積分和微分指令是一條輸出指令，該指令采用過(guò)程循環(huán)以控制諸如溫度、壓力、液位、流量或流速等物理性質(zhì)的過(guò)程量。指令說(shuō)明：PID指令通常用于閉環(huán)控制。它從模擬量輸入通道采

47、集信號(hào)，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，提供一個(gè)模擬量輸出信號(hào)為反映，一是一個(gè)過(guò)程量穩(wěn)定在一個(gè)期望點(diǎn)。PID方程決定了輸出和輸入信號(hào)的關(guān)系為；式中，E為輸出信號(hào)對(duì)期望點(diǎn)的偏移量；Kc為比例系數(shù)，也叫開(kāi)環(huán)增益；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；Output為PID運(yùn)算輸出；Bias為給輸出加上的一個(gè)偏移量。當(dāng)輸入信號(hào)偏移期望點(diǎn)越大，這個(gè)Bias偏移量值越大。另外，可再加上一個(gè)Bias偏移量（可看作偏移Offset）作為運(yùn)算的結(jié)果輸出，它使得被控過(guò)程量快速、平滑、超調(diào)量小的向期望點(diǎn)靠近（只要PID參數(shù)選擇合適）。 Y電阻爐加熱Y電阻爐加熱采集溫度值，讀入PID源地址檢測(cè)是否有偏差PID控制圖4.5 電阻爐

48、溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)程序流程圖控制參數(shù)讀入目的地址，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器結(jié)束開(kāi)始5 結(jié)論從本次電爐溫度控制系統(tǒng)的PID設(shè)計(jì)中體會(huì)到，要對(duì)論文控制并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制問(wèn)題，它涉及到機(jī)械學(xué)、力學(xué)等方面的知識(shí)，并與PLC相互配合。系統(tǒng)的工作中，其他電路構(gòu)成。系統(tǒng)由PLC通過(guò)對(duì)溫度檢測(cè)電路檢測(cè)到的溫度加以分析，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，找出溫度值所在范圍，根據(jù)PLC中設(shè)置的PID參數(shù)，輸出相應(yīng)溫度初值對(duì)應(yīng)的受控對(duì)象電機(jī)的轉(zhuǎn)速初值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)為變頻器的頻率，控制變頻調(diào)速裝置，帶動(dòng)被控對(duì)象，并且把被控對(duì)象的轉(zhuǎn)速經(jīng)變換電路和D/A轉(zhuǎn)換器反饋到PLC中，與輸出的轉(zhuǎn)速初值進(jìn)行比較，

49、其偏差被PID程序計(jì)算后重新輸出，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。采用PLC進(jìn)行控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等特點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要現(xiàn)實(shí)意義。隨著電氣設(shè)備性能的日趨完善和微型處理機(jī)技術(shù)的普及與廣泛應(yīng)用，爐溫控制設(shè)備的智能化程度越來(lái)越高，同時(shí)也使煉鋼、電氣專業(yè)和相關(guān)專業(yè)的聯(lián)系更加密切。今后的發(fā)展模式的多能化，面對(duì)不斷更新的產(chǎn)品，電氣設(shè)計(jì)與其他相關(guān)專業(yè)技術(shù)一樣都需要不斷地協(xié)調(diào)創(chuàng)新和完善。最后，特別感謝楊青老師，因?yàn)樵诒敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，楊青老師對(duì)該課設(shè)從選題、構(gòu)思、資料收集到最后定稿的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo)，使我對(duì)爐溫控制系統(tǒng)有了深刻的認(rèn)識(shí)，使

50、我得以最終完成課程設(shè)計(jì)，在此表示衷心感謝。楊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度、積極進(jìn)取的科研精神以及誨人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模。同時(shí)也要感謝我的朋友和同學(xué)，他們?cè)诒疚膶?xiě)作的各個(gè)階段給出了許多寶貴意見(jiàn)。在四年的大學(xué)生涯里，還得到眾多老師的關(guān)心支持和幫助，在此，謹(jǐn)向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意!論文中不足之處還忘各位老師多多指正。6 參考文獻(xiàn)1 吳中俊，黃永紅.可編程序控制器原理及應(yīng)用（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2 馬丁. 西門子PLC200/300/400應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講（第2版）.北京：電子工業(yè)出版社，3 李鳳閣 佟為明主

51、編，電氣控制魚(yú)可編程控制器應(yīng)用技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2007.84 鄧?yán)?主編，ControllLogix系統(tǒng)使用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，2007.105 吳波 張靜，PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，China Academic Journal Electronic Publishing House，2006，27（6）附錄資料：不需要的可以自行刪除 busybox詳解制作根文件系統(tǒng)詳解制作根文件系統(tǒng) 一、FHS（Filesystem Hierarchy Standard）標(biāo)準(zhǔn)介紹當(dāng)我們?cè)趌inux下輸入ls / 的時(shí)候，見(jiàn)到的目錄結(jié)構(gòu)以及這些目錄下的內(nèi)容都大同小異，這是因?yàn)樗械?/p>

52、linux發(fā)行版在對(duì)根文件系統(tǒng)布局上都遵循FHS標(biāo)準(zhǔn)的建議規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了根目錄下各個(gè)子目錄的名稱及其存放的內(nèi)容：目錄名存放的內(nèi)容/bin必備的用戶命令，例如ls、cp等/sbin必備的系統(tǒng)管理員命令，例如ifconfig、reboot等/dev設(shè)備文件，例如mtdblock0、tty1等/etc系統(tǒng)配置文件，包括啟動(dòng)文件，例如inittab等/lib必要的鏈接庫(kù)，例如C鏈接庫(kù)、內(nèi)核模塊/home普通用戶主目錄/rootroot用戶主目錄/usr/bin非必備的用戶程序，例如find、du等/usr/sbin非必備的管理員程序，例如chroot、inetd等/usr/lib庫(kù)文件/var守護(hù)

53、程序和工具程序所存放的可變，例如日志文件/proc用來(lái)提供內(nèi)核與進(jìn)程信息的虛擬文件系統(tǒng)，由內(nèi)核自動(dòng)生成目錄下的內(nèi)容/sys用來(lái)提供內(nèi)核與設(shè)備信息的虛擬文件系統(tǒng)，由內(nèi)核自動(dòng)生成目錄下的內(nèi)容/mnt文件系統(tǒng)掛接點(diǎn)，用于臨時(shí)安裝文件系統(tǒng)/tmp臨時(shí)性的文件，重啟后將自動(dòng)清除制作根文件系統(tǒng)就是要建立以上的目錄，并在其中建立完整目錄內(nèi)容。其過(guò)程大體包括：編譯安裝busybox，生成/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin目錄 利用交叉編譯工具鏈，構(gòu)建/lib目錄 手工構(gòu)建/etc目錄 手工構(gòu)建最簡(jiǎn)化的/dev目錄 創(chuàng)建其它空目錄 配置系統(tǒng)自動(dòng)生成/proc目錄 利用udev構(gòu)建完整的/

54、dev目錄 制作根文件系統(tǒng)的jffs2映像文件 下面就來(lái)詳細(xì)介紹這個(gè)過(guò)程。二、編譯安裝busybox，生成/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin目錄這些目錄下存儲(chǔ)的主要是常用命令的二進(jìn)制文件。如果要自己編寫(xiě)這幾百個(gè)常用命令的源程序，my god， 這簡(jiǎn)直是一個(gè)噩夢(mèng)！好在我們有嵌入式Linux系統(tǒng)的瑞士軍刀busybox，事情就簡(jiǎn)單很多。1、從 HYPERLINK / / 下載busybox-1.7.0.tar.bz22、tar xjvf busybox-1.7.0.tar.bz2解包3、修改Makefile文件175 ARCH ?= arm176 CROSS_COMPILE

55、 ?= arm-linux- 4、make menuconfig配置busyboxbusybox配置主要分兩部分。第一部分是Busybox Settings，主要編譯和安裝busybox的一些選項(xiàng)。這里主要需要配置：1）、Build Options - Build BusyBox as a static binary (no shared libs)，表示編譯busybox時(shí)，是否靜態(tài)鏈接C庫(kù)。我們選擇動(dòng)態(tài)鏈接C庫(kù)。2）、Installation Options - Applets links (as soft-links) - (X) as soft-links，表示安裝busybox時(shí)，將

56、各個(gè)命令安裝為指向busybox的軟鏈接還是硬鏈接。我們選擇軟鏈接。3）、Installation Options - (/work/nfs_root/fs_mini3) BusyBox installation prefix，表示busybox的安裝位置。我們選擇/work/nfs_root/fs_mini34）Busybox Library Tuning。保留Command line editing以支持命令行編輯；保留History size以支持記憶歷史命令；選中Tab completion和Username completion以支持命令自動(dòng)補(bǔ)全 第二部分是Applets，他將bus

57、ybox的支持的幾百個(gè)命令分門別類。我們只要在各個(gè)門類下選擇想要的命令即可。這里我們基本保持默認(rèn)設(shè)置。1）選中Networking Utilities - httpd下的Enable -u option，以啟用http服務(wù)器的功能allows the server to run as a specific user5、編譯busyboxmake6、安裝busyboxmake install安裝完成后，可以看到在/work/nfs_root/fs_mini3目錄下生成了binsbinusr/binusr/sbin目錄，其下包含了我們常用的命令，這些命令都是指向bin/busybox的軟鏈接，而b

58、usybox本身的大小不到800K：dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ lsbin linuxrc sbin usrdennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ ls -l bintotal 740lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 addgroup - busyboxlrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 adduser - busyboxlrwxrwxrwx 1 dennis den

59、nis 7 2010-04-03 23:57 ash - busybox-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 749632 2010-04-03 23:57 busyboxlrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 cat busybox 而普通PC機(jī)上的ls命令就有差不多80K的大?。?dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ ls -l /bin/ls-rwxr-xr-x 1 root root 78004 2007-09-29 20:51 /bin/ls busybox以它嬌

60、小的身軀容納了數(shù)以百計(jì)的命令代碼，實(shí)在是讓人佩服不已，其不愧嵌入式系統(tǒng)瑞士軍刀之美譽(yù)。據(jù)說(shuō)，busybox的作者身患絕癥，這更讓人欽佩GNU開(kāi)源軟件的作者們。 三、利用交叉編譯工具鏈，構(gòu)建/lib目錄 光有應(yīng)用程序（命令）是不夠的，因?yàn)閼?yīng)用程序本身需要使用C庫(kù)的庫(kù)函數(shù)，因此還必需制作for ARM的C庫(kù)，并將其放置于/lib目錄。my god，要自己寫(xiě)C庫(kù)的源代碼嗎？不用！還記得交叉編譯工具鏈的3個(gè)組成部分嗎？交叉編譯器、for ARM的C庫(kù)和二進(jìn)制工具。哈哈，for ARM的C庫(kù)是現(xiàn)成的，我們只需要拷貝過(guò)來(lái)就可以了。遺憾的是：整個(gè)C庫(kù)目錄下的文件總大小有26M。而我們根文件系統(tǒng)所在分區(qū)不過(guò)區(qū)