基于PLC的模糊PID溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究【畢業(yè)作品】

II自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)于一體的通用工業(yè)控制裝置。它作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強(qiáng)能模塊來實(shí)現(xiàn)控制算法，通過與計(jì)算機(jī)的通信對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理和遠(yuǎn)程控制。其中,模糊PID是采集輸入量與設(shè)定值的偏差量和偏差的變化率，來運(yùn)用模糊控制的理論，來得到PID控制器的三個(gè)參數(shù)值，即Kp、Ti、IIIfIV 1 1 2 2 2 3 5 6的循環(huán)處理過程 6循環(huán)掃描時(shí)間 7輸入/輸出滯后時(shí)間 7 9 9 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 閉環(huán)控制的性能指標(biāo) 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的方法 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響 確定PID參數(shù)初值的工程方法 4溫度控制的系統(tǒng)的硬件組成 型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置介紹 型系統(tǒng)主要特點(diǎn) 裝置的組成 V測(cè)量元件 執(zhí)行元件 5溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 模糊控制器的組成 模糊控制器的設(shè)計(jì) 6溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制程序設(shè)計(jì) 7溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 7.1建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 一階慣性環(huán)節(jié)擬合的近似法 鍋爐對(duì)象特性曲線測(cè)試及對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立 普通PID調(diào)節(jié)器 模糊PID調(diào)節(jié)器 參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。1隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鍋爐的使用頻率越來越高。而鍋爐的溫度控制仍然是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制問題,有些工藝過程其溫度的控制效果是可以直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量的好壞,因而我們非常需要設(shè)計(jì)一種較為理想的適應(yīng)能力強(qiáng)的溫度控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型化、連續(xù)化的方向發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的也提出了越來越高的控制要求，而鍋爐系統(tǒng)是一個(gè)具有時(shí)變和滯后的比較復(fù)雜的系統(tǒng)，因此，鍋爐溫度的控制一直是工業(yè)過程控制中的一個(gè)難題，特別是如何更好的控制效果。采用簡(jiǎn)單的單回路控制器已經(jīng)很難滿足得了這些比較復(fù)雜的控制要求，于是我們就必須采用一種新的控制系統(tǒng)來代替單回路控制以此提高工作頻率、減小等效過程的時(shí)間常數(shù)和加快響應(yīng)速度等特點(diǎn)，所以在克服被控系統(tǒng)的滯通訊能力的標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制設(shè)備，在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是用其實(shí)現(xiàn)各種算法成。本設(shè)計(jì)以鍋爐為被控對(duì)象，以鍋爐的夾套溫度為主被控參數(shù)，以鍋爐內(nèi)膽溫度為副被控22.1PLC的基本概念可編程控制器是可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）的簡(jiǎn)稱，我們通常簡(jiǎn)稱為PLC，它是計(jì)算機(jī)家族中的重要成員之一，它在工業(yè)控制領(lǐng)域中占有很強(qiáng)的地位。早期的可編程控制器它主要是用來代替繼電器的，是用它來在實(shí)現(xiàn)邏輯電平控制的功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了原來的邏輯控制的范圍，因此，現(xiàn)在這種裝置我們稱為可編程控制器，可以簡(jiǎn)稱為PC。但是習(xí)慣上人們還是將它稱為PLC，這是因?yàn)閭€(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer）的簡(jiǎn)稱也是PC。[1]PLC的應(yīng)用范圍廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化控制中的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。編程控制器是一種電子系統(tǒng)基于數(shù)字運(yùn)算操作的，它設(shè)計(jì)的原因是為了可以在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下使用，它采用的存儲(chǔ)器是可以編寫程序的，它的內(nèi)部可以存儲(chǔ)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)、邏輯運(yùn)算和順序控制等操作的指令，并且通過模擬、式數(shù)字式的輸出和輸入，控制各種類型的生產(chǎn)過程或機(jī)械?？删幊炭刂破骱退耐鈬O(shè)備，都應(yīng)該是很容易同工業(yè)控制系統(tǒng)成它是由各種各樣的模塊組合而來的，自己需要什么就可以配什么，它主要是由機(jī)架、接口模或其它設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)之間的相互通信。它的主要組成為：[3]PLC的控制中樞，PLC在CPU的控制下有條不紊的協(xié)調(diào)工作，它不斷的循環(huán)執(zhí)行，輸入信號(hào)的采集，用戶程序的執(zhí)行，系統(tǒng)的輸出的刷新。存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)程序和用戶程序輸出（Output）模塊和輸入（Input）模塊簡(jiǎn)稱I/O模塊,開關(guān)量輸出、輸入模塊簡(jiǎn)稱為DO模塊和DI模塊，模擬量輸出、輸入模塊簡(jiǎn)稱為AO模塊和AI模塊，它們統(tǒng)稱為信號(hào)模塊。輸入模塊用來采集和接收輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來接收從光電開關(guān)、限位開關(guān)、3接近開關(guān)、選擇開關(guān)、壓力繼電器、按鈕、數(shù)字撥碼開關(guān)等處的開關(guān)量的輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來接收各種變送器、電位器和測(cè)速發(fā)電機(jī)等提供的連續(xù)變化地模擬量電壓電流信開關(guān)量輸出模塊用來控制指示燈、報(bào)警裝置、電磁鐵、數(shù)字顯示裝置、接觸器和電磁閥等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制變頻器、三相可控硅的移相電路和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行CPU模塊內(nèi)部的工作電壓一般為直流5V，而PLC的輸出/輸入信號(hào)的電壓一般都比較高，例如直流24V或交流220V。引入外部的尖峰電壓或干擾噪聲可能會(huì)損壞CPU模塊中的元器件，或可能使PLC不能正常的工作。在信號(hào)模塊中，用小型繼電器、光耦合器、光敏晶閘管等器件到電平隔離與轉(zhuǎn)換的作用。模塊。它們主要被用來完成某些對(duì)存儲(chǔ)容量和實(shí)時(shí)性需就需要增加一個(gè)或多個(gè)機(jī)架。接口模塊是讓中央機(jī)架同后增加的機(jī)架之間通信的橋梁，某些接口模塊還能夠?yàn)閿U(kuò)展機(jī)架提供電源。PLC經(jīng)常使用的是直流24V的電源或交流220V的電源，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC5V電壓和個(gè)軟件可以編輯各種圖形程序或者文本程序，可以相互轉(zhuǎn)換成各種不同的編程語言。通過編程序可以打印或存盤，我們也可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和程序的編寫。SPLC的編程語言使用得最多的是梯形圖，它的表達(dá)形式和電路符號(hào)與繼電器電路原理圖相4似，梯形圖語言形象直觀、簡(jiǎn)單、易懂易學(xué)，熟悉電路圖的人員只需花一點(diǎn)時(shí)間就可以熟練的運(yùn)用梯形圖語言，來編寫用戶程序。2.功能強(qiáng)，性價(jià)比高一臺(tái)PLC內(nèi)部有很多可以讓用戶使用的編程空間和元件，可以用來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制功來聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)，完成分散控制，集中管理的任務(wù)。3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)PLC產(chǎn)品已經(jīng)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，現(xiàn)在它有各種各樣的硬件裝置提供給用戶選擇,一般中小型交流接觸器和電磁閥可以用它直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于使用了很多的時(shí)間繼電器、中間繼電器的傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)來說，可能會(huì)因?yàn)楹艽蟪潭壬媳苊饬艘蜻@種原因造成的故障。PLC使用了很多的軟件和硬件來抵抗干擾，具有很強(qiáng)地抗干擾能力，它可以無故障的運(yùn)行數(shù)萬小時(shí)以上的時(shí)間，直接可以用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠地工業(yè)控制設(shè)備之一。PLC對(duì)器件選擇進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，PLC的輸入輸出電路均采用光電隔離技術(shù)，屏蔽工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)對(duì)它的影響。在輸入電路中還普遍采用了RC濾波電路。PLC的CPU具有自診斷功能，能有效的處理異常情況。大型PLC還采用冗余的做法來使系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提繼電器控制系統(tǒng)中大量地計(jì)數(shù)器、時(shí)間繼電器、中間繼電器等器件的功能被PLC用軟件取代了，這樣使控制柜地安裝、設(shè)計(jì)、接線的工作量都在很大程度上得到了減少。我們一般可以用順序控制法來設(shè)計(jì)PLC的梯形圖程序。這種設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)是很容易學(xué)習(xí)，而且有很強(qiáng)的規(guī)律性。需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)時(shí)，只要我們的設(shè)計(jì)方法正確，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間會(huì)比繼電器系統(tǒng)的時(shí)間要少許多。我們可以在實(shí)驗(yàn)室對(duì)用戶程序進(jìn)行PLC的模擬調(diào)試，模擬輸入信號(hào)用小開關(guān)來代替，我們可以通過觀察各個(gè)發(fā)光二極管的狀態(tài)來得到與之對(duì)關(guān)的輸出信號(hào)的狀態(tài)。系統(tǒng)的接線和安裝完成后，我們需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，一般可以通過程序的修改來解決現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的問題，與繼電器系統(tǒng)相比系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間已經(jīng)很少了。5PLC的出現(xiàn)故障的頻率本來就很低，而且它還有很好的診斷故障的能力。當(dāng)外部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸入裝置或者PLC發(fā)生故障時(shí)，我們可以根據(jù)編程軟件提供的信息或者PLC上的發(fā)光二極管，可以很方便的知道故障發(fā)生的原因，可以迅速有效的解除故障需用的方法是更換模塊。7.體積小，能耗低就一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)來說，可以通過使用PLC，來減少使用中間繼電器和時(shí)間繼電器，幾個(gè)繼電器的體積就和一個(gè)小型PLC的大小差不多，因此可以通過使用PLC來縮小開關(guān)柜的體與繼電器控制系統(tǒng)相比PLC控制系統(tǒng)的配線用量少，安裝接線工時(shí)短，開關(guān)柜體積小，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)部門，隨著其性價(jià)比的不斷提高，不斷的擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面[2]點(diǎn)的并、串聯(lián)，可以代替繼電器來進(jìn)行定時(shí)控制、組合邏輯控制與順序邏輯控制。開關(guān)量的邏輯控制可以用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線上，其應(yīng)用領(lǐng)域已遍及所有各業(yè)，甚至深入到家庭和民用中去了。2.運(yùn)動(dòng)控制PLC使用運(yùn)動(dòng)控制模塊或?qū)Ｓ玫闹噶睿瑢?duì)圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的位置、加速度和速度進(jìn)行結(jié)合在一起。PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛應(yīng)用于各種各樣的機(jī)械，例如機(jī)器人、裝配機(jī)械、金屬閉環(huán)過程控制是指對(duì)流量、溫度、壓力等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通I/O模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的D/A轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量實(shí)施閉環(huán)PID控制。S7-300中有閉環(huán)控制模塊、閉環(huán)控制軟件包和用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊可以提供用戶選擇使用。其中閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于熱處理器、加熱爐、鍋爐、塑料擠壓成形機(jī)等設(shè)備，以及電力、機(jī)械、建材、冶金、輕工、化工等行業(yè)。4.數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代的PLC具有循環(huán)、求反、字邏輯運(yùn)算函數(shù)運(yùn)算等運(yùn)算功能，還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、位操作、查表、傳送、排序等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、處理和分析的能力。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值進(jìn)行比較，也可以使用通信功能傳送到別的智能裝置上，或者將它們打印出來制作成表格。62.2PLC的工作原理我們可以將CPU中的程序分為用戶程序和操作系統(tǒng)程序。調(diào)用用戶程序、中斷和錯(cuò)誤的處理、PLC的起動(dòng)、管理存儲(chǔ)區(qū)和通信、刷新輸出/輸入過程映像區(qū)等任務(wù)是通過操作系統(tǒng)來的程序保存在塊中，功能塊FC和功能FB我們可以把它看成是我們自己的一個(gè)子程序，操作系統(tǒng)也給我們提供了標(biāo)準(zhǔn)的子程序即系統(tǒng)功能塊SFC和系統(tǒng)功能SFB，這些塊我們稱之為邏輯采用循環(huán)掃描程序的執(zhí)行方式是PLC特有的工作方式，這種運(yùn)行方式我們也稱之為掃描用其它的邏輯塊，或自己被中斷程序調(diào)用。能的定時(shí)器、位存儲(chǔ)器和計(jì)數(shù)器，清除塊堆棧和中斷堆棧的內(nèi)容，復(fù)位已經(jīng)保存好的硬件中初始化任務(wù)得到完成。然后它的運(yùn)行狀態(tài)就將進(jìn)入循環(huán)而且是周期性的。下面是在周期性循啟動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)寫入輸出模塊讀取輸入模塊狀態(tài)執(zhí)行用戶程序執(zhí)行其它任務(wù)（1）循環(huán)時(shí)間監(jiān)控將由操作系統(tǒng)得到啟動(dòng)。7（3）CPU將輸入模塊的輸入狀態(tài)讀入，并在輸入過程映像區(qū)中存入這些數(shù)據(jù)。（4）CPU處理我們自己寫的程序，我們寫的程序指令被執(zhí)行。（5）當(dāng)循環(huán)結(jié)束時(shí)，所有掛起的任務(wù)將被執(zhí)行，例如刪除和下載整個(gè)塊，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等（6）CPU回到第一階段，將循環(huán)時(shí)間監(jiān)控的功能重新啟這些循環(huán)程序處理過程可能被某些中斷事件給中斷了。如果有中斷出現(xiàn)時(shí)，我們當(dāng)前正在執(zhí)行的塊將被暫停執(zhí)行，并將其分配給該中斷事件的組織塊。當(dāng)該組織塊結(jié)束執(zhí)行時(shí)，被暫停執(zhí)行的塊將被繼續(xù)而且還是從剛才中斷的地方開始的。在PLC的存儲(chǔ)器中，有了一段空間是用來存放輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的狀態(tài)，它們被分別稱為輸出過程映像區(qū)和輸入過程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其他編程元件也有其相對(duì)應(yīng)的映像存不會(huì)隨它而變化得，變化了的輸入信號(hào)狀態(tài)只有在下一個(gè)掃描周期讀輸入模塊時(shí)才能夠被讀操作系統(tǒng)執(zhí)行一次循環(huán)操作所需要的時(shí)間就是循環(huán)時(shí)間（CycleTime其中包含中斷該長(zhǎng)短這三者有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序很長(zhǎng)時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間將占循環(huán)時(shí)間相當(dāng)大的比重。當(dāng)PLC的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻到它控制的外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻為止，這段時(shí)間間隔我們稱為輸入/輸出滯后時(shí)間又可以稱之為系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，它主要是由輸出電路的滯后時(shí)間、因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間和輸入電路濾波時(shí)間這三部分組成。濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外部輸入觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)而引起的不良影響是由輸入模塊的RC濾波電路來完成的，輸入濾波時(shí)間是由濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定的，其由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)超過三個(gè)掃描周期。PLC總的響應(yīng)延遲時(shí)間一般只有幾毫秒到幾十毫秒之間，對(duì)于一般的系統(tǒng)來說這是沒有關(guān)系的。當(dāng)我們需要輸入輸出信號(hào)之間的滯后時(shí)間要盡量短的系統(tǒng)時(shí)，我們可以選用掃描速度快的PLC或采取中斷等方法來解決。89tt0tt03.1PID控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介PID調(diào)節(jié)器是按照偏差的增益、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器技術(shù)成熟、應(yīng)比例（增益）調(diào)節(jié)器比例（增益）調(diào)節(jié)器是最基本的一種調(diào)節(jié)器，其框圖如圖3-1所示控制對(duì)象控制對(duì)象反饋電路W+uy00產(chǎn)生控制效果。當(dāng)e發(fā)生變化時(shí)，u也跟著發(fā)生了變化。比例（增益）調(diào)節(jié)器對(duì)偏差信號(hào)的階躍變化的響應(yīng)如圖3-2所示。uuKu0t0t圖3-2比例（增益）調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)比例（增益）調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是能夠即時(shí)的對(duì)偏差信號(hào)產(chǎn)生作用，使被控制量朝者減小偏差的方向發(fā)展，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)K。但對(duì)于自平衡系統(tǒng)的控制對(duì)象來說存在靜差，比例積分調(diào)節(jié)器在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上增加積分調(diào)節(jié)，這樣可以消除比例調(diào)節(jié)中存在的靜差，其框圖如圖3-3所示ett0Ki/sett0Ki/s++反饋電路控制對(duì)象Wuy+其控制關(guān)系式為iip0iT越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。比例積分調(diào)節(jié)器對(duì)i偏差信號(hào)的階躍變化的響應(yīng)如圖3-4所示。uuKu0t0TiKt圖3-4比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)因此，積分環(huán)節(jié)的引入可以消除系統(tǒng)的靜差。T必須根據(jù)對(duì)象的特性來選定，增大T將減緩ii消除靜差的過程，卻可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID調(diào)節(jié)器將積分、微分和比例組合起來。雖然積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，但是卻降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了提高控制系統(tǒng)的快速性，就需要在偏差變化或出現(xiàn)的瞬間，就可以對(duì)偏差的變化有所反應(yīng)，因此我們可以在PI調(diào)節(jié)器上加個(gè)微分環(huán)節(jié)來改善快速性，這樣就得到了PID控制器。其框圖如圖3-5所示。其控制關(guān)系式為p i0tt0tt0Ti/s++反饋電路控制對(duì)象Wuy+dT越小，微分作用越弱，反之微分作用越強(qiáng)。比例積分微分調(diào)節(jié)d器對(duì)偏差信號(hào)的階躍變化的響應(yīng)如圖3-6所示。uuKu0t0TiKt圖3-6比例積分微分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)可見，只要偏差變化就會(huì)有一個(gè)控制作用u產(chǎn)生，用來調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變dd振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)3.2數(shù)字PID控制算法I在按PID位置控制算式計(jì)算輸出量u(k)時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，輸出量會(huì)出現(xiàn)大幅度的變化，這將使被控制對(duì)象的位置有顯著的變化。例如，在控制閥門時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出量會(huì)突然從很大給定一下子就變成零，這讓調(diào)節(jié)器的變化很劇烈，這樣可能造成生產(chǎn)過程會(huì)有很大的損失。式（3-2）稱為PID增量式控制公式。只有積分元件是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)才可以用。例如，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做為閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，它可以積累計(jì)算機(jī)的每次輸出變化量Δu(k)，使閥門能夠按照控制要求逐步開小或開大。位置式與增量式控制算式在本質(zhì)上是相同的，只是增量式的需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須附加有積（1）機(jī)器故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響很小是由于計(jì)算機(jī)輸出的是控制增量。（2）自動(dòng)和手動(dòng)切換時(shí)，由于我們是有積分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如（步進(jìn)電機(jī)）它有保持作用，這樣在切換時(shí)可以降低沖擊，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的過渡。（3）從公式看它只與最近幾次采樣值有關(guān)，不需要累加操作，這樣就不會(huì)有累積誤差。一般我們可以認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算發(fā)。因?yàn)楸井厴I(yè)設(shè)計(jì)用三相可控硅移相調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)三相電加熱管兩端工作電壓來控制鍋爐的溫度，所以我們采用位置式的PID控制。其中被控量c(t)是模擬量并且還是連續(xù)變化的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般都要求PLC輸出的是模擬信號(hào)mv(t)，而數(shù)字量才是PLC的CPU能夠處理。c(t)首先被測(cè)量元件（傳感器）采集，經(jīng)過變送器器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量pv(n)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象給定量A/D測(cè)量元件控制器D/A 例如在加熱爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)爐溫用的是熱電偶，將熱電偶輸出的微弱的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流的是溫度變送器，然后傳給模擬量輸入模塊，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后規(guī)律（如常用的PID控制算法）對(duì)差值進(jìn)行運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果（數(shù)字量）經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?hào)或電壓信號(hào)，然后送給模擬量輸出模塊，用來調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開度，通過它來調(diào)節(jié)天然氣的流量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的溫度控制。系統(tǒng)輸出量為c(t)，即被控量，如例中是加熱爐中的溫度。由于給定輸入信號(hào)或擾動(dòng)輸入信號(hào)的變化，系統(tǒng)的輸出量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前的過程稱為過渡過程。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能常用階躍響應(yīng)的參數(shù)來描述。輸出量第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間tr稱為上升時(shí)間（如圖3-8上升時(shí)間反映了系統(tǒng)在響應(yīng)從開始到系統(tǒng)進(jìn)入并停留在穩(wěn)態(tài)值c(∞)的誤差帶內(nèi)（即±5%或者±2%）的時(shí)間t稱為調(diào)節(jié)時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間到達(dá)時(shí)說明過渡過程已結(jié)束。（t）為動(dòng)態(tài)過程中輸出量的最大值，若它比c(∞)即輸出量的穩(wěn)態(tài)值還大，則超系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的期望值與實(shí)際值之差，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。S7-300為用戶提供了功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單方便的模擬量閉環(huán)控制功能的方法。程控制，模塊上自己帶有D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器。2.閉環(huán)控制用的系統(tǒng)功能塊實(shí)現(xiàn)PID控制除了用專用的閉環(huán)控制模塊外，我們還可以用S7-300中的PID控制功能塊。但是我們需要自己配備模擬量輸入輸出模塊（或數(shù)字量模塊）。連續(xù)控制器通過模擬量輸出模3.閉環(huán)控制軟件包本次畢業(yè)設(shè)計(jì)用S7-300PLC來實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的閉環(huán)PID和模糊PID控制，具體實(shí)現(xiàn)的方法用以上方法中的第3種，其中功能模塊是調(diào)用PLC內(nèi)部的FFB41“CONT_C”（連續(xù)PID控制器）用在SIMATICS7可編程邏輯控制器上，用于調(diào)節(jié)帶有連續(xù)輸入和輸出變量的技術(shù)過程。賦參數(shù)時(shí)可以激活或取消PID調(diào)節(jié)器的子功能，以使調(diào)節(jié)器與過程匹配。賦參數(shù)可以簡(jiǎn)單地通過參數(shù)值工具進(jìn)行。該調(diào)節(jié)器可作為固定設(shè)定值PID調(diào)節(jié)器，或者在多閉環(huán)控制中心作為串級(jí)調(diào)節(jié)器，混合調(diào)節(jié)器或比例調(diào)節(jié)器（本課題把它作為PID調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)器的功能包含帶模擬信號(hào)的采樣的調(diào)節(jié)器的PID控制算法，如果有別的需求，我們還可以擴(kuò)展出一個(gè)脈沖發(fā)生器級(jí)，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制的輸出信號(hào)，用于三個(gè)帶比例執(zhí)行器的步進(jìn)調(diào)節(jié)器。除了設(shè)定值通道和過程數(shù)據(jù)通道的功能外，SFB/FB41能實(shí)現(xiàn)帶連續(xù)被控量輸出的完整的1.設(shè)定值與過程變量的處理（1）設(shè)定值的輸入：設(shè)定值為一浮點(diǎn)數(shù)格式在SP_INT端輸入。（2）過程變量的輸入：過程變量可以以外設(shè)（I/O）或浮點(diǎn)數(shù)格式輸入。（3）外部設(shè)備過程變量轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)：功能CRP_IN將PV_PER外設(shè)值轉(zhuǎn)換成-100%到+100%2.PID控制算法設(shè)定值與過程變量之間的差值我們稱為誤差信號(hào)。為了抑制由于被控量量化引起的小的、恒定的振蕩，為誤差信號(hào)設(shè)置了一個(gè)死區(qū)（DEADBAND）。若DEADB_W=（2）PID控制器結(jié)構(gòu)PID算法采用位置型PID算法。比例，積分和微分分量并聯(lián)連接，可以分別激活和取消。這就允許組態(tài)成P，PI，PD和PID調(diào)節(jié)器，也可以是純I或D調(diào)節(jié)器。表2-1FB41“CONT_C”主要輸入?yún)?shù)的說明數(shù)值范圍缺省值MAN_ON10過程變量外設(shè)通110REALREAL過程變量輸入REAL—過程變量外設(shè)MANREAL手動(dòng)值輸入GAINREAL—TITIME—復(fù)位時(shí)間輸入TDTIME—微分時(shí)間輸入LMN_HLMREAL2被控量上限LMN_LLMREAL-100.0至LMN_HLM(%)或物理量2被控量下限3.控制器輸出值的處理（1）手動(dòng)模式參數(shù)MAN_ON為1時(shí)為手動(dòng)模式，為0時(shí)為自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式中，控制變量被手動(dòng)選擇制器輸出值的上極限LMN_HLM時(shí)，信號(hào)位QLMN_HLM變?yōu)?狀態(tài)；小于下極限值LMN_LLM時(shí)，信號(hào)位QLMN_LLM變?yōu)?狀態(tài)。（3）輸出量的格式化處理LMN_NORM功能用下式來將功能LMNLIMIT的輸出量LMN_LIM格式化：LMN_NORM的輸出值=LMNLIMIT的輸出值*LMN_FAC+LMN_OFF式中LMN_FAC為輸出量的系數(shù)，默認(rèn)值1.0；LMN_OFF為輸出量的偏移量，默認(rèn)值為0.0。（4）輸出量轉(zhuǎn)換為外圍設(shè)備（I/O）格式控制器輸出如果要送給模擬量輸出模塊中的D/A轉(zhuǎn)換器，需要用CPR_OUT功能轉(zhuǎn)換為外圍數(shù)據(jù)塊DB1：DB1.DBX0.0用來存放啟動(dòng)值（置1啟動(dòng)）。數(shù)據(jù)塊DB41：對(duì)應(yīng)FB41里面的各3.4PID控制器的參數(shù)整定方法1.比例系數(shù)KP對(duì)系統(tǒng)性能的影響[4]KP加大，使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度加快。KP偏大，則振蕩次數(shù)加太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若KP太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。2.積分常數(shù)TI對(duì)系統(tǒng)性能的影響少。當(dāng)TI合適時(shí)，過渡過程的特性則比較理想。積分控制能提高控制系統(tǒng)的控制精度，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但是，若TI太大時(shí)，積分作用太弱，這樣穩(wěn)態(tài)誤差就不會(huì)消除。3.微分常數(shù)TD對(duì)系統(tǒng)性能的影響大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小。當(dāng)TD偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)；當(dāng)TD偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有TD合適時(shí)，可以得到比較滿意的過渡過程。參數(shù)值相差甚遠(yuǎn)，將給參數(shù)調(diào)試帶來很大的困難。因此如何選擇一組較好的PID參數(shù)的初值是PID參數(shù)整定中的關(guān)鍵問題。下面介紹一種工程中廣泛應(yīng)用的擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，用這種方法可以初步確定PID控制器的參數(shù)。具體步驟如下[4]：（1）斷開系統(tǒng)的反饋，令PID控制為KP=1的比例控制器，在系統(tǒng)輸入端加一個(gè)階躍給定信號(hào)測(cè)量并畫出廣義被控對(duì)象（包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線。絕大多數(shù)被控對(duì)象的圖3-10被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線（2）在曲線上最大斜率處作切線，求得被控對(duì)象的純滯后時(shí)間常數(shù)T和時(shí)間τ。（3）計(jì)算出系統(tǒng)的控制度?？刂贫?，是指數(shù)字控制器的控制效果（簡(jiǎn)稱DDC）與模擬控制器的之比。我們常用誤差平方的積分值函數(shù)來表示控制器的控制效果，即：控制度e2(t)dt，當(dāng)控制度等于1.05時(shí)，我們可以認(rèn)為控制效果二者相當(dāng)。表3-2擴(kuò)充響應(yīng)曲線法參數(shù)整定表控制度控制度KTTD————TS用上述方法確定的4個(gè)參數(shù)只能作為初步的參考值，我們?yōu)榱双@得比較好的控制效果，還需要做閉環(huán)的調(diào)試，我們可以根據(jù)閉環(huán)階躍響應(yīng)的特性曲線，來反復(fù)的修改控制器的參數(shù)值，使系統(tǒng)的控制效果達(dá)到較好的狀態(tài)。4.1PLC控制柜的組成控制柜上方為電源部分，從上到下依次為一個(gè)AC220V空氣開關(guān)，三個(gè)DC24V旋鈕開關(guān)。第一個(gè)空氣開關(guān)為總電源，三路DC24V為為三套控制器提供工作電源。這個(gè)接口我們可以組建更大的分布式系統(tǒng)。本溫度控制系統(tǒng)采用其中的2路1-5V電壓輸入。3.模擬量輸出模塊采用西門子SM332-5HD01-OABO模擬量輸出模塊。輸出控制信號(hào)通過這個(gè)模塊傳到執(zhí)行機(jī)本溫度控制系統(tǒng)采用其中的1路4-20mA電流輸出，去控制電加熱管兩端的工作電壓。4.數(shù)字量模塊本系統(tǒng)采用西門子SM323-1BH01-0AA0數(shù)字量模塊，該模塊集成了8路數(shù)字和8路數(shù)字量輸出通道。本溫度控制系統(tǒng)并沒有用到此模塊，但是在硬件組態(tài)時(shí)我們需要將AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是集合工業(yè)自動(dòng)化和相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸取了國(guó)內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，并且與目前大型工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的AI智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、DCS(分布式集散控制系統(tǒng))，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出了一套基于本科，著重于研究、教學(xué)、學(xué)科基地建設(shè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，又能提供綜合性實(shí)電力拖動(dòng)類執(zhí)行器如變頻器等。3.除了有調(diào)節(jié)器的設(shè)定值的階躍擾動(dòng)外，調(diào)節(jié)系統(tǒng)還可以通過電磁閥和手動(dòng)操作閥力支路來制造擾動(dòng)。4.被控對(duì)象的一個(gè)參數(shù)可在不同的工藝線路不、同動(dòng)力源、不同的執(zhí)行器下可變成多個(gè)調(diào)5.有些執(zhí)行器、檢測(cè)信號(hào)在本對(duì)象中存在著互相干擾，二者同時(shí)進(jìn)行時(shí)被調(diào)參數(shù)需要在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)重新進(jìn)行整定。6.各種調(diào)節(jié)規(guī)律和控制算法都可以得到實(shí)現(xiàn)只要借助于這個(gè)實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)。7.實(shí)驗(yàn)圖表和數(shù)據(jù)在組態(tài)軟件中永久存儲(chǔ)可隨時(shí)調(diào)用，以便實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的比較和分驗(yàn)對(duì)象很多都采用的是常用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的控制裝置，采用具有人工智能算法及通訊接口的智能調(diào)節(jié)儀表，采用工控組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，這個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品控制系統(tǒng)既有上位監(jiān)控機(jī)加遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)DDC控制系統(tǒng)，又有上位監(jiān)控機(jī)加智能儀表控制系統(tǒng)。還有AE2000A型實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含有：強(qiáng)制對(duì)流換熱管系統(tǒng)、串接圓筒有機(jī)玻璃上水箱 (Ф250×370mm）、下水箱(Ф250×270mm）、三相4.5KW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套組成）、不銹鋼儲(chǔ)水箱（長(zhǎng)×寬×高：850×450×輪流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、單相丹麥格蘭富循環(huán)水泵及手動(dòng)切換閥組成；另一路由小流量電磁對(duì)象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中檢測(cè)變送和執(zhí)行元件包括：渦輪流量計(jì)、液位傳感器、電磁流量計(jì)、電磁閥、溫度傳感器、壓力表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。其中箭頭所指方向?yàn)闇囟萈ID控制系統(tǒng)所需的水循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)溫度的PID控制有比較好的效果。實(shí)驗(yàn)儀表控制臺(tái)如圖4-3所示，本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要用其中的溫度傳感器、三相可控硅移相控制電路，以及控制水循環(huán)通路的開和關(guān)。還用控制臺(tái)上的智能儀表來顯示溫度值，我只是用它來作參考的，用來比較PLC采樣來的值標(biāo)準(zhǔn)化后看他們是不是相同，相同說明采樣過程是正確。而實(shí)際的溫度值是在組態(tài)軟件Wincc的運(yùn)行界面上顯示的。熱電阻熱電阻測(cè)量元件使用的是鉑電阻元件，并通過溫度變送器將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。因?yàn)殂K電阻元件是采用特殊的工藝和材料，具有很高的穩(wěn)定性和耐震動(dòng)等特點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的抗污染能力，在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，因此它不僅用作工業(yè)上的測(cè)溫元件，還作為復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的基準(zhǔn)器。但鉑在還原性介質(zhì)中，特別在高溫下易-3-7-12接線說明：采用三線制接法來連接熱電阻，它是兩端元件。為了減少測(cè)量誤差我們通常采用三線制接法。在大多數(shù)的檢測(cè)電路中，測(cè)量電橋同熱電阻是相隔離的，所以連接它們的導(dǎo)線就會(huì)很長(zhǎng)，然而當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，連接導(dǎo)線的電阻值將發(fā)生有非常明顯的變化，采用三線制接法就是為了消除連接線阻值的變化而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。即在兩端元件的兩端分別引儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)三相可控硅（SCR）移相調(diào)壓裝置：三相電加熱管0~380V連續(xù)可調(diào)交流相可控硅移相調(diào)壓裝置用來調(diào)節(jié)加在三相電加熱管上的工作電壓。晶閘管作為溫度控制的功率元件有兩種工作方式即：調(diào)壓方式和調(diào)功方式。本設(shè)計(jì)采用的是晶閘管調(diào)壓方式，此方式是通過晶閘管觸發(fā)電路產(chǎn)生的移相觸發(fā)脈沖來調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角α,使之來改變輸入到電加熱管的電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)鍋爐溫度的目的。這樣做的缺點(diǎn)是負(fù)載上得到的電壓是非正弦波，這樣就會(huì)污染電網(wǎng)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生高頻輻射，這樣會(huì)干擾周圍的電子設(shè)備，移相觸發(fā)方式還會(huì)縮短晶閘管的使用壽命。在生產(chǎn)過程控制中，有些復(fù)雜環(huán)節(jié)，為了提高控制系統(tǒng)的控制效果，單回路往往不能滿足需求，這時(shí)我們就需要進(jìn)行串級(jí)控制。即把兩個(gè)控制器串聯(lián)起來，第一個(gè)控制器的設(shè)定值是控制目標(biāo)，第一個(gè)控制器的輸出傳給第二個(gè)控制器，作為它的設(shè)定值，第二個(gè)控制器的輸式對(duì)于復(fù)雜對(duì)象的控制往往比單回路控制的效果更好。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)滯之所以能收到較好的控制效果，是因?yàn)楫?dāng)用兩個(gè)控制器進(jìn)行串級(jí)控制時(shí),每個(gè)控制器克服時(shí)滯的負(fù)擔(dān)相對(duì)減小,這就可以使得串級(jí)控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的克服時(shí)滯的能力。串級(jí)控制系統(tǒng)顧名思義它是有兩個(gè)單回路串聯(lián)而成的，采用兩套檢測(cè)變送器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為第二個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，第二個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送給三相可控硅移相電路。主調(diào)節(jié)器為前一個(gè)調(diào)節(jié)器，它所控制和檢測(cè)的變量稱主變量（主被控參數(shù)即我們工藝副變量是為了穩(wěn)定主變量才引入的。他們分別有測(cè)量主變量和副變量的兩個(gè)變送器。角度講，副回路所起到的作用是快速的“粗調(diào)”，主回路則是起到了進(jìn)一步“細(xì)調(diào)”的作用，所以我們應(yīng)該設(shè)法讓主要干擾在副回路中。常數(shù)比副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多，因而由于副回路的引入而使對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有了很大的改善，有利于提高系統(tǒng)抵抗干擾的能力。5.從在系統(tǒng)特性來看，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)象特性，使控制過程加有較大變化的場(chǎng)合。串級(jí)控制系統(tǒng)從整體上看仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，主變量在撓動(dòng)作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但是，串級(jí)控制系統(tǒng)通過在結(jié)構(gòu)上從對(duì)象中引出了一個(gè)中間變量（副變量）構(gòu)成了一個(gè)副回路，從而提高了系統(tǒng)的性能。串級(jí)控制系統(tǒng)中增加的副回路首先改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，減小了過渡過程的振蕩周期，在衰減系數(shù)相同的條件下，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，系統(tǒng)的快速性得到了提高，系統(tǒng)的控制品質(zhì)得到了改善；其次副回路將具有較大非線性的那部分對(duì)象包圍其中，從而保證在操作條件和負(fù)載發(fā)生變化的情況下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。溫度控制對(duì)象具有很大的滯后性和大慣性，溫度上升緩慢，呈現(xiàn)非線性，使得建立數(shù)學(xué)模型非常困難，特別是夾套的數(shù)學(xué)建模。最近，針對(duì)這些問題提出了許多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制是一種非線性控制。它不是采用純數(shù)學(xué)建模的方法，而是結(jié)合專家的知識(shí)和思維，智能控制的范疇。模糊化模塊的功能是將輸入的精確量按某些算法轉(zhuǎn)換為模糊量。該模塊的輸入量包括了（1）首先處理輸入量，將它變成模糊控制器需求的輸入量。例如，當(dāng)系統(tǒng)控制是按偏差（2）將已經(jīng)處理過的輸入量用新的尺度進(jìn)行變換，使其在我們?cè)O(shè)定的論域里。知識(shí)庫(kù)包括應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)和控制目標(biāo)，通常由模糊控制規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括了各語言變量的尺度變換因子、隸屬函數(shù)，以及模糊空間的劃分?jǐn)?shù)等。模糊控制規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語言變量表示的一系列的控制規(guī)則，反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。模糊推理是模糊控制器的核心部分，該推理過程是基于模糊邏輯中蘊(yùn)含的關(guān)系及推理規(guī)理得到的模糊控制量變成實(shí)際的控制量。它是把模糊量經(jīng)過清晰化運(yùn)算后變換成論域范圍的清晰量，再經(jīng)尺度變換轉(zhuǎn)換成實(shí)際的控制量。本設(shè)計(jì)的模糊PID控制器采用“雙輸入三輸出”的模糊控制器，輸入量為溫度的給定值PIDk5ddt+節(jié)-測(cè)量變送器1副調(diào)器-4D+PI模糊控制器包括輸入量模糊化，模糊推理和反模糊化3個(gè)部分。（1）輸入模糊化PID[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]，ΔK、ΔK、ΔK的模糊化子集為[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。PID隸屬函數(shù)形狀均采用三角形，函數(shù)關(guān)系如圖5-2和5-3所PΔK、ΔK隸屬度函數(shù)圖ID在本系統(tǒng)控制器中，采用的是二維形式，因此其模糊控制器的控制規(guī)則可以寫成下列條PIDPIDK，K和K的整定原則為：PIDDP（1）當(dāng)e較大時(shí)，為使系統(tǒng)有良好的跟蹤特性，應(yīng)取較小的K與較大的K，同時(shí)為DP防止系統(tǒng)出現(xiàn)很大的超調(diào)量，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取K=0。IDIPIPIK應(yīng)取不能太大，在這樣的PDD取得較大些。通常K為中等大小。DK可D根據(jù)前人在電加熱控制的經(jīng)驗(yàn)，得出ΔK、ΔK、ΔK控制規(guī)則表如表5-1、5-2、5-3PID所示，選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量主要是來消除靜態(tài)誤差，NBNM表5-1ΔK的模糊規(guī)則PeNBNMNMNMNMNMNMNMNMNBNM表5-2ΔKINMNMNBNBINBNMeNBNBNBNMNMNMNBNBNMNMNBNMNMNMNM表5-3ΔK的模糊規(guī)則DDeZENBNBNBNMNSZEPSNBNMNMNSZEPSNBNMNSNSZEPSNMNM由上面的控制規(guī)則，根據(jù)輸入的e和ec模糊化后得到E和EC，可以計(jì)算出相應(yīng)的ΔK、PIDPPe2110211022210110000123IIeDDe011011012012020123通過查詢模糊表，得到模糊的ΔK、PΔK、ΔK值，然后進(jìn)行反模糊論域，進(jìn)行變化可以ID由上面的控制規(guī)則，我們可以得到模糊控制算法流程圖如下圖5-4所示，具體實(shí)現(xiàn)如下。NYYN從模糊控制表中查出△KP、△KI、△KD的值Y△KP、△KI、△KD等于它們論域的上下限N首先將量化因子K1、K2、K3、K4、K5分別寫入PLC中的DB3.DBD4、DB3.DBD8、DB3.DBD12、DB3.DBD16、DB3.DBD20，程序如圖5-5所示。將模糊化后的E和Ec存入PLC中，程序如圖5-8所示。采用基址+變址的方式來查詢模糊表的輸出結(jié)果，程序如圖5-9所示。查模糊表得到△Kp、△Ki、△Kd，下面以△Kp為例，程序如圖5-10所示。設(shè)定Kp、Ki、Kd的值，以Kp的值為例，程序如圖5-11所示。圖5-11參數(shù)的處理計(jì)算模糊化后的Ti、Td，程序如圖5-12所示。啟動(dòng)模糊PID串級(jí)控制程序，程序如圖5-13所示。6.1PLC的硬件組態(tài)和控制程序設(shè)計(jì)STEP7是西門子公司針對(duì)S7300所開發(fā)的一款編程軟件，可以通過MPI接口實(shí)現(xiàn)PC和PLC之間的通訊，并在PC上對(duì)PLC下載和上載程序。(2)點(diǎn)擊‘Next’按鈕，出現(xiàn)如圖6-2的對(duì)話框，選擇CPU型號(hào)為CPU315-2DP，圖6-2新建工程步驟2圖(3)點(diǎn)擊‘Next’按鈕，出現(xiàn)如圖6-3的對(duì)話框，選擇要用的塊O圖6-3新建工程步驟3圖圖6-4新建工程名圖2.硬件組態(tài)圖6-5硬件組態(tài)窗口圖(1)雙擊“SIMATIC300STATION”中的“hardware”（如圖6-5進(jìn)入硬件組態(tài)窗口，選擇圖6-6DP屬性對(duì)話框圖(3)在剛建立的‘PROFIBUS（1）’網(wǎng)絡(luò)上添加通信模塊IM153-1(6ES7153-1AA03-0XB0)，如331-7NF00-0AB0)、模擬量輸出模塊AO4x12Bit(6ES7332-5HD01-0AB0)和數(shù)字量輸入輸出模塊DI8/DO8xDC24V/0,5A(6ES7323-1BH01-0AA0)。圖6-10屬性修改圖(5)修改模擬量模塊的屬性：雙擊要修改屬性的模擬量模塊，在模塊的屬性對(duì)話框中可進(jìn)行屬性修改。如圖6-9和圖6-10，對(duì)模擬量輸入模塊的‘Addresses’和‘Inputs’屬性進(jìn)行了修改，在‘Inputs’屬性中將測(cè)量類型設(shè)為‘E’(電壓型)，測(cè)量范圍為1..5V。同理也模擬(電流型)，測(cè)量范圍為4..20mA。圖6-11硬件組態(tài)結(jié)果(7)組態(tài)結(jié)束后，在CPU為‘STOP’模式下點(diǎn)擊，將PLC的硬件組態(tài)下載到PLC中。(1)在“Blocks”中添加所需要編程的模塊，進(jìn)行編程。設(shè)計(jì)中主要用到的編程模塊為①組織塊(OB)是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的接口，它們由操作系統(tǒng)調(diào)用并控制循環(huán)和中斷驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行以及可編程控制器的啟動(dòng)，它們還能夠?qū)﹀e(cuò)誤做出響應(yīng)，通過編寫組織塊②OB1：用于循環(huán)程序處理的組織塊，操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用OB1并用這個(gè)調(diào)用啟動(dòng)用戶程序圖6-12程序所建立的模塊③OB35：循環(huán)中斷組織塊，時(shí)間間隔100MS，優(yōu)先級(jí)為12。④FB41：用于連續(xù)PID控制，其功能塊產(chǎn)生相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊DB41,顯示FB41的輸入輸出參數(shù),也就是背景數(shù)據(jù)塊DB41內(nèi)所有的參數(shù)，其主要結(jié)構(gòu)如圖6-13所示:圖6-13DB41內(nèi)部結(jié)構(gòu)(2)創(chuàng)建“符號(hào)表”如圖6-14所示，其中用符號(hào)“glwd”定義為‘鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)’的在模擬量輸出模塊中的地址為‘QW16’。使用STEP7編程軟件中的LAD形式（即梯形圖形式）編程①打開組織塊OB1，在OB1中編寫‘夾套和鍋爐溫度采集’的梯形圖，如圖6-15。②打開組織塊OB35，在OB35中編寫‘鍋爐溫度模糊PID控制’梯形圖也是本課題中主要(4)編好程序后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊將各個(gè)塊的程序下載到PLC中。6.2WinCC組態(tài)界面的設(shè)計(jì)WINCC是西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，通過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。具體設(shè)計(jì)步驟簡(jiǎn)述如下：運(yùn)行“Wincc資源管理器”點(diǎn)擊出現(xiàn)圖6-16所示畫面，選擇‘單用戶項(xiàng)目’，點(diǎn)擊‘確建(E)’按鈕完成工程的建立。2.添加邏輯連接若要使用Wincc來訪問PLC的當(dāng)前過程值，則在Wincc與PLC之間必須組態(tài)一個(gè)通訊連接。通訊將由專門的通訊驅(qū)動(dòng)程序來控制。應(yīng)該選擇‘SIMATICS7ProtocolSuite.CHN’，并單擊‘打開’按鈕，所選擇安裝在‘變量管理器’下面的子目錄里。圖6-18添加驅(qū)動(dòng)圖道單元可以與多個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)建立邏輯連接。邏輯連接表示與單個(gè)已定義的自動(dòng)化系統(tǒng)的接在隨后打開的如圖6-20所示的‘連接屬性’對(duì)話框中輸入‘cpu315-2dp’作為邏輯連接名。(4)點(diǎn)擊圖6-20對(duì)話框中的‘屬性’按鈕，出現(xiàn)圖6-21所示的對(duì)話框，進(jìn)行‘連接參數(shù)’的設(shè)置，在默認(rèn)的情況下將其中的‘插槽號(hào)’改為2。3.建立過程變量量。以建立一個(gè)名為‘夾套溫度值’的過程變量為例。圖6-23變量屬性圖圖6-24地址屬性圖地址必須與PLC中的地址相對(duì)應(yīng)。(4)在‘cpu315-2dp’處建立與本設(shè)計(jì)有關(guān)的所有過程變量如圖6-25所示，其中變量組DB41用于與PID模塊FB41對(duì)應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊DB41進(jìn)行邏輯連接，變量組DB41中的過程變量如圖6-26所示，變量組DB42中的過程變量如圖6-27所示，變量組DB1中的過程變量如圖6-28所示，圖6-26變量組DB41中的過程變量圖6-27變量組DB42中的過程變量圖6-28變量組DB1中的過程變量4.建立內(nèi)部變量在變量管理器的‘內(nèi)部變量’中建立與本設(shè)計(jì)有關(guān)的所有內(nèi)部變量如圖6-29中的有藍(lán)色一變量才建立的，事先一般不建立內(nèi)部變量。5.設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面介紹監(jiān)控畫面的制作過程是有一定的難度的，所以在此僅做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。右擊‘圖形編輯器’在出現(xiàn)的菜單中選擇‘新建畫面’(如圖6-30所示)，新建的畫面名為‘NewPdl0.pdl’，在此畫面名上的右擊可重新命名，命名為‘鍋爐串級(jí)模糊PID溫度控制’圖形編輯器)，在此處制作溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。制作好的監(jiān)控畫面如圖6-31所示，下面就①添加“靜態(tài)文本”監(jiān)控畫面中顯示的漢字都是靜態(tài)文本框，如“鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制系統(tǒng)”，具體操作如下：在‘對(duì)象選擇板’中，選擇靜態(tài)文本(如圖6-32)，用鼠標(biāo)拖放到畫圖區(qū)合適的位置，并在其中輸入文字如‘鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制系統(tǒng)’。用鼠標(biāo)右擊剛建好的靜態(tài)文本，在出來的快捷菜單中選擇‘屬性’，出現(xiàn)如圖6-33所示的對(duì)話框，可對(duì)靜態(tài)文本的屬性進(jìn)行修改，在右②添加“輸入/輸出域”對(duì)象在圖6-32中的‘對(duì)象選項(xiàng)板’中選擇‘輸入/輸出域’對(duì)象，用鼠標(biāo)拖放到畫圖區(qū)合適6-34I/O組態(tài)圖單擊‘更新’邊上的下拉菜單，選擇‘250毫秒’作為更新周期。在‘類型’處選擇‘輸出’形式。此輸入/輸出域主要用于顯示內(nèi)膽的溫度值。其余各輸入/輸出域?qū)?yīng)的過程變量為：③添加‘趨勢(shì)圖’對(duì)象在如圖6-32中的‘對(duì)象選項(xiàng)板’上選擇‘控件’選項(xiàng)卡，出現(xiàn)圖6-36所示，然后選擇WinCCOnlineTrendControl控件，用鼠標(biāo)拖放到畫圖區(qū)合適的位置，出現(xiàn)如圖6-37所示的‘WinCC在線趨勢(shì)控件的屬性’對(duì)話框，在“曲線”選項(xiàng)卡，輸入‘測(cè)量值’作為第一條曲線的名稱，單擊‘選擇歸檔/變量’框中的‘選擇’按鈕，在打開的對(duì)話框中選擇‘pvtemp’變量。先在圖6-38中的‘常規(guī)’選項(xiàng)卡的‘?dāng)?shù)據(jù)源’下拉菜單中選擇‘在線變量’，然后回到‘曲線’選項(xiàng)卡，在‘顯示類型’下拉菜單中選擇‘步進(jìn)趨勢(shì)’。還可以在其他選項(xiàng)卡中進(jìn)行屬性設(shè)置，在此不做介紹。添加好‘測(cè)量值’曲線后，在‘曲線’選項(xiàng)卡中選擇按鈕，依次添加‘輸出值’、設(shè)定值兩條曲線，對(duì)應(yīng)的變量分別為‘lmn_1’和‘sptemp’。打開WinCCOnlineTrendControl控件的‘對(duì)象屬性’對(duì)話框，如圖6-39所示，設(shè)置此控件的‘幾何’屬性，將位置X、位置Y、寬度和高度的動(dòng)態(tài)位置添加內(nèi)部變量x、y、with和high，這些變量的值決定了實(shí)時(shí)曲線的大小，由‘放大曲線’按鈕和‘恢復(fù)曲線’按鈕來控制，這些按鈕的作用在后文有介紹。④添加“按鈕”對(duì)象：在圖6-32中的‘對(duì)象選項(xiàng)板’中選擇‘按鈕’對(duì)象，用鼠標(biāo)拖放到畫圖區(qū)合適的位置，出現(xiàn)如圖6-40所示的‘按鈕組態(tài)’對(duì)話框，在‘文本’輸入框內(nèi)輸入‘+’點(diǎn)擊‘確定’按鈕。用鼠標(biāo)右擊剛建好的‘+’按鈕，在出來的快捷菜單中選擇‘屬選擇‘事件’選項(xiàng)卡，雙擊‘鼠標(biāo)動(dòng)作’右邊的符號(hào)，出現(xiàn)圖6-42所示的‘編輯動(dòng)作’編輯器，用于編輯腳本程序，在右邊輸入‘+’按鈕的腳本程序：‘+’按鈕的主要作用是：在WinCC軟件運(yùn)行時(shí)每按一次按鈕，靜態(tài)文本‘設(shè)定值(SP)’定值(SP)’下的輸入/輸出域中的值減1，最低只能減到0，即最低給定溫度只能設(shè)定為0℃。sp=GetTagDouble("man");{}{}SetTagDouble("man",sp);當(dāng)然也可以在靜態(tài)文本‘設(shè)定值(SP)’下的輸入/輸出域中直接輸入給定的溫度值。運(yùn)行系統(tǒng)，停止監(jiān)控畫面的遠(yuǎn)行。其腳本程序如下：#include"apdefap.h"voidOnClick(char*lpszPictureName,char*lpszObjectName,char*lpszPropertyName){iret=MessageBox(NULL,"確認(rèn)退出嗎?","警告",MB_YESNO|MB_ICONQUESTION|MB_SYSTEMMODAL);{DeactivateRTProject();}WinCC軟件運(yùn)行時(shí)按下此按鈕，我們會(huì)將在線趨勢(shì)控件的位置和大小改變，此時(shí)此控件的幾何屬性‘位置X、位置Y、寬度和高度’分別變?yōu)?、48、1115和725，放大后的曲線如floata,b,c,d;a=GetTagFloat("x");b=GetTagFloat("y");c=GetTagFloat("with");d=GetTagFloat("high");SetTagFloat("x",a);SetTagFloat("y",b);SetTagFloat("with",c);SetTagFloat("high",d);圖6-45恢復(fù)后的曲線（自動(dòng)模式）floata,b,c,d;a=GetTagFloat("x");b=GetTagFloat("y");c=GetTagFloat("with");d=GetTagFloat("high");SetTagFloat("x",a);SetTagFloat("y",b);SetTagFloat("with",c);SetTagFloat("high",d);WinCC軟件運(yùn)行時(shí)按下此按鈕，我們可以啟動(dòng)PLC中的PID模塊，對(duì)應(yīng)的過程變量為二進(jìn)制變量‘啟動(dòng)’，腳本程序?yàn)?SetTagBit("啟動(dòng)",1);//將‘啟動(dòng)’置為1WinCC軟件運(yùn)行時(shí)按下此按鈕，我們可以停止PLC中的PID模塊，對(duì)應(yīng)的過程變量為二進(jìn)制變量‘啟動(dòng)’，腳本程序?yàn)?SetTagBit("啟動(dòng)",0);//將‘啟動(dòng)’置為0WinCC軟件運(yùn)行時(shí)按下此按鈕，我們將PID模塊設(shè)置為手動(dòng)輸入模式,此時(shí)可以進(jìn)行被控對(duì)象的開環(huán)特性的測(cè)試，對(duì)應(yīng)的過程變量為變量組DB41中的二進(jìn)制變量‘man-on’。腳本程SetTagBit("手動(dòng)",1);//將‘man-on’置為1WinCC軟件運(yùn)行時(shí)按下此按鈕，我們將PID模塊設(shè)置為自動(dòng)模式,此時(shí)程序?qū)?duì)被控對(duì)象SetTagBit("手動(dòng)",0);//將‘man-on’置為0WinCC軟件運(yùn)行時(shí)按下此按鈕，在圖6-45的右下方會(huì)出現(xiàn)PID參數(shù)整定區(qū)，進(jìn)行P、I、D三個(gè)參數(shù)值的設(shè)定，和控制這些參數(shù)的開關(guān)。WinCC軟件運(yùn)行時(shí)按下此按鈕，在圖6-45的右下方會(huì)出現(xiàn)趨勢(shì)圖，在此觀察鍋爐溫度的通過對(duì)PID控制參數(shù)的設(shè)計(jì)，就可以讓測(cè)量值跟蹤設(shè)定值，達(dá)到控制的目的。我們可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上監(jiān)控控制對(duì)象。7.1建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型對(duì)于采用PID控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，我們并不要求有很準(zhǔn)確的建立被控對(duì)象的模型，因此在精度要求滿足的情況下，我們常用低階傳遞函數(shù)來擬合被控對(duì)象。對(duì)于電加熱爐，其圖7-1被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線間常數(shù)T可通過作圖的方法得到，在圖7-1響應(yīng)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)P處作一切線(也就是這條曲線這種近似方法擬合精度較差，但方法簡(jiǎn)便，而且實(shí)踐表明它可以成功應(yīng)用于PID調(diào)節(jié)器控制加在電加熱管兩端的電壓大小，輸入0時(shí)相當(dāng)于關(guān)斷電加熱管，輸入100時(shí)相當(dāng)于在電加熱管兩端加上額定的電壓。2.手動(dòng)模式下，在‘輸出值(OP)’下的‘輸入/輸出域’中輸入40，即此時(shí)PID控制器的輸出為40%，且控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)。得到如圖7-3所示的特性曲線，其中淺綠色的曲線為內(nèi)膽的特性曲線；藍(lán)線是控制器的輸