基于PID温度控制

论文题目：温度PID控制1.1【摘要】随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本课题所重点研究的内容。1.2【关键词】PLC；编程语言；温度1）温度的检测；2）采用PLC进行恒温控制；3）PID算法在PLC中如何实现；4）PID参数对系统控制性能的影响；2基于PLC的炉温控制系统的硬件设计2.1系统控制要求本PLC温度控制系统的具体指标要求是：对加热器加热温度调整范围为0℃—150℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。2.2系统设计思路根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。系统硬件框图结构如图所示:图2.1系统硬件框图被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成0～10V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，经调压装置输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现炉温的连续控制。2.3系统的硬件配置2.3.1S7-200PLC选型S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。因为它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[2]S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。S7-200主要功能模块介绍：(1CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元：①CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。②CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点，和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。③CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的SSR加热器炉子温度传感器给定温度S7-200PLCCPU运算处理温度变送器模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。④CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。(2开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O模块产品分3种类型:输入模块,输出模块以及输入/输出模块。为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离,输入保护(浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻,高频滤波,输入数据缓冲器等。因为PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为3种：继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。因为本系统是单回路的反馈系统，CPU224XP相比与其他型号具有更好的硬件指标，其上自带有模拟量的输入和输出通道，因此节省了元器件的成本，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表：表2.1模拟量I/O配置表I/O信号信号类型电压信号电流信号模拟量输入*2±10V/模拟量输出0~10V0~20mACPU224XP自带的模拟量输入通道有2个，模拟量输出通道1个。在S7-200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0~32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000~+32000[3]2.3.2温度传感器温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD和IC温度传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。PT100是广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。因为铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值[4]。常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。本设计采用的就是三线制接线。因为铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。2.3.3调压装置SSR）因为PLC输出的信号是直流信号，而被控制的加热器小灯泡是由220伏特交流电供应工作的，所以在由PLC接入到小灯泡时要加入一个调压装置，本设计采用的是一个可将5伏特的直流电转化为220伏特交流电的反相调压器EUV-75A。该调压装置工作时需要有两个工作电源，分别支持交流部分和直流部分工作，交流部分需要220伏特的工作电压，直流部分需要5伏特的直流电压。EUV-75A是反相调压器，即输入0伏特对应的输出是220伏特的输出，而输入5伏特对应的是0伏特是输出。EUV-75A的硬件接线如图所示：1.1图2.2EUV-75A硬件接线图其中直流部分共有5根线，实际使用的时候只有其中3根式有用的，一根接5伏特的直流电源，一根为信号的输出端，还有一根是电源和输出信号的公共接地。EUV-75A的交流部分有3直流部分交流电源和输出接口输出接口交流电源输入入个端口，对角线的两个端口是接工作电源220伏特的交流电，输出信号接剩下的一个端口和其下方的一个端。3炉温PID控制算法模拟PID算法简介在项目实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便[5]。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例P）控制：比例控制是一种最简单,最常用的控制方式[6]。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差Steady-stateerror）。积分I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是因为存在有较大惯性组件环节）或有滞后(delay组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。4基于PLC的炉温控制系统的软件设计4.1STEP7MICRO/WIN32软件介绍STEP7-Micro/WIN32编程软件是由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用[8]，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。梯形图中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。软件功能的实现可以在联机工作方式在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。联机方式：有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间做直接通信。离线方式：有编程软件的计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编译和调试程序系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机上[9]。两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上载和下载用户程序和组态数据等；而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后在下载到PLC中。4.2输入输出点配置表4.1程序使用输入输出点配置符号地址注释运行M0.00运行1停止输出归一VD9000~1手自动M0.