s7-300_plc中程序控溫算法設計畢業(yè)設計

1、<p>　　S7-300 PLC中程序控溫算法設計</p><p>　　Temperature Control Algorithm Design</p><p>　　Based on S7-300 PLC</p><p>　　S7-300 PLC中程序控溫算法設計</p><p><b>　　自動化專業(yè) </b&g

2、t;</p><p>　　[摘 要] 溫度控制是最重要的過程控制之一，有些溫度控制過程要求按照一定的升溫、保溫、降溫曲線控制溫度。西門子S7-300 PLC中FB41 PID控制模塊有雙極性輸出功能，但是該模塊不具有程序控溫功能。</p><p>　　本設計在FB41 PID控制模塊的基礎上進行的, 自主設計的程序控溫算法實現了夾套鍋爐的程序控溫。主要包括多段溫度設置曲線程序設計，升-保-

3、降溫度段控制規(guī)律的研究和控制參數的設置。溫度曲線設置采用溫度-時間格式算法，本段溫度設定與上段溫度設定的差值，除以本段設置時間得到溫度曲線斜率，以定時中斷模塊OB35中斷時間作為設置時間的時間刻度，進行線性運算，產生設定值曲線。溫度曲線設置程序輸出值作為FB41模塊的給定值進行PID運算，正極性PID輸出配合脈寬調制實現時間比例加熱控制，負極性PID輸出調節(jié)夾套冷卻水流量實現降溫控制。對升-保-降溫度段選用不同控制規(guī)律和參數設置實現了程

4、序控溫，達到控溫精度0.1 ，實現了設計任務。</p><p>　　[關鍵詞] 溫度；雙極性; PID；FB41 </p><p>　　Temperature Control Algorithm Ｄesign </p><p>　　Based on the S7-300 PLC</p><p>　　Abstract: Temperature

5、control is one of the most important process control, Some temperature control process is base on ramp rate of heating up,keeping and cooling.Siemens S7-300 PLC FB41 PID control module has dual polarity output function,b

6、ut the module has no program control temperature function.This design is based on FB41 PID control module, the independent design temperature process control algorithm realize the clip set of boiler temperature control o

7、f the program.Mainly includes multista</p><p>　　Key words: Temperature; Bipolar; PID ; FB41</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　

8、　2 項目軟硬件構建設計1</p><p>　　2.1 項目硬件構建1</p><p>　　2.1.1 溫度傳感器1</p><p>　　2.1.2 變送器2</p><p>　　2.1.3 磁力驅動泵2</p><p>　　2.1.4 電磁調節(jié)閥2</p><p>　　2.1.5西

9、門子MM440變頻器2</p><p>　　2.1.6 HH52P小型控制繼電器3</p><p>　　2.1.7交流接觸器3</p><p>　　2.1.8 壓力液位變送器3</p><p>　　2.1.9 S7-300PLC3</p><p>　　2.2 項目軟件介紹3</p><p

10、>　　2.2.1 SIMATIC STEP7軟件3</p><p>　　2.2.2 wincc軟件組態(tài)4</p><p>　　3 控溫算法構建6</p><p>　　3.1 雙極性控制實現8</p><p>　　3.1.1 “CONT_C“ SFB41連續(xù)控制模塊8</p><p>　　3.1.2 S

11、FB43 脈沖輸出模塊10</p><p>　　3.1.3“SCALE“ FC105數值轉換功能10</p><p>　　3.1.4“UNSCALE“ FC106 取消標定值功能11</p><p>　　3.2 多段斜率控溫的實現12</p><p>　　3.2.1多段斜率控溫的設計思路12</p><p>

12、;　　3.2.2多段斜率控溫的適應性14</p><p>　　3.2.3多段斜率雙極性控溫算法程序流程圖14</p><p>　　4設計調試分析15</p><p>　?。?１溫度對象特點15</p><p>　?。?2不同控制規(guī)律結果分析17</p><p>　　4.2.1 P控制規(guī)律現象分析17<

13、/p><p>　　4.2.2 PI控制規(guī)律現象分析18</p><p>　　4.2.3 PD控制規(guī)律現象分析19</p><p>　　4.2.4 PID控制規(guī)律現象分析20</p><p>　　4.3總結分析21</p><p><b>　　結束語22</b></p><

14、p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　附錄24</b></p><p><b>　　致謝48</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　PLC是主流的自動化控制器，現在還廣泛用于過程控

15、制。由于現在PLC普遍具有模擬量處理技術和PID調節(jié)能力，使得PLC在過程控制領域扮演著越來越重要的角色。</p><p>　　PID是過程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。SIEMENSS7300/400系列PLC具有完善的過程控制軟硬件產品，STEP 7軟件中配有PID軟件功能模塊[1]。溫度控制是最重要的過程控制之一，而有些溫度控制過程對升降溫斜率有要求，即按照一定的升溫、保持、降溫曲線控制溫度。能夠

16、實現加熱冷卻雙極性控制的PID算法可以實現設定值曲線控制，在工程實際中有很多應用。</p><p>　　2 項目軟硬件構建設計</p><p>　　2.1 項目硬件構建</p><p>　　本次畢業(yè)設計主要通過溫度傳感器檢測鍋爐水溫，經智能儀表做溫度變送器，傳遞4-20mA標準信號，經西門子sm331模擬量輸入模塊輸入，經CPU模塊進行PID運算后，通過是sm332

17、模擬量輸出模塊或者sm322數字量模塊輸出4-20m標準信號或者數字信號，來控制調節(jié)閥的開度或繼電器的狀態(tài)，從而控制夾套降溫和鍋爐內膽加熱絲加熱。</p><p>　　控溫程序的處理主要應用西門子的step7軟件來完成，上位機的監(jiān)控由wincc組態(tài)軟件來完成。</p><p>　　2.1.1 溫度傳感器</p><p>　　夾套使用的是鉑電阻（Pt100）溫度傳感器

18、，內膽選用銅電阻（Cu50）溫度傳感器，實物圖如下圖1所示，測溫范圍[2]見表1。金屬鉑Pt100（R0=100Ω）具有電阻溫度系數大，感應靈敏；電阻率高，元件尺寸??；電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關系；在測溫范圍內，物理、化學性能穩(wěn)定，長期復現性好，測量精度高，最常用的一種溫度檢測器；銅電阻（Cu50）溫度傳感器為避免因連接導線的電阻隨外界溫度變化而更降低測溫精度時，應采用三線制，接線方法如圖2所示：　</p><

19、;p>　　表1 傳感器技術指標</p><p>　　圖1溫度傳感器接線圖</p><p><b>　　2.1.2 變送器</b></p><p>　　AI818型智能儀表硬件采用了先進的模塊化集成設計，具備功能模塊主要有：輔助輸入、主輸出、報警、輔助輸出及通訊。儀表的輸入方式可自由設置為常用各種熱電偶、熱電阻和線性電壓（電流）。用于恒壓供

20、水時，作為控制器使用，輸出電流信號送給西門子變頻器MM440，接收壓力儀表PE的反饋信號，內部運用PID調節(jié)，促使壓力信號穩(wěn)定。作為溫度變送器時，AI818儀表使用變送和顯示功能，具體的參數設計如下：HIAL:99.99; LOAL:0; Ctrl:0;Run:0或1；Sn=20（內膽）或21（外膽），其他參數保持默認設置，接收溫度傳感器的信號，經自身內部運算，顯示實時溫度，同時也把信號傳送到PLC模擬量輸入模塊SM331。</p

21、><p>　　2.1.3 磁力驅動泵</p><p>　　型號：20CQ-12p 流量為3m³/h，對于設計要求來說，在1m³/h左右已足夠用。 揚程為12m，對于從下水箱抽水到內膽里，供水壓力足夠使用。 驅動功率為0.37kw ，節(jié)能實惠。轉速為0～2900r/min，可以高速旋轉，速度調節(jié)范圍廣。工作電壓區(qū)間為0～380V ，此電壓由西門子變頻器MM440輸出提供，工

22、作區(qū)域也比較寬。</p><p>　　2.1.4 電磁調節(jié)閥</p><p>　　型號：QSTP_16K 公稱通徑為DN20mm，完全可以滿足供水流量要求。公稱壓力為1.6Mpa，供水壓力最大為1.5 Mpa，工作在安全范圍內。信號傳遞為4-20mA DC，可由PLC的模擬量輸出模塊SM332提供，控制調節(jié)開度的大小。上下行程共16mm，從全開到全閉或從全閉到全開需要的時間比較長，故盡可能

23、不使其做大動作，否則耗時費力。</p><p>　　2.1.5西門子MM440變頻器</p><p>　　MICROMASTER 440屬于通用型變頻器，驅動功率配比范圍為0.12kW - 250kW，完全可以驅動0.5hp的磁力驅動泵。輸入電源為三相交流電，輸出直接供給電機，接法均為三相四線制，動力電有一定的危險性，接線端子務必密封性良好，以防觸電事故的發(fā)生。它具有過流、欠壓等跳閘保護，

24、并有指示燈顯示其工作狀態(tài)或故障類型。它的控制輸入為智能儀表提供的4～20mA電流信號，其輸出為0～380V AC送給磁力驅動泵。</p><p>　　2.1.6 HH52P小型控制繼電器</p><p>　　HH52P小型控制繼電器輸入由PLC數字量輸出模塊的一個點提供24V DC，它的通斷用來控制交流接觸器的，單接點型，插入式，兩常開，兩常閉，額定電流5 A，適用于日常交流電，具有體積小

25、、重量輕、開閉容量大、可靠性高、壽命長等特點</p><p>　　2.1.7交流接觸器</p><p>　　接觸器是一種適用于在低壓配電系統(tǒng)中遠距離控制、頻繁操作交、直流主電路及大容量控制電路的自動控制開關電器。選用接觸器主要考慮因素有：根據電路中負載電流的種類，接觸器主觸頭的額定電壓，額定電流，控制電路要求確定吸引線圈工作電壓和輔助觸點容量。設計中選用 CJX2-124（LC1-D）型交

26、流接觸器適用于交流50 Hz或60 Hz，電壓至660 V、電流至95 A的電路中。</p><p>　　2.1.8 壓力液位變送器</p><p>　　壓力液位變送器可以顯示液位，輸入為兩線制24V DC，輸出為4～20mA。接線圖如下圖2所示：</p><p><b>　　圖2兩線制接線圖</b></p><p>　

27、　2.1.9 S7-300PLC</p><p>　　S7-300PLC電源模塊的輸入用220AC的單相三線制，即一火一零一地線。CPU 315-2DP的電源為5V　DC，內存為128K。數字量輸入、輸出各16個點，模擬量輸入、輸出各4個通道，已滿足設計需求，其中模擬量輸入模塊具有12位精度并且是智能防爆型的。</p><p>　　2.2 項目軟件介紹</p><p&

28、gt;　　2.2.1 SIMATIC STEP7軟件</p><p>　　SIMATIC STEP7作為一個平臺可以集成各種控制設備的軟件，使不同設備以及西門子PLC站點具有相同的數據庫，所有設備的編程、配置、調試、數據路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成[3]，從而實現一個項目中所有控制任務的集成?？梢栽谏衔粰C中完成硬件組態(tài)，配置通訊地址，程序編制下載，在線仿真，在線連接，故障檢測等操作。</p&

29、gt;<p><b>　　硬件組態(tài)如圖3：</b></p><p><b>　　圖3硬件組態(tài)畫面</b></p><p>　　2.2.2 wincc軟件組態(tài)</p><p><b>　?。?）變量管理:</b></p><p>　　圖4變量組態(tài)畫面[4]</

30、p><p>　　（2）畫面編輯器：主畫面，報警畫面，報表記錄，溫度設置畫面，趨勢畫面[5]</p><p><b>　　圖5畫面目錄</b></p><p><b>　　圖6主畫面</b></p><p><b>　　圖7報警畫面</b></p><p>&

31、lt;b>　　圖8報表記錄</b></p><p><b>　　圖9溫度設置畫面</b></p><p><b>　　圖10趨勢畫面</b></p><p><b>　　3 控溫算法構建</b></p><p>　　本設計控溫算法的設計，主要分為兩大部分，都在

32、OB35中斷中進行。一是雙極性的實現，即FB41控制器的輸出值大于零時，輸出數字量，控制繼電器吸合，加熱電路導通，對內膽進行加熱?？刂破鬏敵鲋敌∮诹銜r，輸出模擬量控制閥門的開度，從而控制夾套循環(huán)水的流量，實現降溫目的。第二部分為多段斜率曲線的實現，即設定值的曲線變化的實現。首先對一些算法變量中的動態(tài)變量進行初始化清零，然后判斷當前的段數N是否等于設定段數Number，等的話回第一段循環(huán)執(zhí)行，不等執(zhí)行下一段，調用斜率算法塊FB1，將Cn-

33、1送入last_t,Cn送入set_t，Tn送入load_tim，進行運算，輸出一個時間刻度的變化量，通過OB35的時間基準進行四則運算，輸出一個SP的值。最后，將輸出的SP值，送入FB41的設定值端，進行PID運算。另外，手自動的選擇在OB1中完成，FB43和FB41的時間配合以及調用時間邏輯，通過調用FB3實現。</p><p>　　簡單流程示意如圖11，</p><p><b&

34、gt;　　圖11簡單流程示意</b></p><p>　　3.1 雙極性控制實現</p><p>　　本項目中的雙極性為加熱冷卻雙極性。其過程如圖12，現場鍋爐內膽溫度通過溫度傳感器采集，經sm331模擬量輸入模塊，送入控制器經FB41運算，運算結果限定范圍為-100~100。當輸出為正值時調用PWM功能塊FB43，生成一定占空比的脈沖波，經sm322數字量輸出模塊輸出狀態(tài)ON

35、/OFF,控制繼電器的吸合斷開，從而控制加熱絲電路對內膽進行加熱。當輸出為負值時調用模擬量轉換功能FC106，經sm332模擬量輸出模塊輸出4-20mA標準信號控制電磁閥的開度，從而控制鍋爐夾套冷卻水流量達到降溫目的。</p><p>　　圖12雙極性控制信號流程示意圖</p><p>　　3.1.1 “CONT_C“ SFB41連續(xù)控制模塊</p><p>　　西

36、門子300/400PID模塊FB41是基于增量型PID控制算法[6]。由控制原理知識我們得到PID的傳遞函數如式1</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　模擬量PID控制器的輸出表達式[7] 如式2</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由于PLC

37、為數字式控制器，故需要對PID中的積分和微分環(huán)節(jié)進行近似。積分對應于曲線與坐標軸包圍的面積，可以用若干個矩形的面積和近似精確積分，故第n個矩形時ev(Tsn)簡寫為ev(n),輸出量mv(Tsn)簡寫為mv(n)。各矩形的總面積為；微分近似計算如式3所示</p><p>　?。?） </p><p>　　由此，可得PID的數字表達式如式4所示&l

38、t;/p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　進行簡化如式5所示</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中ＫＩ和ＫＤ分別是積分系數和微分系數。</p><p><b>　　模塊方框圖如

39、圖13</b></p><p>　　圖13 CONT_C方框圖</p><p>　　3.1.2 SFB43 脈沖輸出模塊</p><p>　　FB43“PULSE“用于一個PID控制器，以生成脈沖輸出，用于比例執(zhí)行器。使用FB43，可以配置帶有脈寬調制的兩步或三部PID控制器。通常和連續(xù)控制器FB41一起使用。如圖14</p><p

40、>　　圖14 FB41與FB43構成脈沖發(fā)生器圖 圖15脈寬調制</p><p>　　PULSEGEN函數通過調用脈沖持續(xù)時間，將輸入變量INV（=PID控制器的調節(jié)值）轉換成固定時間間隔的脈沖序列，轉換的依據是輸入變量的更新周期，該周期必須在PER_TM中分配。在每個周期內，脈沖持續(xù)時間和輸入變量成比例。分配給PER_TM的周期和FB43的處理周期并不相等。PER_

41、TM是由幾個FB43的處理周期組成的圖15，因此每個PER_TM周期中FB43調用的次數便成了脈寬調制精度的尺度標準。</p><p>　　對于每個PRE_TM中10個FB43調用，一個30％的輸入量意味著下列結果，見圖16：</p><p>　　－對于前三個FB43調用（10個調用的30％），QPOS輸出為“1”</p><p>　?。瓕τ谑Ｏ碌钠邆€FB43調用（

42、10個調用的70％），QPOS輸出為“0”　</p><p>　　圖16 FB43方框圖</p><p>　　3.1.3“SCALE“ FC105數值轉換功能</p><p>　　SCALE功能接受一個整型值(IN)，并將其轉換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實型值。將結果寫入OUT。SCALE功能使用以下等式：OUT =[((F

43、LOAT(IN)－K1)/(K2－K1))*(HI_LIM－LO_LIM)]+LO_LIM</p><p>　　常數K1和K2根據輸入值是BIPOLAR還是UNIPOLAR設置。</p><p>　　BIPOLAR：假定輸入整型值介于－7648與27648之間，因此K1 = －27648.0，K2 = +27648.0</p><p>　　UNIPOLAR：假定輸出

44、整型值介于0和27648之間，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0</p><p>　　就此次設計中參數out=[((FLOAT(IN)－0)/(27648－0))*(100－0)]+0</p><p>　　表2 FC105參數說明</p><p>　　3.1.4“UNSCALE“ FC106 取消標定值功能</p><p>　

45、　UNSCALE功能接收一個以工程單位表示、且標定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實型輸入值(IN)，并將其轉換為一個整型值。將結果寫入OUT。UNSCALE功能使用以下等式：</p><p>　　OUT = [ ((IN－ＬO_LIM)/(HI_LIM－ＬO_LIM)) * (K2－Ｋ1) ] + K1，并根據輸入值是BIPOLAR還是UNIPOLAR設置常數K1和K2。</p>

46、<p>　　BIPOLAR：假定輸出整型值介于－7648和27648之間，因此，K1 = －7648.0，K2 = +27648.0</p><p>　　UNIPOLAR：假定輸出整型值介于0和27648之間，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0</p><p>　　就此次設計中參數　OUT（float） = [ ((IN-0)/(100-0)) * (27648－

47、0) ] + 0</p><p>　　表3 FC106參數說明</p><p>　　3.2 多段斜率控溫的實現</p><p>　　溫度設定曲線示意如圖17</p><p>　　圖17多段溫度設定曲線示意圖</p><p>　　3.2.1多段斜率控溫的設計思路</p><p>　?。ǎ保┬甭噬?/p>

48、降溫的實現</p><p>　　斜率算法中的時間刻度取ob35的周期100ms。算法如式6：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　Set_t：本段目標溫度</p><p>　　Last_t：上段目標溫度</p><p>　　Load_tim：本段狀態(tài)時間</p&g

49、t;<p>　　tim_1：時間刻度</p><p>　　t_chang：每個時間刻度溫度變化量</p><p>　　程序中封裝為FB1塊如圖18：</p><p><b>　　具體參數見圖19：</b></p><p><b>　　圖18 FB1塊</b></p>&l

50、t;p>　　圖19 DB1參數列表圖</p><p>　　在ob35中調用FB1塊，每個OB35的掃描周期加一次t_chang值，既有：Ｔ（SP）＝last_t＋ｎ＊t_chang</p><p>　　由于每100ms溫度值變化t_chang，所以斜率曲線實際上是階梯性的，由于時間刻度很小，可近似的看做一定斜率的直線，如圖20：</p><p>　　圖20斜率

51、曲線設置示意圖</p><p>　　（2）多段曲線的實現</p><p>　　多段的實現主要由計數器和比較指令在OB35中完成，本段的狀態(tài)時間load_time與時間刻度tim_1的比值作為計數器1的預置值，每個時間刻度計數器當前值加一，到達預置值觸發(fā)計數器2加一，計數器1清零。計數器2中的預置值為設定段數n，當計數器2的當前值依次為0到n時，將不同段的目標溫度和持續(xù)時間依次裝載入FB1中

52、，當計數器2達到預置值n時，裝載進出料的時間，當進出料時間到，重新執(zhí)行多段，此過程可在自動模式下循環(huán)執(zhí)行。　</p><p>　　3.2.2多段斜率控溫的適應性</p><p>　　本次設計中預設的可設定段數為8段，進出料（準備段）時間為5min，時間刻度為100ms。程序中每段溫控都是通過調用FB1塊來實現的，即FB1塊的可循環(huán)調用給預設段數的變化提供了可能，可根據客戶的實際需要修改參數

53、來實現段數的擴展，從而達到實際應用的需要。在應用中由于物料量和材質的不同，需要不等的進出料（準備段）時間，可通過修改OB35中程序段10參數MD30中預設的進出料時間來配合現場需要。同時對不同斜率精度需要的生產過程，可通過修改時間刻度tim_1（DB1.DBD4）來改變精度，需注意的是時間刻度與OB35的中斷時間一致。</p><p>　　3.2.3多段斜率雙極性控溫算法程序流程圖</p><

54、p>　　算法流程圖如圖21-圖24：</p><p>　　圖21 OB100初始化 圖22 FB2 PID運算雙極性輸出</p><p>　　圖23 OB1主程序 圖24 OB35定時中斷程序</p><p><b>　　4設計調試分析</b></

55、p><p><b>　?。?１溫度對象特點</b></p><p><b>　　開環(huán)測試</b></p><p>　　現場測試時對鍋爐內膽注水400mm，外膽注滿水。首先在手動狀態(tài)下全功率加熱，冷卻測試夾套鍋爐對象的開環(huán)響應曲線如圖25：</p><p><b>　　圖25開環(huán)測試曲線<

56、/b></p><p>　　上圖分為全功率加熱段，零功率保持段和全功率降溫段。各階段歸檔參數見下表4-9。 </p><p><b>　　表4開始全功率加熱</b></p><p><b>　　表5停止加熱</b></p><p><b>　　表6最大超調過渡點</b>&

57、lt;/p><p><b>　　表7全功率降溫開始</b></p><p><b>　　表8源水箱水溫常態(tài)</b></p><p>　　表9 源水箱水溫升高</p><p>　?。?）對象升溫段特性測試：由圖表可知對象升溫滯后約1分20秒左右，由表5-6計算可知升溫斜率約3.56℃/min,對象為不自衡

58、的一階積分對象，需注意的系統(tǒng)投運時斜率設置不能超過3.56℃/min。</p><p>　　（2）對象保溫段特性測試：由表6-7可知保溫段慣性超調3.36℃，升溫慣性滯后時間為4分30秒，保溫段自然散熱速度約0.12℃/min。</p><p>　?。?）對象降溫段特性測試：由圖示可以看出降溫段呈現非線性形態(tài)，是由于夾套降溫水回流源水箱，造成源水箱溫度不斷上升造成的，可將降溫曲線分為兩種情

59、況處理。由表7-9知，若采用外部流動水進行降溫操作，即源水箱水溫保持恒定的低溫，降溫斜率約為-3.48℃/min（后期調試階段采用此斜率），需注意的系統(tǒng)投運時斜率設置不能低于-3.48℃/min。若采用源水箱的換熱回流水降溫，由于換熱后帶回的能量，源水箱水溫會緩慢上升，降溫斜率約為-1.79℃/min。</p><p>　?。?2不同控制規(guī)律結果分析</p><p>　　在進行分析之前我們

60、需要對PID控制器進行簡單的介紹。PID控制器是控制系統(tǒng)中常見的一種控制規(guī)律，是根據偏差的比例（P），積分（I），微分（D）來進行控制的[8]。比例控制能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，Kp的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調加大，甚至使系統(tǒng)振蕩[9]；微分控制可以

61、減小超調量，克服振蕩，是系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。本設計中使用的控制器FB41為增量型控制器。</p><p>　　4.2.1 P控制規(guī)律現象分析</p><p>　　圖26 比例控制趨勢</p><p>　　圖26中 P=40，升溫段滯后1分40秒，最大偏差1.3℃。恒溫段最大偏差1.8℃。降溫段滯后2分鐘，

62、最大偏差-2.39℃。</p><p>　　圖27 比例控制趨勢</p><p>　　圖27中 P=60，升溫段滯后1分20秒，最大偏差1.4℃。恒溫段最大偏差1.53℃。降溫段滯后2分鐘10秒，最大偏差-2.34℃。</p><p>　　由以上兩圖可知，隨著比例作用的增強，升溫滯后有所縮短，同時由于加熱慣性導致降溫滯后增加，整體偏差較大，曲線跟隨性能較差，不能達到

63、精度要求，嘗試加入積分作用來消除誤差減小偏差。</p><p>　　4.2.2 PI控制規(guī)律現象分析</p><p>　　圖28 比例積分控制趨勢圖</p><p>　　圖28中 P=40 I=90s,加入積分作用的同時減弱了比例作用。升溫段滯后1分33秒，最大偏差2.2℃。保溫段最大偏差-2.36℃，超調較嚴重，振蕩幅值較大。降溫段最大偏差-3.0℃，加熱慣性影響

64、下存在降溫滯后。嘗試減弱積分作用。</p><p>　　圖29 比例積分控制趨勢圖</p><p>　　圖29中 P=40 I=120s,比例不變，減弱積分作用。升溫段最大偏差2.2℃。保溫段最大偏差-0.24℃，超調很小，基本無振蕩現象，本段已達到控制要求精度。降溫段最大偏差-2.8℃，加熱慣性影響下存在降溫滯后。</p><p>　　由以上兩圖可知，隨著積分作用

65、的減弱，超調減小很多，但由于加熱慣性和降溫慣性（調節(jié)閥滯后）的存在，當前值曲線在設定值上下穿越現象嚴重，升溫段和降溫段偏差較大，曲線跟隨性能較差，不能達到精度要求，設想主要原因是滯后的累加，如圖30所示。接下來嘗試采用PD控制規(guī)律。</p><p>　　圖30 加熱慣性和冷卻慣性滯后示意圖</p><p>　　4.2.3 PD控制規(guī)律現象分析</p><p>　　圖

66、31 比例微分控制趨勢圖</p><p>　　圖31中 P=50 D=9s,切除積分作用。升溫段最大偏差-0.9℃。保溫段最大偏差0.31℃，超調很小，輕微振蕩。降溫段最大偏差-0.64℃?？刂破鞲臑镻D控制規(guī)律，控制品質明顯改善，為了弱化跟隨振蕩，嘗試進行死區(qū)處理。</p><p>　　圖32 比例積分控制示意圖</p><p>　　圖32中 P=50 D=12s

67、,死區(qū)寬度DEAD_W=0.1。升溫段最大偏差-0.8℃，當前值曲線整體偏下設定值曲線。保溫段最大偏差-0.2℃，超調很小，基本無振蕩。降溫段最大偏差-1.5℃。加入死區(qū)后振蕩現象明顯改善，但無法有效的消除誤差，降溫偏差超出了控制精度范圍。為了消除余差嘗試加入微弱的積分作用。</p><p>　　以上兩圖可見PD控制規(guī)律的應用明顯改善了控制品質，這似乎有悖于經驗中的隨動控制忌諱使用微分分量，容易引入高頻干擾，從而

68、使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而使控制品質下降?？紤]我們的隨動是一個線性的隨動，即按一定的規(guī)律變化的，并非等同于串級控制中的內環(huán)的給定值，所以對系統(tǒng)的干擾作用很弱。而且升降溫階段，主要是加熱滯后和閥門滯后作用造成了當前值得穿越，所以從微分超前控制的作用考慮，微分分量的加入有利于控制品質的改善。</p><p>　　4.2.4 PID控制規(guī)律現象分析</p><p>　　圖33 PID控制示意圖<

69、;/p><p>　　圖33中 P=40，I=900s，D=9s，DEAD_W=0.1，加入積分作用，適當的減小比例和微分的作用。升溫段曲線整體偏下，最大偏差-0.8℃。保溫段最大偏差-0.3℃。降溫段出現滯后現象。</p><p>　　圖34 PID控制示意圖</p><p>　　圖34中 P=30，I=600s，D=11s，DEAD_W=0.1，增加微分作用，適當的減

70、小比例作用。升溫段曲線整體偏下，最大偏差-0.6℃。保溫段最大偏差0.71℃。降溫段偏差-1.1℃。</p><p>　　圖35 PID控制示意圖</p><p>　　圖35中 P=60，I=600s，D=11s，DEAD_W=0.1，增加比例作用。升溫段最大偏差-0.7℃。保溫段最大偏差0.4℃。降溫段最大偏差-0.9℃?；具_到要求的控制精度。</p><p>

71、　　采用PID控制規(guī)律，加入微弱的積分作用，有效的消除了余差，通過微分的配合，以及死區(qū)的加入有效地解決超調問題，同時有效的解決了滯后問題，是控制品質達到預期控制精度。</p><p><b>　　4.3總結分析</b></p><p>　　本設計中設定值SP是一個按斜率有規(guī)律地不斷變化（線性變化）的值，微分作用能反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨

72、勢，能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，本設計中微分作用在輸出量中占得分量較大，在改善系統(tǒng)的動態(tài)性能方面效果明顯。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此不應加入過強的微分作用。與串級方式的副環(huán)對比知，串級副環(huán)的輸入值為一個非線性值，容易引入高頻噪聲，不易加微分作用。積分作用在階躍測試中由于開始偏差值較大，后期偏差值較小，根據梯形面積累加原理知，正負累積后差值較大，即積分分量在輸出值中所占分量較大，控制作用

73、較明顯如圖36。本設計中由于當前值有良好的跟隨性，積分的正負累積量很小，即積分分量在輸出值中所占分量較小，控制作用不明顯，如圖37，適當的加入積分作用有利于減少余差，不過積分作用不宜過強。</p><p>　　圖36 設定值階躍輸入積分累積量 圖37線性輸入積分累積量</p><p><b>　　結束語</b></p><p

74、>　　為期13周的畢業(yè)設計即將結束，在設計當中系統(tǒng)的復習和學習了自動化方面的知識。總體實現了斜率升降溫系統(tǒng)程序設計目的，達到了要求的精度范圍，從控制結果來看，經調試比較所得的最終控制規(guī)律以及參數跟本領域經驗數據和規(guī)律基本一致，不同之處在于設定值變化的場合對微分分量的選擇上，本次課程設計的對象的特性以及設定值發(fā)生器算法決定了，微分分量在本系統(tǒng)中占有重要的分量。為了保險起見，程序中加入了控制帶即偏差>6攝氏度全功率加熱，偏差&l

75、t;-6攝氏度全功率降溫。程序中可以設置積分處理來實現一定偏差內，加入適當的積分作用，否則采用PD控制規(guī)律。由于時間問題未曾嘗試微分先行思路。</p><p>　　參考文獻 </p><p>　　[1] 崔堅. 西門子S7可編程序控制器[M]. 北京：機械工業(yè)出版社.2007年06月</p><p>　　[2] 芮延年.傳感

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