毕业设计（论文）-基于S7-200温度控制系统设计.doc

题 目: 基于S7-200温度控制系统设计 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师: 职称: 目 录摘要关键字Abstract.Key words1 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.2 国内外研究概况1.2.1 控制理论的发展状况1.2.2 温度控制发展现状1.3 PID控制与智能控制1.3.1 传统PID控制1.3.2 智能控制1.4 论文的总体结构2 温度控制系统的理论分析与研究2.1 温度对象控制特点2.2 温度控制的数学模型2.2.1 温度控制的简化数学模型2.2.2 温度控制各动态参数的确定2.3 PID算法介绍2.3.1 模拟PID控制介绍2.3.2 数字PID控制介绍2.4 PID参数整定2.4.1 经验法2.4.2 Z-N法2.5 PID参数自整定3 温度控制系统的软硬件设计3.1 温度控制系统的硬件设计3.1.1 总体设计3.1.2 温度传感器3.1.3 西门子S7-200PLC介绍3.1.3.1 可编程逻辑控制器介绍3.1.3.2 西门子S7-200型PLC3.1.4 模拟量输入模块EM2313.1.5 电气原理图与接线实物图3.2 系统的软件程序设计3.2.1 PLC 的程序设计语言3.2.2 STEP7 Micro/WIN32 V4.0软件介绍3.2.3 控制算法描述3.2.4 PLC编程3.3 组态软件设计3.3.1 组态软件概述3.3.2 MCGS组态软件介绍3.3.3 组态软件的具体设计4 系统的调试4.1 系统调试的总体过程4.2 电阻炉的实验过程4.2.1 对温度传感器进行标定4.2.2 测量控对象飞升曲线4.2.3 开关型温度控制4.2.4 确定PID的参数4.2.5 实验调整PID参数4.3 水壶的实验过程4.3.1 水壶的飞升曲线4.3.2 开关型温度控制4.3.3 确定PID的参数4.3.4 实验调整PID参数5 结果分析与结论致谢参考文献基于S7-200温度控制系统设计机械设计制造及其自动化专业学生 任 航指导教师 杨 勇摘要：温度控制被广泛地应用在工业生产和生活中，温度控制效果也直接影响到生产效率和产品质量，因而对温度控制系统的控制要求很高。但是温度具有升温单向性、非线性、大惯性、大滞后时变性等特点。热量的传递是需要一定时间的，降温则需要与外界的热交换来进行，温度上升的快慢与载体热容量的大小有关系，而产生滞后性则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。因此，设计一个控制精度高、运行稳定的温度控制系统具有很高的应用价值和经济价值。本系统的温度检测电路中采用西门子S7-200型PLC并使用其扩展模块EM231，运用PLC配套的STEP7 Micro/Win编程软件设计温度控制的软件程序，使用PID控制器对温度进行控制。监控软件使用MCGS工控软件，在输出控制中主要采用固态继电器电路实现，简化了系统的软硬件设计，提高了温度检测的精度，降低了硬件电路的复杂性。在控制中运用PID调节功能，对其PID参数进行整定。控制实验结果表明，该控制系统的控制效果其具有超调小、控制精度较高、运行稳定等优点。本文以电阻炉为控制对象，在论文中详细阐述了控制系统的硬件设计、软件设计、和PID控制方法。关键字：温度控制；PLC；PID控制；参数整定temperature control system design based on S7-200 Student majoring in Mechanical Design, Manufacturing and Automation Ren HangTutor Yang Yong Abstract：Temperature control is widely used in industrial production and life, temperature control results have a direct impact on production efficiency and products quality, and Thus the control of the temperature control system requirements are high. But the temperature is warming, nonlinear, large inertia and large delay time-varying characteristics.Heat transmission is needed a period of time .it is required cool the heat exchange with the outside world. The speed of temperature increases is relationship between the size of the heat capacity.resulting lag is related with the heat transfer process, element also has an addition temperature a certain inertia, which will have a lag. Therefore, the design of a high precision and stable temperature control system has a high application value and economic value. The temperature detection circuit of the system used in Siemens PLC S7-200 type using the extension module EM231, the using of STEP 7 Micro / Win programming software supporting PLC design software program of temperature control , and use PID controller for temperature control. Industrial control software monitoring is using software MCGS , solid state relays is using in the output control circuits , It simplifies the system hardware and software design to improve temperature measurement accuracy and reduce the complexity of the hardware circuit. PID Regulatory function is using of control and tuning of itsPID parameter . Control experiments showed that the effect of the control system to control has asmall overshoot, the control precision is high, stable operation and so on. In this paper,resistance furnace is the object, it described detailly the control system hardware design, software design, and PID control methods in the paper. Key words: Temperature control; PLC; PID control; parameter tuning1 绪论1.1 课题研究的背景及意义温度是定量描述物体冷热程度很重要的物理量，几乎所有的科研、生产、生活过程都和温度密切相关。温度作为一项热工参数，在工业现场和过程控制中起着举足轻重的作用。许多工业生产都必须在一定的温度条件下才会按照预定的方向进行，所以温度控制是保证生产过程正常进行的必须条件。温度控制在我国电子、冶金、机械、化工、电力等工业领域得到了非常广泛的应用。由于其具有工况复杂、参数多变、运动惯性大、控制滞后等特点，所以对控制调节系统的设计要求非常高。在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。温度控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。在机械行业，金属材料是机械工业中应用最广泛的材料，它在机器设备所用材料中居首位。热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的性能，提高制件的使用效能或寿命。金属加热是热处理操作一个重要环节，而且又是能源消耗最大的一个工序。为了更好的满足机械零件所要求的性能，必须通过金属热处理进行材料材质的改变，提高材料的使用性能。因此，在使用金属材料制造机械零件时通常需要对材料进行热处理。由于热处理是在特定的温度范围内改变金属的金相组织，因此在整个过程中，对温度的变化和保温的时间要求极为严格，这使得热处理材料或金属工件的温度及其温度变化成为热处理的关键因素，它直接对热处理质量产生影响(1)。近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、环保方向发展，而电阻炉是热处理生产中常用的加热设备，加热温度常可在较大范围内调节。目前电阻炉是热处理中用途较广的加热设备，具有加热速度快、热能利用效率高等优点在我国应用广泛。电阻炉的温度是一种典型的工业过程控制对象，由于其具有工况复杂、参数多变、升温单向性、运动惯性大、控制滞后、时变性等特点(1,2)，难以保证加热工艺要求，其升温、保温是依靠电源加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温。随着科学技术的发展，电阻炉被广泛的应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。因此，良好的温度控制系统，对保证产品质量、节约能源提高电炉生产率和加热效率都有十分重要的意义(3)。本文以电阻炉为控制对象，以西门子S7-200型PLC为硬件核心元件，采用PID控制方法，MCGS工控软件监控，设计一种温度测控系统，使其具有硬件电路简单、系统性能优良等优点。1.2 国内外研究概况1.2.1 控制理论的发展状况随着科学技术的发展，控制理论也在不断地发展，控制理论的发展过程可以分为三个阶段(3)。第一阶段控制理论早期发展阶段称为“经典控制理论”时期。经典控制理论现在已经是一门比较成熟的控制理论，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频率分析方法解决单输入单输出问题。经典控制技术能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题，主要用于线性系统，是目前工业过程控制领域中占统治地位的一种控制理论(3)。第二阶段称为“现代控制理论”时期。这个时期计算机和空间技术的发展推动了控制理论的发展。现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，用状态空间法描述系统的动态过程，可以解决多输入多输出问题。基于该理论的主要控制方法有：系统辩识、最优控制、自适应控制等。该理论不仅用于线性定常系统，而且可以用于某些非线性时变以及具有随机扰动的系统。其缺点是除了自适应控制外，其它控制方法虽然控制品质良好，但必须知道控制对象的数学模型，不能解决系统模型的不确定问题(3)。第三阶段时间为“智能控制理论”阶段。控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统(3)。1.2.2 温度控制发展现状温度控制技术发展也经历了三个阶段：1、开关控制；2、PID控制；3、智能控制(3)。定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关。其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。目前国内成熟的电阻炉温度测控系统以PID控制器为主，PID控制对于小型实验用电阻炉控制效果良好，但对于大型工业电阻炉就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。应用广泛的温度智能控制的方法有模糊控制、神经网络控制、专家系统等，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。比较而言，国外温度控制系统的性能要明显优于国内，其根本原因就是控制算法的不同。1.3 PID控制与智能控制1.3.1 传统PID控制传统的PID控制及改进型PID控制原理简单、工作稳定、可靠性高、鲁棒性强、实现容易、技术成熟等，曾在温度控制系统中得到了普遍的采用。传统的PID控制技术是以经典控制理论或现代控制理论为基础发展起来的，其中PID控制是传统控制中的经典控制方式之一。传统的控制技术是基于被控对象的精确数学模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系统由于依赖于数学模型而缺乏灵活性和应变能力。PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型，因而其对于一些大滞后、多输入、时变性系统，控制效果难以满意(1，3)。1.3.2 智能控制智能控制是一门新兴的理论和技术，智能控制的研究对象具有以下几个特点：一、不确定性的模型。智能控制的对象通常存在严重的不确定性，其不确定性是指模型的结构和参数可能在很大范围内变化。二、高度的非线性。在传统的控制理论中，线性理论比较成熟，而非线性理论很不成熟，非线性控制方法也比较复杂，采用智能控制方法可以较好的解决非线性系统的控制问题。三、复杂的任务要求。传统的控制系统控制任务要求比较单一，智能控制系统可以完成复杂的任务要求。智能控制是一类无需人为的干预就能独立驱动机械而实现其目标的自动控制，一般智能控制系统的功能包括以下三点：一、学习功能。系统能对一个过程或未知环境所提供的信息进行识别、记忆、学习并利用积累的经验进一步改善系统的性能。二、适应功能。系统应具有适应受控对象动力学特性、环境变化和运行条件变化的能力。三、组织功能。对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调功能，使系统具有主动性和灵活性。智能控制的方法很多，包括专家控制、神经控制、模糊控制、基于模式识别的智能控制、多模变结构智能控制、仿人智能控制。智能控制理论发展以来，智能控制技术开始逐渐应用于工业控制。智能控制是控制理论发展的高级阶段，是控制论、系统论、信息论和人工智能等多门学科交叉和综合的产物，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制。随着工业生产的飞速发展，被控对象越来越复杂，常常表现为高度的非线性、强干扰、动态突破性以及分散的执行器、分层的决策机构、复杂的结构信息等，这样的被控对象往往存在难以用精确数学方法描述的不确定性，实践证明，对于此类复杂的控制对象采用智能控制性能要优于传统控制(1，3)。1.4 论文的总体结构论文的结构构成如下：第一章主要介绍了课题研究的背景、意义、温度控制技术的现状和发展趋势以及各种控制技术；第二章研究了温度控制算法，详细分析了PID控制算法的原理和实现方法；第三章是对系统的软硬件件设计部分详细介绍：第四章是对系统温度控制参数的调试过程进行介绍：第五章对控制实验结果进行了分析，对整个论文做了总结。2 温度控制系统的理论分析与研究2.1 温度对象控制特点温度作为一项热工参数，在工业现场和过程控制中起着举足轻重的作用。热量的传递和转移是需要一定时间的，温度上升的快慢与否与其载体热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个函数关系，一般为指数曲线。而产生滞后则与热量的传递过程、传递介质有关系，另外测量温度元件通常也有一定的惯性，这些都会对温度控制产生滞后现象。实践证明温度对象的特点是: 工况复杂、参数多变、时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。因而对温度控制准确性，稳定性造成了很大困难，所以对温度控制的系统设计要求非常高。在机械领域中，温度控制多运用于金属材料的热处理方面，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求，其升温、保温是依靠电源加热，降温则是依靠环境自然冷却，其中保温性能都非常良好，其加热惯性，滞后性均更大，这样也给温控带来更大困难，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，对生产过程工艺造成很大困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了效益。良好的温控系统对保证产品质量、节约能源、提高电炉生产率和加热效率等方面均有十分重要的意义(2)。2.2 温度控制的数学模型2.2.1 温度控制的简化数学模型本次系统设计的控制对象为电阻炉，在温度控制系统中，电阻炉的炉内温度始终是控制的重点。炉内温度是在电源加热的情况下，通过调节加热时间，加热功率等进行控制的。对于炉内温度而言，虽然没有精确的数学模型，但根据实际经验，可得出炉内温度的变化趋势:增大加热电流，炉内温度升高减少则炉内温度降低，同时，炉体是用保温、隔热材料筑成，炉内温度升高时，炉内气体进行传热导热，炉体将吸收热量使得自身温度升高，在这一过程中炉体蓄热，因此造成炉内温度变化滞后，在炉内温度下降的过程中，靠与外界的热交换来使炉温降低，炉体由于自身的积累热量特性会放出热量，且炉子保温效果较好，更使得炉膛温度变化比较滞后。该温度控制系统是非线性、时变的复杂系统，同时对于电阻炉来讲，炉体尺寸较大，表现出一定的惯性和过冲性，因此其中包括惯性滞后环节。一般将电阻炉视为一阶惯性环节加滞后的对象,其传递函数表示为: (2-1)其中各动态特性参数 ： K 为比例系数，T 为电炉的热惯性时间常数,为纯滞后时间。系数T 、K、对于不同的被控对象, 其数值有所不同(1)。2.2.2 温度控制各动态参数的确定对于温度控制的动态参数，K，T，；一般是很难用理论的方法算出，只能运用实验的方法去测出，即实验测定法。被控对象实验测定法是通过对研究对象人为输入扰动信号然后测取其输出变量随时间变化的曲线规律，得出一系列的实验数据或曲线，这些数据和曲线就可以表征了被控对象特性。下面介绍下S形阶跃响应曲线法，来测定被控对象的动态特性。其动态特性参数K、T、可以采用切线法来计算，方法是通过阶跃响应曲线的拐点作切线，使该切线与时间轴交于a点，与稳态值表示的水平线交于b点，则有: (2-2) (2-3) (2-4)其中，C()：被控对象达到的稳态值；u为阶跃输入信号；图2-1 S形阶跃响应曲线实验方法：将炉温控制打到一直加热的控制状态，使系统处于开环状态，在系统温度稳定的状况下，最后炉温和外界达到热平衡，温度不再上升为止，并记录温度变化的过程并转化成温度飞升曲线，这样在曲线中按照图2-1绘制出的切线就可以初步的测定出控制对象数学模型的三个参数(1)。2.3 PID算法介绍在生产过程自动控制的发展历程中，PID 控制是历史最久、应用最为广泛的、生命力最强的基本控制方式。由于其结构典型实用、鲁棒性强、可靠性高等一系列优点，在广泛的过程领域内得到应用。据权威部门估计，世界范围内有 90以上的闭环控制采用 PID 控制器所谓PID控制算法，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算而确定控制输出量，对执行器进行控制。PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化.因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足不同系统的性能要求。在温度控制中PID算法中的各参数合理时，控制器可适当调整电阻炉以及热电偶测量与工件温度滞后等现象。PID控制的最大问题是P、I、D三个系数的选取，它们随热处理设备和工况的不同而异，因此对不同的炉子应有一个最佳系数组合，而最佳系数的选取有很大的难度，为此，发展了PID参数的自整定技术，更使PID控制在热处理炉自动控制中占据了主导地位(4)。 2.3.1 模拟PID控制介绍PID调节器又称为比例积分微分调节器，按照 PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。PID控制器根据设定值r(t)与实际检测值c(t)构成的控制偏差e(t)， (2-5)将偏差 e(t)的比例 (Proportion)、积分(Integral)和微分(Differential)，通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制它具有比例、积分、微分三种调节作用，其动态方程表达式： (2-6)式中U(t)控制器的输出量；e(t)控制器的输入量，这旨系统的给定值r(t)与输出值c(t)之差， ;KP控制器的比例系数；Ti控制器的积分时间；Td控制器的微分时间(5)。或写成传递函数的形式： (2-7)图2-2 PID控制原理图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。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(4)。 1) 比例（P）控制 比例作用P，比例控制是一种最简单的控制方式。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。比例调节器实际上就是个放大倍数可调的放大器，即: (2-8)式中:Kc-比例增益，Kc既可大于1，也可小于1；比例调节有个缺点，就是会产生余差，要克服余差就必须引入积分作用(2，4，5)。2) 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。所谓积分，就是随时间进行累积的意思。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，调节器的积分作用就是为了消除自控系统的余差而设置的。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，也就是说积分作用总是起作用的，只有偏差不存在时，积分才会停止。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(2，4，5)。3) 微分（D）控制 微分作用主要是用来克服被控对象的滞后，常用于温度控制系统在微分控制中，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。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，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(2，4，5)。 2.3.2 数字PID控制介绍随着微型计算机技术的迅速发展和可靠性的不断提高，计算机参与工业控制不仅成为现实，而且日益广泛地应用到工业控制技术的各个方面。PID控制技术和微型计算机技术的结合，特别是现代嵌入式微处理器的大量应用，便形成了数字PID控制技术。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此，式(2-6)中的积分和微分不能直接准确计算，只能根据采样点的数值用数值计算的方法来逼近。这个过程称为离散化。采用不同的方法进行离散化，就可以得到不同的数字 PID 控制算法，从而实现了由模拟PID控制器到数字PID控制器的转变。标准数字 PID 算法的离散方法是用后差分来代替微分，即 (2-9) (2-10)标准数字 PID 算法分为位置型算法和增量型算法两种。1) 位置式算法由式(2-5)得到在采样时刻 t=nT（T 为采样周期）数字 PID控制器的输出量为 (2-11) (2-12)式（2-11）是位置型 PID 控制算法(4，5)，因其计算出的输出量与执行机构的位置相对应而得名。式中，t为采样周期，n为采样序列，n=0，1，2，3，n，u(n)为第n次采样时刻的计算机输出值，e(n)为第n次采样时刻输入的偏差值，为积分系数，微分系数。如果采样周期T取得足够小，上式就可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控制过程与连续控制过程十分接近。但是位置型算法计算比较繁琐，还要占用大量的内存，使用不方便。因此，后来又发展了增量型算法，并被广泛应用。2) 增量式算法增量式 PID 算法就是让计算机输出相邻两次调节结果的增量。在增量型算法中，计算机的输出是执行机构的增量，控制量的增量为 （2-13） （2-14） （2-15） （2-16）， （2-17）A,B,C它们是与采样周期，积分时间常数和微分时间常数有关的系数(4，5)。增量型算式仅仅是在计算方法上作了一点改变，并未改变增量型算式的本质。由于算式不进行累加计算，增量只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。无论是位置型算法还是增量型算法都有一个共同点，即比例、积分和微分的作用是彼此独立，互不相关。这就便于操作人员直观理解和检查各参数（Kp ,T i及Td）对控制效果的影响。与位置算法相比，增量算法有以下优点(5)：1） 计算机只输出增量，误动作时影响小，必要时可通过逻辑判断进行保护，不会严重影响系统状态。2） 易于实现手动与自动的切换冲击小，便于实现无扰动切换。3） 可靠性高，误动作造成的影响小。4） u(n)只与n、n-1和n-2时刻的偏差有关，节省了内存和运算时间。2.4 PID参数整定PID控制器参数整定，是指在控制器规律己经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。对于理想的PID，其参数整定一般的经验有：增大比例系数，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏：增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除随之减慢：增大微分时间乃亦有利于加快系统响应，使超调量减小稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应(6)。2.4.1 经验法经验现场凑试法，他不需要进行实现的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反映曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表2-1(7)。实验凑试法的征订步骤为“先比例，再积分，最后微分”。表2-1 经验法参数表被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大20-603-100.5-3整定比例时先小变到大，观察各次的响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。整定积分时，先将选好的比例系数减小为原来的50%80%，在将积分时间置一个比较大的值，观察响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数知道满意的响应，确定比例和积分的参数。整定微分环节时，先微分时间为0，逐渐加大，同事相应调整比例系数和积分时间，反复调试到满意结果(7，9)。2.4.2 Z-N法在Z-N法中存在两种方案：基于开环的阶跃响应法和闭环的频率响应法。首先来介绍基于开环的阶跃响阶跃响应应法。受控对象大多可近似用一阶惯性环节加纯延迟环节来表示，其传递函数为： G(s)= (2-1)有Z-N整定公式： (2-18) (2-19) (2-20)实际应用时，通常根据阶跃响应曲线人为测量K、T、参数，然后按上述公式计算Kp ，T i及Td。由于这种方法确定的K，T，t参数全部由人为在阶跃响应曲线上测量的，很多时候误差较大，而且测量出曲线上的参数K、T、直接影响了Kp ，T i及Td三个参数。所以在参数确定之后，还要进行系统参数的调试(7)，直到系统参数达到优良，系统达到设计要求。下面我们来讨论基于闭环的频率响应法：1) 使系统处于预期的工作点；2) 用纯比例Kp构成闭环系统，从小到大调节Kp，不断的观察输出波形的变化趋势，此时可以看到比例作用对控制品质的影响，调节刚好使闭环系统达到等幅振荡即正弦波，记下等幅振荡增益Ku；3) 观察输出的等幅振荡即正弦波的波形，并且计算临界振荡周期Tu。根据计算出的Ku，Tu就可以换算出Kp ，T i及Td三个参数，同样也要进行系统参数的调试直到系统参数达到优良，系统达到设计要求。表2-2 闭环的频率响应法参数确定KpTiTdPID0.6KU0.5TU0.125TU2.5 PID参数自整定由于实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素干扰，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器参数不能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态，为此人们提出了PID参数自整定。自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定，不再需要人为干预，只需用户发送一个命令来启动自整定过程。该技术是为了解决PID参数整定困难这个问题而产生的。将受控对象特性的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制器的自整定。其原理是通过可调节变量阶跃变化来激励过程的进行，通过分析温度对象的闭环阶跃响应曲线，提取如静态增益Kp ，上升时间T i等特征参数，确定对象模型，然后基于这些特征参数进行仿真和寻优 (9,10)。3 温度控制系统的软硬件设计3.1 温度控制系统的硬件设计3.1.1 总体设计系统设计本着满足要求，安全可靠，经济实用，适应发展等要求来总体设计系统.温度控制系统的主要由基于西门子S7-200PLC的温度控制PID控制部分，温度测量，温度转化部分，继电输出部分和供电电源部分。硬件结构图为：图3-1 硬件结构图3.1.2 温度传感器目前，常用的温度传感器种类很多，热电偶传感器、热敏电阻传感器、热电阻传感器和半导集成温度传感器。热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。在微机温度控制系统中使用的传感器必须能将非电量转变成电量的传感器，因此使用热电偶传感器。常用的热电偶可分为S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶 (7)。本系统中要求的测温范围为0250，在此选用了PT100型热电偶，在实验中是接触式测温，测温敏感原件要与介质接触。3.1.3 西门子S7-200PLC介绍3.1.3.1可编程逻辑控制器介绍可编程逻辑控制器现已成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中性、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。以PLC微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制、位置控制等控制领域(4)。3.1.3.2西门子S7-200型PLC系统硬件配置采用SIEMENS公司的S7-200控制系统。S7-200是西门子公司小型可编程序控制器系统，S7-200将高性能与小体积集成一体，运行快速，并且提供了丰富的通信选项，具有极高的性能价格比。S7-200的系统的硬件、软件都易于使用。S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。S7-200 能够进行PID控制。S7-200 CPU最多可以支持8个PID控制回路(12)。 S7-200的出色性能表现在(12)：1) 极高的可靠性；2) 极丰富的指令集；3) 易于掌握；4) 便捷的操作；5) 丰富的内置集成功能；6) 实时特性；7) 丰富的扩展模块。3.1.4 模拟量输入模块EM231EM231具有4路模拟量输入输出和8路输入输出，输入信号可以是电压也可以是电流，EM231将热电偶的微弱的电压和电流信号进行转换到0-20mA的电流或者0-10V的电压信号，在把电流信号转变为再送入PLC中进行处理(12)。本系统中选择EM231 4TC模拟量输入，选用D端口输入，温度传感器微弱电流信号转化为数据字，通过EM231专用的数据通道传送给PLC。3.1.5 电气原理图与接线实物图PLC直流供电方式：图3-2 S7-200型PLC的CPU电源的接线直流供电图本系统输出选择Q0.0作为输出，Q0.0输出接线图：图3-3 S7-200型PLC的输出的接线图模块EM231输入接线方法：图3-4 S7-200型PLC模块EM231输入接线图本系统的电气原理图为：图3-5 温度控制系统电气原理图本系统的实物接线图为：电热转换器PT100温度传感器CPU226电源固态继电器EM231图3-6 温度控制系统实物接线图本系统的控制对象电阻炉：插头发热装置温度传感器 图3-7 温度控制对象电阻炉3.2 系统的软件程序设计3.2.1 PLC 的程序设计语言PLC的程序设计就是用特定的表达方式（编程语言）把控制任务描述出来，其内容体现了PLC的各种具体的控制功能。应用PLC进行工业控制过程设计，通常要涉及很多因素，主要考虑以下原则(4)：1) 完整性原则：最大限度的满足电阻炉系统过程和机械设备的控制要求；2) 可靠性原则：确保计算机控制系统的可靠性；3) 经济性原则：力求控制系统简单、实用、合理；4) 发展性原则：考虑生产发展和工艺改进的需要，在 I/O 接口、通信能力等方面要留有一定余地。首先要根据整个工程的要求把程序分块，其次是合理利用指令，严格注意信号名称定义，恰如其分的编写各个程序块的程序。然后经过软硬件的联调和系统总调，对程序进行修改，编好的程序还必须经过一定时间的运行考验，才可以投入现场工作(12，13)。1.1.1. STEP7 Micro/WIN32 V4.0软件介绍STEP7 Micro/WIN32 V4.0编程软件基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为SIMTIC S7-200系列PLC设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是SIMTIC S7-200用户不可缺少的开发工具。西门子 S7-200 系列 PLC 采用 STEPV4.0 编程语言在PC 机上编程，最后下载固化到CPU中。自动调节回路控制中，使用了S7-200控制器的参数自整定功能，新的S7-200 CPU支持PID自整定功能，在STEP7 Micro/WIN32 V4.0中也添加了PID调节控制面板。用户可以使用用户程序或PID调节控制面板来启动自整定功能。在同一时间最多可以有8个PID回路同时进行自整定。PID自整定会根据响应类型而计算出最优化的比例、积分、微分值，并可应用到控制中。STEP7 Micro/WIN32 V4.0中提供了一个PID调节控制面板，可以用图形方式监视PID回路的运行，另外从面板中还可以启动、停止自整定功能(12，13)。3.2.2 控制算法描述S7-200PID调节模块生成可调占空比输出，即输出的通断，利用通断的时间占空比调节主电路上加热时间，从而改变了整个电路的的平均电压，改变加热的总体功率，从而实现对温度的控制。在一个加热周期里根据温差的大小进行PID调节，转化的到下一个加热周期的加热时间，温差大时，加热时间就大，温差小时，加热时间就少。并采用分段PID的控制方法，在温度上升阶段，进行粗调，选用比较大的增益，使占空比为1，减少温度上升时间。在接近温度时进入微调阶段，选用适当参数，使温度合理变化，最后达到目标温度(12)。3.2.3 PLC编程本系统中I/O接口选用Q0.0做为输出，所以也为简便了程序和硬件接线。1) 温度输入标定系统选用了EM231 4TC模拟量输入，温度传感器输入微弱的电流信号，转化为数据字输入到PLC中，由于选用的是D通道，模拟量输入地址为AIW6。由于PID中模拟量输入数据数（032000）所代表的温度为线性变化关系，所以只要测量两点的模拟量输入数据既对应的温度就可以实现整个系统的温度转化识别。在此我们选择0和100两点进行标定，0选择为冰水混合物，100选择沸水。程序开启监控后，待读数稳定后，记录下数据数，即为两点的模拟量数据，通过运算即可得到其他温度的模拟量数据。从而实现了温度与模拟量数据的转换。图3-8 温度标定程序2) 飞升曲线程序通过温度的标定已经能够通过温度传感器检测到外界温度，再通过程序中的必要数据运算，既可以把输入到程序中的模拟量转化为温度值，然后把这个温度值输出传递给组态软件，组态软件中就可以显示这个温度值。将系统设定为开环系统，开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。系统只要一直加热，然后打开组态软件，监控这个温度的变化情况，然后输出监控的温度变化情况，形成一个温度时间变化曲线，既是温度飞升曲线。图3-9 飞升曲线程序3) 开关型温度控制开关型的温度控制就是通过温度过程量与设定好的温度值进行比较后开闭开关达到温度控制的目的，当温度小于设定温度时，开启输出端口