基于模糊PID算法的恒温箱温度控制系统设计毕业设计.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文）基于模糊PID算法的恒温箱温度控制系统设计基于模糊PID算法的恒温箱温度控制系统设计毕业设计1绪论1.1研究背景恒温箱是在一定温度下，用以饲养或培养生物或生物的一部分（细胞等）的箱型器具。常用的恒温箱主要分为三类：高温恒温箱（高于60）；中温恒温箱（-1060）；低温恒温箱（低于-10）。现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规则、低成本和高质量的产品。在恒温箱领域达到了更新周期为三年左右。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。同时在对于恒温箱发展起很大影响的温度传感器同样是日新月异。利用各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器温度测量仪表的核心部分，品种繁多。恒温箱在实验研究、工业生产、民生工程方面都发挥着重要的作用。恒温箱对于我们国家的科技水平更加高薪、国民经济的更加繁荣、民生健康等方面时刻显示着其重要性。而从国家的有关政策看，国家现阶段在科技创新的政策是提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。也提升科技创新能力，已经成为刻不容缓的历史使命。为此我们有必要在恒温箱的研究应用上花费应有的人力物力财力。1.2研究现状及意义1.2.1 研究现状随着计算机控制技术的发展，恒温控制已在工业生产领域中得到广泛的应用，并取得了巨大的经济和社会效益。在不同领域内，由于控制环境、目标、成本等因素，需要对具体情况来设计系统结构和功能，以取得最佳的控制效果，其中恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营重视一个重要的研究课题。我国目前在恒温控制技术总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以点位控制以及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变的温度系统控制。在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。从各个角度上看，我国恒温箱仪器仪表产品还存在不少问题。产品的稳定性长期以来没有得到解决，影响到我国其他相关行业的发展，而对于大型精密仪器我们还没有达到理想水平，国内对恒温箱的需求依赖进口较多。为了以恒温箱为基础的其他行业能够更深入更长远的发展，对恒温箱的研究就变得相当重要。国外恒温控制系统发展迅速，并在智能化，自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都产出了一批性能优异的温度控制器及仪器仪表，目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化，小型化等方面快速发展，因此，我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。1.2.2 研究意义随着社会发展的需求，恒温箱的应用和需求越来越广泛。在生物实验室中，为了得到准确的数据，对与温度环境的要求十分严格。所以恒温箱在生物实验中显得尤为重要，比如根据动物生活习性的需要控制饲养棚合适的问题来进行孵卵或动物培养，在恒温环境下各种细菌培养等。在实验过程中，准确的温度环境能够让研究人员获得准确的过程数据以及结果，对生物，农业，渔业的发展有巨大的作用。在工业生产中，恒温箱有着广泛的应用，在直接生产产品中，由于产出的一些产品的特殊性，必须保持恒温环境下，运用恒温箱就可以达到这个效果，借此来保证产品的质量，所以对于工业生产来说，恒温箱对于保存工业产物扮演着极为重要的角色。在医药方面，医用恒温箱主要用于药品，试剂的储存，运输；疫苗，血液的冷藏保温，透析液的加温，生理盐水的加温，细菌培养，放射免疫分析，血清融化、石蜡融化、试管消毒等。医药作为人类生命健康的保障，是十分重要的，而恒温箱就是这重要保障的前提。恒温箱对于我国的科技水平更加高薪，国民经济更加繁荣，民生健康等方面时刻显现着其重要性，因此对于恒温箱的研究有极其重要的意义。1.3 研究内容与安排1.3.1 研究内容本毕业设计的主要内容是：本设计主要以SIMATIC S7200为核心，温度传感器作为检测温度装置，EM235作为温度的传送装置，加热制冷设备作为调整温度的器件，组态王软件作为监控设备，利用STEP72MicroWIN32编程程序将PID算法和模糊控制算法编译出来，下载到SIMATIC S7200中，使之成为一个模糊PID控制器，通过以上软硬件为基础设计出一个自动控制的恒温箱。其主要运作原理是：由温度传感器检测温度，通过EM235进行温度传送至STEP-7中，此时载入模糊PID算法的STEP-7已成为一个模糊PID控制器，该温度通过STEP-7的算法计算之后输出来控制制冷加热设备进行恒温控制，组态王可以全程监控温度变化以达到人机交互的目的。1.3.2 内容安排本设计论文共分六章，每一章的内容简述如下：第一章 绪论，主要介绍恒温箱的研究背景，意义以及现状。第二章 本设计主要应用的各种理论，恒温控制，模糊算法，PID控制算法。第三章 硬件设计，主要介绍传感器以及PLC的比较以及选择。第四章 软件设计，简单介绍软件的流程图，STEP7 MicroWIN32以及组态王软件编程。第五章 总结。2 温度控制及算法2.1 温度控制温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，准确获得目标的温度信息是十分重要的。计算机技术的发展极大的推动了工业控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机硬件与控制软件的紧密集合必然导致新型的微机控制系统的出现。温度微机控制系统常用的控制方案有以下三类经典控制方案、基于现代控制理论的设计方案和智能控制方案。第一类：经典控制方案经典控制方案可以分为数字控制器的间接设计方案和数字控制器的直接设计方案。数字控制器的间接设计方案是一种根据模拟设计方案而转换而来的设计方案。传统模拟系统中的控制器设计已有一套成熟的方法，其中以PID控制器为代表。PID控制器具有原理简单、易于实现的、使用范围广等优点。将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时近似方法将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，其中确保数字控制器与模拟控制器的近似，要适当选择采样周期。第二类：基于现代控制理论的设计方案现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的工具，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示系统的内部状态和性能。基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。它是通过数学方法对控制系统进行综合。控制规律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的响应而推导出来的。此类设计方案主要有：系统辨别、最优控制、自校正控制等。这类设计方案适用范围广，适合多输入多输出系统、某些非线性时变系统和一些具有随即扰动的系统。该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严格证明，性能指标能定量分析，得到的控制品质较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型形式。第三类 智能控制方案智能控制方案是一类无需人的干预就能针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质是一种无模型的控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。智能控制系统有以下一些特点（1）智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制工程。它适用于有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在已知算法的生产过程。（2） 智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。（3） 智能控制器具有非线性、这是因为人的思维具有非线性。作为模仿人的思维进行决策的智能控制也具有非线性的特点。（4）智能控制器具有总体自寻优的特点。智能控制方案主要包括模糊控制、神经网络和遗传算法控制等。常用的温度控制电路根据应用场合和要求的性能指标有所不同。除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法：（1）模糊控制是基于模糊逻描述一个过程的控制算法，它不需要被控对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直接判断，容易应用。（2）神经网络与PID的结合：神经网络是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人工神经网络以其高度的非线性映射、自阻组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。在温度控制系统中，将温度的影响因素作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的也就是神经网络整定PID参数的方法。（3）模糊控制与PID的结合：具体结合形式有很多种，主要是FUZZY-PID复合控制和模糊整定PID参数的方法。FUZZY-PID复合控制：当偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；偏差较小时采用PID控制，使具有良好的静态性能。是一种模糊控制和PID控制的分阶段切换控制方法。模糊整定PID参数的方法：根据偏差和偏差变化率，由模糊推理来调整PID参数，也就是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制方法。（4）模糊控制与神经网络的结合：模糊控制所基于的经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应不同被控对象的要求。所以应使模糊控制向着自适应的方向发展。基于这样的要求，可以利用神经网络来修正偏差和偏差变化率的比例系数，达到优化模糊控制器的作用，从而进一步改进实时控制的效果，有强的鲁棒性和适应能力。 神经网络和模糊控制都属于智能控制方法它们与PID结合，适应温控系统非线性、干扰多、大滞后、时变等情况、模糊控制特别适应于大惯性和纯滞后的系统，无需知道系统的精确信息。 恒温箱的设计主要是一种温度控制系统的设计，采用的是PID和智能控制的结合，温度控制系统由于存在着大惯性、非线性等特性，如果采用普通的控制算法，例如PID等，建立精确的数学模型是极其困难的，在线整定参数的能力差，不能满足系统在不同条件下对参数的自整定要求，从而限制了控制效果的进一步提高。如果采用自适应等控制算法，就要花费大量的精力去分析系统的模型，并且由于温度控制系统的模型复杂，建立模型也比较难于正确地描述系统的真实行为，所以采用该控制方法也不是非常合适的。温度控制系统本身就是时变的、非线性的、有滞后的复杂系统，因此无论使用经典的PID控制还是现代控制理论的各种算法都很难达到满意的控制效果。但是，对于这些难以利用传统方法实现自动控制的生产过程，有经验的操作人员使用手动控制却能够取得令人满意的控制结果。而模糊控制的核心是模拟人的思维方式对一些无法得到精确数学模型的被控对象设计模糊控制器，可以较好地处理纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确定复杂系统。将模糊控制和常规PID 控制相结合，构成模糊PID 控制法，既具有模糊控制的灵活、适应性强的优点，又具有PID 控制精度高的特点。因此将模糊PID控制运用到恒温箱，能使恒温箱的温度控制更好，更准确。2.2 模糊理论及模糊控制模糊理论（Fuzzy Logic)是在美国加州大学伯克利分校电气工程系的L.A.zadeh（扎德）教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的,主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容. 早在20世纪20年代，著名的哲学家和数学家B.Russell就写出了有关含糊性的论文。他认为所有的自然语言均是模糊的，比如“红的”和“老的”等概念没有明确的内涵和外延，因而是不明确的和模糊的。可是，在特定的环境中，人们用这些概念来描述某个具体对象时却又能心领神会，很少引起误解和歧义。美国加州大学的L.A.Zadeh教授在1965年发表了著名的论文，文中首次提出表达事物模糊性的重要概念：隶属函数，从而突破了19世纪末康托尔的经典集合理论,奠定模糊理论的基础。1966年，P.N.Marinos发表模糊逻辑的研究报告，1974年，L.A.Zadeh发表模糊推理的研究报告，从此，模糊理论成了一个热门的课题。 1974年，英国的E.H.Mamdani首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果，从而宣告模糊控制的诞生。1980年丹麦的L.P.Holmblad和Ostergard在水泥窑炉采用模糊控制并取得了成功，这是第一个商业化的有实际意义的模糊控制器。模糊理论应用最有效，最广泛的领域就是模糊控制，模糊控制在各种领域出人意料的解决了传统控制理论无法解决的或难以解决的问题，并取得了一些令人信服的成效。模糊控制的基本思想：把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF(条件)THEN(作用)”形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。控制作用集为一组条件语句,状态语句和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“正小”、“负小”、零等。模糊控制的特点：（1）简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。（2）利用控制法则来描述系统变量间的关系。（3）不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。（4）模糊控制器是一种语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言进行人机对话。（5）模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的适应性及强健性(Robustness)、较佳的容错性(Fault Tolerance)。模糊控制的主要研究方向可以分为常规模糊控制，高性能模糊控制以及复合模糊控制三大类。（1）常规模糊控制：它是由输入与输出变量模糊化、模糊推理和决策算法、模糊判决等部分组成的一种语言控制器。（2）高性能模糊控制有以下几种：自校正模糊控制、自组织模糊控制、多变量模糊控制。（3）复合模糊控制：模糊控制与专家控制结合、模糊神经网络、基于遗传算法优化的模糊控制。模糊控制的应用方面可粗略分为几个研究方向：（1）适用处理工程普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；关于控制器的鲁棒性能的分析；判定系统的可控性和可观测行的方法等等。（2）对设计模糊控制规则的方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法、量化水平、采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现及规则和隶属函数参数自动生成等问题。对于这些问题，还要求我们通过研究，进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。（3）确定模糊控制器参数最优调整理论，和对推理规则的学习方式和算法的修正等等；（4）模糊动态模型的识别方法；（5）模糊预测系统的设计方法和加快计算速度的方法；（6）模糊控制算法改进的研究，目前能真正在模糊逻辑系统中得到应用的概念和原则为数很少，但实际上，模糊逻辑的范畴包含了大量的概念和原则，因此，如何将更多的概念和原则应用于模糊逻辑系统中，这需要更进一步的研究。（7）最优化模糊控制器的研究：根据被提出的性能指标。规范控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优；（8）加强开发简单、使用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通过模糊控制系统等并将其推广。2.3 PID控制PID控制是最早发展起来的经典控制策略，是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成熟。在实际应用中较易于整定，在工业控制中得到广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型，只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数，经过经验进行调节器参数在线整定，即可取得满意的结果，具有很大的适应性和灵活性。在PID控制算法中，存在着比例、积分、微分三种控制作用。这三种控制作用的特点如下（1）比例控制作用的特点系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。缺点是对于具有自平衡(即系统阶跃响应终值为一有限值)能力的被控对象存在静差，加大可减小静差，但过大，会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。（2）积分控制作用的特点能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统的不稳定。（3）微分控制作用的特点通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。在PID控制系统中，PID控制器分别对误差信号进行比例、积分与微分运算，其结果的加权和构成系统的控制信号，送给对象模型加以控制。PID控制器的数学描述为公式（2.1）： (2.1)其传递函数可表示为： (2.2)PID控制器的设计也就是确定其比例系数、积分系数和微分系数、这三个系数取值的不同，决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象处在正常状态下的情况，适当选择控制器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合，从而使控制系统的运行达到最佳状态，取得最好的效果。但PID控制算法也有它的局限性和不足，由于PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想的效果。当一个调好参数的PID控制器被应用到模型参数时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对PID参数进行整定的过程中，PID参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此这种控制作用无法从根本上决绝动态品质和稳态精度的矛盾。2.4 模糊PID控制模糊自整定PID 控制器结构如图2.1所示：是模糊控制器与传统PID 控制器的结合,利用模糊推理判断的思想, 根据不同的偏差偏差变化率对PID 的参数，进行在线自整定,传统PID控制器在获得新的，后,对控制对象输出控制量。输出输入模糊化PID控制器恒温箱模糊推理器图2.1 模糊PID控制器将模糊控制和常规PID 控制相结合，构成模糊PID 控制法，既具有模糊控制的灵活、适应性强的优点，又具有PID 控制精度高的特点。因此将模糊PID控制运用到恒温箱，能使恒温箱的温度控制更好，更准确。模糊控制器的一个关键就是模糊控制规则，其优劣直接关系到模糊控制性能的好坏，是模糊控制设计中重要的部分，本设计主要是根据专家经验来生成控制规则的，这种方法通过对控制专家的经验进行总结描述来生成待定领域的控制规则，本控制规则由49条控制规则组成，这些控制规则构成一个规则库，这些规则根据人类控制专家经验总结得出，按照IF.is.and.THEN.is.的形式表达。规则库也可以用矩阵表的形式进行描述。表2.1就是描述在模糊控制温度系统中模糊控制器的控制规则矩阵表。表2.1.模糊控制规则表，NBNM NSZPSPMPBNBPB /NB /PSPB /NB /NSPM /NM /NBPM /NM /NBPS/NS/NBZ/Z/NMZ/Z/PSNMPB /NB /PSPB /NB /NSPM /NM /NBPS/NS/NMPS/NS/NMZ/Z/NSNS/Z/ZNSPM /NB /ZPM /NM /NSPM /NS/NM PS/NS/NMZ/Z/NBNS/PS/NSNS/PS/ZZPM /NM /ZPM /NM /NSPS/NS/NSZ/Z/NSNS/PS/NSNM /PM /NSNM /PM /ZPSPS/NM/ZPS/NS/ZZ/Z/ZNS/PS/ZNM /PM/ZNM /PM/ZNM /PB/ZPMPS/Z/PBZ/Z/PSNS/PS/PSNM /PS/PSNM /PM /PSNM /PB /PSNB /PB /PBPBZ/Z/PBZ/Z/PMNS/PS/PMNM /PM /PMNM /PM /PSNM /PB /PSNB /PB /PB2.5 模糊PID恒温箱控制算法本设计的控制器采用恒温箱内的温度偏差和偏差变化率作为输入变量, 以，作为输出。模糊集E及模糊集EC均取为NB, NM,NS, Z, PS, PM, PB , 论域为 - 3, 3 , 模糊输出取为NB,NM,NS, Z, PS, PM, PB ,论域为 - 0.3,0.3 , 取为NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB ,论域为 - 0.6, 0.6 ,取为NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB , 论域为 - 3, 3 ,PID参数的整定必须考虑到在不同时刻3个参数的作用以及相互的互联关系。根据， 对系统输出特性的影响情况,可归纳出在一般情况下,在不同的和和时,被控过程对参数，的自整定要求如下:（1） 当较大时，为加快系统响应速度并防止起始偏差瞬间变大，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围,应取较大的和较小的，同时为避免系统因积分饱和所引起的较大超调，应对积分作用加以限制，通常取=0。（2） 当和为中等大小时，为使系统响应的超调减小，并保证系统的响应速度，的值的大小适中。（3） 当较小时,为使系统具有良好的稳态性能,应增加和的值, 同时为了避免系统在设定值附近振荡，并考虑系统的干扰性能，应适当地选取Kd 的值，其原则是:当较小时，可取的大些,通常取为中等大小，当较大时，应取小些。3 恒温箱温度控制系统硬件设计3.1 温度传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。按用途分类可以分为压力和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器。热敏传感器。由于本设计需要温度检测故用到了温度传感器。温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式。接触式温度传感器：接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6300K范围内的温度。非接触式温度传感器：它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。接触式温度传感器又可分为热电阻传感器和热电偶传感器，尽管其作用相同都是测量物体的温度，但是他们的原理与特点却并不完全相同。热电阻传感器：热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200+500范围内的温度。热电阻传感器又可分为：（1） NTC热电阻传感器：该类传感器为负温度系数传感器，即传感器阻值随温度的升高而减小。（2）PTC热电阻传感器：该类传感器为正温度系数传感器，即传感器阻值随温度的升高而增大。热电偶传感器：热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表， 测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。从1988年1月1日起，我国的热电偶标准化，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并制定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本设计采用的是K型热电阻。3.2 PLC的基本概念3.2.1 PLC的简介可编程逻辑控制器的英文名称是Programmable Logic Controller,简称PLC。现代制作业必须对市场需求做出快速的反应，生产小批量，多品种，多规格、低成本和高质量的产品，这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须既有极高的可靠性和灵活性。可变成控制器正式顺应这一潮流而出现的，以微处理器为基础的通用工业控制装置。在20世纪60年代的汽车制造业，传统继电接触器控制装置广泛应用与生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大，可靠性差。同时维护不便，而且，完全由逻辑硬件构成，接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变，控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展，对于汽车型号频繁改进，传统控制系统捉襟见肘，弊端日益放大，最终PLC应运而生。早起PLC仅仅是代替继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务，但是其简单易懂，安装方便、体积小巧、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点，使得PLC很快就得到了推广应用。国际电工委员会(IEC)对PLC的正式定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序。执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与段数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟或输入/输出控制各种类型的机械生产过程。可变成控制器及其相关外部设备，都易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”PLC技术发展至今已十分成熟，与前期的产品相比较，目前的PLC不仅控制功能增强，功耗，体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且已经具备远程I/O、网络通信、数据处理和图像处理功能，所有这些特点已经使PLC大量应用与连续生产的过程控制系统，与工业机器人，CAD/CAM成为今天自动化技术的三大支柱。3.2.2 PLC与其他控制技术比较随着计算机技术、通信技术、自动控制技术以及个种智能技术的发展，已出现了多种实用的控制技术，比如继电器控制技术、计算机控制技术、单片机控制技术以及PLC控制技术。以下是PLC控制技术与其他控制技术相比所体现的优势。PLC与继电控制技术相比主要体现在一下几个方面：1）控制逻辑：继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触头的串联或并联以及时间继电器的延时等组合控制逻辑。其缺点是接线复杂，增加或改变功能都非常困难，继电器触头数目也有限。而PLC利用其内部存储器，以程序方式将控制逻辑存储在内存中，通过改变程序就可以方便的改变控制逻辑。因此PLC控制逻辑的灵活性和扩展性很好2）控制速度：继电器控制是通过继电器机械触头的动作来实现，触头的开闭动作一般在几十毫秒数量级。而PLC通过程序指令控制半导体来实现控制逻辑，一般一条指令的执行时间在微秒数量级。3）限时控制：继电器控制逻辑利用时间继电器的时候动作进行限时控制，但其定时精度不高，易受环境影响，调整比较困哪。PLC使用半导体集成电路定时器，定时精度高，定时范围可从0.001s到若干分钟，通过编写程序来进行定时控制，非常方便。4）计数控制：继电器控制逻辑一般不具备计数的功能，而PLC能通过程序方便的实现计数功能。5）可靠性和维护性：继电器控制逻辑使用了大量的机械触头，触头开闭时产生的电弧容易损坏触电，因此可靠性和可维护性都比较差。而PLC采用无触电的半导体电路来代替继电器触点，因为不存在上述缺陷。PLC还带有自检功能，为现场的调试和维护提供了方便。PLC与通用计算机控制技术相比主要体现在以下几方面：1）使用环境：通用计算机对环境要求高。而PLC能适用于环境差的工业现场。2）程序设计：通用计算机具备丰富的程序设计语言，如汇编语言、C语言等，能实现复杂的应用，对编程者要求高。而PLC能提供的编程语言少，逻辑简单，容易学习和使用。3）运算速度和存储容量：随着各种电子技术的发展，通用计算机运算速度越来越快，一般在微秒级，存储容量也在增大。而PLC相对通用计算机运算速度要慢，其编程的软件少，编程剪短，内存容量也小。4）价格：通用计算机功能多，硬件复杂，而PLC相对功能单一，因此在价格上一般PLC要比通用计算机便宜。PLC控制技术与单片机控制技术相比：单片机控制技术一般用于数据采集和工业控制，单片机在配置上比通用计算机简单，价格上相对便宜，但它和通用计算机一样，不是专门为工业现场控制所设计的且编程复杂不易掌握，需要处理大量I/O接口，其输出口驱动负载能力较弱，要驱动工业负载需要复杂的外围电路。单片机控制技术的突出优点在于它具有较强的数据处理能力，但工业控制过程处理的是大量的开关量，因而运用在工业现场控制中单片机的长处得不到发挥，其可靠性也远不如PLC。3.2.3 PLC的结构工业中生产中使用的可编程控制器的型号有很多，它们虽然各有特点，但作为工业控制标准设备，它们在结构组成、工作原理和编程方法等许多方面是基本相同的，常见的的PLC模块有：1）CPU模块：它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、规模都是由它的性能来体现。2）电源模块：它为PLC运行提供内部工作电源，而且，有的还可为输入信号提供电源。3）I/O模块：它集成了I/O电路，并依点数及电路类型划分为不同规格的模块。4）内存模块：它主要用来存储用户程序，有的还为系统提供附加的工作内存。在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中。5）底板、机架模块：它是为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同的厂家或同一厂家但不同类型的PLC都不大相用。箱体式的PLC还有I/O扩展箱体，它不含CPU，仅有电源及I/O单元的功能、扩展箱体也依据I/O点数的多少划分为不同的规格。除上述模块，PLC还有特殊的智能或称功能模块。如A/D（模入）模块、D/A（模出）模块、高速计数模块，位控模块、温度模块等、这些模块有自己的CPU，可对信号作预处理或后处理，以简化PLC的CPU对反应的程控制量的控制。智能模块的种类、特性也大不相同，性能好的PLC，这些模块种类多，性能也好。6）通信模块，它接入PLC后，可使PLC与计算机。或PLC与PLC之间进行通信，有的还可实现与其他控制不见，如变频器、温控通信，或组成局部网络。通信模块代表PLC的组网能力，代表着当今PLC性能的重要方面。典型的PLC控制系统的硬件组成如下图3.1。被控对象采样设备驱动装置检测装置模拟量输入模块模拟量输出模块数字量输出模块其他功能模块数字量输入模块系统总线CPU主机模块电源模块编程器计算机可编程终端图3.1 PLC硬件系统组成3.2.4 PLC的工作方式PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样，程序执行和输出刷新三个阶段。1）PLC在输入采样阶段 首先以扫描的方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即输入、随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。2）PLC在程序执行阶段按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时才是PLC的真正输出本次毕业设计使用的PLC是西门子公司的S7-200型，西门子S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU。如表3.1。表3.1 S7-系列中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22414107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块本设计采用的是S7-200CPU226,CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可链接7个扩展模块，最大扩展至284点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20Hz高速脉冲输出，具有PID控制器。配有2个PS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统。3.3 PLC的地址及其通讯方式3.3.1 PLC地址表1）本设计中主要用到PLC中的PID指令回路,见表3.2。PID指令运算执行：当EN端口执行条件符合时，进行PID运算，TBL是回路表的起始地址，本设计采用的是VB100，由于一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路号，可是07，不能重复使用。PID回路在PLC的地址分配情况如表3.3所示。表3.2 PID回路指令名称 PID运算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形图表3.3 PID回路指令表偏移量域格式类型描述0过程变量实型输入过程变量，必须在0.01.0之间4设定值实型输入包含设定值必须标定在0.0和0.1之间8输出实型输入/输出输出值，必须在0.01.0之间12增益实型输入增益比例常数，可正可负16采样时间实型输入包含采样时间或复位，单位为秒，必须是正数20积分时间或复位实型输入包含积分时间或复位，单位为分钟，必须是正数24微分时间或速率实型输入包含微分时间或复位，单位为分钟，必须是正数28偏差实型输入/输出积分项前项，必须在0.01.0之间32以前的过程变量实型输入/输出保安最后一次执行PID指令时所存储的过程变量的值3679保留给自整定变量2）PLC的I/O地址分配口如表3.4：表3.4 PLC的I/O地址分配输入I0.0启动按钮I0.1停止按钮AIW0接收EM235的温度检测值输出Q0.0运行指示灯Q0.1启动指示灯Q1.0控制接通加热器Q1.1控制接通制冷器3.3.2 PLC通信方式并行通信：数据在多根传输线上同时传输的方式称为并行数据通信。在并行传输中，一个数据的每个数据位都有自己的传输线路，这样数据有多少位，就需要多少根传输线。这种方法传输数据的速度快，但当传输距离远时，不仅通信线路成本高，而且难以收发信号。并行通信一般用于PLC内部元件之间、PLC主机与扩展模块之间或近距离智能模块之间的数据通信。串行通信：数据在一根传输线上、以二进制的位为单位的数据传输方式称为串行数据通信。串行通信每次只传送一位，因此传输速度比并行传输慢，但是串行传输只需要一根传输线，线路成本低，所以适合远距离传输。串行通信用于PLC与计算机之间、多台PLC之间的数据通信。根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。异步方式：有又称起止方式。它在发送字符时，要先发送起始位，然后才是字符本身，最后停止位。字符之后还可以加入奇偶检验位。异步传送较为简单，弹药增加传送位，将影响传输速率。异步传送是靠起始位和波特率来保持同步的。同步方式：同步方式要在传送数据的同时，也传递时钟同步信号，并时钟按照给定的时刻采集数据。同步方式传递数据虽然提高了数据的传输速率，但对通信系统要求较高。3.3.3 S7-200的通信模式及原理S7-200系列PLC的通信端口主要有2种通信模式:PPI模式和Freeport（自由口）模式PPI通信协议是西门子公司专门为S7-200系列PLC开发的一种通信协议，一般不对外开放而自由口模式则是对用户完全开放的，在自由口模式下通信协议是由用户定义的，在自由口模式下PC机与PLC之间是主从关系，PC机始终处于主导地位，计算机通过串行口发送指令到PLC的通信端口，PLC通过RCV接收指令信息，然后对指令进行译码，译码后再调用相应的子程序实现PC机发出的指令要求，并通过XMT指令返回指令执行的状态信息。自由口通信模式：S7-200系列PLC通信方式有3种：1）点对点（PPI）方式，用于与西门子公司的PLC编程器或其它产品通信，其通信协议是不公开的；2）DP方式，这种方式使得PLC可通过Profibus的DP通信接口接入现场总线网络,从而扩大PLC的使用范围；3）自由口（FreePort）通信方式，由用户定义通信协议，实现PLC与外设的通信。自由口通信在物理接口上要求双方都使用RS485接口，波特率最高为38400bps，虽然PC机的标准串口为RS232口，但西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485转换器，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC机互联。3.4 EM235模拟量输入模块模拟量输入/输出模块EM235（具有4路模拟量输入、1路模拟量输出）：235模块是组合强功率精密线性电流挥杆其、意法半导体（ST）单片集成变动其ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420每A(通过250欧姆电阻转换成DC15V或通过500欧姆电子转换DC210V)横留环标准型号，连续输送到接受装置（计算机或显示仪表）。表3.5 所示为如何使用组态DIP开关组态EM235模块。开关1