炉温控制试验报告-Read

1、炉温控制实验报告实验时间：2008.11.2-2008.11.23 实验人：刘大树 06376059一 实验目的：1. 通过实验进一步加深对PLC的工程应用的理解，了解PLC在工业控制方面的优点；2. 学会运用自动控制原理的理论知识来设计所需的系统，特别是根据系统的性能设计相应的校正环节，即PID控制环节，能通过实验深入了解PID控制的应用和PID参数的确定方法；3. 通过实验熟悉工业控制设计的一般步骤，从建模到参数确定，再到物理实现，能对每个环节有较深入的了解，从而类化到其他控制系统；4. 加深对系统架构的认识，能根据系统的性能设计系统的各个环节，并能协调各环节使之达到设计要求。二 实验器材

2、：1. 硬件：SIMATICS7-224PLC一部，KENWOOD电阻式加热炉一台，固体继电器一部，EM231温度扩展模块，计算机；2. 软件：SIMATIC-STEP 7-Micro/WIN编程软件。三 实验原理：1. 控制原理：由于炉温系统中的被控对象为电阻式加热炉，其输入只有电压，因此只能根据烤炉温度来调整电压的输入，用占空比的形式按周期输入电压能完成控制。具体就是系统根据烤炉温度计算出该加热时间然后转化为占空比，如计算出加热时间为5秒，控制周期选择为10秒，则在5秒内给烤炉供电而剩余5秒断电，即占空比为50%输入从而完成对烤炉电压输入。而核心部分为能根据烤炉的当前温度和设定值计算该加热

3、的时间，相当于加入的校正环节，此环节采用PID控制。即当控制系统的性能指标不能满足生产要求或希望在不同的生产过程中各项性能指标能够调整，通过调整控制器本身的参数来满足设计需要。2. PLC中PID的控制原理：PID指令是建立在PID算法基础上的，它实现的是一种数学运算功能。使用该指令可使PLC控制系统的PID算法编程方便快捷。其中P表示比例运算，I表示积分运算，D表示微分运算。有关PID控制算法和PID指令详细介绍如下：（1）PID算法：PID算法是过程控制系统中技术成熟，应用广泛的一种控制方法，它是基于单变量系统设计技术，并经过长期的工程时间而总结出来的一套行之有效的控制方法。图1-1是具有

4、比例，积分和微分控制的PID控制框图.在图1-1中，e是回路偏差，它是PID控制环节的输入量，也就是下面所介绍的给定量（SP）和过程量（PV）之差，M(t)是由e通过PID运算后多得到的函数。其中： -回路比例增益； -积分时间常数； -微分时间常数。在上述的闭环控制系统中，PID控制环节的输入和输出关系为：； （1）输出=比例项+积分项+微分项。 式中：-回路控制算法的输出，是时间函数； -回路增益； e-回路偏差（给定量和过程变量之差）； -积分项系数； -回路控制算法输出的初始值； -微分项的系数。式（1）的函数是模拟量控制关系式，要想在数字式的计算机上实现这一控制算法还需要将上式模拟量

5、进行离散化处理，即对回路偏差e进行周期采样并计算输出值。离散形式的PID控制关系式可以表示为：；式中：-第n个采样时刻计算出的控制回路输出值； -第n个采样时刻的回路偏差（给定量和过程变量之差）； -上一个采样时刻的回路偏差。在S7-200系列PLC中，PID指令没有设置控制方式，只要流向PID方框的“能流”有效就执行PID指令。通常所说的自动就是周期性地执行PID运算；而手动则指不执行PID运算的情况。PID指令具有一个内部的“得电”记录位，类似计数器的指令。PID指令利用这一记录来检测是否有0到1的跳变，若检测到有就会执行一系列的动作来提供一个无扰动的手动到自动的切换过程，即开始执行PID

6、算法控制。为了保证向自动模式的切换无冲击在手动模式中设定的输出值必须作为PID指令的一个输入，之后才可以切换到自动模式。PID指令为此而完成一如下的一系列动作：1） 使（给定值）=（过程变量）；2） 使（前一次过程变量）=；3） 使MX（积分和）=（输出值）。PID指令记录位的默认为1，在CPU启动和每一次由STOP到RUN的工作模式开关切换时都置为之一默认值，如果在RUN模式时第一次执行PID指令则这一记录位不会出现0到1的跳变，故在此时不会自动执行无扰动的自动切换功能。（2） 回路输入的转换及归一化处理：每个PID回路具有两个输入量，即给定量和过程变量。给定量通常为一固定值，过程变量与PI

7、D回路输出有关并反映了控制的效果。给定值和过程变量都是实际的工程量，其幅值范围和测量单位都不一样，因此在实施PID算法之前必须将这些值转化为无量纲的归一化纯量和浮点数形式。首先应将工程实际值由16位整数转化为浮点数，即实数形式，然后将实数格式的工程实际值转化为0.0，1.0之间无量纲的相对值，即归一化格式。将给定值和过程变量进行归一化处理：；式中：-工程实际值的归一化值； -工程实际值的实数形式值，未归一化处理； -最大允许值减去最小允许值，通常取32000（单极性）和64000（双极性）； Offest通常取0.0（单极性）和0.5（双极性）。（3） 回路输出转换为工程量标定的整数值： 一般

8、回路控制的输出为控制变量，如果控制回路输出为0.0,1.0之间的归一化实数格式则在回路输出驱动模拟输出之前必须先转化为16位的工程标定值，然后才可以用来驱动实际机构，即归一化的逆过程。首先应将回路输出转化为按工程量标定的实数格式：； 式中：-已按工程量标定的实数格式的回路输出； -归一化实数格式的回路输出； Offest通常取0.0(单极性)和0.5（双极性）； -最大允许值减去最小允许值，通常取32000（单极性）和64000（双极性）。（4） PID指令： PID指令以回路表中的输入和组态信息进行PID运算。要使该指令得以运行必须使得逻辑堆栈顶ROL为ON状态。指令中的TBL是控制回路的起

9、始地址，LOOP为控制回路号（为常数，在0-7之间）。PID指令的操作数如下： TBL（BYTE）:VB LOOP(BYTE):常数0-7. 使用PID指令时必须遵循的规则如下：1） 一个用户程序最多只能用8条PID指令，一个回路号中只能用一条PID指令，如果两个或两个以上PID指令用同一个回路号，那么即使这些指令的回路表不同，这些指令之间也会相互干涉，产生不可预料的结果。2） 在回路控制参数表中，存储了9个参数用于监控PID指令的执行状况，每个参数的意义如下表：表1-1 PID指令控制参数表参数编号地址偏移 变量名变量类型注释1+0 I调节量，即被控对象的输出量2+4 I给定量，即被控对象的

10、给定输出3+8 I/O空置量，用于输出到被控对象4+12 I比例增益常数5+16 I采样时间，单位为s,只能为正6+20 I积分时间常数，单位为s7+24 I微分时间常数，单位为s8+28 I/O累计偏差值9+32 I/O最近一次PID指令运算过程变量3） 为了让PID指令按预设的采样频率来工作应在时间中断程序中编入PID指令，或者在主程序正通过定时器来控制含有PID指令的程序定时执行。采样时间必须通过回路表输入到PID指令运算过程中。3. 温度模块工作原理： 由于该控制系统中的温度作为衡量标准，也作为PID控制器的输入量，因此温度的准确性相当重要。此实验中采用SIMATIC的温度模块EM23

11、1，有关EM231的具体信息如下： EM231具有4路模拟量输入，输入信号可以是电压也可以是电流，其输入与PLC具有隔离。输入信号的范围可以由SW等几个来设定。具体技术指标见表1-1。 表1-2 EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性 外形尺寸：71.2mm80mm62mm 功耗：3W输入特性本机输入：4路模拟量输入电源电压：标准DC 24V/4mA输入类型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit转换速度：250S隔离：有耗电从CPU的DC 5V （I/O总线）耗电10mADIP开关SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型热电偶为例）表1-3 K

12、型热电偶分度表热电偶是将温度用电压形式反应，其工作原理是由两种不同的金属构成，由于两种金属间存在电势差，温度变化时电势差也发生变化，因此可以通过电势差反应温度。由组成热电偶的金属不同可分为J,K,T,E,R,S,N几种类型，各种不同类型对应不同的分度表，由于烤炉的温度不几百度，且精度要求不是很高，故采用K型热电偶，其分度表如表1-3： 温度模块将热电偶的电压经数模转化后存为一个16位的浮点数存放在模块缓冲部分各测量口对应的缓存器中，如A测量口对应AIW0，要得到温度模块测量出的电压只需将缓存器中的值读入PLC中，将其转化为单整数，再转化为实数就可得到温度的10倍值，将此实数除以10变得到实际温

13、度值。4. 控制的系统的电气实现：基于以上的分析可以得到炉温控制的结构图如下：计算机PLCEM231模块固态继电器热电偶烤炉图1-2 系统结构框图由结构图和各模块的工作原理可得系统的电气连接图如下：图 1-3 系统电气连接图四 实验步骤：1. 模型建立：要得到烤炉响应的数学模型可以对烤炉加上阶跃响应，测量其阶跃响应曲线再求出其具体的数学模型。对系统加上阶跃信号，即一直供电，记录烤炉的温度变化，绘制其阶跃响应曲线。由于实验时采样周期为5秒，从初始值到稳态数据很多，故此处只给出去阶跃响应的曲线：图 1-4 烤炉阶跃响应曲线由于系统的阶跃响应呈“S”形曲线，则可以用飞升曲线法整定PID参数。飞升曲线

14、法整定PID参数的关键在于找出转折点。由于采样周期为5S，每两次采样时都有个温度差，可以根据温度差的变化近似的来找转折点，即把转折点看为斜率变化点。根据温度记录情况，温度差在550S附近变化出现较大变化，选择55S处为转折点，用作图法作出转折点切线。则根据飞升曲线法可以求得PID参数。飞升曲线求PID参数的具体方法如下：被控过程的传递函数C(s)/U(s)可用一阶时滞过程近似表示如下：；其中，表示加在被控对象的输入量的增量，表示稳态时阶跃响应的变化增量，工程一般都用%表示，L和T可以由测试S曲线获得。则可得“S”形曲线的参数整定公式如下：表1-4 飞升曲线PID参数整定表控制器类型 P0 PI

15、0.90PID1.22L0.5L则根据实验数据可以得到PID参数如下：由于输入量没有增量，则=1，为稳态时输出的增量，则，即可得。由阶跃响应曲线图可得L=2min, T=8.7min，则：；=4min, =1min；这里可以看出比例增益很小，主要由于作图时的不精确导致比例增益太小。由后续的实验验证也知道比例增益太小使得系统响应时间太长，超调量也较大。故实验中采用工业中比例增益的上限120，即=120作为PID参数整定后的比例增益。 也可用MATLAB工具箱SISO来辅助求出PID的参数。由系统的响应曲线可知烤炉系统的数学模型可以用一个具有时滞的一阶系统来近似。即系统的传递函数为：；由阶跃响应的

16、曲线可得传递函数具体为，采用MATLAB仿真，要求加入控制器环节后系统在稳定的前提下的输出超调量小，调节时间短。由于SISO工具箱中不能输入带指数的传递函数，故采用泰勒近似将指数部分近似处理，由泰勒近似可得，即近似后的传递函数为：，在SISO工具箱中导入系统的传递的函数可得系统在没有加入校正环节时的根轨迹和BODE图如下：在根轨迹加上零极点和拖动根轨迹观察输出情况，当输出满足设计要求时变得到应加入的PID控制器的传递函数。利用MATLAB仿真的优势在于不需要做大量的运算，只需要根据系统的传递函数和设计要求就可以较为精确的求出应加入的校正环节的传递函数，并且能够实时的反应传递函数参数变化系统响应

17、的曲线变化，也能直接拖动BODE图上的点实现满足相频和幅频设计需求，如相位裕度等，然后再把传递函数用工业实现即可。通过增加零极点和增益得到满足系统设计的阶跃响应曲线如下：2. 编程实现：由于烤炉系统的输入只有电压一种形式，因此只需根据PID计算出的加热时间转化为占空比即可。为了显示系统的工作状态再加入两个指示灯来表示系统的工作状态。则可配置出系统的I/O接口，以及程序要用的变量。具体配置如下：I/O/变量作用I/O/变量作用I0.1加热启动VD4PID控制初始值I0.2停止加热VD12PID增益KQ0.1加热指示VD16PID采样时间Q0.2停止指示VD20PID积分时间Q0.3加热输出VD2

18、4PID微分时间M0.0工作模式VW100加热时间VD0PID控制过程变量VW102不加热时间由于要对PID参数初始化和实现每5秒一次的采样周期，故采用两个子程序来完成。主程序负责整个程序的架构。具体程序如下：进入程序等待用户输入工作模式并锁存：若用户选择加热模式进入PID参数初始化子程序：PID参数初始化子程序：设置各初始值，设定温度75度，比例增益120，采样时间5秒，积分时间4分钟，微分时间1分钟：采样定时器，相当于一个每5秒产生一个脉冲的双定时器：采样子程序调用：采样子程序完成温度的采样和PID指令的调用，并将温度模块的数值转化为实际温度。再将PID指令计算出来的加热时间转化为整数形式

19、，再用控制周期减去加热时间求出一个控制周期内不加热的时间：首先从温度模块读入16位温度值，进行实数转换再做归一化处理，由于温度为单极性变量故采用单极性的归一化处理规则：将温度转化为实际温度：调用PID指令计算加热时间：占空比计算程序段，就是将PID指令计算出的加热时间进行放大，并将其转化为整数形式，再用控制周期减去加热时间得控制周期内的不加热时间：占空比输出自程序段，用两个定时器实现占空比输出。每个控制周期的前阶段进行加热，加热时间到后段开电源，带控制完后进入下一个控制周期：五 实验结论及分析： 1. 响应曲线分析： 通过用飞升曲线测得的PID参数存在一定误差，比例增益太小。适当增大比例增益

20、后实验结果很好。超调量很小，在设定温度为75度时超调只有58度，调节时间也短，只需 经过一次超调后就能在设定温度周围波动，并且波动误差小，完全能满足正负1度的设计要 求，其相应曲线如下：图 15 加入PID控制环节后的响应曲线（设定温度75度）由此可见通过加入PID控制环节能较好的满足设计要求，也说明了PID控制在工业控制的重要性。2 制环节算法分析： 基于PID的反馈控制能够使得炉温控制达到较好的控制效果，但系统的调节时间还是较长，一般都大于20分钟。考虑能否用其他系统来改进控制系统使得调节时间变短的同时还能满足控制要求。一种最直接的算法就是类似于模糊控制方式，即没有确定的算法，根据经验判断该给系统多少输入。具体而言就是当烤炉温度大于设定值时断电，当温度比设定温度小时加热。用该算法对炉温进行控制发现系统不能满足设计要求。因为该系统是具有时滞的一阶系统，当炉温达到设定值时才断电，而时滞会使炉温超过继续升高，这样炉温就在接近10的范围内振荡，可见对以非线性的系统要用线性的算法去控制是比较难以达到控制要求的。而另一种是在一定温度基础上使用PID指令，具体就是加热烤炉到一定温度再使用PID指令期望调节时间变短。但实验证明这种算法