炉温控制实验报告

炉温掌握试验报告试验时间：2023.11.2-2023.11.23 试验人：刘大树 06376059试验目的：PLCPLC在工业掌握方面的优点；学会运用自动掌握原理的理论学问来设计所需的系统，特别是依据系统的性能设计PIDPIDPID参数确实定方法；通过试验生疏工业掌握设计的一般步骤，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，从而类化到其他掌握系统；加深对系统架构的生疏，能依据系统的性能设计系统的各个环节，并能协调各环节使之到达设计要求。二试验器材：CD温度扩展模块，计算机；软件：SIMATIC-STEP7-Micro/WIN编程软件。三试验原理：掌握原理：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，因此只能依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掌握。具体就是系统依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，10秒，则在55秒断电，即占空比为50%输入从而完成对烤炉电压输入。而核心局部为能依据烤炉的当前温度和设定值计算该PID标不能满足生产要求或期望在不同的生产过程中各项性能指标能够调整，通过调整掌握器本身的参数来满足设计需要。PLCPID的掌握原理：PIDPID算法根底上的，它实现的是一种数学运算功能。使用该指PLCPID算法编程便利快捷。其中P表示比例运算，I表示积分运算，DPIDPID指令具体介绍如下：PID算法：PID算法是过程掌握系统中技术成熟，应用广泛的一种掌握方法，它是基于单变量1-1PID掌握框图.1-1中，ePID掌握环节的输入量，也就是下面所介绍的给定量〔SP〕和过程量〔PV〕之差，M(t)ePID运算后多得到的函数。其中：K--回路比例增益；cT--积分时间常数；IT --微分时间常数。D在上述的闭环掌握系统中，PID掌握环节的输入和输出关系为：tM(t)KeKedtM Kc I initial D0

dedt； 〔1〕输出=比例项+积分项+微分项。M(t--回路掌握算法的输出，是时间函数；K --回路增益；C回路偏差〔给定量和过程变量之差；K--积分项系数；IM --回路掌握算法输出的初始值；initialK --微分项的系数。D式〔1〕的函数是模拟量掌握关系式，要想在数字式的计算机上实现这一掌握算法还需要将上式模拟量进展离散化处理，即对回路偏差e进展周期采样并计算输出值。离散形PID掌握关系式可以表示为：M Ke

K (ee )；n Cn

I i1

initial

D n n1式中：M --第n个采样时刻计算出的掌握回路输出值；ne第n个采样时刻的回路偏差〔给定量和过程变量之差；ne --上一个采样时刻的回路偏差。n1S7-200PLC中，PIDPID方框的“能流”有效PIDPID运算；而手动则指不执行PID运算的状况。PIDPID指令利01无扰动的手动到自动的切换过程，即开头执行PID算法掌握。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需作为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：SPn

〔给定值〕=PVn

〔过程变量；PVn1

〔前一次过程变量〕=PV；nMX〔积分和〕M〔输出值。nPID1CPUSTOPRUN的工作模式开关RUNPID指令则这一记录位不01的跳变，故在此时不会自动执行无扰动的自动切换功能。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，PID回路输出有关并反映了掌握的效果PID算法之前必需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展归一化处理：Rnorm

Rraw

/Span

offset；RnormRraw

--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；S --最大允许值减去最小允许值，通常取32023〔单极性〕和64000pan〔双极性；Offest—0.0〔单极性〕0.5〔双极性。回路输出转换为工程量标定的整数值：[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需先转化为16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：Rscal

(Mnoffest)S

；panRscal--已按工程量标定的实数格式的回路输出；Mn--归一化实数格式的回路输出；通常取和〔双极性；Span--最大允许值减去最小允许值，通常取32023〔单极性〕和64000〔双极性。PID指令：PID指令以回路表中的输入和组态信息进展PID运算。要使该指令得以运行必需ROLONTBL是掌握回路的起始地址，LOOP为掌握回路号〔0-7之间。PID指令的操作数如下：TBL〔BYTE〕:VBLOOP(BYTE):0-7.PID指令时必需遵循的规章如下：8条PID指令，一个回路号中只能用一条PID指令，假设两个或两个以上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预，产生不行预料的结果。9PID指令的执行状况，每个参数的意义如下表：参数编号地址偏移变量名PVn变量类型I参数编号地址偏移变量名PVn变量类型ISPnIMI/OnKI注释调整量，即被控对象的输出量给定量，即被控对象的给定输出空置量，用于输出到被控对象比例增益常数cTsITiITDIMI/O采样时间，单位为s,只能为正积位为s微分时间常数，单位为s累计偏差值XPVn1I/OPID指令运算过程变量1+02+43+84+125+166+207+248+289+32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掌握含有PID指令的程序定时执行。PID指令运算过程中。温度模块工作原理：由于该掌握系统中的温度作为衡量标准，也作为PID掌握器的输入量，因此温度的准确性相当重要。此试验中承受SIMATICEM231EM231的具体信息如下：4SW等几个来设定。具体技1-1。型号EM231模拟量输入模块总体特性外形尺寸：型号EM231模拟量输入模块总体特性外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm功耗：3W功耗：3W输入特性本机输入：4路模拟量输入电源电压：标准DC24V/4mA输入类型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA区分率：12Bit转换速度：250μS隔离：有耗电从CPU的DC5V〔I/O总线〕耗电10mADIP开关SW1 0,SW2 0,SW3 1〔以K型热电偶为例〕1-3K型热电偶分度表热电偶是将温度用电压形式反响，其工作原理是由两种不同的金属构成，由于两种金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，故承受K1-3：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AAIW0，要得到温度模块测量出的电压只PLC10倍10变得到实际温度值。掌握的系统的电气实现：基于以上的分析可以得到炉温掌握的构造图如下：EM231EM231模块热电偶计算机PLC固态继电器烤炉1-2系统构造框图由构造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系统电气连接图四试验步骤：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，即始终供电，记录烤炉的温度变化，绘制其阶跃响应曲线。由于试验时采样周期为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“SPID参数。飞升曲线法整定PID5S，每两次采样时都有个温度差，可以依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。550S四周变化消灭较大变化，选择55S处为转折点，PIDPID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：C(s)

KeLs；其中，K

c()c(0)

U(s) Ts1u表示加在被控对象的输入量的增量，u ucc(c(0)表示稳态时阶跃响应的变化增量，工程一般都用%表示，LT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：1-4PID参数整定表掌握器类型掌握器类型KpPPI0.9TKLTTITd0PID1.2KLTKLL0.32L00.5LPID参数如下：u=1，c

18024180

0.87，K

c0.87。由阶跃响应曲线图可得L=2min, T=8.7min，则：uK 1.2 8.7 6；p 0.87*2T=4min, TI d

=1min；这里可以看出比例增益Kp

很小，主要由于作图时的不准确导致比例增益太小。由后续的试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。故试验120K=120PID参数整定后的比例增益。pMATLABSISOPID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：G(s)K

eLsTs1；e1s由阶跃响应的曲线可得传递函数具体为G(s)0.52.5s1，承受MATLAB仿真，要求参加掌握器环节后系统在稳定的前提下的输出超调量小，调整时间短。由于SISO工具箱中不能输入带指数的传递函数，故承受泰勒近似将指数局部近似处理，由泰1s1勒近似可得eLs1Ls，即近似后的传递函数为：G(s)0.52.5s ，在SISO工1具箱中导入系统的传递的函数可得系统在没有参加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看输出状况，当输出满足设计要求时变得到应PIDMATLAB仿真的优势在于不需要做大量的运算，只需要依据系统的传递函数和设计要求就可以较为准确的求出应参加的校正环节的传递函数，并且能够实时的反响传递函数参数变化系统响应的曲线变化，也能直接BODE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：编程实现：由于烤炉系统的输入只有电压一种形式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参加两个指示灯来表示系统的工作状态。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掌握初始值I0.2停顿加热VD12PIDKQ0.1加热指示VD16PID采样时间Q0.2停顿指示VD20PID积分时间Q0.3加热输出VD24PID微分时间M0.0工作模式VW100加热时间VD0PID掌握过程变量VW102不加热时间PID5秒一次的采样周期，故承受两个子程序来完成。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：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541分钟：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5秒产生一个脉冲的双定时器：采样子程序调用：将温度转化为实际温度：首先从温度模块读入16位温度值，进展实数转换再做归一化处理，由于温度为单极性变量故承受单极性的归一化处理规章：将温度转化为实际温度：PID指令计算加热时间：PID形式，再用掌握周期减去加热时间得掌握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。每个掌握周期的前阶段进展加热，加热时间到后段开电源，带掌握完后进入下一个掌握周期：五试验结论及分析：1.响应曲线分析：通过用飞升曲线测得的PID参数存在肯定误差，比例增益太小。适当增大比例增益后试验结果很好。超调量很小，在设定温度为755－8度，调整时间也1度的设计要求，其相应曲线如下：图1－5 参加PID掌握环节后的响应曲线〔设定温度75度〕PIDPID掌握在工业掌握的重要性。制环节算法分析：基于PID的反响掌握能够使得炉温掌握到达较好的掌握效果，但系统的调整时间还是较长，一般都大于20分钟。考虑能否用其他系统来改进掌握系统使得调整时间变短的同时还10PID指令，具体就是加热烤炉到肯定温度再使用PIDPIDT=0时刻进入系统，而是在系统有肯定输入后才参加系统中使得PID默认的时间为t=0,来是系统稳定。掌握周期对掌握效果的影响分析：由于系统的掌握周期打算了系统在一个周期内不加热的时间为重要。基于此试验中承受了不同的掌