基于PLC的模糊PID温度控制系统的应用研究【毕业作品】

II自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它作为控制系统的核心装置，功能强能模块来实现控制算法，通过与计算机的通信对数据进行自动处理和远程控制。其中,模糊PID是采集输入量与设定值的偏差量和偏差的变化率，来运用模糊控制的理论，来得到PID控制器的三个参数值，即Kp、Ti、IIIfIV 1 1 2 2 2 3 5 6的循环处理过程 6循环扫描时间 7输入/输出滞后时间 7 9 9 闭环控制系统的组成 闭环控制的性能指标 实现闭环控制的方法 参数对系统性能影响 确定PID参数初值的工程方法 4温度控制的系统的硬件组成 型过程控制实验装置介绍 型系统主要特点 装置的组成 V测量元件 执行元件 5温度串级控制系统 模糊控制器的组成 模糊控制器的设计 6温度控制系统的设计 控制程序设计 7温度控制系统实验结果分析 7.1建立被控对象的数学模型 一阶惯性环节拟合的近似法 锅炉对象特性曲线测试及对象数学模型的建立 普通PID调节器 模糊PID调节器 参考文献 错误!未定义书签。1随着国家经济的快速发展,锅炉的使用频率越来越高。而锅炉的温度控制仍然是工业生产过程中经常遇到的过程控制问题,有些工艺过程其温度的控制效果是可以直接影响着产品的质量的好坏,因而我们非常需要设计一种较为理想的适应能力强的温度控制系统。随着现代工业生产过程向着大型化、连续化的方向发展，对控制系统的也提出了越来越高的控制要求，而锅炉系统是一个具有时变和滞后的比较复杂的系统，因此，锅炉温度的控制一直是工业过程控制中的一个难题，特别是如何更好的控制效果。采用简单的单回路控制器已经很难满足得了这些比较复杂的控制要求，于是我们就必须采用一种新的控制系统来代替单回路控制以此提高工作频率、减小等效过程的时间常数和加快响应速度等特点，所以在克服被控系统的滞通讯能力的标准的工业控制设备，在工业控制领域的发展趋势是用其实现各种算法成。本设计以锅炉为被控对象，以锅炉的夹套温度为主被控参数，以锅炉内胆温度为副被控22.1PLC的基本概念可编程控制器是可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）的简称，我们通常简称为PLC，它是计算机家族中的重要成员之一，它在工业控制领域中占有很强的地位。早期的可编程控制器它主要是用来代替继电器的，是用它来在实现逻辑电平控制的功能。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了原来的逻辑控制的范围，因此，现在这种装置我们称为可编程控制器，可以简称为PC。但是习惯上人们还是将它称为PLC，这是因为个人计算机（PersonalComputer）的简称也是PC。[1]PLC的应用范围广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化控制中的主要支柱之一，在工业生产领域得到了广泛的应用。编程控制器是一种电子系统基于数字运算操作的，它设计的原因是为了可以在复杂的工业环境下使用，它采用的存储器是可以编写程序的，它的内部可以存储执行算术运算、计数、定时、逻辑运算和顺序控制等操作的指令，并且通过模拟、式数字式的输出和输入，控制各种类型的生产过程或机械。可编程控制器和它的外围设备，都应该是很容易同工业控制系统成它是由各种各样的模块组合而来的，自己需要什么就可以配什么，它主要是由机架、接口模或其它设备进行组网，实现之间的相互通信。它的主要组成为：[3]PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下有条不紊的协调工作，它不断的循环执行，输入信号的采集，用户程序的执行，系统的输出的刷新。存储器是用来存储数据，系统程序和用户程序输出（Output）模块和输入（Input）模块简称I/O模块,开关量输出、输入模块简称为DO模块和DI模块，模拟量输出、输入模块简称为AO模块和AI模块，它们统称为信号模块。输入模块用来采集和接收输入信号，开关量输入模块用来接收从光电开关、限位开关、3接近开关、选择开关、压力继电器、按钮、数字拨码开关等处的开关量的输入信号；模拟量输入模块用来接收各种变送器、电位器和测速发电机等提供的连续变化地模拟量电压电流信开关量输出模块用来控制指示灯、报警装置、电磁铁、数字显示装置、接触器和电磁阀等输出设备，模拟量输出模块用来控制变频器、三相可控硅的移相电路和电动调节阀等执行CPU模块内部的工作电压一般为直流5V，而PLC的输出/输入信号的电压一般都比较高，例如直流24V或交流220V。引入外部的尖峰电压或干扰噪声可能会损坏CPU模块中的元器件，或可能使PLC不能正常的工作。在信号模块中，用小型继电器、光耦合器、光敏晶闸管等器件到电平隔离与转换的作用。模块。它们主要被用来完成某些对存储容量和实时性需就需要增加一个或多个机架。接口模块是让中央机架同后增加的机架之间通信的桥梁，某些接口模块还能够为扩展机架提供电源。PLC经常使用的是直流24V的电源或交流220V的电源，将输入电压转换为DC5V电压和个软件可以编辑各种图形程序或者文本程序，可以相互转换成各种不同的编程语言。通过编程序可以打印或存盘，我们也可以通过网络实现远程监控和程序的编写。SPLC的编程语言使用得最多的是梯形图，它的表达形式和电路符号与继电器电路原理图相4似，梯形图语言形象直观、简单、易懂易学，熟悉电路图的人员只需花一点时间就可以熟练的运用梯形图语言，来编写用户程序。2.功能强，性价比高一台PLC内部有很多可以让用户使用的编程空间和元件，可以用来实现比较复杂的控制功来联接网络，完成分散控制，集中管理的任务。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经模块化、标准化、系列化，现在它有各种各样的硬件装置提供给用户选择,一般中小型交流接触器和电磁阀可以用它直接进行驱动。对于使用了很多的时间继电器、中间继电器的传统的继电器控制系统来说，可能会因为很大程度上避免了因这种原因造成的故障。PLC使用了很多的软件和硬件来抵抗干扰，具有很强地抗干扰能力，它可以无故障的运行数万小时以上的时间，直接可以用于有强烈干扰的工业生产的现场，PLC已被广大用户公认为最可靠地工业控制设备之一。PLC对器件选择进行了严格的筛选，PLC的输入输出电路均采用光电隔离技术，屏蔽工业现场的干扰信号对它的影响。在输入电路中还普遍采用了RC滤波电路。PLC的CPU具有自诊断功能，能有效的处理异常情况。大型PLC还采用冗余的做法来使系统的可靠性得到了进一步提继电器控制系统中大量地计数器、时间继电器、中间继电器等器件的功能被PLC用软件取代了，这样使控制柜地安装、设计、接线的工作量都在很大程度上得到了减少。我们一般可以用顺序控制法来设计PLC的梯形图程序。这种设计方法的特点是很容易学习，而且有很强的规律性。需要设计复杂的控制系统时，只要我们的设计方法正确，梯形图的设计时间会比继电器系统的时间要少许多。我们可以在实验室对用户程序进行PLC的模拟调试，模拟输入信号用小开关来代替，我们可以通过观察各个发光二极管的状态来得到与之对关的输出信号的状态。系统的接线和安装完成后，我们需要在现场进行调试，一般可以通过程序的修改来解决现场发现的问题，与继电器系统相比系统的调试时间已经很少了。5PLC的出现故障的频率本来就很低，而且它还有很好的诊断故障的能力。当外部的执行机构和输入装置或者PLC发生故障时，我们可以根据编程软件提供的信息或者PLC上的发光二极管，可以很方便的知道故障发生的原因，可以迅速有效的解除故障需用的方法是更换模块。7.体积小，能耗低就一些复杂的控制系统来说，可以通过使用PLC，来减少使用中间继电器和时间继电器，几个继电器的体积就和一个小型PLC的大小差不多，因此可以通过使用PLC来缩小开关柜的体与继电器控制系统相比PLC控制系统的配线用量少，安装接线工时短，开关柜体积小，在工业发达的国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性价比的不断提高，不断的扩大其应用范围，主要应用有以下几个方面[2]点的并、串联，可以代替继电器来进行定时控制、组合逻辑控制与顺序逻辑控制。开关量的逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线上，其应用领域已遍及所有各业，甚至深入到家庭和民用中去了。2.运动控制PLC使用运动控制模块或专用的指令，对圆周运动或直线运动的位置、加速度和速度进行结合在一起。PLC的运动控制功能广泛应用于各种各样的机械，例如机器人、装配机械、金属闭环过程控制是指对流量、温度、压力等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通I/O模块，实现数字量和模拟量之间的D/A转换与A/D转换，并对模拟量实施闭环PID控制。S7-300中有闭环控制模块、闭环控制软件包和用于闭环控制的系统功能块可以提供用户选择使用。其中闭环控制功能已经广泛地应用于热处理器、加热炉、锅炉、塑料挤压成形机等设备，以及电力、机械、建材、冶金、轻工、化工等行业。4.数据处理现代的PLC具有循环、求反、字逻辑运算函数运算等运算功能，还具有数据转换、位操作、查表、传送、排序等功能，可以完成数据的采集、处理和分析的能力。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，也可以使用通信功能传送到别的智能装置上，或者将它们打印出来制作成表格。62.2PLC的工作原理我们可以将CPU中的程序分为用户程序和操作系统程序。调用用户程序、中断和错误的处理、PLC的起动、管理存储区和通信、刷新输出/输入过程映像区等任务是通过操作系统来的程序保存在块中，功能块FC和功能FB我们可以把它看成是我们自己的一个子程序，操作系统也给我们提供了标准的子程序即系统功能块SFC和系统功能SFB，这些块我们称之为逻辑采用循环扫描程序的执行方式是PLC特有的工作方式，这种运行方式我们也称之为扫描用其它的逻辑块，或自己被中断程序调用。能的定时器、位存储器和计数器，清除块堆栈和中断堆栈的内容，复位已经保存好的硬件中初始化任务得到完成。然后它的运行状态就将进入循环而且是周期性的。下面是在周期性循启动循环时间监控数据写入输出模块读取输入模块状态执行用户程序执行其它任务（1）循环时间监控将由操作系统得到启动。7（3）CPU将输入模块的输入状态读入，并在输入过程映像区中存入这些数据。（4）CPU处理我们自己写的程序，我们写的程序指令被执行。（5）当循环结束时，所有挂起的任务将被执行，例如删除和下载整个块，发送和接收数据等（6）CPU回到第一阶段，将循环时间监控的功能重新启这些循环程序处理过程可能被某些中断事件给中断了。如果有中断出现时，我们当前正在执行的块将被暂停执行，并将其分配给该中断事件的组织块。当该组织块结束执行时，被暂停执行的块将被继续而且还是从刚才中断的地方开始的。在PLC的存储器中，有了一段空间是用来存放输出信号和输入信号的状态，它们被分别称为输出过程映像区和输入过程映像区。PLC梯形图中的其他编程元件也有其相对应的映像存不会随它而变化得，变化了的输入信号状态只有在下一个扫描周期读输入模块时才能够被读操作系统执行一次循环操作所需要的时间就是循环时间（CycleTime其中包含中断该长短这三者有很大的关系。当用户程序很长时，指令执行时间将占循环时间相当大的比重。当PLC的外部输入信号发生变化的时刻到它控制的外部输出信号发生变化的时刻为止，这段时间间隔我们称为输入/输出滞后时间又可以称之为系统的响应时间，它主要是由输出电路的滞后时间、因扫描工作方式产生的滞后时间和输入电路滤波时间这三部分组成。滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外部输入触点动作时产生的抖动而引起的不良影响是由输入模块的RC滤波电路来完成的，输入滤波时间是由滤波电路的时间常数决定的，其由扫描工作方式引起的滞后时间最长时间不会超过三个扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般只有几毫秒到几十毫秒之间，对于一般的系统来说这是没有关系的。当我们需要输入输出信号之间的滞后时间要尽量短的系统时，我们可以选用扫描速度快的PLC或采取中断等方法来解决。89tt0tt03.1PID控制系统简介PID调节器是按照偏差的增益、积分和微分进行控制的调节器，这种调节器技术成熟、应比例（增益）调节器比例（增益）调节器是最基本的一种调节器，其框图如图3-1所示控制对象控制对象反馈电路W+uy00产生控制效果。当e发生变化时，u也跟着发生了变化。比例（增益）调节器对偏差信号的阶跃变化的响应如图3-2所示。uuKu0t0t图3-2比例（增益）调节器的阶跃响应比例（增益）调节器的特点是能够即时的对偏差信号产生作用，使被控制量朝者减小偏差的方向发展，控制作用的强弱取决于比例系数K。但对于自平衡系统的控制对象来说存在静差，比例积分调节器在比例调节器的基础上增加积分调节，这样可以消除比例调节中存在的静差，其框图如图3-3所示ett0Ki/sett0Ki/s++反馈电路控制对象Wuy+其控制关系式为iip0iT越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。比例积分调节器对i偏差信号的阶跃变化的响应如图3-4所示。uuKu0t0TiKt图3-4比例积分调节器的阶跃响应因此，积分环节的引入可以消除系统的静差。T必须根据对象的特性来选定，增大T将减缓ii消除静差的过程，却可以减少超调量，提高系统的稳定性。PID调节器将积分、微分和比例组合起来。虽然积分调节可以消除静差，但是却降低了系统的响应速度。为了提高控制系统的快速性，就需要在偏差变化或出现的瞬间，就可以对偏差的变化有所反应，因此我们可以在PI调节器上加个微分环节来改善快速性，这样就得到了PID控制器。其框图如图3-5所示。其控制关系式为p i0tt0tt0Ti/s++反馈电路控制对象Wuy+dT越小，微分作用越弱，反之微分作用越强。比例积分微分调节d器对偏差信号的阶跃变化的响应如图3-6所示。uuKu0t0TiKt图3-6比例积分微分调节器的阶跃响应可见，只要偏差变化就会有一个控制作用u产生，用来调整系统的输出，阻止偏差的变dd振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态3.2数字PID控制算法I在按PID位置控制算式计算输出量u(k)时，当出现故障时，输出量会出现大幅度的变化，这将使被控制对象的位置有显著的变化。例如，在控制阀门时，计算机输出量会突然从很大给定一下子就变成零，这让调节器的变化很剧烈，这样可能造成生产过程会有很大的损失。式（3-2）称为PID增量式控制公式。只有积分元件是系统的执行机构的系统才可以用。例如，步进电动机做为阀门的执行机构时，它可以积累计算机的每次输出变化量Δu(k)，使阀门能够按照控制要求逐步开小或开大。位置式与增量式控制算式在本质上是相同的，只是增量式的需要执行机构必须附加有积（1）机器故障时对系统的影响很小是由于计算机输出的是控制增量。（2）自动和手动切换时，由于我们是有积分的执行机构如（步进电机）它有保持作用，这样在切换时可以降低冲击，实现平稳的过渡。（3）从公式看它只与最近几次采样值有关，不需要累加操作，这样就不会有累积误差。一般我们可以认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算发。因为本毕业设计用三相可控硅移相调压装置调节三相电加热管两端工作电压来控制锅炉的温度，所以我们采用位置式的PID控制。其中被控量c(t)是模拟量并且还是连续变化的，执行机构一般都要求PLC输出的是模拟信号mv(t)，而数字量才是PLC的CPU能够处理。c(t)首先被测量元件（传感器）采集，经过变送器器将它们转换为数字量pv(n)。执行机构被控对象给定量A/D测量元件控制器D/A 例如在加热炉温度闭环控制系统中，检测炉温用的是热电偶，将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准的电压或电流的是温度变送器，然后传给模拟量输入模块，经过A/D转换后规律（如常用的PID控制算法）对差值进行运算，将计算结果（数字量）经D/A转换后变为电流信号或电压信号，然后送给模拟量输出模块，用来调节电动阀的开度，通过它来调节天然气的流量，实现闭环的温度控制。系统输出量为c(t)，即被控量，如例中是加热炉中的温度。由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输出量达到稳态值之前的过程称为过渡过程。系统的动态性能常用阶跃响应的参数来描述。输出量第一次达到稳态值的时间tr称为上升时间（如图3-8上升时间反映了系统在响应从开始到系统进入并停留在稳态值c(∞)的误差带内（即±5%或者±2%）的时间t称为调节时间，调节时间到达时说明过渡过程已结束。（t）为动态过程中输出量的最大值，若它比c(∞)即输出量的稳态值还大，则超系统的稳态误差是进入稳态后的期望值与实际值之差，它反映了系统的稳态精度。S7-300为用户提供了功能强大、使用简单方便的模拟量闭环控制功能的方法。程控制，模块上自己带有D/A转换器和A/D转换器。2.闭环控制用的系统功能块实现PID控制除了用专用的闭环控制模块外，我们还可以用S7-300中的PID控制功能块。但是我们需要自己配备模拟量输入输出模块（或数字量模块）。连续控制器通过模拟量输出模3.闭环控制软件包本次毕业设计用S7-300PLC来实现锅炉温度的闭环PID和模糊PID控制，具体实现的方法用以上方法中的第3种，其中功能模块是调用PLC内部的FFB41“CONT_C”（连续PID控制器）用在SIMATICS7可编程逻辑控制器上，用于调节带有连续输入和输出变量的技术过程。赋参数时可以激活或取消PID调节器的子功能，以使调节器与过程匹配。赋参数可以简单地通过参数值工具进行。该调节器可作为固定设定值PID调节器，或者在多闭环控制中心作为串级调节器，混合调节器或比例调节器（本课题把它作为PID调节器）。调节器的功能包含带模拟信号的采样的调节器的PID控制算法，如果有别的需求，我们还可以扩展出一个脉冲发生器级，以产生脉宽调制的输出信号，用于三个带比例执行器的步进调节器。除了设定值通道和过程数据通道的功能外，SFB/FB41能实现带连续被控量输出的完整的1.设定值与过程变量的处理（1）设定值的输入：设定值为一浮点数格式在SP_INT端输入。（2）过程变量的输入：过程变量可以以外设（I/O）或浮点数格式输入。（3）外部设备过程变量转换为浮点数：功能CRP_IN将PV_PER外设值转换成-100%到+100%2.PID控制算法设定值与过程变量之间的差值我们称为误差信号。为了抑制由于被控量量化引起的小的、恒定的振荡，为误差信号设置了一个死区（DEADBAND）。若DEADB_W=（2）PID控制器结构PID算法采用位置型PID算法。比例，积分和微分分量并联连接，可以分别激活和取消。这就允许组态成P，PI，PD和PID调节器，也可以是纯I或D调节器。表2-1FB41“CONT_C”主要输入参数的说明数值范围缺省值MAN_ON10过程变量外设通110REALREAL过程变量输入REAL—过程变量外设MANREAL手动值输入GAINREAL—TITIME—复位时间输入TDTIME—微分时间输入LMN_HLMREAL2被控量上限LMN_LLMREAL-100.0至LMN_HLM(%)或物理量2被控量下限3.控制器输出值的处理（1）手动模式参数MAN_ON为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式中，控制变量被手动选择制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM变为1状态；小于下极限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM变为1状态。（3）输出量的格式化处理LMN_NORM功能用下式来将功能LMNLIMIT的输出量LMN_LIM格式化：LMN_NORM的输出值=LMNLIMIT的输出值*LMN_FAC+LMN_OFF式中LMN_FAC为输出量的系数，默认值1.0；LMN_OFF为输出量的偏移量，默认值为0.0。（4）输出量转换为外围设备（I/O）格式控制器输出如果要送给模拟量输出模块中的D/A转换器，需要用CPR_OUT功能转换为外围数据块DB1：DB1.DBX0.0用来存放启动值（置1启动）。数据块DB41：对应FB41里面的各3.4PID控制器的参数整定方法1.比例系数KP对系统性能的影响[4]KP加大，使系统动作灵敏，速度加快。KP偏大，则振荡次数加太大时，系统会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的动作缓慢。2.积分常数TI对系统性能的影响少。当TI合适时，过渡过程的特性则比较理想。积分控制能提高控制系统的控制精度，消除系统的稳态误差。但是，若TI太大时，积分作用太弱，这样稳态误差就不会消除。3.微分常数TD对系统性能的影响大比例控制，使稳态误差减小。当TD偏大时，超调量较大，调节时间也较长；当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程。参数值相差甚远，将给参数调试带来很大的困难。因此如何选择一组较好的PID参数的初值是PID参数整定中的关键问题。下面介绍一种工程中广泛应用的扩充响应曲线法，用这种方法可以初步确定PID控制器的参数。具体步骤如下[4]：（1）断开系统的反馈，令PID控制为KP=1的比例控制器，在系统输入端加一个阶跃给定信号测量并画出广义被控对象（包括执行机构）的开环阶跃响应曲线。绝大多数被控对象的图3-10被控对象的阶跃响应曲线（2）在曲线上最大斜率处作切线，求得被控对象的纯滞后时间常数T和时间τ。（3）计算出系统的控制度。控制度，是指数字控制器的控制效果（简称DDC）与模拟控制器的之比。我们常用误差平方的积分值函数来表示控制器的控制效果，即：控制度e2(t)dt，当控制度等于1.05时，我们可以认为控制效果二者相当。表3-2扩充响应曲线法参数整定表控制度控制度KTTD————TS用上述方法确定的4个参数只能作为初步的参考值，我们为了获得比较好的控制效果，还需要做闭环的调试，我们可以根据闭环阶跃响应的特性曲线，来反复的修改控制器的参数值，使系统的控制效果达到较好的状态。4.1PLC控制柜的组成控制柜上方为电源部分，从上到下依次为一个AC220V空气开关，三个DC24V旋钮开关。第一个空气开关为总电源，三路DC24V为为三套控制器提供工作电源。这个接口我们可以组建更大的分布式系统。本温度控制系统采用其中的2路1-5V电压输入。3.模拟量输出模块采用西门子SM332-5HD01-OABO模拟量输出模块。输出控制信号通过这个模块传到执行机本温度控制系统采用其中的1路4-20mA电流输出，去控制电加热管两端的工作电压。4.数字量模块本系统采用西门子SM323-1BH01-0AA0数字量模块，该模块集成了8路数字和8路数字量输出通道。本温度控制系统并没有用到此模块，但是在硬件组态时我们需要将AE2000A型过程控制实验装置是集合工业自动化和相关专业教学的特点，吸取了国内外同类实验装置的特点和长处，并且与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统)，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套基于本科，着重于研究、教学、学科基地建设的实验验证性、设计性实验，又能提供综合性实电力拖动类执行器如变频器等。3.除了有调节器的设定值的阶跃扰动外，调节系统还可以通过电磁阀和手动操作阀力支路来制造扰动。4.被控对象的一个参数可在不同的工艺线路不、同动力源、不同的执行器下可变成多个调5.有些执行器、检测信号在本对象中存在着互相干扰，二者同时进行时被调参数需要在原系统的基础重新进行整定。6.各种调节规律和控制算法都可以得到实现只要借助于这个实验软件平台。7.实验图表和数据在组态软件中永久存储可随时调用，以便实验者进行实验后的比较和分验对象很多都采用的是常用于工业现场检测的控制装置，采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪表，采用工控组态软件作为上位机监控软件，这个型号的产品控制系统既有上位监控机加远程数据采集计算机DDC控制系统，又有上位监控机加智能仪表控制系统。还有AE2000A型实验装置的实验系统包含有：强制对流换热管系统、串接圆筒有机玻璃上水箱 (Ф250×370mm）、下水箱(Ф250×270mm）、三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）、不锈钢储水箱（长×宽×高：850×450×轮流量计、电动调节阀、单相丹麦格兰富循环水泵及手动切换阀组成；另一路由小流量电磁对象系统结构图中检测变送和执行元件包括：涡轮流量计、液位传感器、电磁流量计、电磁阀、温度传感器、压力表、电动调节阀等。其中箭头所指方向为温度PID控制系统所需的水循环系统，对温度的PID控制有比较好的效果。实验仪表控制台如图4-3所示，本毕业设计主要用其中的温度传感器、三相可控硅移相控制电路，以及控制水循环通路的开和关。还用控制台上的智能仪表来显示温度值，我只是用它来作参考的，用来比较PLC采样来的值标准化后看他们是不是相同，相同说明采样过程是正确。而实际的温度值是在组态软件Wincc的运行界面上显示的。热电阻热电阻测量元件使用的是铂电阻元件，并通过温度变送器将电阻值的变化转换为标准电压信号。因为铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料，具有很高的稳定性和耐震动等特点，还具有较强的抗污染能力，在氧化性介质中，甚至在高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它不仅用作工业上的测温元件，还作为复现温标的基准器。但铂在还原性介质中，特别在高温下易-3-7-12接线说明：采用三线制接法来连接热电阻，它是两端元件。为了减少测量误差我们通常采用三线制接法。在大多数的检测电路中，测量电桥同热电阻是相隔离的，所以连接它们的导线就会很长，然而当温度发生变化时，连接导线的电阻值将发生有非常明显的变化，采用三线制接法就是为了消除连接线阻值的变化而产生的测量误差。即在两端元件的两端分别引仪表执行机构是一个三相可控硅（SCR）移相调压装置：三相电加热管0~380V连续可调交流相可控硅移相调压装置用来调节加在三相电加热管上的工作电压。晶闸管作为温度控制的功率元件有两种工作方式即：调压方式和调功方式。本设计采用的是晶闸管调压方式，此方式是通过晶闸管触发电路产生的移相触发脉冲来调节晶闸管的导通角α,使之来改变输入到电加热管的电压，达到调节锅炉温度的目的。这样做的缺点是负载上得到的电压是非正弦波，这样就会污染电网，同时也会产生高频辐射，这样会干扰周围的电子设备，移相触发方式还会缩短晶闸管的使用寿命。在生产过程控制中，有些复杂环节，为了提高控制系统的控制效果，单回路往往不能满足需求，这时我们就需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，第一个控制器的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制系统对系统的时滞之所以能收到较好的控制效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就可以使得串级控制系统有很强的克服时滞的能力。串级控制系统顾名思义它是有两个单回路串联而成的，采用两套检测变送器，前一个调节器的输出作为第二个调节器的设定，第二个调节器的输出送给三相可控硅移相电路。主调节器为前一个调节器，它所控制和检测的变量称主变量（主被控参数即我们工艺副变量是为了稳定主变量才引入的。他们分别有测量主变量和副变量的两个变送器。角度讲，副回路所起到的作用是快速的“粗调”，主回路则是起到了进一步“细调”的作用，所以我们应该设法让主要干扰在副回路中。常数比副对象的时间常数小得多，因而由于副回路的引入而使对象的动态特性有了很大的改善，有利于提高系统抵抗干扰的能力。5.从在系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特性，使控制过程加有较大变化的场合。串级控制系统从整体上看仍然是一个定值控制系统，主变量在挠动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是，串级控制系统通过在结构上从对象中引出了一个中间变量（副变量）构成了一个副回路，从而提高了系统的性能。串级控制系统中增加的副回路首先改善了对象的动态特征，提高了整个系统的工作频率，减小了过渡过程的振荡周期，在衰减系数相同的条件下，缩短了调节时间，系统的快速性得到了提高，系统的控制品质得到了改善；其次副回路将具有较大非线性的那部分对象包围其中，从而保证在操作条件和负载发生变化的情况下，控制系统仍然具有较好的控制质量。温度控制对象具有很大的滞后性和大惯性，温度上升缓慢，呈现非线性，使得建立数学模型非常困难，特别是夹套的数学建模。最近，针对这些问题提出了许多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制是一种非线性控制。它不是采用纯数学建模的方法，而是结合专家的知识和思维，智能控制的范畴。模糊化模块的功能是将输入的精确量按某些算法转换为模糊量。该模块的输入量包括了（1）首先处理输入量，将它变成模糊控制器需求的输入量。例如，当系统控制是按偏差（2）将已经处理过的输入量用新的尺度进行变换，使其在我们设定的论域里。知识库包括应用领域的知识和控制目标，通常由模糊控制规则库和数据库两部分组成。数据库主要包括了各语言变量的尺度变换因子、隶属函数，以及模糊空间的划分数等。模糊控制规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列的控制规则，反映了控制专家的经验和知识。模糊推理是模糊控制器的核心部分，该推理过程是基于模糊逻辑中蕴含的关系及推理规理得到的模糊控制量变成实际的控制量。它是把模糊量经过清晰化运算后变换成论域范围的清晰量，再经尺度变换转换成实际的控制量。本设计的模糊PID控制器采用“双输入三输出”的模糊控制器，输入量为温度的给定值PIDk5ddt+节-测量变送器1副调器-4D+PI模糊控制器包括输入量模糊化，模糊推理和反模糊化3个部分。（1）输入模糊化PID[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]，ΔK、ΔK、ΔK的模糊化子集为[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。PID隶属函数形状均采用三角形，函数关系如图5-2和5-3所PΔK、ΔK隶属度函数图ID在本系统控制器中，采用的是二维形式，因此其模糊控制器的控制规则可以写成下列条PIDPIDK，K和K的整定原则为：PIDDP（1）当e较大时，为使系统有良好的跟踪特性，应取较小的K与较大的K，同时为DP防止系统出现很大的超调量，应对积分作用加以限制，通常取K=0。IDIPIPIK应取不能太大，在这样的PDD取得较大些。通常K为中等大小。DK可D根据前人在电加热控制的经验，得出ΔK、ΔK、ΔK控制规则表如表5-1、5-2、5-3PID所示，选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量主要是来消除静态误差，NBNM表5-1ΔK的模糊规则PeNBNMNMNMNMNMNMNMNMNBNM表5-2ΔKINMNMNBNBINBNMeNBNBNBNMNMNMNBNBNMNMNBNMNMNMNM表5-3ΔK的模糊规则DDeZENBNBNBNMNSZEPSNBNMNMNSZEPSNBNMNSNSZEPSNMNM由上面的控制规则，根据输入的e和ec模糊化后得到E和EC，可以计算出相应的ΔK、PIDPPe2110211022210110000123IIeDDe011011012012020123通过查询模糊表，得到模糊的ΔK、PΔK、ΔK值，然后进行反模糊论域，进行变化可以ID由上面的控制规则，我们可以得到模糊控制算法流程图如下图5-4所示，具体实现如下。NYYN从模糊控制表中查出△KP、△KI、△KD的值Y△KP、△KI、△KD等于它们论域的上下限N首先将量化因子K1、K2、K3、K4、K5分别写入PLC中的DB3.DBD4、DB3.DBD8、DB3.DBD12、DB3.DBD16、DB3.DBD20，程序如图5-5所示。将模糊化后的E和Ec存入PLC中，程序如图5-8所示。采用基址+变址的方式来查询模糊表的输出结果，程序如图5-9所示。查模糊表得到△Kp、△Ki、△Kd，下面以△Kp为例，程序如图5-10所示。设定Kp、Ki、Kd的值，以Kp的值为例，程序如图5-11所示。图5-11参数的处理计算模糊化后的Ti、Td，程序如图5-12所示。启动模糊PID串级控制程序，程序如图5-13所示。6.1PLC的硬件组态和控制程序设计STEP7是西门子公司针对S7300所开发的一款编程软件，可以通过MPI接口实现PC和PLC之间的通讯，并在PC上对PLC下载和上载程序。(2)点击‘Next’按钮，出现如图6-2的对话框，选择CPU型号为CPU315-2DP，图6-2新建工程步骤2图(3)点击‘Next’按钮，出现如图6-3的对话框，选择要用的块O图6-3新建工程步骤3图图6-4新建工程名图2.硬件组态图6-5硬件组态窗口图(1)双击“SIMATIC300STATION”中的“hardware”（如图6-5进入硬件组态窗口，选择图6-6DP属性对话框图(3)在刚建立的‘PROFIBUS（1）’网络上添加通信模块IM153-1(6ES7153-1AA03-0XB0)，如331-7NF00-0AB0)、模拟量输出模块AO4x12Bit(6ES7332-5HD01-0AB0)和数字量输入输出模块DI8/DO8xDC24V/0,5A(6ES7323-1BH01-0AA0)。图6-10属性修改图(5)修改模拟量模块的属性：双击要修改属性的模拟量模块，在模块的属性对话框中可进行属性修改。如图6-9和图6-10，对模拟量输入模块的‘Addresses’和‘Inputs’属性进行了修改，在‘Inputs’属性中将测量类型设为‘E’(电压型)，测量范围为1..5V。同理也模拟(电流型)，测量范围为4..20mA。图6-11硬件组态结果(7)组态结束后，在CPU为‘STOP’模式下点击，将PLC的硬件组态下载到PLC中。(1)在“Blocks”中添加所需要编程的模块，进行编程。设计中主要用到的编程模块为①组织块(OB)是操作系统和用户程序之间的接口，它们由操作系统调用并控制循环和中断驱动程序的执行以及可编程控制器的启动，它们还能够对错误做出响应，通过编写组织块②OB1：用于循环程序处理的组织块，操作系统循环调用OB1并用这个调用启动用户程序图6-12程序所建立的模块③OB35：循环中断组织块，时间间隔100MS，优先级为12。④FB41：用于连续PID控制，其功能块产生相应的背景数据块DB41,显示FB41的输入输出参数,也就是背景数据块DB41内所有的参数，其主要结构如图6-13所示:图6-13DB41内部结构(2)创建“符号表”如图6-14所示，其中用符号“glwd”定义为‘锅炉内胆温度信号’的在模拟量输出模块中的地址为‘QW16’。使用STEP7编程软件中的LAD形式（即梯形图形式）编程①打开组织块OB1，在OB1中编写‘夹套和锅炉温度采集’的梯形图，如图6-15。②打开组织块OB35，在OB35中编写‘锅炉温度模糊PID控制’梯形图也是本课题中主要(4)编好程序后，鼠标点击将各个块的程序下载到PLC中。6.2WinCC组态界面的设计WINCC是西门子公司开发的上位机组态软件，通过WINCC可以与STEP7通讯，对控制对象进行远程检测和控制。具体设计步骤简述如下：运行“Wincc资源管理器”点击出现图6-16所示画面，选择‘单用户项目’，点击‘确建(E)’按钮完成工程的建立。2.添加逻辑连接若要使用Wincc来访问PLC的当前过程值，则在Wincc与PLC之间必须组态一个通讯连接。通讯将由专门的通讯驱动程序来控制。应该选择‘SIMATICS7ProtocolSuite.CHN’，并单击‘打开’按钮，所选择安装在‘变量管理器’下面的子目录里。图6-18添加驱动图道单元可以与多个自动化系统建立逻辑连接。逻辑连接表示与单个已定义的自动化系统的接在随后打开的如图6-20所示的‘连接属性’对话框中输入‘cpu315-2dp’作为逻辑连接名。(4)点击图6-20对话框中的‘属性’按钮，出现图6-21所示的对话框，进行‘连接参数’的设置，在默认的情况下将其中的‘插槽号’改为2。3.建立过程变量量。以建立一个名为‘夹套温度值’的过程变量为例。图6-23变量属性图图6-24地址属性图地址必须与PLC中的地址相对应。(4)在‘cpu315-2dp’处建立与本设计有关的所有过程变量如图6-25所示，其中变量组DB41用于与PID模块FB41对应的背景数据块DB41进行逻辑连接，变量组DB41中的过程变量如图6-26所示，变量组DB42中的过程变量如图6-27所示，变量组DB1中的过程变量如图6-28所示，图6-26变量组DB41中的过程变量图6-27变量组DB42中的过程变量图6-28变量组DB1中的过程变量4.建立内部变量在变量管理器的‘内部变量’中建立与本设计有关的所有内部变量如图6-29中的有蓝色一变量才建立的，事先一般不建立内部变量。5.设计监控画面介绍监控画面的制作过程是有一定的难度的，所以在此仅做个简单的介绍。右击‘图形编辑器’在出现的菜单中选择‘新建画面’(如图6-30所示)，新建的画面名为‘NewPdl0.pdl’，在此画面名上的右击可重新命名，命名为‘锅炉串级模糊PID温度控制’图形编辑器)，在此处制作温度控制系统的监控画面。制作好的监控画面如图6-31所示，下面就①添加“静态文本”监控画面中显示的汉字都是静态文本框，如“锅炉内胆水温PID控制系统”，具体操作如下：在‘对象选择板’中，选择静态文本(如图6-32)，用鼠标拖放到画图区合适的位置，并在其中输入文字如‘锅炉内胆水温PID控制系统’。用鼠标右击刚建好的静态文本，在出来的快捷菜单中选择‘属性’，出现如图6-33所示的对话框，可对静态文本的属性进行修改，在右②添加“输入/输出域”对象在图6-32中的‘对象选项板’中选择‘输入/输出域’对象，用鼠标拖放到画图区合适6-34I/O组态图单击‘更新’边上的下拉菜单，选择‘250毫秒’作为更新周期。在‘类型’处选择‘输出’形式。此输入/输出域主要用于显示内胆的温度值。其余各输入/输出域对应的过程变量为：③添加‘趋势图’对象在如图6-32中的‘对象选项板’上选择‘控件’选项卡，出现图6-36所示，然后选择WinCCOnlineTrendControl控件，用鼠标拖放到画图区合适的位置，出现如图6-37所示的‘WinCC在线趋势控件的属性’对话框，在“曲线”选项卡，输入‘测量值’作为第一条曲线的名称，单击‘选择归档/变量’框中的‘选择’按钮，在打开的对话框中选择‘pvtemp’变量。先在图6-38中的‘常规’选项卡的‘数据源’下拉菜单中选择‘在线变量’，然后回到‘曲线’选项卡，在‘显示类型’下拉菜单中选择‘步进趋势’。还可以在其他选项卡中进行属性设置，在此不做介绍。添加好‘测量值’曲线后，在‘曲线’选项卡中选择按钮，依次添加‘输出值’、设定值两条曲线，对应的变量分别为‘lmn_1’和‘sptemp’。打开WinCCOnlineTrendControl控件的‘对象属性’对话框，如图6-39所示，设置此控件的‘几何’属性，将位置X、位置Y、宽度和高度的动态位置添加内部变量x、y、with和high，这些变量的值决定了实时曲线的大小，由‘放大曲线’按钮和‘恢复曲线’按钮来控制，这些按钮的作用在后文有介绍。④添加“按钮”对象：在图6-32中的‘对象选项板’中选择‘按钮’对象，用鼠标拖放到画图区合适的位置，出现如图6-40所示的‘按钮组态’对话框，在‘文本’输入框内输入‘+’点击‘确定’按钮。用鼠标右击刚建好的‘+’按钮，在出来的快捷菜单中选择‘属选择‘事件’选项卡，双击‘鼠标动作’右边的符号，出现图6-42所示的‘编辑动作’编辑器，用于编辑脚本程序，在右边输入‘+’按钮的脚本程序：‘+’按钮的主要作用是：在WinCC软件运行时每按一次按钮，静态文本‘设定值(SP)’定值(SP)’下的输入/输出域中的值减1，最低只能减到0，即最低给定温度只能设定为0℃。sp=GetTagDouble("man");{}{}SetTagDouble("man",sp);当然也可以在静态文本‘设定值(SP)’下的输入/输出域中直接输入给定的温度值。运行系统，停止监控画面的远行。其脚本程序如下：#include"apdefap.h"voidOnClick(char*lpszPictureName,char*lpszObjectName,char*lpszPropertyName){iret=MessageBox(NULL,"确认退出吗?","警告",MB_YESNO|MB_ICONQUESTION|MB_SYSTEMMODAL);{DeactivateRTProject();}WinCC软件运行时按下此按钮，我们会将在线趋势控件的位置和大小改变，此时此控件的几何属性‘位置X、位置Y、宽度和高度’分别变为1、48、1115和725，放大后的曲线如floata,b,c,d;a=GetTagFloat("x");b=GetTagFloat("y");c=GetTagFloat("with");d=GetTagFloat("high");SetTagFloat("x",a);SetTagFloat("y",b);SetTagFloat("with",c);SetTagFloat("high",d);图6-45恢复后的曲线（自动模式）floata,b,c,d;a=GetTagFloat("x");b=GetTagFloat("y");c=GetTagFloat("with");d=GetTagFloat("high");SetTagFloat("x",a);SetTagFloat("y",b);SetTagFloat("with",c);SetTagFloat("high",d);WinCC软件运行时按下此按钮，我们可以启动PLC中的PID模块，对应的过程变量为二进制变量‘启动’，脚本程序为:SetTagBit("启动",1);//将‘启动’置为1WinCC软件运行时按下此按钮，我们可以停止PLC中的PID模块，对应的过程变量为二进制变量‘启动’，脚本程序为:SetTagBit("启动",0);//将‘启动’置为0WinCC软件运行时按下此按钮，我们将PID模块设置为手动输入模式,此时可以进行被控对象的开环特性的测试，对应的过程变量为变量组DB41中的二进制变量‘man-on’。脚本程SetTagBit("手动",1);//将‘man-on’置为1WinCC软件运行时按下此按钮，我们将PID模块设置为自动模式,此时程序将对被控对象SetTagBit("手动",0);//将‘man-on’置为0WinCC软件运行时按下此按钮，在图6-45的右下方会出现PID参数整定区，进行P、I、D三个参数值的设定，和控制这些参数的开关。WinCC软件运行时按下此按钮，在图6-45的右下方会出现趋势图，在此观察锅炉温度的通过对PID控制参数的设计，就可以让测量值跟踪设定值，达到控制的目的。我们可以在计算机的屏幕上监控控制对象。7.1建立被控对象的数学模型对于采用PID控制的闭环控制系统来说，我们并不要求有很准确的建立被控对象的模型，因此在精度要求满足的情况下，我们常用低阶传递函数来拟合被控对象。对于电加热炉，其图7-1被控对象的阶跃响应曲线间常数T可通过作图的方法得到，在图7-1响应曲线的转折点P处作一切线(也就是这条曲线这种近似方法拟合精度较差，但方法简便，而且实践表明它可以成功应用于PID调节器控制加在电加热管两端的电压大小，输入0时相当于关断电加热管，输入100时相当于在电加热管两端加上额定的电压。2.手动模式下，在‘输出值(OP)’下的‘输入/输出域’中输入40，即此时PID控制器的输出为40%，且控制器处于开环工作状态。得到如图7-3所示的特性曲线，其中浅绿色的曲线为内胆的特性曲线；蓝线是控制器的输