基于单片机的温度控制系统

第2章控制策略选择与建模2.1温度控制策略在工业自动化控制领域中，由于被控对象的机理复杂性、工业生产过程的不确定性等，传统PID控制理论的应用受到了极大程度的限制，20世纪70年代以来，为了改变传统控制理论难以满足日益提高的工艺控制要求的现状，控制领域的研究人员为实现建立更加准确的数学模型，一方面从数学模型建模机理出发，对系统辨识、数学建模、自适应控制、鲁棒性等方面进行了深入研究。不仅如此，通过研究提高算法的自适应能力以降低对模型精确度的要求，主要以快速发展的计算机技术为应用基础，针对温度变化过程的复杂特性，不断研究开发出多种对被控对象数学模型要求低、性能优异的控制算法。像Smith预估控制、BP神经网络控制、模糊控制以及由多种经典控制算法相互结合的复合控制算法。在各领域各学者的共同研究努力下，各行业各领域正不断更新更先进的智能算法以实现对温度控制过程的精确控制。达到令人满意的控制效果。2.1.1传统PID控制算法PID即比例（P）、积分（I）和微分（D）控制算法，自上世纪PID控制提出以来，随着技术的快速发展和不断进步，PID控制算法已深入到工业过程的各个领域，已成为自动化控制中最为成熟的基础控制思想。在温度控制、湿度控制、流量控制以及阀门开度调节等各个领域都能见到PID控制的范例，在温度控制领域中对PID控制算法的应用较广泛，而且也已经积累了大量的工作经验，同时也取得了丰硕的应用成果[5]。其中PID控制系统结构如图2-1所示。图21传统PID控制系统结构图1）比例（P）调节根据偏差信号成比例的对系统做出相应调节，优势是比例调节具有响应速度快、调节幅度大的特点，但出现系统偏差或偏差信号不为零时，系统会快速成比例做出调节作用以减小系统偏差，实现对系统的调节，缺点是在比例参数偏大时，会产生因为调节幅度过大而引起系统稳定性下降的现象。数学表达式如下。∆Y=2）比例积分（PI）调节比例积分调节是在比例调节的基础上加入积分作用。积分调节的主要作用是为了消除系统的稳态误差，进而实现提高无差目标。优势是只要系统中存在误差，积分的调节工作就会一直进行，直至误差为零，这时积分调节工作才会停止[6]。数学表达式如下。∆Y=KP3）比例积分微分（PID）调节在比例积分调节的基础上加入了微分控制。微分的调节作用是反映出系统的偏差信号的变化率。因为其具有一定的预见性，能提早预见出系统偏差变化的趋势，因此能对被控制对象产生超前的控制作用。即在偏差还没有形成或者还没有对系统造成一定程度的影响之前，就已被微分调节作用消除掉，优势是该调节作用可以改善系统对动态变化环境的动态调节性能[7]。如果调节过程中选择了一个较为合适的微分时间，那么就可以很大程度的降低超调，同时也可以减少对系统的调节时间[8]。数学表达式如下。∆Y=KP2.2被控对象分析2.2.1工作原理如图所示，在密闭房间中，主要由加热炉及风机盘管作为被控对象。图22房间温度控制的工作原理2.2.2加热炉实验室用加热炉为小型电阻丝加热炉，他主要电热体和绝缘材料两部分组成，电热体是用来将电能转换为热能，绝缘材料起保温作用。电阻丝加热炉是一个将电能转化为热能的装置，当电流I流过电阻R的导体时，经过时间t便可产生热量Q[9]。公式如下：Q=0.24I2Rt实验室用加热炉外形如图2-3所示。2.2.3风机盘管风机盘管主要依靠风机的强制作用，加速房间空气流通，从而降低房间温度。其工作原理是机组内不断的再循环所在房间的空气，通过冷空气的循环流通保持房间温度恒定。图23风机盘管外形2.3控制要求本研究选用房间温度控制作为现场控制应用案例，控制对象为房间温度，具体的技术指标及控制参数如下所述：测温范围：-20℃—50℃；控温误差：≤0.5℃；超调量：≤1℃；当温度超过设定值10%，报警。2.3温度控制模型的建立众所周知，热传递是一个过程变化，它的变化是缓慢可见的。温度上升的速度与被控对象的温度属性有极大的关系，一般情况下温度的升降速度与时间是程一个指数曲线关系。而产生滞后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[10]。通过对房间温度的变化过程进行数学模型的描述，确定温度变化的简化模型。数学模型传递函数为： G(S)=kTs+1e-τs式（2-5）中各符号意义如下。表23数学模型符号意义T惯性环节的时间常数k惯性环节的放大系数τ滞后环节的延迟时间温度控制系统中被控对象会随着时间的不同，具有不同的时间常数和滞后时间，其常数T的变化范围为6~9，滞后时间的变化范围为2~3S。2.5本章小结本章首先简述了自动控制领域控制策略的发展历史，重点分析了PID控制理论的理论基础及优缺点。然后对房间温室控制进行了简要介绍，深入分析了被控对象的工作原理及相关特性。然后，明确了控制系统性能指标。最后，建立了房间温度控制的简单数学模型。第3章系统硬件设计3.1总体结构设计根据性能指标参数及控制要求，本研究设计了一套以PLC为主控系统、MCGS为人机交互界面的温度监控站系统。为了更好的应用于集中管理的工业现场，适应工业控制网络化的发展趋势，系统设计为分布式管理控制结构，系统总体结构设计如图3-1所示。图31系统总体结构设计图3.1.1 控制系统PLC可编程控制器（ProgrammableLogicController）功能强大、通用性强，以PLC为基础的自动化工业生产线被广泛应用到各行业。坚固的机械结构和特有的控制方式，使其能适应恶劣的工业现场环境，且CPU类型及附加功能模块种类多、可靠性高、有较强的抗干扰能力，可用于几乎任何工业控制领域。因此，本研究设计采用PLC作为主控系统。3.1.2 人机交互界面MCGS是一套常用的组态软件，它能方便的设计上位机监控系统，在工业自动化生产中被广泛应用。MCGS组态软件之所以受人们青睐，是因为其具有直观、容易操作等优点，操作者可以在短时间内学会其使用方法。MCGS软件采集现场的信息，通过动画显示、报警等多种形式为用户提供大量信息。MCGS软件包括组态和运行两部分，这两部分既相互独立又联系密切，组态部分主要包括画面设计、报表、建立变量等，运行部分主要包括现场的控制、报表的打印、控制流程的动画显示、报警等，两者各有各的功能，两者组合使用完成相应的组态工程，其功能结构如图3-2所示。图32MCGS工控组态软件功能结构图3.2控制站元器件的选型PLC的CPU类型及附加功能模块种类繁多，且不同版本间差别极大，各个版本均配有不同的上位机软件。根据本设计的控制对象特点及控制要求选择合适的PLC及其功能模块，对于提高温度控制效率具有重要作用。控制站元器件的选型主要依据本研究要实现的控制要求，CPU结构及其他元件的选型均是在以满足控制要求为理论前提，一般情况下，在工业过程中人们首先通过清晰、全面且正确的理解控制过程，然后精确计算系统对输入/输出点数的需求量，进而估算需要的CPU存储器容量，根据具体的控制要求，选取合适的功能模块[11]。3.2.1CPU结构类型的选择S7-1200作为Siemens公司最近推出的一款新型PLC控制器，作为S7-200的升级替代品，在其原有基础上不仅改良了很多原有功能并新加了许多新的功能，并且价格接近，与S7-200相比而言，S7-1200能更好的实现控制要求；S7-1200不仅价格合适，更是沿用了S7-200简单易用的特性，这是不同于S7-300/400的十分明显的优势，因此，在该系列均能够完全实现控制要求时，选择S7-1200显然更符合我们的需求。并且，S7-1200的工程组态软件TIAPortal高度集成、功能强大。因此，S7-1200是本方案CPU的最佳选择[12]。参照CPU性能参数表和控制系统I/O分配信息，根据PLC的CPU选型规则，选择SIEMENSS7-1200系列CPU1214CDC/DC/DC作为现场核心控制器。其外形如图3-3所示。图33S7-12001214C外形结构图3.2.2CPU内存容量的选择通过对温度控制过程的分析，温度控制系统I/O分配情况，如表3-4所示。表34I/O分配表输入信号信号元件及作用元件或端子位置VIN00~5V给定电压电位器VIN11~5V电压信号温度变送器输出端输出信号控制对象及作用元件或端子位置VOUT00~5V电压调压模块控制信号端CPU1214C的内部寄存容量如下表所示。表35CPU主要性能参数表参数详细信息CPU1214C紧凑型CPUAC/DC/继电器机载I/O14个24VDC数字输入程序/数据存储器100KB3.2.3触摸屏的选型触摸屏作为人机交互接口，关系着整体系统的安全性，本研究方案采用MCGS触摸屏，它具有简单灵活的可视化操作界面，且高度符合中国人的操作习惯；良好的并行处理能力，保证了人接交互的实时性；完善的安全机制，保证了整个系统的稳定性；强大的网络功能，可实现分布式集中控制。MCGS触摸屏外形如图3-4所示。图34MCGS触摸屏外形3.3温度检测元件温度检测元件是整个控制系统的信息采集即系统输入部分，工作原理是通过将采集到的温度值（摄氏度）通过相应一一对照关系转变为电流或者电压的电信号以提供PIC分辨识别。如何选择温度检测元件对实验结果有十分重大的影响，因为对于整个温度控制而言，输入信号（采集的温度值）的准确与否，意味着我们能实现的控制水平上限。根据对被测物体测量方式的不同，温度传感器可分为：集成电路温度传感器、热电偶、接触式温度传感器、非接触式温度传感器、电阻温度传感器等[13]。3.3.1电阻温度传感器电阻温度传感器具有随所处环境温度值变化而同步变化的特性，其材质多以具有该能力的导体或半导体为主。根据电阻温度传感器的电阻值随温度变化的线性对应关系，测得导体或半导体的阻值大小后即可由电阻式温度传感器的测温原理计算出所处环境的温度值。电阻式温度传感器华由于其材质多为导体或半导体，因此在防氧化等普通工艺性能上表现十分良好，不仅如此，他还在电阻变化、温度敏感度等物理、化学性能上非常稳定。电阻式温度传感器由于其价格优势已广泛应用于各大工业市场，此外还具有测量稳定及准确度较高等优势。综上考虑，本研究设计选用铂电阻的电阻式温度传感器，由于铂电阻本身尺寸较小，因此可适用于各种形式的封装且封装尺寸可做到封装直径2mm或更小，适用于各种测量空间的安装，特别是对部件布局紧凑性要求较高的环境，电阻式温度传感器在工业控制系统中应用最为广泛[14]。其输出电流与温度对应关系如下图3-5所示。图35输出电流-温度转换图3.3.2温度变送器上文中我们选用了电阻式温度传感器，由于电阻式温度传感器的工作原理是通过电阻值的变化测得温度信号，但此时的温度信号一般不能被控制系统很好的识别，需要经过温度变送器转化为标准工业控制电压或电流信号，才能被温度控制器所接收并进行处理。随着测量技术的发展，现代化工业控制温度测量领域传统形式的温度变送器已基本被一体式的温度变送器所取代[15]。一体化温度变送器，就是采用将信号采集电路与信号处理电路进行一体化的设计思想。将温度变送器与信号处理单元相集合，各司其职并能快速的在一体化结构下完成对温度信号的采集和变送。其中电阻式温度传感器对温度变化产生的电阻值变化进行采集，然后送入一体化的信号处理电路中，信号处理电路通过信号放大、零点调整或热电偶补偿等方式实现对采集信号的标准化转换。被处理过的温度信号，经过信号转化电路进一步转换成标准的4~20mA的电流信号或1~5V电压信号，电流信号或电压信号的大小与温度值及电阻值变化相呼应。通过电流或电压可间接反映实际温度值[16]。一体化温度变送器的外部接线示意图如图3-6所示。图36一体化温度变送器外部接线示意图3.4温度控制元件单项固态调压模块的作用是接收模拟量4~20mA电流信号或1~5V电压信号或电位器信号，产生可调的交流电压，实现对温控炉热元件供电电压的控制。接线图如下图所示。3.5本章小结本章根据控制要求及实际操作流程，设计了一套基于PLC的温度监控站系统，并详细说明了各硬件的选取原则和理由。首先，确定了现场主控元器件的选择。同时，介绍了作为被控对象的加热炉及温度传感器和一体化温度变送器。最后，综合配置形成依托实验室教学平台为基础设施的温度控制站系统。第4章系统软件设计根据控制要求完成硬件配置后，接下来开始系统软件的设计工作。系统软件包括下位机软件与上位机软件，其中下位机软件主要完成现场传感器信号的采集、执行机构动作的控制以及控制算法的实现，上位机软件是系统的人机交互窗口，主要完成对设定值的录入、实时温度值的显示和温度数据的储存记录等任务[17]。4.1上位机的设计4.1.1主控界面的设计本研究选择西门子组态软件TIAportal进行上位机的组态，TIAPortal是西门子公司推出的全集成的工业自动化软件，可以高效灵活的完成项目组态、网络搭建、程序编写、在线诊断、远程操作及故障报警等。主要功能是完成环境温度输入并下载到PIC中、实时温度值的状态显示以及对各测量点温度值的历史归档记录等。图41控制变量设置4.1.2监控界面的设计本研究的重点内容就是按照要求对生产过程中温度的实时监测和控制。研究选用MCGS触摸屏TPC7062KX作为人机交互界面。图42主画面控制窗口4.2下位机软件设计4.2.1温度控制主程序温度控制主程序的设计思想是：首先将设定温度录入PLC的内存空间，提取当前时间下的温度设定值，与采集得到的温度值进行比较，若设定值大于等于实时温度值，则返回，不进行任何操作；若设定值小于实时温度值，则由CPU进行参数自整定模糊PID运算，输出控制信号驱动执行机构动作，进行温度调节，直至实时温度值符合当前设定要求[18]。温度控制的主程序流程图如图4-3所示。图43温度控制主程序流程图4.2.2温度周期采集子程序为保证采样周期时间的准确性，程序编写过程中采用定时中断的形式进行周期性的温度采集工作。周期采样流程图如图4-4所示。图44周期采样子程序流程图4.3PC、PLC与MCGS的通信组态本设计方案采用SiemensS7-12001214C作为操作站的主控元件，MCGS作为监控站组态软件。在PC、PLC与MCGS三者的的通信组态对整体系统的性能具有很直观的影响。人机交互界面的实时性是关乎整个系统控制能否达到控制精度要求的重要指标，对于能否满足工程要求十分重要。4.3.1PROFIBUS-DP通信PROFIBUS是目前国际上最为通用的现场总线标准之一。PROFIBUS-DP是一种高速低成本的通信方式，专为自动控制系统和分布式PLC控制方式设计。PROFIBUS-DP既适用于自动化系统与现场I/O单元的通讯，也可用于直接链接带接口的变送器、执行器。监控装置及其他现场仪表，有效的实现了对控制系统的实时通讯。极大地提高了系统的工作效率。4.4系统调试自动化控制系统由硬件部分和软件部分组成，系统调试主要是指对软件部分的调试工作，因为硬件部分的调试主要是对电气部分的接线是否准确、模块之间的通信是否正常，这些问题在软件进行基本功能调试时都会被检测与确认[19]。系统软件调试主要包括以下内容。4.4.1PLC控制主程序的调试房间温度控制的PLC程序结构图如下所示，具体包括OB1（主程序）、OB200（循环程序模块）、FB1130（PID块）、DB1（PID工艺对象数据块）。图45PLC程序结构图第一段程序的功能为将实际温度转化为HMI显示格式，其中5529代表4mA，27648代表20mA。具体程序如下所示。图46温度格式转化程序如图所示是温度检测与变送程序，其中设定温度通过读取存储区可知。具体格式转换程序如下。图47设定温度格式转化如图所示是手动/自动切换程序，手动模式是为确保当温度值超过设定值时，即超过自动控制能力范围时，能够确保系统的稳定。或者在突发情况下为人为介入温度控制提供了可能。具体程序如下。图48模式切换程序如图所示为故障报警程序段，其作用是当情况超出系统处理范围或出现意外情况无法正常进行系统控制时可发出警报，提醒操作人员。具体程序如下。图49故障报警程序如图所示是阀门开度格式转换程序，其原理与设定温度格式转换相同。具体程序如下所示。图410阀门开度格式转换程序4.4.2温度周期采集子程序的调试通过循环中断调用温度采集子程序，其中循环中断采样周期设置为100ms，如下所示。图411采样周期设置如下图所示，为温度周期采集子程序与PID块的集成，其中控制系统的主要运算都是在本模块完成，具体程序如下所示。图412循环子程序4.5本章小结本章概述了系统软件的设计，从上位机监控画面的组态、下位机温度控制程序的PIC编程方法以及通信方式三个方面进行了具体的描述。首先，概述了PIC、PC和MCGS能够建立连接的主要方式、本系统的最终选择和具体的配置方法。然后，讲述了下位机软件的主要流程思想，并详细介绍了温度控制算法的PLC实现，结合工人操作习惯，根据系统的控制需求，对监控界面进行了设计。最后对PIC自动控制系统开发的调试做了简单的介绍。第5章MCGS组态模拟系统设计操作者通过对MCGS组态模拟系统的设计，实现在MCGS触摸屏对实际工作情况的监控和对极限工作条件的模拟。触摸屏可直观展现温度控制系统的运行情况并实现意外情况下的手动控制。5.1MCGS组态模拟系统的建立首先是对本设计所需硬件对象元件的建立，房间温度控制系统所设计的温度控制对象有：一体化温度变送器、热电阻测温元件、加热炉、风机管盘等。相关元件均可在元件库中找到，按照现场分布对整体位置结构进行安排。分布图如下所示：图51组态系统位置结构图5.2运行策略建立完硬件组态模拟后，该模拟系统已经有了初步的模样，但仅有这些硬件是完全不能让这个模拟组态动起来的，因为各硬件组态并没有与之关联的数据及逻辑程序。由于MCGS可以接受上位机数据，故我们从PLC程序中输出的数据对其进行控制，这样就可以将之前设计的PLC控制程序通过MCGS在触摸屏完美的模拟出温度控制系统实际的运行状况。根据需求，本模拟所需要的运行策略如下图5-2所示。图52组态系统运行策略5.3自动模式PC连接至PLC，上传程序，在人机界面设定温度25℃，开始运行，热电阻测温，由一体化温度传感器传送给PLC，PLC通过profibus-dp协议将温度值发送给MCGS，此时界面显示温度