【《基于PLC的恒温系统PID控制系统装置设计》16000字】

基于PLC的恒温系统PID控制系统装置设计目录TOC\o"1-3"\h\u32249第1章绪论 2324121.1课题研究背景和意义 2174581.2恒温控制国内外研究现状 373941.2.1可编程逻辑控制器 3221881.2.2控制算法发展现状 4238571.3本文主要研究内容 628579第二章恒温系统PID控制实验装置设计原理 6166952.1温度控制系统概述 72392.2温度测量模块原理 7304342.2.1常用测温原理介绍 7159772.2.2温度传感器补偿方式原理 9208962.3温度控制模块原理 10268182.3.1常用温度控制介绍 10180412.3.2基于PID的温度控制算法 10173292.4可编程逻辑控制器（PLC） 12189182.5本章小结 1215068第三章恒温系统PID控制实验装置硬件系统设计 1496373.1恒温系统PID控制实验装置总体方案设计 1448603.2恒温系统PID控制实验装置硬件组成 14199193.2.1PLC 14125393.2.2温度变送器 15143333.2.3固态继电器 1538673.2.5铝块 1531393.2.6触摸屏 16308403.2.7热电阻 1618583.2.8其他附件 1795593.3主电路设计 19239803.3.1主电路组成 19263983.3.2测温电路设计 20135403.3.3控温电路设计 20186723.4系统搭建 2186113.5本章小结 2229244第四章恒温系统PID控制实验装置软件系统设计 22258004.1人机交互界面设计 22170974.1.1监控界面设计 2281364.2PLC程序开发与设计 2371614.2.1测温程序 24177374.2.2加热程序 24105934.2.3风冷程序 26286574.3本章小结 2619176第五章恒温系统PID控制实验数据处理与分析 27226535.1系统运行 2753815.2实验结果与分析 28116565.2.1恒温系统PID控制实验装置比例系数作用分析 28163485.2.2恒温系统PID控制实验装置积分时间作用分析 29252735.2.3恒温系统PID控制实验装置微分时间作用分析 30256685.3本章小结 3131278第六章总结与展望 3176785.1结论 3187915.2展望 31第1章绪论1.1课题研究背景和意义温度作为人们生产生活过程以及科学科技实验中常见又重要的物理参数之一，开尔文以绝对零度作为温度的初始点，即将水的三相点温度准确定义为273.16K后所得的温度REF_Ref15006\r\h[1]。对温度的应用主要有测温和控温，而控温往往又伴随着测温。随着社会经济的突飞猛进与科技的日新月异，对于环境温度的测量与控制的需求也在水涨船高，人们学习生活中也对于不同温度变化也非常敏感，根据相关研究学术论文指出，变化无常的温度甚至能够影响人的道德判断REF_Ref17703\r\h[2]，由此看来，温度控制系统对于人们日常生产生活也显得举足轻重。生产、医疗、工业、科研、军事、航空航天等领域对温度的详细要求也更加严格。例如，在工业生产中，工业锅炉是通用设备之一，如果更准确地控制其蒸汽温度，可以提高其热效率，从而节约能源REF_Ref22834\r\h[3]；而像2016年"山东疫苗事件"一样，是因为运输过程中没有保护低温疫苗，引起全国一片哗然REF_Ref25743\r\h[4]；在航空航天领域，为了传回准确的图像，对于空间相机的工作环境温度控制会影响光学元件及结构件相对位置改变从而影响成像质量REF_Ref25766\r\h[5]。像类似此类事件由于温度变化所影响生产生活社会发展以及科学研究结果的例子应有尽有。这表明温度控制的重要性,温度控制不仅在人们的日常生活产生影响更多的是至关重要的领域的工业生产,但由于温度控制场景不同,想要建立在完全符合实际使用的环境条件是非常困难的。然而，由于温度控制的主要要求包括精度、快速性和稳定性，为了达到理想温度的目标，使用温度控制系统进行仿真和实验控温，即搭建温度控制测试装置拥有巨大的应用价值和实际意义。1.2恒温控制国内外研究现状目前为止，自动化工业控制已经显然成为一个热点，一个国家自身的自动化发展现状彰显了一个国家的工业实力。即使中国的年消费总量已经位居世界前列，但是由于我国企业前期工业技术基础薄弱，导致很多关键领域自动化系统控制研究领域仍相对比较落后，与其他国家对比，当时我国在温度控制领域的技术和发展成果较为薄弱。国家温度计量检定所在1957年设立了热工处，从此象征着我国温控方面工作的起头REF_Ref8684\r\h[6]。但在那之后，发展的进程非常缓慢。通过几十年学习吸收国内外先进科学技术，并且引进了多个先进温度控制管理系统，通过信息技术创新完成了产业经济快速转型。这极大地促进了我国温度测量和控制的进步，但在许多方面还存在差距REF_Ref1087\r\h[7]。1.2.1可编程逻辑控制器可编程控制器(PLC)是控制领域常用的电子产品，其内部存储程序使用可编程存储器REF_Ref22793\r\h[8]。我国自身的国情是属于一个发展中国家，但是正在努力的成为世界新的制造业领头人。而在控制领域中，PLC作为控制系统的不二选择，同时，机械行业也必然要实现自动化控制，以提高劳动生产率和产品质量。而且PLC在我国的应用潜力还远远没有得到充分发挥，由此看来，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期，使我们的生活更加方便REF_Ref4455\r\h[9]。在PLC产品的开发与使用上国外的公司发展一直都是处于一个绝对领先的地位，如以西门子为代表的的一些欧美PLC厂商技术已经进行研究工作多年。PLC最早应用于20世纪60年代末的汽车工业自动化设备中，主要是由机电继电器和面板硬连接线圈组成的分立的非刚性电路控制。通用汽车有限公司发展设想计算机技术可以用来执行逻辑系统功能，然后由继电器执行。吉尔德莫迪康公司开发了第一个PLC型号为084PLC安装在通用汽车公司的奥兹莫比尔分部和宾法西尼亚州兰迪斯的兰迪斯分部。而如今，PLC在许多应用中得到了非常广泛的使用。目前世界有二百多家生产和研发PLC的厂商，其中国外厂商占据了绝大多数，我国作为制造业大国，各种型号的PLC供不应求，但是由于PLC绝大多数的市场份额都被外国厂商所把握着。1.2.2控制算法发展现状对于温度控制的需求非常普遍地出现在社会生产生活以及科学研究的各个领域，如工业制造、家居使用、电器领域等。由于各种控制条件下不同的控制要求，出现了种类繁多的温控方法REF_Ref22887\r\h[10]。(1)PID控制各个国家根据PID控制理论并融合各种其他的控制算法，对温控进行了深入的研究REF_Ref8880\r\h[11]。PID控制器已经有接近一个世纪的使用历史，因为其具有结构简单、稳定性好和工作可靠以及调整方便等独到之处从而被广泛应用于中国的自动化工业生产中REF_Ref27038\r\h[12]。PID产生并发展于二十世纪初期，在工业生产过程中使用PID可编程逻辑控制器以及其改进型的控制器几乎占到全部。在二十世纪中叶，泰勒仪器公司的Zieiger和Nichols等人分别在开环和闭环的情况下，用实验的方法分别研究了比例、积分和微分这三个部分在控制中的作用，首次提出了PID控制器参数整定的问题REF_Ref8965\r\h[13]。(2)神经网络控制神经网络控制管理方式与PID控制存在些许差异，其主要是应用在变频器的控制过程中，不仅如此，神经网络控制还可以实时控制不止一个变频器。其更主要还是控制比较复杂系统的内部结构。其非常适合作为多个变频器级联时控。而由于我们对信息系统整体框架了解甚少，需要神经网络完成辨识的功能，与此同时进行准确地控制。心理学家赫布通过大脑在学习之后形成的条件反射来对神经细胞进行了相关研究，提出与神经元连接强度变化规律相关的Hebb学习规则，至此人工智能神经网络研究引发了对于自动控制研究高潮REF_Ref32387\r\h[14]。(3)模糊控制1965年美国的L.A.Zadeh创建了模糊集合论，而到了1973年，L.A.Zadeh给出了模糊逻辑控制的定义和相关定理，直到1974年，英国的E.H.Mamdani通过模糊控制语句完成了模糊控制器，不仅如此，E.H.Mamdani还通过使用模糊控制锅炉与蒸汽，以此为标志，意味着模糊控制论的诞生，模糊控制机构框图如图1-1所示。在2013年，巴西的WangerFontesGodoy等人使用模糊控制器为PID输出信号，从而设计了一种全新的温控方法REF_Ref5689\r\h[15]。在如今通过各种各样工业生产自动化管理控制生产线中，模糊控制自己已经发展成为最受欢迎的控制工程技术方法之一REF_Ref5817\r\h[16]。1985年营野道夫的专著《模糊控制》问世，更是从理论上对于模糊控制器进行了全面的总结和分析REF_Ref23064\r\h[17]。图1-1模糊控制机构框图(4)专家系统控制专家系统控制是一种发展具有一个特定文化知识经济领域专家级知识和经验的计算机信息系统，是人工智能中最具实用价值的技术，已广泛应用于诸多领域。专家系统基本结构如图1-2所示REF_Ref8655\r\h[18]。图1-2专家系统基本机构中国目前正在进行产业转型升级。随着我国化工温度控制的不断发展，一些先进的温度控制算法已广泛应用于实际生产中REF_Ref8733\r\h[19]。太原理工大学的魏小字等人提出了在传统PID算法中加入模糊控制和比例设定值权重，解决了反应釜温度控制的滞后性以及跟随性较差等问题REF_Ref23149\r\h[20]；天津理工大学的张燿等人结合半导体制冷技术，着重研究温度控制的相关算法，设计出了一款基于模糊PID算法的高精度大范围温度控制系统REF_Ref10504\r\h[21]；西安交通大学的赵亮等人通过有限元模型有效预测受热元件的热特性变化规律为温度控制提供了一种新的思路。温度控制的重要性不言而喻，德国宣布进入工业4.0，中国也正处于转型升级的重要关头，做好温度控制系统具有重要意义。基于以上数据分析结果可知，温度控制在日常生产社会生活中不可或缺，安全稳定的工作学习环境是保证信息系统进行稳定高效运行的基础。因此，设计一套恒温系统PID控制进行实验装置来模拟对温度的控制技术具有一个重大的现实社会意义和应用企业价值。本课题主要针对温度控制问题，结合PID算法，设计了一个温度控制系统，主要功能是快速控制被控对象的温度，精确控制设定温度，并保证其稳定性。1.3本文主要研究内容本课题研究设计一套铝块恒温控制管理系统通过实验装置，实时数据采集温度并实现恒温控制。实验装置的设计包括硬件设计和软件设计两部分。以西门子SP-200PLC作为控制器，PT100热电阻进行温度采集，威轮触摸屏交互界面为显示界面，电加热器为控制对象，用PID算法实现恒温控制。要求铝块恒温控制系统运行正常，温度控制范围为40-100℃，交互界面设计合理，交互界面上需包含目标温度，实时温度，比例P值，积分I值，微分D值，加热启动，加热停止，铝块温度与时间的变化曲线等。本文搭建铝块恒温控制实验装置，完成基于S7-200PLC的程序开发与调试。主要内容如下：综述温度控制的发展研究过程以及国内外温度控制技术领域不断发展实际情况，介绍现在主流的温度控制工作方式方法以及关于温度控制的成果。介绍基于PLC使用PID控制铝块温度的工作原理。恒温系统PID控制实验装置硬件系统设计。恒温系统PID控制实验装置软件系统设计。对恒温系统的PID控制的实验结果进行了调试和测试。恒温系统PID控制实验装置设计原理在前一章中，概述了温度控制系统的概念及其国内外发展现状，说明了温度控制系统在日常生产和生活中的重要性。为了更深入了解温控系统的本质，本章将介绍温控系统中如何测温以及如何控温的原理和系统主要设备组成部分以及运行工作原理。本文设计的温度控制系统主要由温度测量和温度控制两个核心部分组成，包括电源模块、散热模块、执行器、温度传感器和温度控制模块。同时，为了满足简单、直观、易操作的要求，本文设计的温度控制系统基于人机交互模块。基于以上数据分析问题展开对恒温系统PID控制进行实验装置的设计。2.1温度控制系统概述温度测量特别是温度控制在当前的生产生活中起着重要的作用。舒适健康的日常环境是幸福生活的基础，稳定安全的生产环境是高效工作的基础。温度控制反映在各种工业领域，如电子技术、钢铁生产和机械制造，从细菌形成的小群落到航天工业的各个方面，所有涉及和干扰温度变量，即使是最细小的事件也不能脱离温度控制的过程。因此，做好温度控制管理系统具有重大的应用研究价值和现实意义。可编程控制器(PLC)是一种利用计算机实现工业生活和生产自动控制的新型装置。它具有效率高、成本低、可控性强、易于编程等特点。在PLC的基础上，使用PID算法对温度进行控制。2.2温度测量模块原理2.2.1常用测温原理介绍对温度进行测量是温度控制管理系统的重要组成一个部分，为了能够实现温度的精准控制，则需要通过精准的温度测量。因此，温度测量是温度控制系统的基本组成部分。测温方法有很多，如图2-1所示，基本上可以分为接触式测温方法和非接触式测温方法:图2-1温度测量方法分类接触式测温方法原理及特点接触式测温技术主流的一般囊括膨胀式测温、电量式测温、接触式光电信息以及热色测温等等。接触式温度测量一般测量被测物体和传感器之间的平衡温度，这要求与被测物体或介质完全接触。膨胀式测温方法膨胀式测温较为传统，如我们所熟知的水银温度计（如图2-2）。它主要采用物质的热膨胀和冷却原理来测量温度，通过根据温度的体积或几何变形将其与温度联系起来确定温度与变形的关系。膨胀式测温技术方法主要内容包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计。图2-2水银温度计电量式测温方法电测温法主要利用材料的电势、电阻等电性能与温度的关系来测量温度。包括热电偶温度测量、热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。其是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量，输出信号大，准确度也比较高，稳定性好。接触式光电接触式光电测温技术方法主要是指通过接触被测对象，从而将温度不断变化所引起的热辐射或其他光电信号可以引出，通过研究光电信号转换器进行检测其信号，从而能够获得测温结果的方法。其可以有效避免非接触式温度计那样容易发展受到被测对象表发射率和中间工作介质的影响。热色测温方法热色测温方法主要通过温敏材料在不同温度下的颜色变化来指示温度变化，包括指示温度的涂料和指示温度的液晶，这种方法实际上使用简单，但主要依靠人工才能进行。（2）非接触式测温方法原理及特点非接触式测温技术方法则不需要与被测对象进行接触，因此我们并不会干扰温度场，其动态发展特性分析一般也非常好，但是会受到测量工作介质物性参数或测量数据对象表面状态的影响。非接触测温方法主要有辐射测温、光谱测温、激光干涉测温、声测温等方法。辐射式测温方法辐射测温主要以热辐射定律为基础，但由于实际物体一般不是黑体，因此引入了辐射温度、亮度温度和色温的概念，基于上述三种方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度高温计和比色高温计。光谱法测温方法光谱法测温系统主要工作原理为当单色光线照射透明的物体时，会发生光的散射实验现象，其中散射光又包括弹性散射和非弹性散射，光谱法测温技术主要研究用于通过高温火焰和气流环境温度的测量。激光干涉测温方法激光干涉测温的主要原理是基于干涉原理，所以用光学方法测量介质的温度场，将流场各处折射率的变化，即被测介质密度的变化转化为各种光学参数的变化，从而得到温度和分布。声波、微波测温方法声波测温的主要原理是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关的事实。因此我们只要测得声速，便可以推算出温度；微波衰减法通过进行测量入射微波的衰减程度分析可以确定气体环境温度。2.2.2温度传感器补偿方式原理在实际温度测量中，温度测量电路存在各种误差，往往需要通过测量补偿消除测量，常见的补偿方法是：二线制接法、三线连接法和四线连接法REF_Ref23234\r\h[22]。其中，双线制接线方法只适用于测温距离较近且测温精度不高的场合，四线制可以完全消除引线电阻的影响，但成本相对较高，主要用于高精度的温度测量。二线制接法二线制测量系统电路的接线设计方式进行如图2-4所示，此接线工作方式主要是将一个接触电阻RL1与引线电阻RL2分别接在热电阻两端，通过将引线电阻r算入热电阻阻值中，而r的大小由引线材料和长度所决定，从而使得研究结果产生了一定偏差，从而产生影响测量数据精度。图2-4二线制接线方式图三线制接法三线制接法在工业以及生活中温度测量使用非常广泛，等效为3个相等的导线电阻RL1、RL2、RL3和所测电阻的串并联模型，如下图2-5所示。本文采用了三线连接的方法。三线连接法可以消除二线连接中由于接触电阻和引线电阻引起的偏差。图2-5三线制接线方式图四线制接法四线连接法称为四线连接法，因为两根导线分别从热敏电阻的两个端口引出，共有四根导线。RL1、RL2、RL3、RL4为四根引出线的导线电阻，通过U1和U4给热电阻两端施加相同的激励电流I，为热电阻提供恒定的电流，当热电阻温度变化时电阻阻值发生变化的同时，此时U2和U3之间的电压之差即为铂电阻两端的电压变化。此方法可以帮助我们直接完全消除多余引线电阻产生的影响。图2-6四线制接线方式图2.3温度控制模块原理2.3.1常用温度控制介绍温度控制模块是温控系统的重中之重。温度控制一般分为制冷和加热两种形式，以及应用最广泛的一般电热，可分为电阻加热、电子束加热、红外加热等。制冷在实际应用中最常见的方式有热电制冷、蒸发制冷等。2.3.2基于PID的温度控制算法对温度进行控制，算法是整个管理系统的核心组成部分，控制算法的优劣程度决定了温控性能的优劣程度。PID是比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation）的简称，自诞生至今已经有百年的历史，许多自动控制的算法都是由其演变而来，在工业控制领域中PID的使用极为常见。图2-7所示为PID控制系统的结构框图，接收系统输入信号后对比形成的偏差信号e(t)经过PID控制器的比例积分以及微分运算后变成相应的控制信号u(t)，然后再将这个控制信号u(t)输出给被控对象，被控对象实际的输出量c(t)与实际输入量u(t)的误差为e(t)，控制目标则是使实际输出量c(t)与实际输入量u(t)误差最小，以此循环就形成了一个完整的单闭环控制器REF_Ref31907\r\h[23]。PID控制是一种线性控制方法，它根据给定值r(t)和实际输出值y(t)之间所存在的控制变差e(t)=r(t)-y(t),对其进行比例、积分和微分三种不同的运算，在将这三种运算的结果进行相加，然后就得出PID控制器所需要输出的控制输出u(t)REF_Ref6911\r\h[24]。图2-7PID控制系统的结构框图其中偏差值e(t)的表达式为：在得到偏差值e(t)后，将偏差值e(t)通过PID控制器进行各种组合运算，然后输出量u(t)，输出量u(t)的表达式为：其中，Kp为比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数，将上式进行拉格朗日变换后写成传递函数的形式为：由此可以发现，其中的比例系数（Kp），积分时间常数（Ti），微分时间常数（Td）直接影响PID控制器的性能。比例系数（Kp）：其作用是按一定比例扩大输入值与反馈值的偏差，从而提高控制系统的响应速度。当输入值与反馈值有偏差时，比例环节会立即调整，但相应的比例系数会直接影响系统的稳定性和动态性能。所以适当的增加比例系数可以通过提高内部控制管理系统的响应速度，相应的系统的超调量也会增大，从而导致产生振荡。同时，比例系数只能减小系统的稳态误差，但不能完全消除。积分时间常数（Ti）：积分环节的功能是减少或完全消除系统产生的稳态误差。每当系统可以产生稳态误差时，积分环节就会开始发展作用，从而能够使其消除。积分时间常数越小，积分作用越强。但是，当积分时间常数太小时，系统将无法消除产生的稳态误差，这会增加系统的超调量，导致系统精度下降，甚至出现发散振荡。所以合适的积分时间非常重要。微分时间常数（Td）：微分环节则主要对系统的动态性能和稳定性方面进行及时调整，通过算法预测系统内部控制存在偏差的变化发展趋势，然后在系统还未产生偏差量的时候，使用微分调节提前介入来消除系统偏差，所以微分环节我们可以极大地提升系统动态性能。但同样的一点是，只有合适的参数才能发挥更大的作用。当微分时间常数太小时，微分调节几乎不起作用，系统误差没有得到很好地消除；而当微分时间常数太大时，会导致系统超前抑制过强，影响系统的控制能力，增加控制时间。由此可见，微分环节具有局限性，所以一般不单独地使用，而是与比例或积分同时使用，如PD或PID控制。由此可见，控制系统想要达到控制目标并且兼具准确性、稳定性与快速性，对于比例系数（Kp），积分时间常数（Ti），微分时间常数（Td）选取至关重要。2.4可编程逻辑控制器（PLC）它们是基于计算机的、固态的、单处理器设备，模仿电梯图的行为，能够控制多种类型的工业设备和整个自动化系统。PLC通常是工业自动化控制系统的主要内容组成一个部分。在制造业、化工业和过程工业中，除了使用plc的技术优势外，它还降低了先进水平和复杂控制系统的价格。目前，用于执行系统逻辑的控制元件大多被PLC取代。使用逻辑这个专业术语是因为编程是主要的涉及实现逻辑和切换操作。输入设备(如开关)和输出设备(如受控电机)连接到PLC，然后控制器根据机器或工艺监控输入和输出。最初，PLC被设计用来取代硬接线继电器和定时逻辑控制系统。微处理器技术和软件编程技术的创新和改进，为PLC增加了更多的特性能力。这种增强是因为可编程逻辑控制器技术可以高速执行更复杂的运动和过程控制应用。目前，十几家制造商生产PLC，如图表2-1为全球主要生产PLC厂家。这些企业公司中大多数制造了几种型号，其大小、成本和复杂程度各不相同，以满足自己特定技术应用系统程序的需要。表2-1全球市场PLC制造商名单制造商制造商1西门子9松下2ABB10IDEC3施耐德11台达4罗克韦尔12东芝5三菱13富士6霍尼韦尔14基恩斯7欧姆龙15皮尔磁8日立工业16横河电机2.5本章小结本本章主要介绍了温度测量的各种原理和温度控制的概念，然后介绍了基于PID的温度控制算法，总结了影响PID的三个主要参数：比例系数、积分时间常数和微分时间常数，然后介绍了可编程控制器(PLC)的主要情况。为以下构建整个温度控制系统的硬件设计和软件设计奠定基础。

恒温系统PID控制实验装置硬件系统设计第二章详细介绍了恒温系统PID控制技术实验装置设计主要工作原理发展以及各个功能模块组成，本章将对其硬件信息系统数据进行简单介绍，包括可编程逻辑控制器（PLC）、温度变送器、固态继电器、触摸屏以及一系列附件。然后介绍实验装置硬件系统的电路设计，包括主电路设计、加热电路、散热电路和温度控制电路。完成对整个系统的最终构建，最终可以实现相应的硬件功能。3.1恒温系统PID控制实验装置总体方案设计系统采用西门子SP-200系列PLC控制系统，通过PT100热电阻进行铝块温度采集，温度变送器将模拟量传输给PLC；威纶触摸屏显示界面，通过触摸屏进行互动与温度监视；PLC通过相应控制算法对其实现温度控制，其中电加热器作为控制对象，如图3-1是温度控制系统方案设计示意图。图3-1温度控制系统总体方案设计图3.2恒温系统PID控制实验装置硬件组成3.2.1PLCPLC通常是工业自动化控制系统的主要内容组成的一部分。它们在制造业、化学工业和过程工业中涉及过程和辅助部件的顺序控制和同步的应用中非常有效和可靠。在本控制系统中，作为核心控制器选择的是西门子SP-200系列PLC控制系统，如图3-2所示。图3-2西门子SP-200系列PLC3.2.2温度变送器温度变送器是将温度控制变量转换为可传送的标准化数据输出一个信号的仪表，如图3-3所示。温度变送器的测温元件通常使用热电偶、热电阻，首先通过将信号传导到测温元件，然后再传输到温度变送器，中间通过对信号进行相应的处理，包括放大信号、矫正信号、稳压滤波、反向保护以及V/I转换等电路处理。将输入其中的包含0-5V/0-10V电压信号以及4～20mA电流信号，通过一定关系转化成为电流与温度成线性关系或者电压与温度成线性关系的模拟量信号。最终，在本设备中，温度变送器输出的模拟量信号将会输送到PLC中。图3-3温度变送器3.2.3固态继电器固态继电器本质上是一种无触点开关，其内部机构由电力电子电力器件、微电子电路和分立电子器件组成。其输入端采用微小的控制系统信号，就可以进行驱动发展较大的电流负载。见图3-4。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的高级科学家说，由于这种继电器具有隔离、非接触式开关控制，在开关的开启和关闭过程中没有机械触点或电火花，因此它不仅具有与电磁继电器相同的功能，而且还具有优异的防潮和防腐特性，在爆炸性和臭氧污染环境中工作得很好，输入功率低，灵敏度高，功率低，具有良好的电磁兼容性和抗干扰能力REF_Ref6659\r\h[25]。图3-4固态继电器3.2.5铝块作为本次温控实验的控制对象，铝合金不仅比铜便宜，而且导热能力弱，适合温控，如图3-5所示，是安装在实验装置上的铝块，插有PT100热电阻和加热器。在控温过程中，铝块被插入其中的加热棒加热。随着铝块温度的升高，PT100的电阻值发生变化，从而达到控温测温的目的。图3-5铝块3.2.6触摸屏为了搭建一个人机交互平台，希望触摸屏既能将铝块的温度变化信息与给定的目标温度同步，又能掌握铝块的温度。还可以简化操作，降低操作门槛。通过对比选择威纶触摸屏作为人机交互平台，触摸屏通过通讯电缆（DVI）与PLC相连接，触摸屏内需要提前编译人机交互界面程序，用来控制PLC使用PID算法从而控制铝块温度。在其实际运行时，显示温度实际值、温度设定值、比例（P）、积分（I）、微分（D）、加热按钮、加热停止以及事实的温度变化曲线，并且可以对温度设定值、以及比例（P）、积分（I）、微分（D）值进行分别设定。如图3-6为威纶触摸屏。图3-6威纶触摸屏本实验装置进行选择威纶触摸屏作为一个人机交互技术平台，下表3-1即为威纶触摸屏详细各项工作性能参数。表3-1威纶TK6071iQ1触摸屏性能参数表名称参数核心处理器ARMRISC528MHzSDRAM128MBNANDFLASH128MB串口COM1:RS-232,COM2:RS-4852W/4W输入电源10.5~28VDC工作温度-20°~60°C(-4°~140°F)工作湿度10%~90%(非冷凝)防护等级IP65屏幕分辨率800x4803.2.7热电阻金属热电阻是根据不同金属在其工作温度发生发展变化的同时，其自身的电阻阻值也同时发生了一些相应的变化进行制作而成。同时电阻变化与温度变化有一定的函数关系。通过测量电阻变化和温度变化，可以确定相关函数表达式的常数，这就是金属热阻的测温原理REF_Ref31940\r\h[19]。本文所采用的测温元件即PT100热电阻，当其温度发生变化时，其对应的阻值也随之发生线性变化。具体来说，当PT100热电阻温度从0摄氏度增长至100℃时，其所对应的阻值也会从100欧姆增长到138.5Ω。PT100铂电阻如图3-7所示。图3-7PT100热电阻当温度在0℃~200℃时：R其中A、B为实验室测得常数：A=0.00396847Ω/℃，B=-5.847×10-7Ω/℃，Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的电阻值。3.2.8其他附件断路器为了对电源管理以及相关线路信息进行环境保护，当其发生发展严重的过载或者短路情况以及欠压等故障时能够实现自动切断电路，在电路中加入断路器，如图3-8所示。同时，在电路中，断路器还起着分配电能的作用。图3-8断路器开关电源切换电源是电压或电流，通过不同形式的架构将有点精确的电压转换为用户方所需的电压或电流，如图3-9所示。通过上文介绍的断路器将220V交流电输送给开关电源，然后输出直流DC24V，从而满足PLC、触摸屏、温度变送器以及下文将介绍的用于系统散热的小风扇。图3-9开关电源风扇本文研究旨在通过设计一款基于PID算法需要进行工作温度控制的实验装置，当目标物体被加热后仅仅依靠自然散热降温过于缓慢，为了能够提高实验效率，引入小风扇进行散热。同时，在系统的参数整定完成后，也可以利用小风扇的散热作为外部扰动来观察系统的整体运行状态。小风扇的实物图示如图3-10所示。小风扇由上述开关电源供电。图3-10风扇交流接触器由于实验中要频繁地接通断开线路，引入一个中间控制系统元件交流接触器，如图3-11所示。其原理是利用电磁力和弹簧力的组合来实现触头的接通和断开，对负载设备起到过载保护作用。主要有两种工作状态:断电状态和通电状态。当交流接触器中通电时，此时吸引线圈会流过电流，从而产生磁力，静铁芯则会被线圈产生的磁力吸引，此时衔铁也被吸引，从而整个交流接触器通电。而当吸引线圈断电，吸引线圈产生的磁力也会消失，衔铁则不会被吸引，在弹簧的作用下电路断开，交流接触器也处于断路。图3-11交流接触器加热棒为满足本实验对铝块的加热要求，引入了加热棒。其原理的核心是能量进行转换：将电能可以转换成一种热能。图3-12加热棒启动、停止、急停按钮最后通过按钮来控制交流接触器，如图3-13为启动、停止以及急停按钮。图3-13启动、停止、急停按钮3.3主电路设计3.3.1主电路组成下图3-14为主电路图，其中主电路由220V供电，并联出一条支路线路通过开关电源转换成直流24V，从而达到给西门子PLC、触摸屏、风扇以及温度变送器的供电的目的。图3-14主电路图3.3.2测温电路设计根据第二章测温分析表明，温度采集主要由温度传感器和测温装置组成，该测温装置适用于PT100铂电阻的动态测量，采用三线制测量补偿方式对电路中由于电阻产生的误差进行补偿，即将测量电阻的信号转化为电压信号，然后将模拟量传递给PLC。其主要结构图如图3-15所示：图3-15测温模块主要结构图测量铝块温度时，将表面涂有导热硅脂的PT100铂电阻插入铝块最中间，可以较为准确客观地反映铝块温度的变化，同时PT100铂电阻的阻值也会发生变化，通过三线制补偿电路与温度变送器将电阻的变化转变成电压变化，再通过PLC转换成数字量，计算得到相应的温度值，将其与威纶触摸屏连接，然后将其温度值显示在触摸屏上，如图3-16是测温电路图：图3-16测温电路图3.3.3控温电路设计当铝块温度发生变化时，铂电阻的阻值也随之不断发生发展变化，导致工作温度压力变送器输出给PLC的电压值也会发生变化。然后PLC采集模拟量的变化，通过预编的程序转换成温度值，在触摸屏上反映出来。然后根据PLC中预先编制的程序，决定如何控制铝块的温度，主要分为加热和散热。加热电路图如图3-17所示，散热电路图如图3-18所示：图3-17加热电路图图3-18散热电路图3.4系统搭建根据以上系统方案设计以及电路设计搭建系统，最终恒温系统PID控制实验装置如图3-19所示。图3-19恒温系统PID控制实验装置3.5本章小结本章主要阐述了恒温系统PID控制实验装置的硬件系统电路组成和单元电路设计。在控制管理系统设计温度时主要可以使用制冷与加热两种温控方式，信号由触摸屏上人工操作指令下达，然后根据指令需要通过触摸屏与PLC通讯电缆传递，再通过PLC对制冷与加热时间进行有效控制。恒温系统PID控制实验装置软件系统设计在恒温系统PID控制实验装置的硬件系统设计完成后，为了实现更好的处理，人机交互模块是必要的。在一般的智能控制系统中，硬件部分仅局限于硬件控制功能的实现，而不能根据现场的工业条件实时进行参数修改。将触摸屏幕引入控制管理系统，可以通过提供具有以下主要功能：实时输入温度控制企业相关参数，实时读取并且显示被控物体的温度信息，实时监测控制系统设计工作生活状态等等。与触摸屏实时通信的PLC也需要预先设置内置的软件，以便按照触摸屏的指示完成温度控制系统。4.1人机交互界面设计4.1.1监控界面设计为了满足温度控制的实用性，监控界面可以随意启动和停止系统是否对铝块进行加热和散热，实时监测铝块温度值的数值变化和期间的温度变化曲线。同时可以随时调整预期目标值、比例、积分、微分，实现更深层次的温度控制。考虑到人机界面和数据处理的友好特性，监控界面需要满足以下功能要求：在触摸屏幕上可以设置目标温度，并且需要设置的同时将不同目标温度转化成相应的指令发送给PLC。基于PLC的温度控制实验装置可以对PID参数进行修改。在整个温控系统实验装置运行中，实时接受采集并且同步显示铝块的实时温度。它可以随意开启和关闭加热和冷却。在整个温度控制系统运行过程中，铝块的实时温度采集并同步显示。根据上述功能和要求，设计了系统触摸屏监控界面，其界面渲染如下图4-1所示：图4-1监控界面设计图其中温度实际值对应的PLC中的地址为VD354，温度设定值以及PID算法中比例、积分以及微分的参数所对应的地址为VD324、VD344、以及VD334，加热启动按钮和散热启动按钮所对应的地址为M0.1以及M0.2，能够反映加热状态与散热状态的指示灯对应PLC的Q0.6以及Q0.7通道是否对外输出。为了我们更能直观地反映温度的变化曲线，同时可以加入温度发展趋势图。为了方便整体控制，引入总开关，其地址为M0.0。4.2PLC程序开发与设计其中PLC工作流程图如图4-2所示，随着PLC通电后，系统开始运行。当总开关打开后，测温模块会开始工作，实时同步铝块温度值到PLC中。触摸屏输入的比例、微分、积分目标温度值等参数会直接进入PLC中的PID算法中，倘若加热开关打开，PID算法将会通过控制固态继电器对铝块进行加热,。而测量温度也会实时与目标温度进行比较，当测量温度高于目标温度，并且同时散热开关打开时，风扇将会运转，对铝块进行散热。如果总开关关闭，则整个PLC会停止运转。图4-2PLC工作流程图4.2.1测温程序温度测量程序是本控制实验装置的核心，它是由PT100热阻随被测对象温度的变化而产生的，然后通过温度变送器将相应的电压变化值传送给PLC，变送器的相应电压变化值为0~10V。PLC接收到模拟量输入，将其电压值转化为实际温度值，其中的转化程序如图4-3所示，最终温度实际值地址为VD354。具体过程：首先获得模拟输入量（地址Alw0），然后将其由整数转为双整数（地址AC0），然后将整数转为实数（地址仍为AC0），随后通过实数相除，将输入其中的模拟量分为32000份（温度测量范围0-100℃，PLC中模数转换器（A/D）为15位，所以对应PLC里面的值为0-32000，输出地址仍为AC0），随后将AC0中的数据传送给VD100（PID算法中过程变量的当前值的地址），然后通过实数相乘，乘以100得到实际温度值（地址为VD290），最终通过取整得到显示在触摸屏上的整数温度值（地址为VD354）。最后，在温度实际值的基础上减少1℃使散热达到较好的效果（由于实际温度具有滞后性），即当实际温度大于目标温度1℃时，风扇才会运行。图4-3模拟量转化程序图4.2.2加热程序为了实现对铝块温度的控制，同时要在PLC中引入PID控制算法，如图4-4是导入触摸屏输入的比例、积分、微分以及温度设定值，其中采样时间设定为0.1s。图4-4触摸屏数值导入程序图如图4-5为PID算法程序图，如图表4-1为PID各参数地址。图4-5PID算法程序图表4-1PID各参数地址地址实际意义VD100过程变量当前值VD104给定值VD108输出值VD112增益VD116采样时间VD120积分时间VD124微分时间控制温度过程由闪烁电路完成，如图4-6所示。闪烁电路：随着总开关打开，SM0.0始终接通，然后T37开始计时，（VW2*0.1）秒后T37接通，同时T38开始计时，（VW0*0.1）秒后T37断开，同时T37、T38复位，以此循环。图4-6闪烁电路程序图其中的VW0和VW2值则由PID的输出值给出，其输出值介于0.0-1.0之间，通过程序算法，VW0+VW2=100，其程序图如图4-7所示。图4-7通过PID输出值给出闪烁电路控制变量程序图当触摸屏输入数据比例、积分、微分以及发展目标进行温度后，通过PID算法可以得到一个输出值，然后我们通过闪烁电路控制T37的开合，当加热开关打开时，固态继电器则会跟随T37的开合而通电断开，达到有效控制电加热棒加热铝块的目的。如图4-8是加热开关程序图。图4-8加热开关程序图4.2.3风冷程序对于温度控制，不仅需要加热，而且需要冷却时，温度溢出。为了提高实验效率和扰动检测系统的稳定性，引入了一种小型风机。本实验装置采用一个DC24V供电的小风扇对铝块进行降温，其中风扇的控制由PLC的Q0.7通道输出，风扇的启动地址为M0.2，当风扇开关打开后，引入比较指令中的双指数小于，当现有温度大于等于风冷温度时，通道Q0.7会给小风扇供电，从而小风扇启动，达到降温的目的。在温度实值基础上-1.0使得散热达到一个较好的效果，即当实际工作温度影响大于目标进行温度1摄氏度时风扇才会运转。其中散热的程序如图4-9所示。图4-9散热程序图4.3本章小结本章主要介绍控制实验装置的软件系统设计。本文首先分析了触摸屏作为人机交互平台的功能，提出了考虑人性化需求的触摸屏程序设计要求，然后根据需求设计了人机交互界面。最后我们对于触摸屏相连接的PLC进行了对应的程序进行设计，从而可以达到基于PID控制算法对目标物体实现环境温度以及控制。恒温系统PID控制实验数据处理与分析本章首先总结了基于第二章的控温系统原理,然后将每个模块根据第三章硬件系统设计和电路设计进行整合,最后完成第四章中对触摸屏与PLC中内置程序的编译,从而搭建了恒温系统的PID控制实验装置。然后可以通过实验验证本系统各项温控性能是否能够达到预期，通过调查分析各组实验数据对系统进行一个整体评价。再改5.1系统运行（1）系统初始运行过程首先通上电，打开断路器开关，意味着断路器已经通电，但交流接触器还未接通。随后通过启动、停止以及急停按钮来控制交流接触器的连通。当按下启动按钮后，意味着系统已经通电。随后电源开关将交流220V转化为直流DC24V，输送给运行指示灯、触摸屏、温度变送器以及PLC。随后触摸屏与PLC开机，触摸屏进入初始化界面，读取已经编译好的温度控制内置程序，然后进入本温控实验装置人机交互界面。随着温度变送器的通电，PT100铂电阻所对应的温度值由温度变送器转化为电压值输送给PLC，之后PLC通过提前编译好的程序将其模拟量转化为数字量，再通过通讯电缆实时输送并且显示在触摸屏上。系统加热运行过程当系统完成初次运行过程后，首先可以在触摸屏上读取铝块实时温度值，然后设定目标温度值以及加热开关，并且调整基于PID算法温度控制过程中的比例、积分以及微分参数，其目标温度值、比例、微分以及积分参数通过触摸屏同样通过通讯电缆输送给PLC中对应的地址，PLC再通过内置的算法程序通过通道对固态继电器进行控制，随后加热棒通电对铝块开始加热，达到给铝块升温的目的。如图5-1为当目标温度高于实时温度时加热状态下的触摸屏界面。图5-1系统加热状态系统散热运行过程散热系统类似于加热系统。当目标温度低于铝块实时温度时，PLC会通过通道控制风扇的运行，达到冷却铝块的目的。如图5-2为当目标进行温度明显低于实时控制温度时散热状态下的触摸屏界面。图5-2系统散热状态5.2实验结果与分析5.2.1恒温系统PID控制实验装置比例系数作用分析在温控实验中，首先关闭了微分器和积分器。每次进行实验研究开始可以通过小风扇将铝块降温至25℃。当目标温度设定为35℃，在比例系数为5时，此时输出值的最大值为0.5（在PLC中，VD108表示输出值，范围0.0~1.0；VD104表示输入值，范围0.0~1.0；VD112表示比例系数），当目标温度设定为35℃时，在比例系数为5.5时输出值最大为0.55。以此类推，比例系数分别为6、6.5、7时，输出值最大为0.6、0.65、0.7。如图5-3为当设定值为35℃，对应输入值VD104为0.35，目前温度为25.1125，比例系数为6.5，对