基于PLC加热炉温度控制系统的设计【含CAD图纸】
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山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名：郭武将专业：机械电子工程学号：180533022指导教师：张海所属系（部）：机械电子工程系二二年五月基于PLC加热炉温度控制系统的设计摘 要本文主要介绍了工业温度控制的发展前景、S7-200系列PLC的基本知识以及锅炉温度控制系统的工作流程、基本原理和组成结构。通过对锅炉温度控制系统设计要求的分析，给出锅炉温度控制系统的I/O口分配表和系统原理图并且以可编程控制器(PLC)为核心，根据系统的控制要求利用STEP 7编程软件设计系统的梯形图。该系统以电热锅炉加热管为被控对象，锅炉水温为被控参数同时兼顾锅炉内压力及水位等条件，以PLC为控制器，锅炉加热管通电时间为控制参数设计了一个温度控制系统。其中调用了西门子公司PLC中自带的PID模块，以更简洁更方便的方法完成了锅炉温度的自动控制设计。本文从系统的工作原理、系统硬件选型、系统软件编程以及组态监控画面设计等方面进行阐述。关键词： 电热锅炉；温度控制；PLC；PID；固态继电器Design of temperature control system based on PLC heaterAbstractThis article focuses on the industrial development prospects of temperature control, basic knowledge of S7-200 series PLC as well as the boiler temperature control system made up of work processes, principles, and structure.Through the analysis of boiler temperature control system design, I/O port allocation table of temperature control system of the boiler,system schematics and a programmable logic controller (PLC) as the core, according to the control system requires the use of STEP 7 programming software system design of ladder diagram.The system to electric boiler heating tubes to a charged object, parameters of boiler water temperature to be controlled both the pressure and the water level in the boiler and other conditions, the PLC controller, boiler heating power parameter design of a temperature control system for control.Which is called the Siemens PLC comes with PID modules, and a more concise and more convenient way to complete the automatic control system design of the boiler temperature. This paper described the working principle of the system, system hardware selection, system software programming and configuration of the monitor screen design.Keywords ： Electric boiler; Temperature control; PLC; PID; Solid State Relaysiii目 录摘 要iAbstractii1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 本文研究内容22 温度控制系统设计42.1 温度控制系统工作原理42.2 PID控制及参数整定42.2.1 PID控制原理42.2.2 PID参数的整定63 系统硬件设计83.1 PLC的产生和特点83.1.1 PLC的产生与应用83.1.2 PLC的特点83.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤93.2.1 PLC控制系统设计的基本原则93.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤93.3 系统整体设计方案103.4 PLC选型113.4.1 PLC的主机模块113.4.2 PLC的I/O扩展模块123.4.3 PLC的选择123.5 传感器选型123.5.1 温度传感器选型123.5.2 PT100温度变送器选型133.5.3 压力传感器选型143.5.4 液位传感器选型143.6 固态继电器143.6.1 固态继电器的原理分析143.6.2 固态继电器的组成153.6.3 固态继电器的优缺点153.7 数码管163.8 系统工作流程及硬件接线173.8.1 系统工作流程173.8.3 系统主电路图173.8.4 系统控制电路图183.8.5 PLC硬件连接图183.8.6 I/O端口分配194 软件设计214.1 主程序流程图214.2 PID控制器的参数整定214.3 PLC程序梯形图设计265 人机界面设计365.1 组态软件基础365.1.1 组态定义365.1.2 组态王软件的特点365.1.3 组态王软件仿真的基本方法365.2 组态变量的建立及设备连接375.2.1 新建项目375.2.1 新建设备375.2.3 新建变量385.2.4 变量与PLC的传输395.3 创建组态画面415.3.1 新建主画面415.3.2 新建PID参数设定窗口415.3.3 新建实时曲线425.3.4 新建历史曲线425.3.5 新建报警窗口436 系统仿真及测试446.1 系统运行446.2 运行结果446.2.1 参数设定画面446.2.2 实时趋势曲线456.2.3 历史趋势曲线456.2.4 报警窗口46结束语47附录1 源程序48附录2 组态图62参考文献58外文资料61中文译文68致谢73山西工程技术学院毕业设计说明书1 绪论 1.1 课题背景及意义电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用计算机控制技术，既能提高系统的自动化程度又能提高其控制精度。电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。PLC从上世纪80年代至90年代中期起发展十分迅速。在这时期，PLC网络能力、人机接口能力、数字运算能力和处理模拟量能力等发展迅速。由此，PLC逐渐进入过程控制领域，并在部分应用上取代了原来处于统治地位的DCS系统。PLC具有具有编程方法简单易学、可靠性高、抗干扰能力强、适应性强、通用性好、功能强大、性价比高、体积小、功耗低、设计施工周期短等诸多优点1。PID控制是迄今为止应用最广泛的控制方法之一。因为其可靠性高、稳定性好、算法简单，所以在过程控制中被广泛应用，尤其适用对于可建立精确数学模型的确定性系统尤其适用。PID控制的效果由四个参数决定，即采样周期TS、比例增益系数 KP、积分时间系数Ti、微分时间系数Td。所以，PID参数的整定与微调一直是自动控制领域着重研究的课题。PID在工业过程控制中已应用了上百年的时间，在此期间虽然出现了许多新兴算法，但由于PID算法自身的特点，再加上人们在此期间所积累的丰富经验，使其经久不衰。在PID算法中，对于P、I、D三个参数的整定和优化的问题是关键问题2。1.2 国内外研究现状1970年以来，因为工业过程控制的发展，尤其是计算机技术和微电子技术以及自动控制理论和方法的发展，国外温控系统的发展极为迅猛，并在自我适应、参数整定和智能化等方面取得了丰富成果。在这方面，以德国、美国、日本、瑞典等国的技术领先，都生产出了一批性能优秀、商品化的温度控制器，并得到了广泛应用。主要有以下特点：(1)适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。(2)能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。(3)能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。(4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。(5)温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。(6)温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、稳定性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展3。目前，国外温度控制系统正朝着小型化、高精度、智能化等方面高速发展。但我国目前生产出来的温度控制器，仍处于相对低的水平，同德国、美国等先进国家相比，仍然差距很大。目前，这方面的总体技术水平国内仍然处于上世纪80年代中后期水平，产品仍以“点位”控制以及常见的PID控制器为主，目前对于一般温度系统控制可以达到要求，但对于时变、滞后、复杂的温度系统控制难以适应，而对于要求较高控制场合的智能化、自适应控制仪表等，国内的技术还达不到要求，可以形成商品化并大范围使用的控制仪表还很少。可见我国在温度控制仪表业还差国外相关行业很远。1.3 本文研究内容PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。本文使用德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，系统首先由温度传感器将检测到的实际水温转化为电流信号，经过EM235模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制锅炉加热的通断来实现对水温的控制。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王”绘制。全论文分六章，各章的主要内容说明如下。第一章，对锅炉温度控制系统的背景意义及国内外的发展状况进行了阐述。第二章，简单概述了系统框图及PID控制原理。第三章，主要在系统框图基础上根据系统需要选择系统中所需各类硬件型号。同时绘制系统电路图、控制电路图及硬件连接图。第四章，在硬件设计的基础上，通过工程整定法确定系统PID控制参数并完成本文的详细程序设计。第五章，详细介绍了利用亚控公司的组态软件“组态王”进行系统监控画面的设计。第六章，对系统进行仿真与测试。2 温度控制系统设计2.1 温度控制系统工作原理在本控制系统中，温度传感器将检测到的水温信号转化为电流信号送入模拟量输入模块EM235。模拟信号经过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。图2.1中SP为设定温度值，PV为反馈温度值。PLCEM235固态继电器锅炉电热管EM235温度传感器SP+T-PV图2.1 锅炉温度控制系统框图 2.2 PID控制及参数整定2.2.1 PID控制原理在控制系统中，控制器一般最常用的控制规律是PID控制。一般的PID控制原理见图2.2。系统由PID控制器及被控对象组成。积分比例微分被控对象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)图2.2 PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它由给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差： 式(2.1)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的表达式为： 式(2.2)转化成传递函数为： 式(2.3)式中为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。从系统的稳定性、稳态精度、超调量和响应速度等方面考虑，PID各环节有如下作用：比例(P)调节作用：能按比例反映系统的偏差，比例调节能在系统出现偏差时立即产生作用。比例作用越大，调节速度越快，但是一旦过大就会降低系统的稳定性，导致不稳定。具体分为对动态特性的影响和对稳态特性的影响：(1)对动态特性的影响：比例控制参数加大使系统动作灵敏，运转速度变快，KP越大，振荡次数变多，调节时间也相应的变长。当KP太大时，系统会不稳定，当KP太小时，系统会运行缓慢。(2)对稳态特性的影响：在系统相对稳定的情况下，比例参数KP变大，稳态误差就会减少，这样可以提高精度，不过对于消除稳态误差无帮助。积分(I)调节作用：可以消除系统的稳态误差。只要系统产生误差，积分调节就会作用，直至无差时积分调节才会停止。积分作用大小由积分常数Ti决定且与之成反比，Ti越大，积分作用越弱。系统中加入积分环节会使系统稳定性下降，动态响应变慢。所以积分作用通常是与另两种调节环节相结合，组成PI调节器或PID调节器。 具体分为对动态和稳态特性的影响：(1)积分会引起系统稳定性下降，Ti太小系统会不稳定，甚至会出现振荡；Ti太大对系统的作用又会缩减，只有当Ti相对合适的时候才能出现理想的过度特性。(2)积分可以降低系统的稳态误差同时也能提高系统的精度，不过，当Ti太大的时候，积分的作用也很小，稳态误差也就不会减少了。微分(D)调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调量，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，所以当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。2.2.2 PID参数的整定PID调试一般原则 在输出不振荡时，增大比例增益P。在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。 计算整定法：进行整定时先进行P调节，使I和D作用无效，观察温度变化曲线，若变化曲线多次出现波形则应该放大比例(P)参数，若变化曲线非常平缓，则应该缩小比例(P)参数。比例(P)参数设定好后，设定积分(I)参数，积分(I)正好与P参数相反，曲线平缓则需要放大积分(I)，出现多次波形则需要缩小积分(I)。比例(P)和积分(I)都设定好以后设定微分(D)参数，微分(D)参数与比例(P)参数的设定方法是一样的。一般步骤 (1)确定比例增益P 对比例增益P的数值确定时，先直接去掉积分与微分项，即令Ti=0、Td=0，让PID调节变为单纯的比例调节。输入设定先定为系统允许的输入最大值的60%70%，由0开始逐步增大比例增益P，直到该系统发生振荡；然后再反过来，从出现振荡时的比例增益P值开始缓缓往下减，当系统振荡消失时记录对应的P值。系统的PID调节比例增益P即设定为此值的60%70%，调试即完成。 (2)确定积分时间常数Ti 确定P值后，首先确定一个较大的积分时间常数初值，然后逐渐减小Ti，直到系统发生振荡，之后再反过来，缓缓加大Ti，当系统振荡消失时记录此时的Ti，系统的积分时间常数Ti即设定为当前值的150%180%，Ti调试至此完成。 (3)确定积分时间常数Td Td一般情况为0，不另外设定。如有需要，其设定方法同 P和Ti的调试方法，数值设定为不振荡时的30%。 (4)当系统空载以及带载时联调，然后再进行微调，直至满足系统要求。工程整定法：工程整定法主要依赖经验，在控制系统的直接试验中进行，上手简单方法，比较容易掌握，在实际生活中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界衰减法、比例法和反应曲线法这三种方法。这三种方法都各有特点，其的共同点为均通过实验得出结论，对控制器参数整定时依据工程经验公式。采用这三种方法得到的参数仍然需要在实际运行时作调整。扩充临界比例度法：扩充临界比例度法也是实验经验法中应用广泛的一种，它最大的好处是，参数的整定直接在现场整定、简单易行。它对有自平衡特性的受控对象尤其适用，同时扩充了连续时间PID控制器参数整定的临界比例度法。扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是：(1)首先选择一个足够短的采样周期。一般TS应比受控对象纯延迟时间的十分之一还小。(2)让系统采用此TS工作。首先去掉积分与微分作用，将控制变成纯比例控制器，形成闭环。然后将比例放大系数KP逐步放大，当系统出现临界振荡时停止，然后将此时的KP记为Kr，临界振荡周期则为Tr。(3)选择控制度。即将连续时间PID控制器作为基准，把数字PID控制效果与之比较。控制效果的评价函数一般为误差平方积分。(4)定义控制度。采样周期TS的大小会决定采样数据控制系统的品质，相同条件下采样数据控制系统的控制品质会比连续时间的差一些。因此，控制度一般都是要大于1的，而且采样数据控制系统的品质好坏与控制度大小成反比。所以系统的控制品质好坏决定控制度的选择。(5)参数由查表决定。(6)运行及修正。将上述所得各参数输入PID控制器，将系统闭环运行，然后观察相应效果，然后做适当调整。3 系统硬件设计3.1 PLC的产生和特点3.1.1 PLC的产生与应用1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等4。S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。在S7-200PLC推出后，这种情况得到了明显改变，最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成为了主流产品。可编程逻辑控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。西门子最小的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPU22*系列的产品所取代。因为它拥有多个功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且相对来说比较容易的就组成了PLC网络。以此同时它还具有功能完全的编程软件和工业组态软件，这使其可以简单的完成控制系统的设计。现在最新版的S7-200系列PLC是在2004年推出的，它的主要特点是：较高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性强和强大的通信能力。3.1.2 PLC的特点(1)抗干扰能力强，可靠性高。(2)控制系统结构简单，通用性强。(3)编程方便，易于使用。(4)功能强大，成本低。(5)设计、施工、调试的周期短。(6)维护方便。3.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则(1)充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。(2)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。(3)保证控制系统安全可靠。(4)考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。3.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤图 3.1 PLC控制系统设计一般步骤3.3 系统整体设计方案在第二章基础上，系统整体具体设计方案见图3.2。图3.2 加热炉温度控制系统图3.4 PLC选型3.4.1 PLC的主机模块本文选择的是西门子S7-200系列PLC，可以单机运行，也可以进行输入/输出和功能模块的扩展。它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，性能价格比非常高，在各行各业中迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。CPU22*系列PLC按I/O点数的多少和效能不同而分为五种不同结构的配置，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。(1)CPU221本机集成6输入/4输出，无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数功能和通信功能，非常适合于少数点的或特定的控制系统使用。(2)CPU222本机集成8输入/6输出，和CPU221相比，它最多可以扩展2个模块，是应用更为广泛的全功能控制器。(3)CPU224本机集成14输入/10输出，和前两者相比，程序存储容量扩大了一倍，数据的存储容量扩大了四倍，它最多可以扩展7个模块，有强大的模拟量和高速计数处理能力。(4)CPU224XP其大部分功能都和CPU224相同，最大的不同是，在主机上增加了2个输入/1个输出的模拟量单元和一个通信口。(5)CPU226本机集成24输入/16输出，与CPU224相比，程序存储容量扩大了一倍，它有两个通信口，通信能力更为强大。它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。3.4.2 PLC的I/O扩展模块当系统所需的I/O点数较多或要求执行特殊功能时，必须进行I/O扩展。常用的输入/输出扩展模块有：(1)输入扩展模块EM221：分为8点DC输入和8点AC输入两种。(2)输出扩展模块EM222：分为8点DC晶体管输出、8点AC输出和8点继电器输出三种类型。(3)输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)DC输出；4点(8点、16点)DC输入/ 4点(8点、16点)继电器输出。(4)输入扩展模块EM235：分为8点DC输入和8点AC输入两种。3.4.3 PLC的选择根据系统控制要求分析，系统共需要开关量输入点3个，开关量输出点32个。因为需调用PID模块，所以选用主机为CPU226；扩展模块EM223(16点晶体管输出)用于数码管显示实时温度；模拟量输入输出模块EM235用于输入模拟量：预设温度、温度传感器反馈值、锅炉压力和液位传感器的反馈值。整个PLC系统的配置见图3-3。扩展单元EM22316点晶体管模拟量单元EM2354AI/1AO主机单元 CPU226AC/DC继电器图3-3 PLC系统组成3.5 传感器选型3.5.1 温度传感器选型温度传感器即一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各类转化方法中，将温度量转换为电势或电阻是最为普遍的。其中最常用的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转化为电势变化，热电阻则是转化为电阻的变化。这两种传感器目前在工业生产温度测量中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100，所以选择PT100铂热电阻传感器。PT100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长5。PT100热电阻传感器型号：薄片型铂电阻WZP023PT100热电阻温度变送器型号：SBWZ-2460PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。 铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式： 式(3.1) 式(3.2) Rt为t时的电阻值，R0为0时的阻值。公式中的A，B，系数为实验测定。这里给出标准的系数： ； ； 。3.5.2 PT100温度变送器选型变送器技术指标：(1)输入信号：PT100铂电阻信号输入 (2)供电电压：10-30V DC (3)负载电阻：0-500 (4)输出信号：二线制4-20mA，最大30mA (5)热电阻温度变送器精度：0.2%FS (6)温度稳定性：零点漂移 标准0.05%FS/ 量程漂移 标准0.002%FS/ (7)回路保护：带反向连接保护(防止电源正负极) (8)温度变送器功耗：小于等于0.5W (9)温度变送器重量：约35克 (10)热电阻温度变送器外形尺寸：外径42mm，高度H23mm，安装孔距33mm，安装孔5.5m3.5.3 压力传感器选型压力传感器的作用就是检测锅炉炉膛内的压力，防止锅炉内由于加热造成压力过大产生危险。它把测得的压力转换成4-20mA的电流信号或者是1-5V的电压信号，然后把此模拟量信号输送到PLC的扩展模块EM235中。选择压力传感器输出量时，为了提高系统的抗干扰能力，本文选用了4-20mA输出的压力传感器。压力传感器型号：CYB-11 西安为普仿真计算有限公司3.5.4 液位传感器选型液位传感器的作用是测量炉膛内水位，防止水位过低锅炉空烧或者水位过高产生危险。它是利用液体的压力与深度成正比的原理，将检测到的压力信号经转换变成标准的4-20mA的电流信号传送给PLC。产品采用正装结构，并汲取了智能锅炉汽包液位计的长处，将抗高温、耐高压、抗腐蚀、抗波动性能集于一身，变送部分利用军工器件，使信号输出更加稳定、可靠。该液位计安装简单，维护量小，测控精确，性价比高，是传统的电极式、差压式、磁翻板式液位计理想的换代产品，值得推广普及。液位计传感器型号：UHM-F24 无锡中南液位磁控器厂3.6 固态继电器3.6.1 固态继电器的原理分析固态继电器(Solid State Relay，简称SSR)与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单向晶闸管和双向晶闸管等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，如图3.4所示。输入模块输出模块图3.4 固态继电器模块示意图当输入端有控制信号，输出端从关断状态变为导通状态；控制信号撤消后，输出端变为关断状态，从而实现自动控制。固态继电器的输入端、输出端之间采用光电隔离技术，使得弱电和强电隔离，因此从计算机等弱电设备输出的信号可以直接加在固态继电器的控制端上，无需另外的保护电路14。3.6.2 固态继电器的组成固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个晶闸管或一个双向晶闸管，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。3.6.3 固态继电器的优缺点优点：(1)高寿命，高可靠：SSR没有机械零部件，由固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。(2)灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。(3)快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微秒。(4)电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。缺点：(1)导通后的管压降大，晶闸管或双相晶闸管的正向降压可达12V，大功率晶体管的饱和压降在12V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。(2)半导体器件关断后仍有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。(3)由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。(4)电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。(5)固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻离电路对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。3.7 数码管数码管显示有两种接法：共阳极、共阴极，本设计选择共阴极接法。如图3.5所示。共阴极共阳极图3.5 数码管的接法3.8 系统工作流程及硬件接线3.8.1 系统工作流程系统工作流程：硬件系统接入电源后先判断是否缺相，在不缺相情况下电源信号亮。输入预设水温并按下启动按钮，系统工作。工作后热电阻温度传感器测量锅炉内实际水温并经过温度变送器转换后经EM235输入PLC，PLC将实际水温与预设水温做差并调用PID算法计算出输出值，程序根据输出值判断SSR状态及通断时间，从而控制锅炉加热管加热时间。3.8.3 系统主电路图系统主电路图如图3.6所示。图3.6 系统主电路图主电路原理：系统经空气开关QA0接入电路，熔断器防止系统过流，锅炉加热管与电源间加入热继电器和固态继电器，热继电器防止系统过热。QA0为电路总开关，当固态继电器导通时锅炉加热管加热；固态继电器断开时，锅炉加热管断电，停止加热。 3.8.4 系统控制电路图系统控制电路图如图3.7所示。图3.7 系统控制电路图控制电路原理：KF为缺相保护防止电源缺相。SB3为缺相保护继电开关，SB2为系统停止按钮，SB1为系统启动按钮。系统不缺相情况下，按下启动按钮SB1，线圈KM1得电，KM1常开开关闭合，SB1自锁。PLC输出Q0.0导通后工作灯Q0.0亮。Q0.1输出为正且Q0.7输出为0时固态继电器工作，系统加热。Q0.3、Q0.4、Q0.5或Q0.6中有输出为正时相应灯亮且电铃工作，固态继电器停止工作。停止时，按下按钮SB2，系统停止，Q0.2得电，停止信号灯亮。3.8.5 PLC硬件连接图如图3-8所示为PLC硬件连接图。硬件图原理：SB1(I0.0)是系统启动按钮，SB2(I0.1)为系统停止按钮，SB3(I0.2)是缺相保护的继电开关。温度传感器用的PT100热电阻温度变送器。右边的输出部分为6个信号灯、1个固态继电器和1个电铃，还有三个显示的数码管。具体作用见I/O端口分配表。图3.8 硬件接线电路图3.8.6 I/O端口分配本设计中使用的I/O口分配如表3.1所示。 表3.1 系统I/O端口分配名称地址编号说明输入信号数字量按钮I0.0系统启动(SB1)按钮I0.1系统停止(SB2)按钮I0.2缺相保护(SB3)模拟量输入模拟量AIW0预设温度温度传感器反馈模拟量AIW2锅炉炉内实际炉温输入模拟量AIW4预设压力压力传感器反馈模拟量AIW6锅炉炉内实际压力输入模拟量AIW8预设水位下限输入模拟量AIW10预设水位上限液位传感器反馈模拟量AIW12锅炉炉内实际水位输出信号数字量灯Q0.0工作信号灯固态继电器Q0.1控制通断灯Q0.2停止信号灯灯Q0.3高温警报灯Q0.4高压警报灯Q0.5高液位警报灯Q0.6低液位警报电铃Q0.7起警报作用温度显示QB1数码管1QB2数码管2QB3数码管34 软件设计4.1 主程序流程图图4.1为主程序流程图。图4.1 主程序流程图4.2 PID控制器的参数整定PID校正参数设计方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，所得到的计算数据虽具有知道意义，最终还必须通过工程实际运行过程加以调试和修改。二是工程整定法，常用方法有临界比例度法、反应曲线法和衰减法等，其共同点都是直接通过系统试验取得相关数据，在按照工程经验公式对控制器参数进行整定，方法简单、易于掌握，在工程实际中被广发采用。本设计采用Z-N临界比例度法：Z-N临界比例度法是一种广泛应用在工程上的一种经典的PID控制器参数整定方法。它的主要优势是可以不依赖于对象的数学模型参数，而是归纳总结以前大量的工程经验得到经验公式，然后依据此经验公式计算PID控制器的具体参数。用这个方法需要知道两个参数：临界增益Ku和临界振荡周期Tu。Z-N临界比例度法对闭环系统使用时，先将积分时间常数和微分时间常数设为0，即消除积分和微分作用，使系统变为纯比例系统；然后调整比例系数KP，直至系统刚好出现振荡，此时的KP的值就是系统的临界增益Ku，此时图像的振荡周期即为系统的临界振荡周期Tu，然后根据经验公式可以计算出系统需要的三个参数。经验公式表如表4-1所示。表4.1 Z-N临界比例度法参数整定公式PID控制器参数KPTiTdP型控制器0.5KuPI型控制器0.45Ku0.83TuPID型控制器0.6Ku0.5Tu0.125Tu此方法虽然应用广泛，但是它也有一些缺陷：(1)除非精确计算，否则一般为了获得精确的Ku和Tu ，需要进行多次调整KP重复实验，然后还需调节至刚好振荡，这个过程需要花费许多时间。(2)整定时现场出现的许多小干扰都会对参数的整定产生影响，导致精确度下降或者错误。(3)当等幅振荡的幅值很小时，系统内有大的滞后环节或者有元素已经饱和时产生的图像，容易让人误以为系统达到了临界振荡，从而得到错误的Ku和Tu导致错误的PID控制器参数。(4)Z-N临界比例度法就无法使用在不允许出现临界振荡的系统上。经查阅相关资料，假设电热锅炉加热系统的传递函数为： 式(4.1) 根据这个传递函数和滞后环节：得出此系统的临界振荡函数图像如图4.2和图4.3所示，从图像上可以得出的临界振荡周期Tu=119.2，a=25.2，d=1，则临界增益为。根据表4.1中的公式可以得出：KP=0.0303；Ti=59.6；Td=14.9通过计算得出PID的三个参数分别为KP=0.0303，Ki5.083910-4，Kd=0.4515，具体计算公式为： 式(4.2) 式(4.3)图4.2 临界振荡图像图4.3 PID整定图根据以上数据进行仿真，设置控制如图4.4所示。图4.4 仿真控制图输入PID参数后运行，得到仿真函数图像如图4.5所示。图4.5 系统运行原仿真图像从图像上可以看出，系统超调量较大调节时间较大，效果不理想，需要再对PID参数进行调整。图4.6 系统运行新仿真图像经过调整后得到新的参数为KP=0.05，Ki510-4，Kd=0.5。从图像上可以看出超调量减少了，曲线也平稳了。4.3 PLC程序梯形图设计以上两个网络用于把预设温度与实际水温归一化计算，为PID计算做准备。SM0.0为特殊继电器，当PLC上电后一直保持导通状态；M0.0为中间继电器，I0.0是启动按钮，M0.0和I0.0并联是起自锁作用；I0.1是停止按钮；I0.2当电路中出现缺相的时候会自动断开。Q0.0是工作信号灯，用绿色显示；M0.1为中间继电器。Q0.2是一个停止的信号灯，用红色显示。由于系统需要使用PID环节，所以必须先使用STEP7-Micro/WIN提供的PID Wizard(PID指令向导)生成一个用于闭环控制的PID算法。绝大多数PID运算的自动编程都能由此向导完成，用户只需在编程需要时直接调用其生成的子程序即可。PID向导生成的PID控制算法可以是模拟量输出也可以是开关量；能支持自动调节也支持手动调节。对PID指令的配置如下。首先打开编程软件STEP7-Micro/WIN，然后打开指令向导，选择PID。图4.7 配置PID然后点击下一步进入到如下界面，选择回路0。图4.8 选择回路继续点下一步，因为PID的三个参数比例增益，积分周期和微分周期都已经在前面整定出来了分别是0.05、510-4和0.5，另外采样周期选择10秒钟。给定值的范围是因为进入PID算法的时候，模拟量需要进行归一化整理 (模拟量-64000)/(32000-6400) 。图4.9 配置PID参数输入部分由于PT100温度变送器输出为4-20mA，所以须勾选使用20%偏移量，范围是定死的，无需修改；输出不需修改，直接缺省值即可。图4.10 输入输出设置剩下的回路报警设置、内存地址分配和命名及初始化，设置不需做改变。至此PID设置完成。此网络即PID指令地调用。此网络用于在组态画面中对PID参数进行设置。该网络的程序功能是把PID回路输出转换成占空比。因PID回路的输出PID0_Output为0.0-1.0之间的实数值，又因采样时间为10秒，所以第一个指令MUL_R中INT2为100.0。ROUND是将实数转换成双整数，DI_I是将双整数转换成整数。VW2和VW4分别是采样周期内的加热时间和非加热时间。上述程序用了两个100ms的定时器T37和T38来控制加热时间。此网络是控制固态继电器的通断的，即控制锅炉加热部分是否加热。其中Q0.7为电铃，即电铃通电系统加热停止。以上5个网络用于将系统中的模拟量转化为双整数类型，便于以后计算。此网络作用为：当测量温度超过锅炉温度上限值时，中间继电器M0.2导通；当锅炉压力超过上限值时，中间继电器M0.3导通；锅炉水位低于下限时，中间继电器M0.4导通；锅炉水位高于上限时，中间继电器M0.5导通。此网络为闪烁电路，当相应中间继电器接通时，对应的警报灯闪烁。此网络表示当出现警报灯闪烁的时候电铃发出声音。以上六个网络为数码管显示指令，用三个数码管来显示锅炉的实际水温。其中网络20作用为将归一化后的实际水温还原为0-120的十进制数，后面5个网络则是将此数在3个数码管上显示。5 人机界面设计5.1 组态软件基础5.1.1 组态定义组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件一般都是有针对性的，一款组态软件一般只会适合某部分领域中的应用。工业计算机控制领域最早提出有关组态的概念，如PLC梯形图组态等。在工业控制中组态的结果是用于实时监控的。组态工具即是为执行自己特定的任务而运行程序。现在的工控组态软件一般都提供编程手段且内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，甚至更高级的C#语言等。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，组态王，力控，易控，MCGS等。本设计采用亚控的组态王软件进行组态的设计。5.1.2 组态王软件的特点 组态王人机界面开发软件，是目前比较流行的工业控制软件，它凭借其自身完美的软件和硬件所构成的系统代替原来传统的系统。组态王的优点有适应能力强、性能好、扩展容易、成本低等优点。一般情况下可以把这个软件划分为控制部分、监控部分和管理部分这三个方面。该软件中的监控部分对下连接控制部分，对上连接管理部分，它既可以完成对现场操作的实时控制，也可以在自动控制中实现上下连通作用。特别要联系到三方面的问题：数字、界面、动态画面。为了要满足监控系统系统的功能，必须要对组态王进行系统设计。组态王软件也有监控界面供大家观看，这个可以使得操作则在监控的时候更加方便。并且，该软件能有效的运用Windows自带的的图形编辑软件，使得监控画面更见的完美，而且改软件以动态画面的形式显示设备的工作状态，该软件还拥有报警、实时曲线等功能，在生成各类报表的时候更加容易方面。它还附带齐全的软件驱动程序和良好的数据衔接功能6。5.1.3 组态王软件仿真的基本方法(1)设计界面，抽象的模拟出现场实际的工业现场设备。(2)创建一个数据库，在其中存放需要使用的变量。(3)用动画连接各界面中的图素并使之模拟现场运行方式。(4)制作完毕后要运行并对部分图素调试。5.2 组态变量的建立及设备连接5.2.1 新建项目打开组态王，新建工程并进入，然后新建画面绘制所需界面，如图5.1所示。图5.1 画面新建5.2.1 新建设备1. 在组态王软件树形目录里选择设备，双击“新建”图标，弹出“设备配置向导”对话框，如图5.2所示。图5.2 新建设备2. 在上述对话框中选择PLC西门子S7-200系列PPI设置好单击“下一步”一直到“完成”，通信设置结束，如图5.3所示。图5.3 新建设备完成5.2.3 新建变量要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的。如图5.4所示。图5.4 新建变量项目中所用到的变量见图5.5。图5-5 变量表5.2.4 变量与PLC的传输由于预设温度需要在系统开始时设定，所以在监控画面中需要将数据输入至PLC对应地址，双击预设温度数值，选择模拟值输入，变量名选择设定好的预设温度，范围选择0-120，如图5.6。这样当进入运行模式的时候，点击预设温度值，就会出现如图5.7所示的输入界面。图5.6 温度输入连接图5.7 温度输入实际水温的输出信号是通过寄存器VD200输送到组态里面的，设置如图5.8所示。双击实际水温，选择模拟值输出选项，在表达式里面选择实际温度。输出格式：整数位选择3为，小数位选择1位，然后显示格式选择十进制，单击确定完成设置。则系统中当前温度值就可以在组态界面中显示了。图5.8 温度输出连接5.3 创建组态画面5.3.1 新建主画面主画面如图5.9所示。图5.9 控制系统主画面5.3.2 新建PID参数设定窗口如图5.10所示为PID参数设定窗口，用来设置PID参数值。图5.10 PID参数设定窗口5.3.3 新建实时曲线实时趋势曲线可在工具箱中双击后在画面直接获得。实时趋势曲线随时间变化自动卷动，可快速反应变量的新变化。如图5.11所示。 图5.11 实时曲线窗口5.3.4 新建历史曲线历史趋势曲线可在图库管理器中得到。历史趋势曲线可以查询查询过去的情况。历史趋势曲线需要事先建立两个内存变量，分表是调整跨度和举动百分比。见图5.12。 图5.12 历史曲线窗口5.3.5 新建报警窗口在工具箱中选用报警窗口工具，在面板中绘制报警窗口并设置相关参数项目。如图5.13所示，由于前面已经设置了报警变量，所以当变量值超过所设置的温度95时，那就会在报警画面中被记录。如图5.13所示。图5.13 报警窗口6 系统仿真及测试由于组态王与PLC编程软件使用同一个端口，所以只能同时打开一个软件。想实时利用组态王来监控程序运行，必须先把PLC程序下载到PLC中并运行程序，然后关闭编程软件，此时再启动组态王软件，就可以在线监控了。6.1 系统运行 打开组态王进入所需工程项目，点击“WIEW”，启动软件然后将进入设定的主画面。此时软件将提醒与PLC的连接是否成功。若连接不成功，则会提示通信失败并且不能监控。若连接成功，窗口会提示记录数据开始，系统运行。 组态监控启动之后，会自动显示组态画面，如图 6.1 所示。图6.1 监控主画面6.2 运行结果6.2.1 参数设定画面在主画面中点击“设定画面”就会切换到PID参数及温度设定画面。Kc、Ki、Kd、设定温度等参数的值可以在此画面中修改，见图6.2。图6.2 参数设定画面6.2.2 实时趋势曲线点击“实时趋势曲线”可以观察系统运行时的调节曲线，见图6.3。图6.3 实时趋势曲线6.2.3 历史趋势曲线点击“历史趋势曲线”可以观察系统运行过程的曲线，见图6.4。图6.4 历史趋势曲线6.2.4 报警窗口点击“报警窗口”可以观察系统运行过程中出现的报警信息，见图6.5。当温度高于设定的报警值95时，系统记录下报警的日期：2012/05/20，时间：12：34：25，类型：温度太高。图6.5 报警窗口结束语PLC以其稳定性好、抗干扰能力强、体积小、功能完善、性价比高和能耗低等显著特点在现代工业自动控制方面使用广泛。PID闭环控制是应用非常广的一种控制算法，它对大部分控制系统都有良好的效果。组态王软件适应能力强、性能好、扩展容易、成本低，在国内使用范围很广。本文以电热锅炉加热管为被控对象，锅炉水温为被控参数同时兼顾锅炉内压力及水位等条件，以PLC为控制器，锅炉加热管通电时间为控制参数设计了一个温度控制系统。其中调用了西门子公司PLC中自带的PID模块，以更简洁更方便的方法完成了锅炉温度的自动控制设计。再加上由组态王设计的监控界面，方便了监控人员对于整个系统的管理，提高了系统的自动化程度和实用性。同时本系统也有一些有不足之处：PID部分使用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样方便了编程，但是没有自己单独编写PID控制相关子程序效果好，控制系统超调量和调节时间都略微偏大。还有仿真部分无法做出全部效果不能验证所做成果正确与否始终是个遗憾。附录1 源程序附录2 组态图参考文献:1肖宝森.基于PLC的锅炉温度控制系统的设计与J.三明学院报2017,34(02):63-68.2 李红梅.基于PIL的锅炉温度制系统设计J.工业控制计算机,2016,29(12):69-70+73. 3 胡晓晗.基于PID的锅炉温度控制系统设计J.四川水泥,2016,(10):884 王丽娟.基于温度传感器的锅炉温度控制系统设计J.湖南文理院,2016,28(03) 5 申超.电锅炉温度控制系统中模糊控制器的设计J.信息通信,2016,(06):64-65. 6 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International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. 2017(3)外文文献Classical control theoryThe class of control problems to be examined here is one of considerable engineering interest .we shall consider systems with several inputs,some know as controls because they may be manipulated and others called external disturbances,which are quite unpredictable . For example, in an industrial furnace we may consider the fuel flow, the ambient temperature, and the loading of material into the furnace to be inputs. Of there, the fuel flow is accessible and can readily be controlled, while the latter two are usually unpredictable disturbances. In such situations, one aspect of the control problem is to determine how the controls should be manipulated so as to counteract the effects of the external disturbances on the state of the system. one possible approach to the solution of this problem is to use a continuous measurement of the disturbances , and from this and the known system equations to determine what the control inputs should be as functions of time to give appropriate control of the system state. A different approach is to construct a feedback system, that is, rather than measure the disturbances directly and then compute their effects on the system from the model or system equations, we compare direct and continuous measurements of the accessible system states with signal representing their ”desired values” to form error signal, and use this sign to produce inputs to the system which will drive the error as close to zero as possible.By some abuse of terminology, the former approach has come to be know as open-loop control, and the latter as closed-loop control. At first sight , the two approaches might appear to be essentially equivalent.Indeed, one might surmise that an open-loop control scheme is preferable since it is not necessary to wait until the disturbances have produced an undesirable change in the system state before corrective inputs can be computed and applied. However, this advantage is more than outweighed by the disadvantages of open-loop control and the inherent advantages of the open-loop control suggested above would require a very sophisticated computing device to determine the inputs required to counteract the predicted disturbance effects. Second, a feedback system turns out to be inherently far less sensitive to the accuracy with which a mathematical model of the system has been determined. Put another way, a properly designed feedback system will still operate satisfactorily even when the internal properties of the system change by significant amounts. Another major advantage of the feedback approach is that by placing a “feedback loop” around a system which initially has quite unsatisfactory performance characteristics, one can in many cases construct a system with satisfactory behavior. Consider, for example, a rocket in vertical flight. This is essentially an inverted pendulum, balancing on the gas jet produced by the engine, and inherently unstable. It can, however, be kept stable in vertical flight by appropriate changes in the direction of the exhaust jet, which may be achieved by rotating the engine on its gimbals mountings. The only satisfactory way of achieving these variations in jet direction is to use a feedback strategy in which continuous measurements of the angular motions of the rocket in two mutually perpendicular vertical planes cause a controller to make appropriate adjustments to the direction of the rocket engine. Stabilization of an inherently unstable system could not be achieved in practice by an open-loop control strategy. The mathematical tools required for the analysis and design of feedback systems differ according to the structural complexity of the structural complexity of the systems to be controlled and according to the objectives the feedback control is meant to achieve. In the simplest situation, one controls a single plant state variable, called the output, by means of adjustments to a single plant input. The problem is to design a feedback loop around the system which will ensure that the output changes in response to certain specified time functions or trajectories with an acceptable degree of accuracy. In either case, the transients which are inevitably excited should not be too ”violent” or persist for too long .In a typical situation, we are given a system, or plant, with control input u, external disturbance d, and output y, all scalars, the problem is to design a feedback system around the plant consisting of a device which produces a continuous measurement ym of the output; a comparator in which this signal is subtracted form a reference input yr ,representing the desired value of the output, to produce an error signal e; and a controller which uses the error signal e to produce an appropriate input u to the plant. We shall call this configuration a single-loop feedback system, a term which is meant to convey the essential feature that just one of the feedback system is to make the output y(t) follow its desired value yr(t) as closely as possible even in the presence of nonzero disturbances d(t).the ability of a system to do so under steady-state conditions is known as static accuracy. Frequently yr is a constant, in which case we call the feedback system a regulator system. Introduction to Control SystemsAs the name suggests, a control system is a system in which some physical quantity is controlled by regulating energy input. A system is a group of physical components assembled to perform a specific function. A system may be electrical, mechanical, hydraulic, pneumatic, thermal, biomedical, or a combination of any of these systems. The physical quantity may be any physical variable, such as temperature, pressure, liquid level, electric voltage, or mechanical position. We may use analog, digital, or both analog and digital techniques to control a desired physical quantity. Generally, the technique employed is used to classify the control system as either. Analog or digital. More specifically, a physical quantity to be controlled in a given system is used to label that system. For example, temperature is controlled in a temperature control system, whereas in a liquid-level system a pre-assigned liquid level is maintained. In the early days of control systems, most were analog systems employing analog techniques. These systems were relatively bulky, complex, and cumbersome both to design and to maintain. However, with the development of digital technology and the invention of integrated circuits, the design of control systems became easier as well as more economical. Presently, most control systems are microprocessor controlled, primarily because of the availability of control ICs and cheaper memories and tremendous advancements in data-handling capabilities.Optimal tuning for PI controller1. IntroductionThe PI controller is unquestionably the most commonly used control algorithm in the process control industry. The main reason is its relatively simple structure, which can be easily understood and implemented in practice, and that many sophisticated control strategies, such as model predictive control, are based on it. In spite of its wide spread use there exists no generally accepted design method for the controller. PI controllers have traditionally been tuned empirically, e.g. by the method described in Ziegler&Nichols (1942).This method has the great advantage of requiring very little information about the process. There is, however, a significant disadvantage because the method inherently gives very poor damping. Hang, Astrom and Ho (1991) proposed the refined Ziegler-Nichols tuning formula, which improve the performance of PI controller.In this paper we present an efficient and practical method for designing PI controller. The design is based on optimization of load disturbance rejection with constraint that the Nyquist curve of the loop transfer function is tangent to a line parallel to the imagine axes in the left-half of the complex plane. Thus, it satisfies both robustness and performance requirements. Simulation examples are given to show the effectiveness and flexibility of the controller in handing processes of different characteristics. Furthermore, comparison with refined Ziegler-Nichols formula shows that the new design procedure gives better performance. 2. The proposed method for designing PI controllersA PI controller with the transfer function (1)is employed to control the process. Hence, (2) With PI control it is possible to move the given point on the Nyquist curve in two direction in the complex plane. The point A may be moved in the direction of Gp(S) by changing the gain and in the orthogonal direction by changing the integral gain. The degree range of the movement of the point A is from 0 to900.Robustness is always of primary concern for process control when we analyze and design the control systems, because the models used for the design of the controllers are usually imprecise and the parameters of all physical systems vary with the working condition and time. These factors usually mark the control systems unstable so that the system deviate from the designing requirement, even make the systems unstable so that the systems cannot work normally. So when designing a system, we always hope the modeling error and variation of the parameters is less influencing on the performance of close-loop system. Robust specifications usually include gain margin, phase margin and sensitivity on which many formulas for the design of PID and PI controllers are based. We propose a new robustness specification , which is define as (3) where the loop transfer function is G1(j). The new specification is similar with the gain margin specifications. We have the following relation: (4)It is obvious that the new specification satisfies both the gain margin and phase margin requirement to a degree. Reasonable values of are in the range from 1.5 to2.5. Eq.(3) give the constraint that the Nyquist curve of the loop transfer function is tangent to a line parallel to the imagine axes and the distance between them is in the left-half of the complex plane.Assume that the transfer function of process is given by (5) where and are the real and imaginary parts of the process transfer function . The loop transfer function (j) can then be written as (6) Introduce the function (7) Because the Nyquist curve of the loop transfer function G1(j) is tangent to a line parallel to the imagine axes and the distance between them is in the left-half of the complex plane, then we have the following equations on the tangent point: (8) (9) Inserting expression (7) into Eqs.(8) and (9),gives (10) （11） For the fixed we can get a pair of values of and from Eqs. (10) and (11), which indicates a point - plane. The values ofandof an arbitrary point on the curve can make the Nyquist curve of the loop transfer function G1(j) is tangent to a line parallel to the imagine axes and the distance between them is in the left-half of the complex plane.Load disturbance rejection can be conveniently expressed in terms of the integrated absolute error due to a load disturbance in the form of a unit step at the process input, i.e. (12) This criterion is difficult to deal with analytically because the evaluation requires computation of time functions. The integrated error defined by (13)is much more convenient. In Astrom and Hagglund (1995) it is shown that . Thus, the criterion IE is directly given by the integrating gain of the controller. Remember that, IE=IAE if the error is positive. Furthermore, if the system is well damped the criteria will be ensured by the robustness specification.The design problem discussed above can be formulated as an optimization problem : Find controller parameters that maximize subject to constrains(8) and (9). Eqs. (10) and (11) define implicitly as function of.To find the maximum of this function we observe that (14) Considering Ep. (9) for arbitrary variations of dkp we get (15) Inserting expression (7) into Eq. (15), gives (16) which means at the local extremum we have. Inserting expression (16) into Eqs.(10) and (11), we get the following expression of and : (17) (18)whereis a robustness specification. As a design parameter,has reasonable values in the range of 1.5-2.5.3. ConclusionIn this paper, a simple PI controller design method that achieves high performance for a wide range of linear self-regulating processes is proposed. Satisfactory responses can be expected for processes with various dynamics, including those with low and high order, small and large dead time, and monotonic and oscillatory responses. Robustness is guaranteed by requiring that the Nyquist curve of loop transfer functions obtained for design parameter is tangent to a line parallel to the imagine axes and the distance between them is in the left-half of the complex plane. We minimize the integrated control error IE for response to load disturbance to get good performance. Simulation examples show the effectiveness and flexibility of the controller in hanging processes of different characteristics. The proposed method is suitable for on-line real-time implementation such as auto-tuning and self-tuning PI control. The PI formula giben in this paper is simple and can be easily adopted by industry.中文译文古典控制理论 这里所研究这类控制问题，在工程上有相当重要的意义。我们将讨论的系统有几个输入，其中某些输入称为控制量，因为这些量是可以人为地控制的，而另外一些输入称为外部扰动，它们是难以预测。例如在工业加热中炉，我们可
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