位移及运行/停止图CD901面板
●∨：
下移减小数字
●∧：
上移减大数字
CD901背面接线柱如下图所示。
图CD901背部接线图
（2）CD901的技术数据说明：
●热电阻：
Pt100:
电压：
0~5v
电流：
0~20mA,
●通讯：
RS-232/RS-485转换器
●控制类型：
4种
F：
PID动作及自动演算（逆）
D：
PID动作及自动演算（正）
W：
加热/冷却动作及自动演算（水冷）
A：
加热/冷却动作及自动演算（风冷）
●设定数据：
测定值（PV）：
来自被控对象的当前值
设定值（SV）：
与输入范围同样
加热侧比例带（P）：
1~全距~全距
冷却侧比例带（Pc）：
为P的1~1000%
积分时间（I）：
1~3600秒
微分时间（D）1~3600秒
加热侧比例周期（T）：
1~100秒
冷却侧比例周期（t）：
1~100秒
限制积分动作生效范围（ARW）：
加热侧比例带（P）的1~100%
（3）CD901工作原理
CD901系列仪表可配置数字通讯接口，其接口为RS485，仪表与上位机通讯为被动方式，采用上位向仪表发出读写命令，仪表才会动作，通讯采用ASCII码的形式。
CD901具有PID控制、自动演算、自主校正、设定数据帧、加热/制冷控制、数字通讯、正动作、逆动作、温度报警（加热器断线报警、控制环断线报警）等功能，可进行热电偶、热电阻输入，采样周期：
秒，过程值偏置：
-1999~9999℃或~℃（温度输入）±全量程（电压/电流输入）全量。
2.3试验装置连线步骤
按照实验装置面板上的连线原理图将系统运行时的线路连接上，连线原理图如下图。
图面板上的连线原理图
●硬手动（手动给定）连线：
硬手动时分别连接至调压模块接线柱③、④；
●OUT1连线：
非硬手动时分别连接至调压模块接线柱③、④；
●OUT2连线：
当使用风扇制冷时使用。
●TC连线：
当使用检测元件作为反馈值时使用。
2.4炉温控制系统硬件工作原理
主机电源箱、多功能检测实验装置、光电转速传感器-光电断续器（已装在转动源上）、转动源。
2.4.1前向通道工作过程
前向通道有两中工作方式，自动和手动，即可控硅模块的输入可以由计算机通过数据采集卡的D/A通道自动给定，也可以在控制面板上手动调节，两种方式只能选择一种。
可控硅输入Uk为1~5伏电压，0~1伏为死区，死区内输出为0，1~5伏电压输入对应0~220伏电压输出Ud，对应关系为近似线性关系，如图所示。
图可控硅输入输出关系
可控硅输出电压Ud加在加热炉上，使炉温上升。
加热炉也有两种工作方式，二加热体加热和四加热体加热，功率分别为600瓦和1200瓦，其温度范围分别为0~220度和0~300度，每台加热炉因保温效果和加热体实际功率不同，其温度范围也不尽相同，本文使用第二种方式测定数学模型参数并进行设计。
2.4.2反馈通道工作过程
反馈通道首先由热电阻Pt100的检测炉温，温度变送器将热电阻的阻值变化转换放大为两路输出信号，一路为0~300度的温度信号，通过数码显示管在温度控制装置上显示出来，另一路为0~5伏的电压信号，通过数据采集卡PCI1711的A/D通道送入计算机，两路信号近似线性比例约为60。
计算机经过计算处理，得到新的控制量，输出给可控硅。
第3章人机界面制作
3.1软件设计目标
软件系统的开发要达到以下功能要求：
◆采集温度变送器的电压输出，其范围为0~5V，即实现A/D功能；
◆输出控制量Uk，其范围也为0~5V，即实现D/A功能；
◆设计方便清晰的人机画面；
◆可以进行开环实验，并绘制加热炉升温曲线；
◆编程实现对采集到的数据进行滤波；
◆编程实现采用一般PID控制。
3.2人机界面制作
3.2.1建立新工程
点击进入组态王工程管理器，如图所示：
图组态王工程管理器
点击“新建”或在文件菜单中选择“新建工程”，出现如下提示：
图新建工程向导之一
点击“下一步”出现如下窗口，输入将建立的工程路径：
图新建工程向导之二
点击“下一步”，输入所建新工程的名称：
图新建工程向导之三
点击“完成”，并选择“是”，将新建的工程设为当前工程：
图组态王工程管理器
双击新建的工程，由于未安装加密狗，所以会有以下提示，只能在演示方式下进入开发环境，开发环境连续使用两个小时后自动关闭，必须重新启动组态王。
图进入开发环境提示
按照相应的提示操作后，弹出工程浏览器窗口、画面制作开发系统和组态王信息窗口，然后就可以进行下一步的工作了。
3.2.2画面的制作
3.3画面的制作
（1）制作“进入系统”画面，画面内容主要包括标题、系统简要说明、系统实物示意图和画面选择。
选中工程浏览器左侧的画面，在右侧窗口中双击“新建”，出现新画面属性对话框，如下图所示：
图新画面属性对话框
设置好属性后，点击“确定”，利用画面开发系统自带的工具箱、调色板等工具进行画面制作。
做好的进入系统的画面如图5-7所示。
（2）制作“炉温实时控制系统”，主要包括：
标题、参数设定、主要参数显示、控制按钮和温度曲线等，其中绘制实时温度曲线是用“温控曲线”控件来实现的。
图进入系统画面
3.4建立数据词典
在工程浏览器中单击数据库、数据词典（如图5-8），在右边窗体中双击“新建”，可以建立内存离散、内存整数、内存实数、内存字符串、I/O离散、I/O整数、I/O实数、I/O字符串和存储器九种类型的变量，每种变量都有各自不同的属性。
变量可以事先建立，也可以在编程或建立动画过程中根据所需随时建立[3]。
在组态王中实现A/D、D/A功能不需要单独编程，只要在工程浏览器中建立新设备，找到所用的板卡理光-CD901，并知道使用的通道号，便可以直接在数据词典里建立I/O变量来参数的设定、数据的采集与输出。
图数据词典
在这个工程当中需要的9个变量及变量的类型和其他属性如下表：
表3-1定义的变量
变量名称
变量类型
连接设备
数据类型
寄存器
PV
I/O实型
CD901
FLOAT
M0
SV
I/O实型
CD901
FLOAT
M8
AUTO_TUNING
I/Ol离散型
CD901
BIT
M15
H_P
I/O实型
CD901
FLOAT
M17
H_I
I/O实型
CD901
FLOAT
M18
H_D
I/O实型
CD901
FLOAT
M19
ON
内存离散型
CD901
Runtime
内存整型
CD901
DeviceID
内存整型
其中PV表示当前值，SV表示给定值，AUTO_TUNING表示自动切换值，H_P表示加热比例系数，H_I表示积分时间，H_D表示微分时间，ON用来设置开始标志。
Runtime表示当前时间，DeviceID用于构建数据库。
3.5建立动画连接
在建立好的画面上双击要建立动画连接的对象，会弹出“动画连接”窗口：
图动画连接窗口
（1）对于文本“####”：
双击或用鼠标右键选择快捷菜单中的“动画连接”，弹出如上动画连接窗口，所有文本均选择“模拟值输出”按钮，在弹出的“模拟值输出连接”对话框，在表达式中分别输入对应的变量名，整数位、小数位对应选择数值。
如下图5-10所示。
其他属性默认，单击“确定”，返回并确定。
图模拟值输出连接
（2）对于按钮：
用同样的方法进入动画连接对话框，选择“弹起时”，进入“命令语言对话框”，对于三个按钮分别输入：
●开始按钮：
\\本站点\ON=1;
SQLConnect（DeviceID,"dsn=mine,database=table"）;
SQLCreateTable（DeviceID,"biao","table"）;
●结束按钮：
ON=0;
SQLDisconnect（DeviceID）;
●退出按钮：
ON=0;
exit（0）;
如下图所示：
图按钮命令对话框
（3）对于画面：
在屏幕上单击鼠标右键，在出现的快捷菜单中选择画面属性，在出现的画面属性对话框中选择命令语言，出现画面命令对话框，将采样时间改为1000，在空白处键入：
if（\\本站点\ON==1）
{
xyAddNewPoint（"caiy",\\本站点\Runtime,\\本站点\PV,0）;
xyAddNewPoint（"caiy",\\本站点\Runtime,\\本站点\SV,1）;
\\本站点\Runtime=\\本站点\Runtime+1;
SQLInsert（DeviceID,"biao","bind"）;
}
3.6调试运行
先单击菜单项“文件/全部存”，再单击菜单项“文件/切换到View”；就进入运行系统，单击“画面”中的“打开”，打开自己创建的工程，按开始按钮系统开始绘制温度采样曲线。
第4章PID控制作用及参数整定
4.1PID的作用
比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例系数Kp太小不容易达到给定，Kp过大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
对于炉温控制来说，由于加热炉的降温完全依靠自然散热，微分控制的作用并不明显。
4.2PID控制器参数的整定
PID控制器的参数可以在被控对象模型未知的情况下采用试凑法来整定，试凑法的步骤为：
先比例、再加积分、最后加微分。
首先只整定比例部分，由小到大调节比例系数直到系统输出反应较快，超调较小，稳态误差达到允许范围内，即可确定比例系数；然后加入积分作用，积分系数应由小到大，并将已整定好的比例系数略微缩小，观察系统输出响应，直到动态特性较好，而且完全消除静差，即可确定积分系数；最后加入微分作用，微分系数仍然是由小到大，同时配合修改比例系数和积分系数，以获得良好的调节效果，确定微分系数。
如果获得被控对象模型，则可以采用仿真试验来整定，可以节约时间。
对于传递函数可近似为一阶惯性加滞后环节的被控对象：
（4-1）
采用典型PID控制器：
，可以用Z－N（Zieglor－Nichols）经验公式：
（4-2）
进行初步整定，然后用试凑法进行微调整定。
4.3一般PID控制算法
PID控制器的微分方程为：
（4-3）
在计算机控制系统中，使用数字PID，将上式离散化，写成差分方程：
（4-4）
式中：
——积分系数；
——微分系数。
上式是位置式PID算式，也可以写成增量式，其差分方程：
（4-5）
位置型PID控制算式因为要累加偏差，计算量大，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，计算机的任何故障都可能引起u（k）的大幅度变化；增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。
这里采用增量式表示的位置式PID，其差分方程为：
（4-6）
程序流程图如图所示：
图PID调节程序流程图
4.4工程整定方法介绍
4.4.1建立新工程
衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它是利用比例作用下产生的4:
1衰减振荡（ψ=过程时的调节器比例带δ
及过程衰减周期
，据经验公式计算出调节器的各个参数。
衰减曲线法的具体步骤是：
（1）置调节器的积分时间
→∞，微分时间
→0，比例带
为一稍大的值；将系统投入闭环运行。
（2）在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，观察控制过程。
如果过渡过程衰减率大于，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:
1的衰减过程。
记录下4:
1的衰减振荡过程曲线，如图6-1所示。
在图6-1（a）或（b）所示的曲线上求取ψ=时的振荡周期
结合此过程下的调节器比例带
，按表4-1计算出调节器的各个参数。
表4-1衰减曲线法计算公式
规律
P
0
PI
0
（3）按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。
与临界比例带法一样，衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过程。
从表4-1可以发现，对于ψ=，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律引入了积分作用，因此系统的稳定性将下降，为了仍然能得到ψ=的衰减率，就需将
放大倍后作为比例积分调节器的比例带值。
图衰减曲线
4.4.2临界比例带入法
临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。
这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带
以及振荡周期
，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。
可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。
临界比例带法的具体步骤是：
（1）将调节器的积分时间置于最大，即
→∞；置微分时间
=0；置比例带
于一个较大的值。
（2）将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带
，直到系统进入等幅振荡状态。
一般振荡持续4～5个振幅即可，试验记录曲线如图所示。
图等幅振荡曲线
（3）据记录曲线得振荡周期
，此状态下的调节器比例带为
，然后按表计算出调节器的各个参数。
表4-2临界比例带法计算公式
规律
P
0
PI
0
（4）将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统的调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节过程满意为止。
4.4.3经验法
如果调节系统在运行中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切的阶跃响应曲线就很困难，因此临界比例法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。
通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。
经验法可以说是根据经验进行参数试凑的方法，它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。
经验法整定参数的具体步骤是：
（1）将调节器的积分时间
放到最大，微分时间
置于最小，据经验设置比例带
值。
将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率（ψ=～则可，否则改变比例带
值，重复上述试验。
（2）将调节器的积分时间
由最大调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值
适当增大，一般为纯比例作用的倍。
作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。
（3）保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反方向修改比例带，直到满意为止。
保持比例带不变修改积分时间，同样反复试凑直到满意为止。
如此反复凑试，直到有一组合适的积分时间和比例带。
4.4.4电烤箱传递函数开环响应切线法参数整定
确定了开环响应方案后，同时完成组态软件与硬件的正常结合后。
将手动控制器接至固态继电器端，输出一个稳定电压X=220V（检测所得）。
读取并读取开环温度响应曲线显示与上位机中，待温度最后稳定时保存数据。
用绘图软件做出响应曲线如下图所示：
图开环温度响应曲线
在开环稳定温度在160℃左右时，根据响应曲线确定一阶延时模型各参数：
图局部切线法求参示意图
根据局部切线图中数据读取可得：
可得
：
（4-7）
第5章实验测试与整定
（1）首先根据临届比例法，测出相应的比例系数，为左右，通过前文介绍计算方法得到大概的积分或微分时间，如图。
图
（2）如上曲线明显不符合实验目的，经检验，为测试比例值时出现死区，重新测试。
可得如下曲线，可知微分作用过强。
图
（3）减小微分时间，进行微调。
图
（4）上图中，无明显超调量，调节时间过长，由此可知应增加比例系数，改变积分时间，可得系统下图。
图
由此可以得到衰减比为4:
1的响应曲线，基本上符合要求。
感想与总结
参考文献
1．翁维琴等编．过程控制系统及工程[M]．北京：
化学工业出版社．
2.邵裕森主编.过程控制及仪表（修订版）.上海：
上海交通大学出版社.
3.陈夕松等编.过程控制系统[M].北京：
科学出版社.
4.陶永华、尹怡欣.新型PID控制及应用[M].北京:
机械工业出版社.1998
5.马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:
清华大学出版社.2001
6．陈振春.双向可控硅在电动机控制电路中的的应用[J].南昌工程学院学报.
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