基于S7200温度控制系统方案设计书Word文档下载推荐.docx

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监控软件使用MCGS工控软件，在输出控制中主要采用固态继电器电路实现，简化了系统的软硬件设计，提高了温度检测的精度，降低了硬件电路的复杂性。

在控制中运用PID调节功能，对其PID参数进行整定。

控制实验结果表明，该控制系统的控制效果其具有超调小、控制精度较高、运行稳定等优点。

本文以电阻炉为控制对象，在论文中详细阐述了控制系统的硬件设计、软件设计、和PID控制方法。

关键字：

温度控制；

PLC；

PID控制；

参数整定

temperaturecontrolsystemdesignbasedonS7-200

StudentmajoringinMechanicalDesign,ManufacturingandAutomationRenHang

TutorYangYong

Abstract：

Temperaturecontroliswidelyusedinindustrialproductionandlife,temperaturecontrolresultshaveadirectimpactonproductionefficiencyandproductsquality,andThusthecontrolofthetemperaturecontrolsystemrequirementsarehigh.Butthetemperatureiswarming,nonlinear,largeinertiaandlargedelaytime-varyingcharacteristics.Heattransmissionisneededaperiodoftime.itisrequiredcooltheheatexchangewiththeoutsideworld.Thespeedoftemperatureincreasesisrelationshipbetweenthesizeoftheheatcapacity.resultinglagisrelatedwiththeheattransferprocess,elementalsohasanadditiontemperatureacertaininertia,whichwillhavealag.Therefore,thedesignofahighprecisionandstabletemperaturecontrolsystemhasahighapplicationvalueandeconomicvalue.

ThetemperaturedetectioncircuitofthesystemusedinSiemensPLCS7-200typeusingtheextensionmoduleEM231,theusingofSTEP7Micro/WinprogrammingsoftwaresupportingPLCdesignsoftwareprogramoftemperaturecontrol,andusePIDcontrollerfortemperaturecontrol.IndustrialcontrolsoftwaremonitoringisusingsoftwareMCGS,solidstaterelaysisusingintheoutputcontrolcircuits,Itsimplifiesthesystemhardwareandsoftwaredesigntoimprovetemperaturemeasurementaccuracyandreducethecomplexityofthehardwarecircuit.PIDRegulatoryfunctionisusingofcontrolandtuningofitsPIDparameter.Controlexperimentsshowedthattheeffectofthecontrolsystemtocontrolhasasmallovershoot,thecontrolprecisionishigh,stableoperationandsoon.Inthispaper,resistancefurnaceistheobject,itdescribeddetaillythecontrolsystemhardwaredesign,softwaredesign,andPIDcontrolmethodsinthepaper.

Keywords:

Temperaturecontrol;

PLC;

PIDcontrol;

parametertuning

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

温度是定量描述物体冷热程度很重要的物理量，几乎所有的科研、生产、生活过程都和温度密切相关。

温度作为一项热工参数，在工业现场和过程控制中起着举足轻重的作用。

许多工业生产都必须在一定的温度条件下才会按照预定的方向进行，所以温度控制是保证生产过程正常进行的必须条件。

温度控制在我国电子、冶金、机械、化工、电力等工业领域得到了非常广泛的应用。

由于其具有工况复杂、参数多变、运动惯性大、控制滞后等特点，所以对控制调节系统的设计要求非常高。

在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。

温度控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。

在机械行业，金属材料是机械工业中应用最广泛的材料，它在机器设备所用材料中居首位。

热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。

根据不同的目的，将材料加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的性能，提高制件的使用效能或寿命。

金属加热是热处理操作一个重要环节，而且又是能源消耗最大的一个工序。

为了更好的满足机械零件所要求的性能，必须通过金属热处理进行材料材质的改变，提高材料的使用性能。

因此，在使用金属材料制造机械零件时通常需要对材料进行热处理。

由于热处理是在特定的温度范围内改变金属的金相组织，因此在整个过程中，对温度的变化和保温的时间要求极为严格，这使得热处理材料或金属工件的温度及其温度变化成为热处理的关键因素，它直接对热处理质量产生影响

（1）。

近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、环保方向发展，而电阻炉是热处理生产中常用的加热设备，加热温度常可在较大范围内调节。

目前电阻炉是热处理中用途较广的加热设备，具有加热速度快、热能利用效率高等优点在我国应用广泛。

电阻炉的温度是一种典型的工业过程控制对象，由于其具有工况复杂、参数多变、升温单向性、运动惯性大、控制滞后、时变性等特点（1,2），难以保证加热工艺要求，其升温、保温是依靠电源加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温。

随着科学技术的发展，电阻炉被广泛的应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。

因此，良好的温度控制系统，对保证产品质量、节约能源提高电炉生产率和加热效率都有十分重要的意义（3）。

本文以电阻炉为控制对象，以西门子S7-200型PLC为硬件核心元件，采用PID控制方法，MCGS工控软件监控，设计一种温度测控系统，使其具有硬件电路简单、系统性能优良等优点。

1.2国内外研究概况

1.2.1控制理论的发展状况

随着科学技术的发展，控制理论也在不断地发展，控制理论的发展过程可以分为三个阶段（3）。

第一阶段控制理论早期发展阶段称为“经典控制理论”时期。

经典控制理论现在已经是一门比较成熟的控制理论，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频率分析方法解决单输入单输出问题。

经典控制技术能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题，主要用于线性系统，是目前工业过程控制领域中占统治地位的一种控制理论（3）。

第二阶段称为“现代控制理论”时期。

这个时期计算机和空间技术的发展推动了控制理论的发展。

现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，用状态空间法描述系统的动态过程，可以解决多输入多输出问题。

基于该理论的主要控制方法有：

系统辩识、最优控制、自适应控制等。

该理论不仅用于线性定常系统，而且可以用于某些非线性时变以及具有随机扰动的系统。

其缺点是除了自适应控制外，其它控制方法虽然控制品质良好，但必须知道控制对象的数学模型，不能解决系统模型的不确定问题（3）。

第三阶段时间为“智能控制理论”阶段。

控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。

“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。

而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统（3）。

1.2.2温度控制发展现状

温度控制技术发展也经历了三个阶段：

1、开关控制；

2、PID控制；

3、智能控制（3）。

定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关。

其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。

PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。

目前国内成熟的电阻炉温度测控系统以PID控制器为主，PID控制对于小型实验用电阻炉控制效果良好，但对于大型工业电阻炉就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。

智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。

应用广泛的温度智能控制的方法有模糊控制、神经网络控制、专家系统等，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。

比较而言，国外温度控制系统的性能要明显优于国内，其根本原因就是控制算法的不同。

1.3PID控制与智能控制

1.3.1传统PID控制

传统的PID控制及改进型PID控制原理简单、工作稳定、可靠性高、鲁棒性强、实现容易、技术成熟等，曾在温度控制系统中得到了普遍的采用。

传统的PID控制技术是以经典控制理论或现代控制理论为基础发展起来的，其中PID控制是传统控制中的经典控制方式之一。

传统的控制技术是基于被控对象的精确数学模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系统由于依赖于数学模型而缺乏灵活性和应变能力。

PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。

调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。

其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型，因而其对于一些大滞后、多输入、时变性系统，控制效果难以满意（1，3）。

1.3.2智能控制

智能控制是一门新兴的理论和技术，智能控制的研究对象具有以下几个特点：

一、不确定性的模型。

智能控制的对象通常存在严重的不确定性，其不确定性是指模型的结构和参数可能在很大范围内变化。

二、高度的非线性。

在传统的控制理论中，线性理论比较成熟，而非线性理论很不成熟，非线性控制方法也比较复杂，采用智能控制方法可以较好的解决非线性系统的控制问题。

三、复杂的任务要求。

传统的控制系统控制任务要求比较单一，智能控制系统可以完成复杂的任务要求。

智能控制是一类无需人为的干预就能独立驱动机械而实现其目标的自动控制，一般智能控制系统的功能包括以下三点：

一、学习功能。

系统能对一个过程或未知环境所提供的信息进行识别、记忆、学习并利用积累的经验进一步改善系统的性能。

二、适应功能。

系统应具有适应受控对象动力学特性、环境变化和运行条件变化的能力。

三、组织功能。

对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调功能，使系统具有主动性和灵活性。

智能控制的方法很多，包括专家控制、神经控制、模糊控制、基于模式识别的智能控制、多模变结构智能控制、仿人智能控制。

智能控制理论发展以来，智能控制技术开始逐渐应用于工业控制。

智能控制是控制理论发展的高级阶段，是控制论、系统论、信息论和人工智能等多门学科交叉和综合的产物，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制。

随着工业生产的飞速发展，被控对象越来越复杂，常常表现为高度的非线性、强干扰、动态突破性以及分散的执行器、分层的决策机构、复杂的结构信息等，这样的被控对象往往存在难以用精确数学方法描述的不确定性，实践证明，对于此类复杂的控制对象采用智能控制性能要优于传统控制（1，3）。

1.4论文的总体结构

论文的结构构成如下：

第一章主要介绍了课题研究的背景、意义、温度控制技术的现状和发展趋势以及各种控制技术；

第二章研究了温度控制算法，详细分析了PID控制算法的原理和实现方法；

第三章是对系统的软硬件件设计部分详细介绍：

第四章是对系统温度控制参数的调试过程进行介绍：

第五章对控制实验结果进行了分析，对整个论文做了总结。

2温度控制系统的理论分析与研究

2.1温度对象控制特点

热量的传递和转移是需要一定时间的，温度上升的快慢与否与其载体热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个函数关系，一般为指数曲线。

而产生滞后则与热量的传递过程、传递介质有关系，另外测量温度元件通常也有一定的惯性，这些都会对温度控制产生滞后现象。

实践证明温度对象的特点是:

工况复杂、参数多变、时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。

因而对温度控制准确性，稳定性造成了很大困难，所以对温度控制的系统设计要求非常高。

在机械领域中，温度控制多运用于金属材料的热处理方面，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求，其升温、保温是依靠电源加热，降温则是依靠环境自然冷却，其中保温性能都非常良好，其加热惯性，滞后性均更大，这样也给温控带来更大困难，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，对生产过程工艺造成很大困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了效益。

良好的温控系统对保证产品质量、节约能源、提高电炉生产率和加热效率等方面均有十分重要的意义

（2）。

2.2温度控制的数学模型

2.2.1温度控制的简化数学模型

本次系统设计的控制对象为电阻炉，在温度控制系统中，电阻炉的炉内温度始终是控制的重点。

炉内温度是在电源加热的情况下，通过调节加热时间，加热功率等进行控制的。

对于炉内温度而言，虽然没有精确的数学模型，但根据实际经验，可得出炉内温度的变化趋势:

增大加热电流，炉内温度升高减少则炉内温度降低，同时，炉体是用保温、隔热材料筑成，炉内温度升高时，炉内气体进行传热导热，炉体将吸收热量使得自身温度升高，在这一过程中炉体蓄热，因此造成炉内温度变化滞后，在炉内温度下降的过程中，靠与外界的热交换来使炉温降低，炉体由于自身的积累热量特性会放出热量，且炉子保温效果较好，更使得炉膛温度变化比较滞后。

该温度控制系统是非线性、时变的复杂系统，同时对于电阻炉来讲，炉体尺寸较大，表现出一定的惯性和过冲性，因此其中包括惯性滞后环节。

一般将电阻炉视为一阶惯性环节加滞后的对象,其传递函数表示为:

（2-1）

其中各动态特性参数：

K为比例系数，T为电炉的热惯性时间常数,τ为纯滞后时间。

系数T、K、τ对于不同的被控对象,其数值有所不同

（1）。

2.2.2温度控制各动态参数的确定

对于温度控制的动态参数，K，T，τ；

一般是很难用理论的方法算出，只能运用实验的方法去测出，即实验测定法。

被控对象实验测定法是通过对研究对象人为输入扰动信号然后测取其输出变量随时间变化的曲线规律，得出一系列的实验数据或曲线，这些数据和曲线就可以表征了被控对象特性。

下面介绍下S形阶跃响应曲线法，来测定被控对象的动态特性。

其动态特性参数K、T、τ可以采用切线法来计算，方法是通过阶跃响应曲线的拐点作切线，使该切线与时间轴交于a点，与稳态值表示的水平线交于b点，则有:

（2-2）

（2-3）

（2-4）

其中，C（∞）：

被控对象达到的稳态值；

u为阶跃输入信号；

图2-1S形阶跃响应曲线

实验方法：

将炉温控制打到一直加热的控制状态，使系统处于开环状态，在系统温度稳定的状况下，最后炉温和外界达到热平衡，温度不再上升为止，并记录温度变化的过程并转化成温度飞升曲线，这样在曲线中按照图2-1绘制出的切线就可以初步的测定出控制对象数学模型的三个参数

（1）。

2.3PID算法介绍

在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、应用最为广泛的、生命力最强的基本控制方式。

由于其结构典型实用、鲁棒性强、可靠性高等一系列优点，在广泛的过程领域内得到应用。

据权威部门估计，世界范围内有90％以上的闭环控制采用PID控制器所谓PID控制算法，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算而确定控制输出量，对执行器进行控制。

PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化.因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。

由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足不同系统的性能要求。

在温度控制中PID算法中的各参数合理时，控制器可适当调整电阻炉以及热电偶测量与工件温度滞后等现象。

PID控制的最大问题是P、I、D三个系数的选取，它们随热处理设备和工况的不同而异，因此对不同的炉子应有一个最佳系数组合，而最佳系数的选取有很大的难度，为此，发展了PID参数的自整定技术，更使PID控制在热处理炉自动控制中占据了主导地位（4）。

2.3.1模拟PID控制介绍

PID调节器又称为比例积分微分调节器，按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。

PID控制器根据设定值r（t）与实际检测值c（t）构成的控制偏差e（t），

（2-5）

将偏差e（t）的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential），通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制它具有比例、积分、微分三种调节作用，其动态方程表达式：

（2-6）

式中

U（t）――控制器的输出量；

e（t）――控制器的输入量，这旨系统的给定值r（t）与输出值

c（t）之差，

;

KP――控制器的比例系数；

Ti――控制器的积分时间；

Td――控制器的微分时间（5）。

或写成传递函数的形式：

（2-7）

图2-2PID控制原理图

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的（4）。

1）比例（P）控制

比例作用P，比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

比例调节器实际上就是个放大倍数可调的放大器，即:

（2-8）

式中:

Kc---比例增益，Kc既可大于1，也可小于1；

比例调节有个缺点，就是会产生余差，要克服余差就必须引入积分作用（2，4，5）。

2）积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。

所谓积分，就是随时间进行累积的意思。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，调节器的积分作用就是为了消除自控系统的余差而设置的。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，也就是说积分作用总是起作用的，只有偏差不存在时，积分才会停止。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差（2，4，5）。

3）微分（D）控制

微分作用主要是用来克服被控对象的滞后，常用于温度控制系统在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性（2，4，5）。

2.3.2数字PID控制介绍

随着微型计算机技术的迅速发展和可靠性的不断提高，计算机参与工业控制不仅成为现实，而且日益广泛地应用到工业控制技术的各个方面。

PID控制技术和微型计算机技术的结合，特别是现代嵌入式微处理器的大量应用，便形成了数字PID控制技术。

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。

因此，式（2-6）中的积分和微分不能直接准确计算，只能根据采样点的数值用数值计算的方法来逼近。

这个过