pid温度控制系统课设.docx
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pid温度控制系统课设
目录
第一章绪论1
1.1温度控制系统研究背景1
1.2PLC概况2
1.3研究主要内容2
第二章控制系统结构图的设计3
2.1控制系统结构图3
2.2系统结构组成3
第三章硬件设计、线路板设计4
3.1I/O分配表4
3.2硬件接线图4
3.3温度检测和控制模块5
第四章软件设计6
4.1PID控制程序设计6
4.2PID在PLC中的回路指令8
4.3回路输入输出变量的数值转换方法9
4.4程序设计流程图10
4.5S7-200程序设计梯形图11
第五章系统测试16
5.1PLC调试方法与结果16
5.2MCGS调试方法与结果16
第六章锅炉夹套水温PID控制17
6.1控制原理框图17
6.2实验内容与步骤18
第七章组态软件界面、逻辑、代码21
7.1MCGS组态软件21
7.2组态软件设计22
7.3代码23
第八章数据采集硬件系统构件、连线24
8.1数据采集硬件系统构件24
8.2硬件系统连线24
第九章实验结果曲线及分析25
第十章总结27
参考文献28
第一章绪论
1.1温度控制系统研究背景
温度与人们的生存生活生产息息相关。
从古人类的烧火取暖，到今天的工业温度控制，处处都体现了温度控制。
随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。
传统的温度控制器多由继电器组成的，但是继电器的触点的使用寿命有限，故障率偏高，稳定性差，无法满足现代的控制要求。
而随着计算机技术的发展，嵌入式微型计算机在工业中得到越来越多的应用。
将嵌入式系统应用在温度控制系统中，使得温度控制系统变得更小型，更智能。
随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温度控制系统能够降低能耗，节约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景，而PLC就是最具代表性的一员。
目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。
在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。
目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪50年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。
它只能适应一般温度系统控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。
但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
1.2PLC概况
可编程控制器（ProgrammableController）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。
PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
1.3研究主要内容
本设计的主要流程为使用组态软件MCGS作为上位机，以S7-200PLC作为下位机，上位机通过PPI通讯读写下位机内存状态，下位机通过程序控制温度对象。
本设计的主要内容有：
（1）使用组态软件MCGS制作控制对象的工艺流程，报警组态，实时曲线与历史曲线等。
（2）MCGS与S7-200PLC的通讯研究。
（3）温度控制系统的温度采集与控制电压输出。
第二章控制系统结构图的设计
2.1控制系统结构图
温度控制系统的结构图如图2.1所示，该结构包括一台计算机、一台S7-200PLC、一个输出电压控制电路、一个温度检测电路、一个加热器、一个模拟量输入输出模块和串口通信线路等组成。
图2.1控制系统结构
2.2系统结构组成
MCGS组态软件的系统结构组成有：
（1）上位机
在温度控制系统中，控制现场往往是高温、高辐射等，这些现场很危险，工作人员一般不在现场，无法了解现场各种情况。
而上位机的设计就是为了让工作人员对现场的各个环节的工作状态有着清晰的了解，更好的管理现场。
（2）下位机
为了实现自动控制系统中的各种复杂的控制算法，使系统智能化，设计了下位机。
下位机由输入输出模块、PLC和单片机等组成，实现数据采集、运算、输出等任务。
（3）现场
即被控对象，在现场有许多传感器仪表，功率设备等，实现对现场变量的检测及对下位机的各种控制信号的响应等。
第三章硬件设计、线路板设计
3.1I/O分配表
表3.1I/O分配表
输入
I0.0
启动按钮
I0.1
停止按钮
输出
Q0.1
启动指示灯
Q0.2
停止指示灯
Q0.3
正常运行指示灯
Q0.4
温度越上限报警指示灯
Q0.5
锅炉加热指示灯
3.2硬件接线图
图3.1硬件连接图
图3.2EM235CN连接图
3.3温度检测和控制模块
由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将0～10V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。
输出的模拟信号也是0～10V，锅炉外接24V直流电源。
第四章软件设计
4.1PID控制程序设计
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。
人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。
比例控制（P）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。
其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。
在积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制（D）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。
微分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。
图4.1闭环控制系统
如图4.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。
偏差e和输入量r、输出量c的关系:
（4-1）
控制器的输出为：
（4-2）
---------PID回路输出
----------比例系数P
-----------积分系数I
-----------微分系数D
PID调节的传输函数为
（4-3）
数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。
其离散化的规律如表3.1所示：
表4.1模拟与离散形式
模拟形式
离散化形式
所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为:
（4-4）
式中，
称为比例项
称为积分项
称为微分项
上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。
计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。
故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。
4.2PID在PLC中的回路指令
西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表4.2
表4.2PID回路指令
名称
PID运算
指令格式
PID
指令表格式
PIDTBL,LOOP
梯形图
使用方法：
当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。
指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。
LOOP是回路号，可以是0～7，不可以重复使用。
PID回路在PLC中的地址分配情况如表3.3所示。
表3.3PID指令回路表
偏移地址
名称
数据类型
说明
0
过程变量（PVn）
实数
必须在0.0~1.0之间
4
给定值（SPn）
实数
必须在0.0~1.0之间
8
输出值（Mn）
实数
必须在0.0~1.0之间
12
增益（Kc
实数
比例常数，可正可负
16
采样时间（Ts）
实数
单位为s，必须是正数
20
采样时间（Ti）
实数
单位为min，必须是正数
24
微分时间（Td）
实数
单位为min，必须是正数
28
积分项前值（MX）
实数
必须在0.0~1.0之间
32
过程变量前值（PVn-1）
实数
必须在0.0~1.0之间
4.3回路输入输出变量的数值转换方法
本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。
但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。
在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。
传感器输入的电压信号经过EM235转换后，是一个整数值，但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。
使用指令DTR就可以了。
如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。
其转换程序如下:
MOVWAIW0AC0
DTRAC0AC0
MOVRAC0VD100
因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.0~1.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。
使它们的值都在0.0~1.0之间。
单极性的归一化的公式：
（4-5）
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。
目前，应用最多的还是工程整定法：
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表3.4所示
表4.4温度控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间（分钟）
微分时间（分钟）
温度
滞后较大
20～60
3～10
0.5～3
根据反复的试凑，调处比较好的结果是P=15，I=2.0，D=0.5
4.4程序设计流程图
图3.2设计流程图
4.5S7-200程序设计梯形图
1）读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压
2）判断炉温是否在正常范围，打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯
启动过程：
按下启动按钮后，开始标志位M0.1置位，M0.2复位。
打开运行指示灯Q0.0，熄灭并停止指示灯初始化PID。
开始运行子程序0。
停止过程：
按下停止按钮后，开始标志位M0.1复位，点亮停止指示灯，熄灭运行指示灯。
并把输出模拟量AQW0清零，停止锅炉继续加热。
停止调用子程序0，仍然显示锅炉温度。
停止时模拟量输出清零，防止锅炉继续升温。
调用子程序。
1）输入设定温度
2）把设定温度、P值、I值、D值都导入PID
3）每100ms中断一次子程序进行PID运算
导入DIP。
中断程序。
1）模拟信号的采样处理，归一化导入PID
2）DIP程序运算
3）输出DIP运算结果，逆转换为模拟信号
第五章系统测试
5.1PLC调试方法与结果
PLC程序的调试分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，外部接线一定要准确无误。
也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。
为安全考虑，最好将主电路断开。
将编写完成的程序逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。
当我写完程序过后，首先编译检查错误，看使用的语句中是否有违反PLC规定的用法，发现了语句错误过后马上进行修改，通过多次的修改，最后程序没有语言错误，下面就是检查是否有逻辑错误，看整个程序的运行状况怎么样，能否达到预期的效果。
在第一次运行的过程中有一段语句出现了红色的情况，当程序运行到那里时就会出现乱码，后来经过计算分析，原来是调用数据是调错了，该处的数据只能是0-1之间的数，后来将该处处理后，程序运行正常。
我写程序是分块写的，首先写的是数据采集块，数据采集就是主要是将采集到的数据进行处理，经过一系列的数据变换使的最后的显示值和所测量的温度值一致。
在写数据采集程序的过程中也遇到一些问题，通过同学的帮助，最后将这些问题解决了，正常的实现了数据采集。
然后写的是数据输出，数据输出程序也包括了PID运算程序，写好后就是出现了数据溢出的情况，后来分析发现是PID算法内的数据搞错了。
最后进行了数据滤波程序的编写，数据滤波程序是在同学的帮助下完成的。
通过多天的程序调试和修改，通过状态表监视，整个程序基本符合设计要求。
为人机界面的编写做好了准备。
5.2MCGS调试方法与结果
MCGS的调试也是主要检查各个变量是否准确无误的连接上了，是否能正常的通讯，MCGS人机界面的制作还算比较顺利，除了曲线设置出了点问题外，其他都还能正常通讯，通过变量的连接，可以通过MCGS实时的修改PID参数，得到控制曲线，通过多次的调整MCGS最后成功的完成了，在保存的过程中遇到过一些问题，做好的MCGS关后怎么也打不开了，后来老师给我们说了怎么弄，按照老师说的方法，最后能正常的用了。
第六章锅炉夹套水温PID控制
在系统的学习了《自动控制原理》，《过程检测技术及仪表》，《控制仪表及装置》等课程后，为了更好的提高我们对所学知道的认识加深对理论知识的理解。
借助THJ-4工程实验平台，通过对下水箱前馈反馈控制系统的设计，调试完成系统设计的设计与开发提高学生工程意识和能力提高创新能力。
1．了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。
2．了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。
3．研究调节器相关参数的改变对温度控制系统动态性能的影响。
4．分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉内胆动态水温控制的控制效果。
6.1控制原理框图
图6.1锅炉夹套水温定值控制系统
（a）结构图（b）方框图
本实验系统结构图和方框图如图6.1所示。
本实验以锅炉夹套作为被控对象，夹套的水温为系统的被控制量。
本实验要求锅炉夹套的水温稳定至给定值，将铂电阻TT2检测到的锅炉夹套温度信号作为反馈信号，与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉夹套水温的目的。
在锅炉夹套水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的热传导来实现的，所以夹套温度的加热过程容量时延非常大，其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。
实验中用变频器支路以固定的小流量给锅炉内胆供循环水，以加快冷却。
图6.1（b）为一个单回路的锅炉夹套温度控制系统的结构框图.实验前先用丹麦泵给锅炉内胆打适量的水，而锅炉夹套为动态环水,变频器,齿轮泵，锅炉内胆组成循环供水系统。
实验投入运行后，变频器以固定得频率使锅炉夹套得水处于循环状态。
在单回路的锅炉夹套温度控制系统中，若没有循环水加以快速热交换，散热过程相对比较缓慢，温度调节得效果受对象特性和环境的限制，在精确和稳定性上存在着一定的误差。
当增加了循环水系统以后，有利于热交换并提高散热能力。
相比与静态温度控制实验，在控制的精确性，快速性上有很大的提高。
本系统控制的被控制量锅炉夹套水温，既控制任务是控制锅炉夹套水温等于给定值，并采取工业智能PID调节。
6.2实验内容与步骤
本实验选择锅炉夹套水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将F2-6，F2-9，F2-8打开。
将变频器A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉内胆和夹套贮满水，然后关闭变频器、关闭F2-8，打开F2-9，为给锅炉内胆供冷水作好准备。
1、比例调节器（P）控制
（1）按图6.1（b）所示方框图的要求接成实验系统。
（2）打开储水箱到锅炉内胆和锅炉夹套水路相关阀门，启动丹麦甭既变频器与齿轮泵两条动力支路，分别往锅炉内胆和锅炉夹套进水，约进1-2分钟后，关闭两套动力系统。
（3）启动工艺流程并开启相关仪器和计算机，把智能调节器置于“手动”输出，把温度设定于某给定值（如：
水温控制在40°C）并设置相关参数，使调节器工作在比例度（δ）调节器状态，此时系统处于开环状态。
（4）启动变频器，以15赫兹的频率启动循环水系统。
（5）运行MCGS组态软件，进入相应的试验，观察实时或历史曲线，待水温（由智能调节器的温度显示器指示）基本稳定于给定值后，将调节器“手动”切换至“自动”位置，使系统变为闭环控制运行。
待基本不再变化时，加入阶跃扰动。
通过改变智能调节器的设定值来实现，观察并记录在当前比例P余差和超调量.每当改变值δ后，,再加同样大小的阶跃信号，比较不同δ时的ess和σp。
图6.2锅炉夹套温度P控制不同P时的阶跃响应曲线
（6）记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。
（数据可在软件上获得）
改变变频器的输出频率，观察并记录在当前比例度δ余差和超调量。
待系统稳定后，再改变输出频率，比较不同的输出频率时的ess和σp。
2、比例积分（PI）调节器控制
（1）在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分（“I”）作用，观察被控制量能否回到原设定的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差。
（2）固定比例度δ值（中等大小），然后改变积分时间常数Ti值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录下不同Ti值时的超调量σp。
图6.3锅炉夹套温度PI控制不同I时的阶跃响应曲线
表6.1不同Ti值时的超调量σp
Ti
大
中
小
超调量σp
大
中
小
（3）固定Ti于某一中间值，然后改变比例度δ的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp。
（4）选择合适的δ和Ti值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。
3、比例微分调节器（PD）控制
（1）在比例调节器试验的基础上，待系统被调量平稳后，引入微分作用“D”。
固定比例度δ值（中间值），改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。
（2）选择合适的δ和Td值，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。
4、比例积分微分（PID）调节器控制
（1）在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后,引入积分（“I”）作用，使被调量回复到原设定值。
减小δ，并同时增大Ti，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。
（2）在控制PI的基础上加上适量的微分“D”作用，然后再对系统加扰动（扰动幅值与前面的实验相同），比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处。
（3）选择合适的δ、Ti和Td，以获得一条较满意的动态曲线。
5、PID参数自整定的连续温度控制
当发现AI人工智能调节效果不佳时可启动自整定功能（具体操作参考人AI工智能工业调节器说明书）。
当自整定结束后，以前设定的参数会被整定出来的参数所替代，并自动将CTRL参数设为3，这样就无法再次从面板上启动自整定功能，可以避免人为的误操作再次启动自整定。
之后系统直接将整定出来的参数投入运行。
根据自整定得出来的参数去控制被控对象，若此效果不是很满意，可根据输出特性，在自整定参数的基础上适当修改一下参数，可达到满意效果。
一般通过自整定得出来的δ、Ti、Td参数，效果都比较好。
超调量小，过渡过程时间短。
但如果一开始，温控对象的温度不是最低，也就是说自整定寻求的最大斜率不一定是真正的。
此时自整定得出的δ、Ti、Td参数并不一定很理想。
第七章组态软件界面、逻辑、代码
7.1MCGS组态软件
利用MCGS软件组建工程的过程简介：
（1）工程项目系统分析：
分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。
（2）工程立项搭建框架：
主要内容包括：
定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。
经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。
（3）设计菜单基本体系：
为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。
编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。
在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。
（4）制作动画显示画面：
动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。
前一部分用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内组合成各种复杂的画面。
后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。
（5）编写控制流程程序：
在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块，由这些模块实现各种人机交互操作。
MCGS还为用户提供了编程用的功能构件，使用简单的编程语言，编写工程控制程序。
（6）完善菜单按钮功能：
包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。
（7）编写程序调试工程：
利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。
（8）连接设备驱动程序：
选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。
此项操作在设备窗口内进行。
（9）工程完工综合测试：
最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。
7.2组态软件设计
在开始组态工程之前,先对该工程进行剖析,以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。
本设计为盘管出水口水温与流量串级控制系统,目的是通过过程控制,使主控参数盘管出水口水温稳定为给定值,并对扰动具有一定的适应能力。
因此,本系统应具备盘管水温与热水流量串级控制系统的仿真界面,也应有盘管出水口水温与流量参数设定、实时数据显示窗口,实时曲线与历史曲线显示窗口,计算机与工控机的通讯状态设定及显示窗口。
由上述分析可知,本系统应具有7个用户窗口：
盘管水温与热水流量串级控制、实验指导、实时曲线、历史曲线、通讯状态、数据浏览、退出指
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