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基于数字PID的电阻炉温度控制毕业设计论文
基于数字PID的电阻炉温度控制
摘要
温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本文通过设计温度控制系统，
体现PID在模拟量信号检测与控制中应用的优越性。
本文中被控对象是电炉，在
炉温自动控制系统中，炉温经过热电偶检测和温度变送器的转换，变为相应的电
压信号，送往PLC控制器，再经过模拟量输入/输出模块（A/D）转换为数字量，
并由程序将给定的温度值与测量值比较，然后根据偏差大小按比例调节规律，计
算出校正量。
通过模拟量输入/输出模块的输出控制作用，消除炉温的偏差，从
而使炉温达到并稳定在给定的数值上。
关键词PLC，温度控制，PID调节
1绪论
1.1课题背景、目的及意义
1.1.1课题背景
随着电子行业的飞速发展，IC技术的不断提高，PID在国民经济生产各行业发挥了重要作用。
它因为集成度高，体积小，运行可靠，应用灵活，价格低，面向控制等特点得到了广大工程技术人员的好评。
在温度控制方面，PID能够代替以前常规的模拟调节器。
目前，我国在这些方面的技术水平与欧美等拥有先进制造技术的国家还有一定的差距。
我们波撇需要培养和训练能够设计智能化，自动化设备的工程技术人才。
智能作为现在的新发明，是以后的发展发祥和趋势，他能够按照预先设定的模式在一个环境里自动运作，不需要人为的管理，可应用于各个领域。
炉温控制就是其中的一个。
本设计介绍了利用PID进行炉温控制系统的基本组成，工作原理，程序设计和系统的抗干扰措施。
本设计结构简单，实用型强，有较高自能化，人性化特点。
1.1.2课题的目的及意义
本次设计选择“电炉温度控制的PID控制设计”是为了更好地学习和研究PID电气设计的相关知识，掌握电路设计的方法和技巧。
学会如何将学习到的理论知识用到实际当中，怎么能够活学活用。
深入的了解电子元器件的使用方法，了解各个元器件的基本用法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，同时在实践过程中锻炼查阅，归纳质料的能力，提高理论知识联系动手能力。
1.2本文结构安排
本设计系统以PID为控制核心，加以温度检测电路，变频调速器，D/A转换器以及其他电路构成。
系统由PID通过对温度检测电路检测到的温度加以分析，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，找出温度值所在范围，根据PLC中设置的PID参数，输出相应温度初值对应的受控对象电机的转速初值，经D/A转换为模拟电压，通过信号转为变频器的频率，控制变频调速装置，带动被控对象，并且把被控对象的转速经变换电路和D/A转换器反馈到PLC中，与输出的转速初值进行比较，其偏差被PID程序计算后重新输出，在规定的时间内循环，从而实现对温度的控制。
本系统简洁，灵活，可扩展性好，具有电路设计简单，精度高，控制效果好的优点。
2PID控制系统的概况
2.1PID控制系统的概述
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为：
u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：
G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]。
其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
2.2PID的实现意义
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
2.3PID的作用价值
它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。
在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。
也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。
在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。
由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。
PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。
现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：
如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。
闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。
这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。
另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。
因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。
自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程，工作地不是太好。
最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
2.4PLC的发展
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准:
编程方便，现场可修改程序；
维修方便，采用模块化结构；
可靠性高于继电器控制装置；
体积小于继电器控制装置；
数据可直接送入管理计算机；
成本可与继电器控制装置竞争；
输入可以是交流115V；
输出为交流115V,2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
在扩展时，原系统只要很小变更；
用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字公司（DEC）研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。
2.5PID的系统分类
2.5.1开环控制系统
是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输入没有影响。
在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2.5.2闭环控制系统
特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（NegativeFeedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。
另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。
2.5.3阶跃响应
指将一个阶跃输入（stepfunction）加到系统上时，系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性（stability），一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来（Steady-stateerror）描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
2.6PID的调节方法
PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。
PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。
可取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。
PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。
可实现自动/手动无扰动切换。
手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。
PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。
PID光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量值及控制目标值进行数字量显示（双LED数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（双光柱显示），
显示方式为双LED数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。
PID参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。
采用最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。
PID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。
PID参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行双向通讯功能，可选择多种通讯方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通讯波特率300～9600bps仪表内部参数自由设定。
可与各种带串行输入输出的设备（
如电脑、可编程控制器、PLC等）进行通讯，构成管理系统。
1.PID常用口诀：
参数整定找最佳，从小到大顺序查
先是比例后积分，最后再把微分加
曲线振荡很频繁，比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢，积分时间往下降
曲线波动周期长，积分时间再加长
曲线振荡频率快，先把微分降下来
动差大来波动慢。
微分时间应加长
理想曲线两个波，前高后低4比1
一看二调多分析，调节质量不会低
2.PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：
温度T:
P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s
压力P:
P=30~70%,T=24~180s,
液位L:
P=20~80%,T=60~300s,
流量F:
P=40~100%,T=6~60s。
2.5.2存储器
2.7PID的工作原理
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
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。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
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。
2.7.1比例（P）控制
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（Steady-stateerror）。
2.7.2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（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
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。
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。
2.7.3微分（D）控制
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组件（环节）或有滞后（delay）组件，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。
3控制的实现
3.1控制原理图
温度下降，则有
，经过温度检测以及变换电路把对侧对象转换成电压信号，该电压信号经D/A变换器转换为数字信号后送入PLC中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，得知系统处于欠温度状态。
此时系统会启动热电阻，控制加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于给定值（即
）为止。
如果负荷减小或煤气压力突然加大，则炉温升高。
u（t）随之加大，使得
。
经过温度检测及变换电路把被测对象的温度转换成电压信号，该电压信号经D/A变换器转换为数字信号后送入PLC中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，得知系统处于过温度状态。
此时系统会启动风扇，控制吹风冷却装置，从而使炉温下降，知道重新等于给定值为止。
由此看出系统是通过热电偶测量被控量，并反馈到系统的输入端，从而形成了闭合回路，此反馈信号通过比较线路与给定值进行加法或减法运算，获得偏差信号，系统再根据偏差信号的大小和方向进行调节。
所以，炉温控制系统是一个按偏差如图3.1和图3.2
调节的闭环系统。
炉温控制系统的原理方框图如图4.2所示。
图3.2炉温控制系统的原理方框图
3.2各独立模块方案论证
3.2.1温度检测模块
温度检测电路的选择
方案一：
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
其中铂热电阻的测量精度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
方案二：
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克效应，即两种不同成分的道题两端连接成回路，如两接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。
其优点是：
A测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
B测量范围广。
常用的热电偶从-50+1600度均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269度，最高可达+2800度。
C构造简单，使用方便。
热电偶通常是两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
缺点是熟悉度不够，想要正常安装颇有难度。
方案三：
采用西门子S7-200，它集成14个输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
16K字节程序和数据存储空间。
5个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个R5485通讯编程口，具有PPI通讯协议，MPI通讯协议和自由方式通讯能力，I/O端能容易的整体拆卸。
具有较强的控制力。
这次设计我采用方案三，使用西门子S7-200，其提供一个4点12位模拟量输入和温度传感输入模块，输入为DC-5~+5v和0~20mA电压或电流。
下面列展了西门子S7-200的一些主要技术指标
集成的数字量输入/输出14入/10出
可连接的扩展模块数量（最大）7个
最大可扩展的数字量输入/输出范围168点
最大可扩展的模拟量输入/输出范围35点
用户程序区8KB
数据存储区8KB
后备数据时间（电容）100
编程软件Step7-Micro/WIN
高速计数器6个30KHZ
高速脉冲输出2个20KHZ
通讯借口1个RS-485
外部硬件中断4
支持的通讯协议PPI,MPI,自由口
模拟电位器2个8位分辨率
实时时钟内置时钟
3.2.2变频调速模块
变频调速器的选择。
由n=60f/p知，当极对数p不变时，同步转速n和电源频率f成正比。
因此，连续地改变供电电源的频率，就可以平滑地调节电动机的转速。
这样的调速方法就是变频调速。
变频调速具有较好的调速性能，是交流调速方法中具有重要意义的一种调速方法。
在国内外都已得到推广和应用。
目前，国外生产的变频装置容量已达一万千瓦以上，价格和性能都可以与直流系统想媲美。
国内也有不少产品问世。
但是，由于元件制造水平低、价格贵加上技术上要求复杂，所以限制了它的推广和应用。
随着生产与技术水平的提高，变频调速系统必蒋得到更大的发展，以致在某些领域逐步代替直流调速系统。
故本系统采用变频调速器。
变频调速器的工作原理。
变频器调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别是表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
三相异步电动机转速公式为：
n=60f（1-s）/p。
从上式可见，改变供电频率f、电动机的级对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。
从调速的本质来看，不同调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。
3.2.3主控模块PLC
S7-200cup224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连续7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，16K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个R5485通讯/编程口，具有PPI通讯协议，MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
图3.3CUP224模块接线图
图3.4CPU224AC/DC/继电器输入接线型式简图
图3.524VDC输出接线型式图3.6继电器输出图3.724VDC输出
3.2.4功率输出电路及其控制原理的分析
加热丝输出功率大小的调节，可以使用移相调压电路，也可以采用占空比开关电路进行控制。
在采用移想调压电路时，即将计算到的控制量经D/A变换，控制可控硅的移相触发电路，实现输出电压的无极调节。
由于电压输出波形的不完整，含有高次谐波分量，对电网有一定的干扰。
采用占空比开关电路控制，即考虑可控硅控制电压和被控的交流电压之间以及电热丝产生的热量和所家的电压之间的非线性，通过调节周期时间内的通电时间来调节输出功率的大小，可以避免D/A转换和信号放大造成的不必要的误差，也可以通过可控硅的过零触发电路避免对电网的谐波干扰。
在本系统中采用占空比开关电路控制，功率输出电路设计如图3.8。
图3.8功率输出图
3.2.5显示电路设计
方案一：
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点在袖珍仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
方案二：
用LED数码管来显示。
LED电子显示屏作为一种现在电子产品，以其灵活的显示面积、亮度高、寿命长、容量大、等特点。
本系统中PLC与液晶显示器相连太麻烦，但与LED连接比较简单。
所以选取方案二。
该显示中选通信号由Y0，Y4控制。
前一单元显示设定温度，后一单元显示当前温度。
如当前温度显示为10则Y0~Y3为0001000000010000.
3.2.6按键接入
本系统设计中,输入按键有三个，用一个来控制温度的升高与下降，一个用来确认，另一个来取消。
PLC的输入借口X1用来接温度控制按键，X2作为确认按键输入，X3作为取消按键输入。
在需要降稳时按下X1键再按确认。
如错按则用X3取消。
加热时按两下X1，再确认。
3.2.7报警电路设计
本系统采用的是一个声光报警电路。
当电路检测到温度偏高或偏低时，电路会产生发光发声报警。
声光报警电路采用高亮的LED灯以及蜂鸣器来实现，其电路如下图3.9所示。
图3.9声光报警电路
3.2.8温度调节模块
本系统中风扇的作用是，当炉温过高时控制风扇对其进行降温。
当系统处于过温度状态，此时系统会启动风扇，控制吹风冷却装置，从而使炉温下降，知道重新等于给定值为止。
本系统中热电阻的作用是，当炉温过低时，控制热电阻对其进行加热。
当系统处于欠温状态时系统会启动热电阻，控制加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止。
3.2.9硬件总框图
下图是总的接线框图，在接线配线时需要注意的是在避免干扰的需求较高时最好用屏障电缆。
还有信号线与电缆线应该分开走。
图3.10硬件总框图
4系统软件设计
4.1主要的工作流程图
本系统采用PLC作为核心处理器件，把经过温度检测电路现场实时采集到的温度数据，存入PLC的内部数据存储器，送LED显示，并与预先设定值进行比较，然后由PLC输出信号去控制加热器。
进行温度控制程序的设计应考虑如下几个问题：
实时采集温度、温度显示、与上位PLC通信程序、警告和处理。
软件设计主要有：
主程序、初值设定子程序、温度读取子程序、显示子程序和输出控制子
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