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1、 畢業(yè)設計論文I【摘要】本文研究的是可編程控制器在水箱恒溫控制系統(tǒng)中的應用，水箱恒溫控制裝置主要用來完成對水箱中液體的液位和溫度檢測，并對溫度參數(shù)進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中溫度控制是一個非常重要的部分。通過鉑熱電阻對溫度進行測量，將測量到的溫度傳到 PLC 中。PLC 對采集到的溫度值與給定值進行比較，經(jīng)過 PID 運算后，調(diào)節(jié)雙向晶閘管在設定周期內(nèi)通斷時間的比例，改變加熱絲中電流大小及加熱時間，以完成對溫度的控制要求。本系統(tǒng)硬件部分主要由 CPU224、EM235、雙向晶閘管等組成；軟件部分主要由 PID控制來完成。關鍵詞關鍵詞：PLC CPU224 EM235 雙向晶閘管 PID 控制Abstrac

2、t:Abstract: In this paper, is the programmable controller in the water tank temperature control system application, water tank temperature control system is mainly used to complete the tank liquid level and temperature detection, and adjust the temperature parameters. System, temperature control is

3、a very important part. By platinum RTD temperature measurement will be measured in the temperature reached the PLC. PLC on the collected temperature values compared with a given value, after a PID operation, the regulator Triac off the set period of time the ratio of change in heating wire in the cu

4、rrent size and heating time to complete the right temperature control requirements.The system hardware mainly by the CPU224, EM235, bi-directional thyristor etc.; software, some of the major by the PID control to complete. KeyKey words:words: PLC CPU224 EM235 Triac PID Control 畢業(yè)設計論文II目錄目錄1.1.前言前言.1

5、1.1 恒溫系統(tǒng)應用.11.2 PLC 的結(jié)構(gòu).11.2.1 中央處理單元(CPU).11.2.2 存儲器.11.2.3 電源.21.3 PLC 的工作原理.21.3.1 PLC 的基本工作原理.21.3.2 PLC 編程方式.31.4 PLC 的控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢.31.5 PLC 控制系統(tǒng)的構(gòu)成設計原則及步驟.41.5.1 PLC 的設計原則.41.5.2 PLC 的設計步驟.52 2 硬件設計硬件設計.72.1 工作過程.72.2 I/O 地址分配.72.3 選擇硬件.82.3.1 CPU224.82.3.2 雙向晶閘管.92.3.3 熱電阻原理構(gòu)造.103 3 PIDPID 的介紹的介紹

6、.113.1 PID 的工作原理.113.2 PID 參數(shù)整定.123.3 PID 模塊介紹.133.3.1 PID 回路表的格式及初始化.133.3.2 PID 程序.144 4 程序程序.184.1 順序功能流程圖.184.2 程序設計.20結(jié) 束 語.25謝 辭.26參考文獻.27 畢業(yè)設計論文11.1.前言前言1.11.1 恒溫系統(tǒng)應用恒溫系統(tǒng)應用在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和實驗室中電熱恒溫箱的應用隨處可以見到。在生活中我們保存食物用到恒溫箱，工業(yè)生產(chǎn)中一些生產(chǎn)原料的保存用到恒溫箱，實驗室里，特別是生物的培育實驗室，恒溫箱的應用更是普遍?？删幊炭刂破骷?PLC 是在計算機技術、通信技術和繼電

7、器控制技術的發(fā)展基礎上開發(fā)出來的，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。它以微處理器為核心，用編寫程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術運算等，并通過數(shù)字量和模擬量是輸入/輸出來控制設備或生產(chǎn)過程。在本設計中，我們針對實驗水箱而設計的一個恒溫系統(tǒng)，針對溫度控制的特點以及實現(xiàn)準確溫度控制的意義，設計了一種基于 PID 的恒溫檢測控制系統(tǒng)。1.21.2 PLCPLC 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。1.2.11.2.1 中央處理單元中央處理單元(CPU)(CPU)中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞，它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并

8、存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲器 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算, 運算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行直到停止運行。為了進一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)，

9、這樣即使某個 CPU 出現(xiàn)故障整個系統(tǒng)仍能正常運行。1.2.21.2.2 存儲器存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。(1) PLC 常用的存儲器類型RAM (Random Assess Memory)，這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器) ，其存取速度最快，由鋰電池支持。EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，這是一種可擦除的只讀存儲器，在斷電情況下存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容)。 EEPROM(Electrical Erasable Programmable

10、 Read Only Memory)，這是一種電 畢業(yè)設計論文2可擦除的只讀存儲器，使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進行修改。(2) PLC 存儲空間的分配雖然各種 PLC 的 CPU 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)；系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)(包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等)；用戶程序存儲區(qū)。 系統(tǒng)程序存儲區(qū)在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序、等由制造廠商將其固化在EPROM 中，用戶不能直接存取，它和硬件一起決定了該 PLC 的性能。

11、 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設備如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器、等存儲器。a I/O 映象區(qū)由于 PLC 投入運行后只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設，因此它需要一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 I/O 映象區(qū)，一個開關量 I/O 占用存儲單元中的一個位(bit)，一個模擬量 I/O 占用存儲單元中的一個字(16 個 bit)， 因此整個 I/O 映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關量 I/O 映象區(qū)，模擬量 I/O 映象區(qū)。b 系

12、統(tǒng)軟設備存儲區(qū)除了 I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)的存儲區(qū)，該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在 PLC 斷電時由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失，后者當 PLC 斷電時數(shù)據(jù)被清零。c 用戶程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序，不同類型的 PLC 其存儲容量各不相同。1.2.31.2.3 電源電源PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC 的制造商對電源的設計和制造也十分重視，一般交流電壓波動在+10

13、%(+15%)范圍內(nèi)可以不采取其它措施，而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去。1.31.3 PLCPLC 的工作原理的工作原理1.3.11.3.1 PLCPLC 的基本工作原理的基本工作原理 （1）PLC 采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式 1）每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣。集中對輸出信號進行刷新。 畢業(yè)設計論文32）輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。 3）一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。 4）元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 5）掃描周期的長短由三條決定：

14、CPU 執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時間；指令條數(shù)。 6）由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。 （2）PLC 與繼電器控制系統(tǒng)、微機區(qū)別 1）PLC 與繼電器控制系統(tǒng)區(qū)別 前者工作方式是“串行” ，后者工作方式是“并行” 。 前者用“軟件” ，后者用“硬件” 。 2）PLC 與微機區(qū)別 前者工作方式是“循環(huán)掃描” 。后者工作方式是“待命或中斷” 。1.3.21.3.2 PLCPLC 編程方式編程方式 PLC 最突出的優(yōu)點采用“軟繼電器”代替“硬繼電器” 。用“軟件編程邏輯”代替“硬件布線邏輯” 。PLC 編程語言有梯形圖、布爾助記符語言，等等。尤

15、其前兩者為常用。 梯形圖語言特點： （1）每個梯形圖由多個梯級組成。 （2）梯形圖中左右兩邊的豎線表示假想的邏輯電源。當某一梯級的邏輯運算結(jié)果是“1” ，有假想的電流流過。 （3）繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而它的常開、常閉觸點可以出現(xiàn)無數(shù)次。 （4）每一梯級的運算結(jié)果，立即被后面的梯級所利用。 （5）輸入繼電器受外部信號控制。只出現(xiàn)觸點，不出現(xiàn)線圈。1.41.4 PLCPLC 的控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢的控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢（1）PLC 發(fā)展的潮流目前，國外 PLC 制造商不斷推出新產(chǎn)品。西門子最初推出 S5 系列，然后推出 S7系列；三菱開始是 F 系列，F(xiàn)X 系列，現(xiàn)在是 Q 系列（A1、A2、A2X）

16、 。大趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網(wǎng)絡功能越來越強。特別是網(wǎng)絡，因為聯(lián) 網(wǎng)是一個大潮流?，F(xiàn)在各種 PLC 都在發(fā)展自己的網(wǎng)絡，一般從結(jié)構(gòu)上有兩種，一種在 PLC 模塊上做了一個通信輸出口，可以直接與計算機聯(lián)接實現(xiàn)點對點通信（RS232 聯(lián)接） ；另一種是通過多點聯(lián)接（RS485 聯(lián)接） ，這適用于多層 PLC。這方面，西門子的產(chǎn)品具有代表性，它具 畢業(yè)設計論文4有自己的 PROFIBUS 協(xié)議的網(wǎng)絡標準，現(xiàn)在已經(jīng)被世界上絕大多數(shù)國家接受，幾乎已經(jīng)成為國際標準，獲得廣泛的應用。目前網(wǎng)絡是一個發(fā)展趨勢。網(wǎng)絡的控制中心一般有兩臺計算機，通過電纜與現(xiàn)場的 PLC 站相連，每個站就放在被控設備的

17、附近，從設備到PLC 站之間的電纜很短，從 PLC 站到控制中心只需一根電纜線，這樣成本就大大降低了。（2）PLC 的最新發(fā)展動態(tài)一是 PLC 網(wǎng)絡化技術的發(fā)展，其中有兩個趨勢，一方面，PLC 網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌 PLC 除了形成自己各具特色的 PLC 網(wǎng)絡系統(tǒng)，完成設備控制任務之外，還可以與上位計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分。另一方面，現(xiàn)場總線技術得到廣泛的采用，PLC 與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設備，比如智能化儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等，通過一根傳輸介質(zhì)（比如雙絞線，同軸電纜，光纜）連

18、接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構(gòu)成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡與單純的PLC 遠程網(wǎng)絡相比，配置更靈活，擴容更方便，造價更低，性能價格比更好，也更具開放意義。二是 PLC 向高性能小型化發(fā)展。PLC 的功能正越來越豐富，而體積則越來越小。比如三菱的 FX-1S 系列 PLC，最小的機種，體積僅為 6090 75mm，相當于一個繼電器，但卻具有高速計數(shù)、斜坡、交替輸出及 16 位四則運算等能力，還具有可調(diào)電位器時間設定功能。PLC 已不再是早期那種只能進行開關量邏輯運算的產(chǎn)品了，而是具有越來越強的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計算機上才能具有的高級處理能力，如浮點數(shù)運算，PI

19、D 調(diào)節(jié)，溫度控制，精確定位，步進驅(qū)動，報表統(tǒng)計等。從這種意義上說，PLC 系統(tǒng)與 DCS（集散控制系統(tǒng)）的差別已經(jīng)越來越小了。用 PLC 同樣可以構(gòu)成一個過程控制系統(tǒng)。1.51.5 PLCPLC 控制系統(tǒng)的構(gòu)成設計原則及步驟控制系統(tǒng)的構(gòu)成設計原則及步驟1.5.11.5.1 PLCPLC 的設計原則的設計原則1）硬件設計：硬件設計內(nèi)容：PLC 機型的選擇；輸入/輸出設備的選擇；圖樣（如接線圖等）繪制；硬件設計應遵循的原則：（1）經(jīng)濟性（2）可靠性（3）先進性及可擴展性 畢業(yè)設計論文52） 軟件設計：軟件就是編寫滿足生產(chǎn)控制要求的 PLC 用戶程序，即繪制梯形圖，或編寫語句表。軟件設計原則：（1

20、）邏輯關系要簡單明了，易于編程；如繼電器的觸點可以使用無數(shù)次，只要在實現(xiàn)某個邏輯功能所需要的地方，可以隨時使用，使得編制程序具有可讀性，但要避免使用不必要的觸點。（2）保證程序功能的前提下盡量減少指令和程序的運行時間。1.5.21.5.2 PLCPLC 的設計步驟的設計步驟 PLC 系統(tǒng)設計的一般方法和步驟如圖 11 所示：程序設計與調(diào)試分析生產(chǎn)過程，明確設計要求電器電路設計試運行繪制系統(tǒng)原理圖選擇 PLC 的型號總裝調(diào)試圖 11 PLC 的設計流程（1）確定方案： 被空對象環(huán)境較差，系統(tǒng)工藝復雜，考慮用 PLC 控制系統(tǒng)。控制很簡單，可以考慮用繼電器控制系統(tǒng)。用 PLC 控制，首先要了解系統(tǒng)

21、的工作過程及所有功能要求，從而分析被控對象的控制過程，輸入/輸出量是開關量還是模擬量，明確控制要求，繪制系統(tǒng)流程圖。（2）選擇 PLC 的機型：PLC 的可靠性上是沒有問題的，機型的選擇主要是考慮功能上滿足系統(tǒng)要求。機型 畢業(yè)設計論文6的選擇依據(jù)：控制對象的輸入量，輸出量工作電壓輸出功率現(xiàn)場對系統(tǒng)的響應速度要求控制室與現(xiàn)場的距離等。（3）選擇 I/O 設備，列出 I/O 地址分配表：輸入設備：控制按鈕、行程開關、接近開關等。輸出設備：接觸器、電磁閥、信號燈等。確定輸入/輸出設備的型號和數(shù)量。列寫輸入/輸出設備與 PLC 的 I/O 端口地址對照表，繪制接線圖及編寫程序。分配 I/O 地址時應注

22、意以下幾點：把所有按鈕、行程開關等集中配置，按順序分配I/O 地址；每個 I/O 設備占用地址；同一類型的 I/O 點應盡量安排在同一個區(qū)。彼此有關的輸出器件，如電動機的正反轉(zhuǎn)，其輸出地址應連續(xù)分配。1）繪制電動機的主電路及 PLC 外部的其它控制電路圖。2）繪制 PLC 的 I/O 接線圖。注：接在 PLC 輸入端的電器元件一律為常開觸點，如停止按鈕等。3）繪制 PLC 及 I/O 設備的供電圖。輸入電路一般由 PLC 內(nèi)部提供電源，輸出電路根據(jù)負載的額定電壓外接電源。（4）設計電氣線路圖：（5）程序設計與調(diào)試程序設計可以用經(jīng)驗設計或者功能表圖設計法，或兩者結(jié)合使用。（6）總裝調(diào)試：接好硬件

23、線路，把程序輸入 PLC 中，聯(lián)機調(diào)試 畢業(yè)設計論文72 2 硬件設計硬件設計2.12.1 工作過程工作過程（1）打開 SV1 充冷水，當水到達上限位，使上限位傳感器輸出有信號時，停止供冷水，關閉 SV1。（2）當水到達下限位時，啟動加熱器 H，讓其加熱水，同時讓攪拌電動機 M 開始運行，使水的溫度均勻上升。（3）設定給定溫度值為 60。（4）當實際溫度高于 60時，開通 SV1 和 SV2，并運行攪拌電機 M；當實際溫度低于 60時，開通加熱器 H 并運行攪拌電機 M。以此進行循環(huán)。（5）當水低于下限位傳感器時，報警燈亮。人工按下停止按鈕，重新開始啟動。圖 21 實驗水箱溫度控制系統(tǒng)符號描述

24、2.22.2 I/OI/O 地址分配地址分配 畢業(yè)設計論文8根據(jù)圖 2-1 及以上工作過程分析，統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號，如表 2-1 所示。水位上下限位信號分別為 I0.2、I0.3,它們在水淹沒時為 1，露出時為 0。表 21 I/O 分配名稱符號地址編號啟動按鈕QS2I0.0停止按鈕QS1I0.1水池水位上限信號SLHI0.2水池水位下限信號SLLI0.3熱繼電器信號QSI0.4輸入信號鉑電阻信號AI4AIW0控冷水電磁閥SV1Q0.0控熱水電磁閥SV2Q0.1攪拌電機MQ0.2報警指示燈HLQ0.3加熱器HAQ輸出信號PID 輸出模擬信號A00AQW02.32.

25、3 選擇硬件選擇硬件從上面分析可以知道，系統(tǒng)共有 5 個開關量輸入點，4 個開關量輸出點，1 個模擬量輸入點，1 個模擬量輸出點。參照西門子 S7-200 產(chǎn)品目錄及市場實際價格，選用主機為 CPU224(14 入/10 繼電器輸出)一臺，再擴展一個模擬量模塊 EM235(4AI/1AO)。這樣的配置是最經(jīng)濟的。整個 PLC 系統(tǒng)的配置如圖所示。主機單元CPU224AC/DC/繼電器模擬量單元EM2354AI/1AO圖 22 恒溫水箱的 PLC 系統(tǒng)的配置2.3.12.3.1 CPU224CPU224CPU224 集成 14 輸入10 輸出共 24 個數(shù)字量 IO 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，

26、最大擴展至 168 路數(shù)字量 IO 點或 35 路模擬量 IO 點。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 畢業(yè)設計論文9個獨立的 30KHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的 20KHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。1 個RS485 通訊編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。IO 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。如下圖所示圖 23 CPU224 的接線圖2.3.22.3.2 雙向晶閘管雙向晶閘管雙向晶閘管工作原理:雙向可控硅具有兩個方向輪流導通、關斷的特性。雙向可控硅實質(zhì)上是兩個反并聯(lián)的單向可控硅，是由 NPNPN 五層半導體形成四個 PN 結(jié)

27、構(gòu)成、有三個電極的半導體器件。圖 24 雙向可控晶閘管液溫的電加熱一般采用移相觸發(fā)可控硅調(diào)節(jié)方式。即 PLC 根據(jù) PID 公式計算出控制電壓值，經(jīng) D/A 變換成模擬量輸出給晶閘管，控制可控硅導通角。為避免電源畸變造成干擾，此處采用雙向晶閘管固定周期控制方式。工作原理為：，選定控制脈沖的周期 畢業(yè)設計論文10Tc=1 s，100 個工頻電源半周期即為 10 ms。根據(jù) PID 計算結(jié)果，微機在 1 秒固定周期內(nèi)，發(fā)出不同寬度的電脈沖去控制雙向晶閘管的門極，改變其導通時間，從而控制加熱器的平均輸出功率。2.3.32.3.3 熱電阻原理構(gòu)造熱電阻原理構(gòu)造熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它

28、的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點： 熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致 。 為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。 畢業(yè)設計論文113 3 PIDPID 的介紹的介紹3.13.1 PIDPID 的工作原理的工作原理在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律

29、是 PID 控制。PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖31 所示。系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對象組成。比例微分積分被控對象Rin(k)Yout(k)+-+圖 31 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值 rin(t)與實際輸出值 yout(t)構(gòu)成控制偏差： Error(t)=rin(t)-yout(t) （3.1）PID 控制就是對偏差信號進行比例、積分、微分運算后，形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為： （3.2）tDpdttderrorTdtterrorTterrorktu01)()(1)()(或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式： （3.3）sTsTksEsUsGDp111

30、)()()(其中， kp比例系數(shù)；Ti積分時間常數(shù)；T d微分時間常數(shù)。簡單說來，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。比例控制： Gc(s)= Kp 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強盡弱取決于積分時間常數(shù) Ti，Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強。積分控制： Gc(s) = Kp/T is 畢業(yè)設計論文12微分環(huán)節(jié)：反偏差信號的變化趨勢（變化速率） ，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分控

31、制： Gc(s) =KpT ds基本 PID 控制器的理想算式為： （3.4） 式中u(t)控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；e(t)控制器的輸入（常常是設定值與被控量之差，即 e(t)=r(t)-c(t)） ；Kp控制器的比例放大系數(shù)；Ti 控制器的積分時間；Td控制器的微分時間。設 u(k)為第 k 次采樣時刻控制器的輸出值，可得離散的 PID 算式 （3.5） 式中 。由于計算機的輸出 u(k)直接控制執(zhí)行機構(gòu)（如閥門） ，u(k)的值與執(zhí)行機構(gòu)的位置（如閥門開度）一一對應，所以通常稱式(4.3)為位置式 PID 控制算法。位置式 PID 控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關

32、，計算時要對 e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出 u(k)對應的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。3.23.2 PIDPID 參數(shù)整定參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，本設計采用實驗湊試法（1）確定控制器參數(shù)數(shù)字 PID 控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù)-時間 PID 參數(shù)整定方法進行。在選擇數(shù)字 PID 參數(shù)之前，首先應該確定控制器結(jié)構(gòu)。對允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，可以適當選擇 P

33、或 PD 控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。對必須消除穩(wěn)態(tài) 畢業(yè)設計論文13誤差的系統(tǒng)，應選擇包含積分控制的 PI 或 PID 控制器。一般來說，PI、PID 和 P 控制器應用較多。對于有滯后的對象,往往都加入微分控制。（2）選擇參數(shù)控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對象的具體特性和對控制系統(tǒng)的性能要求進行。工程上，一般要求整個閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對給定量的變化能迅速響應并平滑跟蹤，超調(diào)量??；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。這些要求，對控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的。我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，

34、適當?shù)卣壑蕴幚?。?）整定步驟實驗湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟中選擇的比例系數(shù)減小為原來的 5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟，PI 控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構(gòu)成 PID 控制。先置微分時間 TD=0，逐漸加大 TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分

35、時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù)。3.33.3 PIDPID 模塊介紹模塊介紹3.3.13.3.1 PIDPID 回路表的格式及初始化回路表的格式及初始化（1）PID 回路表PLC 在執(zhí)行 PID 調(diào)節(jié)指令時，須對算法中的 9 個參數(shù)進行運算，為此 S7-200 的 PID指令使用一個存儲回路參數(shù)的回路表，PID 回路表的格式及含義如表 32 所示。 畢業(yè)設計論文14表 31 PID 回路表說明：PLC 可同時對多個生產(chǎn)過程（回路）實行閉環(huán)控制。由于每個生產(chǎn)過程的具體情況不同，PID 算法的參數(shù)亦不同。因此，需建立每個控制過程的參數(shù)表，用于存放控制算法的參數(shù)和過程中的其它

36、數(shù)據(jù)。當需要執(zhí)行 PID 運算時，從參數(shù)表中把過程數(shù)據(jù)送至PID 工作臺，待運算完畢后，將有關數(shù)據(jù)結(jié)果再送至參數(shù)表。反饋量 PVn 和給定值 SPn 為 PID 算法的輸入，只可由 PID 指令讀取并不可更改。通常反饋量來自模擬量輸入模塊，給定量來自人機對話設備，如 TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)等。表中回路輸出值 Mn 由 PID 指令算得出，僅當 PID 指令完全執(zhí)行完畢才予以更新。該值還需用戶按工程量標定通過編程轉(zhuǎn)換為 16 位數(shù)字值，送往 PLC 的模擬量輸出寄存器 AQWx。表中增益（KC） 、采樣時間（TS） 、積分時間（TI） 、微分時間 TD 是由用戶事先寫入的值，通常也

37、可通過人機對話設備（如 TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)）的輸入。表中積分和 YX 由 PID 運算結(jié)果更新，且次更新值用作下一次 PID 運算的輸入值。積分和的調(diào)整值必須是 0.00.1 之間的實數(shù)。（2）PID 回路表初始化為了執(zhí)行 PID 指令，要對 PID 回路表的初始化處理，即將 PID 回路表中有關參數(shù)（給定值 SPn 、增益值 KC、采樣時間 TS、積分時間 TI、微分時間 TD） 。按照地址偏移量寫入到變量寄存器 V 中。一般是調(diào)用一個子程序，在子程序中對 PID 回路表進行初始偏移地址（VB）變量名數(shù)據(jù)格式輸入輸出類型取值范圍T+0反饋量（PVn）雙字實數(shù)輸入應在 0.0

38、1.0 之間T+4給定值(SPn)雙字實數(shù)輸入應在 0.01.0 之間T+8輸出值(Mn)雙字實數(shù)輸入輸出應在 0.01.0 之間T+12增益(KC)雙字實數(shù)輸入比例常數(shù),可正可負T+16采樣時間(TS)雙字實數(shù)輸入單位為 s,必須為正數(shù)T+20積分時間(TI)雙字實數(shù)輸入單位為 min,必須為正數(shù)T+24微分時間(TD)雙字實數(shù)輸入單位為 min,必須為正數(shù)T+28積分和(YQ)或積分項前值(MX)雙字實數(shù)輸入輸出應在 0.01.0 之間T+32反饋量前值(PVn-1)雙字實數(shù)輸入輸出最后一次執(zhí)行 PID 指令的過程變量值 畢業(yè)設計論文15化處理。在采用人機界面的系統(tǒng)中，初始化參數(shù)通過人機界

39、面直接輸入。3.3.23.3.2 PIDPID 程序程序本次設計中在主程序、子程序、中斷程序中均涉及到了 PID 控制。在主程序中調(diào)用初始化子程序圖（32） ；子程序用來建立 PID 回路初始化參數(shù)表和設置中斷（圖 33） ，采用定時中斷來定時采樣，設置定時時間和采樣時間為 100ms,并寫入 SMB34；中斷程序用于執(zhí)行 PID 運算（圖 34） 。標準化時采用用單極性（取值范圍為 032000） 。圖 32 主程序中的調(diào)用 PID 初始化指令 畢業(yè)設計論文16圖 33 PID 子程序 畢業(yè)設計論文17圖 34 PID 中斷程序 畢業(yè)設計論文184 4 程序程序4.14.1 順序功能流程圖順

40、序功能流程圖對于較為復雜的控制系統(tǒng)，通常采用順序控制法進行程序設計。順序控制法的基本思想是將一個復雜的控制過程分成一系列“狀態(tài)”或稱為“步” ，編程時可針對一個個的狀態(tài)進行，每一個狀態(tài)程序都含有本狀態(tài)做什么，滿足什么條件時進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)到哪一個狀態(tài)去這樣一些問題。最后利用狀態(tài)間的聯(lián)系完成整體控制程序。對于水箱溫度控制系統(tǒng)的順序功能流程圖如圖 41 所示。 畢業(yè)設計論文19 畢業(yè)設計論文20SM0.1S0.0S0.1S0.3S0.4PID.S0.6S0.5S0.2Q0.2AQQ0.2AQQ0.0Q0.0Q0.0Q0.1ATCHQ0.2ATCHAQQ0.2I0.0 啟動按鈕I0.3 下限位I0.

41、2 上限位ATCH 中斷判斷VD250R 溫度高VD250R 溫度低ATCHI0.3I0.1S0.7Q0.3I0.3 水位過低圖 41 功能功能流程圖 畢業(yè)設計論文214.24.2 程序設計程序設計(1) 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 41 所示。表 41 程序中使用的 PLC 元件地址及其功能器件地址功能VB100過程變量標準化值 PVnVD100過程變量標準化值VD104溫度給定值VD108PI 計算值VD112比例系數(shù)VD116采樣時間VD120積分時間VD124微分時間(2)程序中所用到的部分指令及功能說明如表 42 所示。表 42 部分所用指令梯形圖程序語句表程序說明CAL

42、L SBR0子程序調(diào)用指令：子程序的編號從 0 開始，隨著子程序個數(shù)的增加自動生成，可以063 MOVB IN，OUTMOVW IN，OUTMOVR IN，OUT數(shù)據(jù)傳送指令：實現(xiàn)字節(jié)、字和實數(shù)的數(shù)據(jù)傳送。當使能輸入 EN 為 1 時，把輸入端數(shù)據(jù) IN傳送到輸出端 OUT。ATCH INT，EVNT中斷指令：用來建立中斷事件（EVNT）與中斷程序（INT）之間的聯(lián)系。 ITD IN，OUTDIT IN，OUT整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)DTR IN，OUT雙字整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù) 畢業(yè)設計論文22PID TBL，LOOP當使能端 EN 為 1 時，PID 調(diào)節(jié)指令對 TBL為起始地址的 PID

43、 參數(shù)表中的數(shù)據(jù)進行PID 運算*RIN1，OUT乘法指令：實現(xiàn)雙整數(shù)的乘法運算。IN1*IN2=OUT/RIN1，OUT除法指令：實現(xiàn)雙整數(shù)的除法運算。IN1/IN2=OUT(3) 恒溫水箱控制系統(tǒng)的梯形圖程序及程序注釋如圖 42 所示。因為程序較長，所以讀圖時請按網(wǎng)絡標號的順序進行。 畢業(yè)設計論文23(a) 主程序 畢業(yè)設計論文24(b) 子程序 畢業(yè)設計論文25(c)中斷程序圖 42 水箱溫度控制系統(tǒng)梯形圖程序 畢業(yè)設計論文26結(jié)結(jié) 束束 語語在這次畢業(yè)設計中我學到了許多東西。整個做設計的過程是訓練我獨立進行科學研究的過程。按照老師給予我們的題目及其要求，可以使我們了解科學研究的過程，掌

44、握如何收集、整理和利用材料；如何利用圖書館，檢索文獻資料；如何操作文本及其它一些軟件等方法。畢業(yè)設計是學習如何進行科學研究的一個極好的機會，因為它不僅有教師的指導與傳授，可以減少摸索中的一些失誤，少走彎路，而且直接參與和親身體驗了科學研究工作的全過程及其各環(huán)節(jié)，是一次系統(tǒng)的、全面的實踐機會。這種畢業(yè)設計是我們在校期間的一種自己動手的實踐性操作,是對我們所學知識的一種全面檢驗，是我們基本知識、基本理論和基本技能掌握與提高程度的一次總測試，這是我畢業(yè)設計的第一個目的。在我們平時的學習期間，我們所學的知識都是書本上的一些不大靈活的東西,而且學習期間的這種考核是單科進行，主要是考查我們對本門學科所學知

45、識的記憶程度和理解程度。但我認為這種實踐性畢業(yè)設計則不同，它不是單一地對我們進行某一學科已學知識的考核，而是著重考查我們運用所學知識對某一問題進行探討和研究的能力。做好一個設計，既要系統(tǒng)地掌握和運用專業(yè)知識，還要有較寬的知識面并有一定的邏輯思維能力和寫作功底。這就要求我們既要具備良好的專業(yè)知識，又要有深厚的基礎課和公共課知識。整個設計的過程，同時也是專業(yè)知識的學習過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業(yè)知識的學習。首先，一個設計是結(jié)合科研課題，把學過的專業(yè)知識運用于實際，在理論和實際結(jié)合過程中進一步消化、加深和鞏固所學的專業(yè)知識，并把所學的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為分析和解決問題的能力。其次，在搜集材料、

46、調(diào)查研究、接觸實際的過程中，既可以印證學過的書本知識，又可以學到許多課堂和書本里學不到的活生生的新知識。此外，學生在這種自己動手的設計中，對所學專業(yè)的某一側(cè)面和專題作了較為深入的分析。 畢業(yè)設計論文27謝謝 辭辭在整個畢業(yè)設計中，我得到了指導老師劉榮的熱心指導和幫助。隨著畢業(yè)的到來，畢業(yè)設計也接近了尾聲。經(jīng)過十周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設計以前覺得畢業(yè)設計只是對這幾年來所學知識的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。畢業(yè)設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多

47、，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 在這次畢業(yè)設計中也使我們的同學關系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。我的心得也就這么多了，總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。 在此衷心感謝指導老師長時間給予我的悉心教導和培養(yǎng)，老師知識淵博，教風嚴謹，為人正派，在校學習期間，一直對我們非常關心，在此，我再次感謝老師的教誨之恩，我將永遠銘記于心！ 畢業(yè)設計論文28參考文獻參考文獻1 ：王芹.可編程控制器技術及應用.天津大學出版社: 2008.32 ：田淑珍.可編程控制器原理及應用.機械工業(yè)出版社:20053 ：朱一輪.智能儀器基礎.電子工業(yè)出版社:2006.74 ：孫傳友.測控電路及裝置.北京航空航天大學出版社:2002.55 ：陳治明.電力電子器件基礎.機械工業(yè)出版社:1992