計算機控制技術論.docx

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溫度控制系統(tǒng)設計 專業(yè)班級： 姓名： 學號： 溫度控制系統(tǒng)設計 一、控制系統(tǒng)概述 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領域中 溫度控制占有著極為重要的地位 特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。 可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學易用等特點，在工業(yè)領域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領域中被廣泛地使用。 目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍舊是常規(guī)的PID控制。PID結構簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學模型。PID的使用已經(jīng)有60多年了，有人稱贊它是控制領域的常青樹。 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實現(xiàn)某一任務，都是通過編寫程序來實現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯 誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。組態(tài)王是海內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過程數(shù)據(jù)記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產(chǎn)報表等功能，已經(jīng)在多個領域被應用。 二、控制系統(tǒng)原理 現(xiàn)場溫度經(jīng)溫度傳感器采樣后變換為模擬電壓信號，經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號后送放大器，信號放大后送模/數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號送PLC，模擬量輸出控制，將PLC中PID控制器輸出通過EM235 AO輸出0-5V電壓，該0-5V電壓作為方案1中驅(qū)動模塊的輸入信號，該模塊將接收的0-5V可調(diào)電壓變換成0-24V可調(diào)電壓給電加熱絲，從而控制電加熱絲的加熱強度，從而實現(xiàn)溫度控制。 當通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時，PID控制可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，從而輸出某個適當?shù)目刂菩盘柦o執(zhí)行機構，促使測量值恢復到給定值，達到自動控制的效果。 三、控制系統(tǒng)方案設計 利用搭建的回路，采用相應的控制算法實現(xiàn)對對象的良好控制，算法采用常規(guī)PID控制器、改進PID控制器，并利用組態(tài)軟件組態(tài)較人性化的人機畫面，組態(tài)軟件采用組態(tài)王或者MCGS。溫度控制系統(tǒng)是以EM235(其中4個AI，1個AO)單片機為控制核心。整個系統(tǒng)硬件部分包括溫度檢測系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、A/D轉換、PLC、I/O設備、控制執(zhí)行系統(tǒng)等。利用模擬量輸出控制，將PLC中PID控制器輸出通過EM235 AO輸出0-5V電壓，該0-5V電壓作為方案1中驅(qū)動模塊的輸入信號，該模塊將接收的0-5V可調(diào)電壓變換成0-24V可調(diào)電壓給電加熱絲，從而控制電加熱絲的加熱強度，從而實現(xiàn)溫度控制。 方案實現(xiàn)如下圖所示： 溫度傳感器將溫度信息變換為模擬電壓信號后，將電壓信號放大到PLC可以處理的范圍內(nèi)，經(jīng)過低通濾波，濾掉干擾信號送入PLC。在PLC中對信號進行采樣，為進一步提高測量精度，采樣后對信號再進行數(shù)字濾波。PLC將檢測到的溫度信息與設定值進行比較，如果不相符，數(shù)字調(diào)節(jié)程序根據(jù)給定值與測得值的差值按PID控制算法設計控制量，觸發(fā)程序根據(jù)控制量控制執(zhí)行單元。如果檢測值高于設定值，系統(tǒng)控制降溫；如果檢測值低于設定值，系統(tǒng)控制升溫，提高環(huán)溫度，達到控制溫度的目的。 四、控制系統(tǒng)方案硬件設計 溫度控制系統(tǒng)設計采用EM 235單片機為控制核心，與CPU PLC224、PT100溫度變送器檢測環(huán)境溫度以及驅(qū)動模塊所組成的溫度控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)硬件部分包括溫度檢測系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、A/D轉換、PLC、I/O設備、控制執(zhí)行系統(tǒng)等。 1、EM235 模塊 本次實訓我們選用的控制器是西門子PLC200，實驗室中與之配套使用的A/D轉換模塊中使用的是EM235（其中4個AI，1個AO），屬于模擬量擴展模塊。 通過EM235接收4-20mA或0-5V模擬信號，輸出0-10V信號，實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉換，在系統(tǒng)中它主要完成對溫度信號的檢測工作和模擬電壓量的輸出，也就是可控硅觸發(fā)單元的控制輸入。 2、 CPU控制器 該次實訓我們選擇西門子PLC200（221、224、226都可），和一般的微機一樣，CPU是微機PLC的核心，主要由運算器、控制器、寄存器以及實現(xiàn)他們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構成。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。CPU控制著PLC工作，通過讀取、解釋指令，指導PLC有條不紊的工作。 S7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。 3、 溫度變送器模塊 實訓中的變送器主要用于將由PT100檢測到的實時溫度轉換為4-20MA的電流量，采用的是兩線制接法。 4、 驅(qū)動模塊 執(zhí)行機構模塊有驅(qū)動模塊和繼電器，在該實訓中我們選用驅(qū)動模塊來作為自制溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，在前面的方案設計選擇中我們已經(jīng)對選用（模擬量輸出模塊）驅(qū)動模塊作為改變加熱器的執(zhí)行機構。 硬件接線圖： 系統(tǒng)設計原理圖 參數(shù)變換 1、輸入部分： 溫度變送器參數(shù)為：0-300度——4-20mA EM235輸入AI接收電流范圍0-20mA，為12位A/D轉換器，其轉換后數(shù)字量范圍為：0-32000，故對應范圍為：0-20mA——0-32000。 故編程時： 0-300度-----------6400-32000 PID子程序中檢測值PV=AIW0, 歸一化得 PV/32000=VD100 2、輸出部分： 實際中，驅(qū)動模塊調(diào)壓范圍為：1.3V-3.2V——0-24V PLC的EM235模塊中AO輸出為0-10V——0-32000 設計中我們只需要0-5V電壓給驅(qū)動模塊，即數(shù)字量為0-16000 PID運算輸出范圍為0-1之間小數(shù)，實訓中我們需要將該0-1對應到1.3-3.2V 因此PID運算輸出對應數(shù)字量范圍為：1.3*3200=4600V，3.2*3200=10240V 因此，D/A轉換器的數(shù)字量D對應PID程序輸出x之間關系為： D=f(x)= X*(10240-4160)+4160 驅(qū)動模塊輸入電壓V與PID輸出x之間關系為： V=x*（3.2-1.3）+1.3 3、設定部分： PID子程序設定值VD104為歸一化0-1之間的值 0-300度---6400-32000 0-32000-----0-1 綜合得0-300度------0.2-1 X=T*(1-0.2)/300+0.2 工程轉換 1、信號變換中的數(shù)學問題 信號的變換需要經(jīng)過以下過程：物理量－傳感器信號－標準電信號－A/D轉換－數(shù)值顯示。 假定物理量為A，范圍即為A0－Am，實時物理量為X；標準電信號是B0－Bm，實時電信號為Y；A/D轉換數(shù)值為C0-Cm，實時數(shù)值為Z。 如此，B0對應于A0，Bm對應于Am，Y對應于X，及Y=f(X)。由于是線性關系，得出方程式為Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0。又由于是線性關系，經(jīng)過A/D轉換后的數(shù)學方程Z=f(X)可以表示為Z=(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0。那么就很容易得出逆變換的數(shù)學方程為X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0。方程中計算出來的X就可以在顯示器上直接表達為被檢測的物理量。 2、PLC中逆變換的計算方法 以S7-200和4－20mA為例，經(jīng)A/D轉換后，我們得到的數(shù)值是6400－32000，及C0=6400，Cm=32000。于是，X=(Am-A0)*(Z-6400)/(32000-6400)+A0。 例如某溫度傳感器和變送器檢測的是-10－60℃，用上述的方程表達為X=70*(Z-6400)/25600-10。經(jīng)過PLC的數(shù)學運算指令計算后，HMI可以從結果寄存器中讀取并直接顯示為工程量。 五、控制系統(tǒng)方案軟件設計 1.程序設計 1.1 內(nèi)存變量分配表 1、程序地址分配 地址 說明 VD12 目標設定溫度存放地址 VD300 當前實際溫度存放地址 2、 PID指令回路表 1.2 PLC程序 1、主函數(shù) 利用特殊寄存器字節(jié)SM0.1調(diào)用兩個初始化程序，分別為SBR_0；中斷初始化子程序和SBR_1；PID參數(shù)初始化子程序。 2、中斷初始化、開啟中斷 對中斷事件進行初始化，設定定時中斷0的時間間隔為200ms，用ATCH指令連接定時中斷0與中斷處理程序INT_0，并開啟中斷。 3、PID參數(shù)初始化 對PID指令的參數(shù)回路表進行設定。 4、中斷執(zhí)行的程序（INT_0） 程序的核心部分，由于PID接受的數(shù)據(jù)要在0.0~1.0之間，要進行比較多的工程量變化。對PID檢測值、設定值、輸出值全部都需進行歸一化。主要有五個部分。 1）檢測值歸一化： 從傳感器采集到的模擬量A/D轉換后，轉換為實數(shù)后，按公式VD100=PV/32000轉換為0.0~1.0的數(shù)。 2）檢測值轉換為0到300度，在組態(tài)王界面顯示 3）設定值歸一化： 主要把組態(tài)王中給定溫度值0~300度按公式X=T*(1-0.2)/300+0.2轉換為PID指令接受的范圍（0.2~1.0）。 4）調(diào)用PID程序： 在此調(diào)用PLC200的PID指令，對檢測輸入值和給定值進行PID運算，得到輸出值。 5） 輸出反歸一化： PID運算后得到的控制執(zhí)行器運作的輸出值，在0.0~1.0內(nèi)的某值，不能直接為執(zhí)行器所用，需要轉換為EM235模擬量擴展模塊中D/A對應的數(shù)值量，再由EM235轉換為相應的模擬量控制加熱絲加熱。 六、控制系統(tǒng)結果分析 此次是溫度的PID控制，溫度具有比較嚴重的滯后性，所以一般為了增強系統(tǒng)動態(tài)響應，比例、積分、微分全投入使用，經(jīng)過多次參數(shù)設定比較后，當設定比例系數(shù)P為10，積分時間I為0.15，微分時間D為0.01時，系統(tǒng)能得到比較滿意的控制效果，最大超調(diào)只有兩度多，穩(wěn)定后能保持在+0.5度以內(nèi)。本次實訓的過程控制系統(tǒng)采用智能調(diào)節(jié)器作為控制器，通過整定PID參數(shù)實現(xiàn)水箱水位的控制，經(jīng)過多次整定PID參數(shù)進行比較, 當設定比例系數(shù)P為4，積分時間I為60，微分時間D為0時，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)精度和較小的超調(diào)。 七、系統(tǒng)的仿真與調(diào)試 1、硬件仿真聯(lián)用 2、軟件仿真聯(lián)用 3、系統(tǒng)仿真略； 八、總結 本次設計是基于所學的專業(yè)知識為基礎，參考較多圖書和網(wǎng)頁資料，其中有很多不足和缺陷，控制策略不是很先進，只是傳統(tǒng)工業(yè)應用較多，也未實踐調(diào)試過，還有很大的改善空間，這都有賴于以后更深入的學習和研究。