基于数字pid的电阻炉温度控制系统设计_课程设计任务书(编辑修改稿)

基于数字pid的电阻炉温度控制系统设计_课程设计任务书(编辑修改稿)内容摘要：

工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。 元件映象寄存器用来存储 PLC 的开关量输入 /输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的 ON/OFF 状态。 数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。 它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。 它还用来存放 A/0 转换得到的数字和数学运算的结果等。 根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。 I/0 单元 I/0 单元也称为 I/0 模块。 PLC 通过 I/0 单元与工业生产过程现场相联系。 基于数字 PID的电阻炉温度控制系统设计 5 输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。 通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。 运行时 CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。 输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件 . 电源部分 PLC 一般使用 220V的交流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器、存储器等电路提供 5V, +12V, +24V的直流电源，使 PLC 能正常工作。 电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的 CPU，通常电源封装到机壳内部。 对于模块式 PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与 CPU 封装到一个模块中。 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。 通信接口 为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话， PLC 配有多种通信接口。 PLC 通过这些通信接 口可以与监视器、打印机和其他的 PLC 或计算机相连。 当PLC 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印。 当与监视器相连时 .可将过程图像显示出来。 当与其他 PLC 相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制。 当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。 基于数字 PID的电阻炉温度控制系统设计 6 3 模块方案的选择与论证 总体方案的选择 方案一： 此方案采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或不加热。 本方案的特点是电路简单，易容易实现，但系 统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。 系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。 方案二： 采用 PLC 来作为整机的控制单元，系统的工作中，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，该电压信号经过 D/A 转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，找出现温度值所在范围，根据 PLC 中设置的参数，转化为占空比，控制功率转换器件，带动被控对象，并且把被控对象的温度经过变换电路和 D/A 转换器反馈到 PLC 中，与输出的初值进行比较，其偏差被 PID 程序计算出后重新输出，在规定的时间内循环。 对于欠温度，控制加速功率。 对于过温度，控制吹风冷却装置。 方案三： 采用 AP89S52 来作为整机的控制单元。 他是一个功耗，高性能CMOS8 位微控制器，经过信号采集，数据转换，数据处理来控制温度。 此方案比方案一简单，比方案二复杂。 比较以上三种方案的优缺点，方案二简单、灵活、可扩展性好，具有电路设计简单、精确度高、控制效果好等优点，能达到题目设计要求，因此采用方案二实现本设计 . 图 PLC 的组成框图 本系统的基本工作原理： 基于数字 PID的电阻炉温度控制系统设计 7 假定实际炉温等于给定炉温，这时 ( ) ( ) 0u u r u t   ，反馈值与给定值相同，电炉处于规定的恒温状态。 如果增加工件，电炉负荷加大，给定值暂时不变，炉温就要下降，使得给出温度 ()t 下降，则有 ( ) ( ) 0u u r u t   ，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。 此时系统会加大占空比信号，控制加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于 给定值（即 ( ) ( )u t u r ）为止。 如果负荷减小，则炉温升高。 u(t)随之加大，使得 ( ) ( ) 0u u r u t   。 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调节的闭环系统。 各独立模块方案论证 温度检测模块 采用西门子 S7200，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。 使用西门子 S7200，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 DC5~+5v 和 0~20mA 电压或电流。 主控模块 PLC S7200 cup 224 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 字节程序基于数字 PID的电阻炉温度控制系统设计 8 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 CUP 224 模块接线图 图 CPU224 AC/DC/继电器 输入 接线型式简图 图 24V DC 输入图 继电器输出 图 24VDC 输出 基于数字 PID的电阻炉温度控制系统设计 9 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。 图 功率输出图 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。 基于数字 PID的电阻炉温度控制系统设计 10 4 系统软件设计 主要的工作流程 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程序等。 初值设定子程序完成对温度初值的设定及数据保存；温度读子程序完成对温度传感器数据的读取、并通过液晶显示子程序显示温度值等等。 数字 PID 的数学建模 典型的数字 P1D 控制系统如图 3 所示，图中 SP(t)是给定值 PV(t)为反馈量，C(t)为输出值， PID 控制器的输入输出关系可表示为： 1 ( )1( ) ( ) ( )0 d e tM t K c e t e t d t T dT i d t   式 在 PLC 控制系统中，系统通过 PID 控制指令实现的。 进入 PLC 的连续时间信号，必须 经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入存储器和寄存器，而在PLC 中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。 当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使 PID 算法离散化，将描述连续时间 PID 算法的微分方程，变为描述连续时间 PID 算法的差分方程。 PID 的子程序流程图如图 3 所示，根据实际检测到得温度值和设定温度比较，求出相应的温度偏差值 E，根据 E 与 a 的比较判断采用 PID 算法或是 PD算法，随后进行算法处理，求出控制值。 在计算机控制系统中使用的是数字 PID 调节，就是对式 离散化，离散 化时，令 ( ) ( )u t u kt ( ) ( )e t e kT 基于数字 PID的电阻炉温度控制系统设计 11 ( ) ( )e t T e jT  ， ( ) / [ ( ) ( ) ] /d e t d t e k t e k T T T   式中 T 是采样周期，显然，上述周期 T 必须足够短，才能保证有足够的精。