摘要溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機進行PID控制,然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。加熱爐溫度是一個大慣性系統(tǒng)，一般采用PID調(diào)節(jié)進行控制。隨著PLC功能的擴充在許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能,因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場所中采用PLC控制是較為合理的。本設(shè)計是利用西門子S7200PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子S7200PLC和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計過程。關(guān)鍵詞溫度控制；PID；溫度傳感器；可控硅電壓調(diào)整器ABSTRACTTEMPERATURECONTROLSYSTEMHASBEENWIDELYUSEDINTHEINDUSTRYCONTROLLEDFIELD，ASTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMOFBOILERSANDWELDINGMACHINESINSTEELWORKS、CHEMICALPLANT、HEATENGINEPLANTETCHEATINGSTOVETEMPERATURECONTROLHASALSOBEENAPPLIEDWIDELYINALLKINDSOFFIELDSTHEAPPLICATIONOFTHISASPECTISBASEDONSCMWHICHISMAKINGTHEPIDCONTROL,YETTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFDDCSYSTEMCONTROLLEDBYSCMISSOMEWHATCOMPLICATED,ITSNOTANADVANTAGEESPECIALLYRELATEDTOLOGICCONTROL,HOWEVERITISACCEPTEDASTHEBESTCHOICEWHENMENTIONEDTOPLCTHEFURNACETEMPERATUREOFHEATINGSTOVEISALARGEINERTIASYSTEM，SOGENERALLYUSINGPIDADJUSTINGTOCONTROLWITHTHEEXPANDINGOFPLCFUNCTION,THECONTROLFUNCTIONINMANYPLCCONTROLLERSHASBEENEXPANDEDTHEREFOREITISMOREREASONABLETOAPPLYPLCCONTROLLINGINTHEAPPLICABLEFIELDSWHERELOGICALCONTROLANDPIDCONTROLBLENDTOGETHERTHEDESIGNHASUTILIZEDTHECONTROLSYSTEMWITHWHICHSIEMENSS7200PLCCONTROLTHETEMPERATUREHEATINGSTOVEINTHEFIRSTPLACETHISPAPERPRESENTSTHEWORKINGPRINCIPLESOFTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMANDTHEELEMENTSOFTHISSYSTEMTHENITINTRODUCESSIEMENSS7200PLCANDTHESPECIFICDESIGNPROCEDURESOFTHEHARDWAREANDTHESOFTWAREKEYWORDSTEMPERATURECONTROLPIDTEMPERATUREPICKUPSCRVOLTAGECONVERTER目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論111課題背景及意義112研究的主要內(nèi)容113系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)要求114控制系統(tǒng)的設(shè)計原理215技術(shù)綜述2第2章硬件設(shè)計421西門子S7200PLC4211西門子S7200主要功能模塊介紹4212開關(guān)量I/O模塊介紹522溫度傳感器5221熱電偶6222熱電阻623模擬量輸入模塊8231EM231模擬量輸入模塊8232EM232模擬量輸出模塊1024可控硅電壓調(diào)整器11241可控硅電壓調(diào)整器簡介11242可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo)12243雙向可控硅交流調(diào)壓原理12244可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應(yīng)用1325本章小結(jié)14第3章爐溫PID控制算法1531PID控制器基本概念1532PID控制算法數(shù)字化處理1633PID在PLC中的回路指令1934模擬量采集的數(shù)字濾波算法2135采樣周期的選擇2336PID參數(shù)整定2437本章小結(jié)27第4章軟件設(shè)計2841STEP7編程軟件簡介2842方案設(shè)計思路2843程序流程圖3044系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)3045PLC爐溫控制系統(tǒng)的調(diào)試3146本章小結(jié)31第5章組態(tài)畫面設(shè)計3251組態(tài)王簡介3252組態(tài)畫面設(shè)計32521創(chuàng)建項目32522創(chuàng)建主畫面34523建立實時趨勢曲線35524創(chuàng)建報警窗口35525建立系統(tǒng)原理畫面36526建立參數(shù)監(jiān)控畫面3753本章小結(jié)38第6章系統(tǒng)調(diào)試3961組態(tài)王與S7200的通信3962啟動組態(tài)王3963參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控4064報警信息提示4165趨勢曲線監(jiān)控4266本章小結(jié)43結(jié)論44致謝45參考文獻46附錄47附錄249附錄352第1章緒論11課題背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進行控制1。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機進行PID控制,然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴充在許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能,因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場所中采用PLC控制是較為合理的，通過采用PLC來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，PLC對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。這也正是本設(shè)計所重點研究的內(nèi)容。12研究的主要內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要有1溫度的檢測；2采用PLC進行恒溫控制；3PID算法在PLC中如何實現(xiàn)；4PID參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響；5溫控系統(tǒng)人機界面的實現(xiàn)；13系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是對加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為8001000，溫度控制精度小于3，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15，并具有溫度上下限報警功能和故障報警功能。軟件設(shè)計須能進行人機對話，考慮到本系統(tǒng)控制對象為電爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。14控制系統(tǒng)的設(shè)計原理加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖11所示，它由PLC主控系統(tǒng)、可控硅電壓調(diào)整器、加熱爐、溫度傳感器、溫度變送器等幾個部分組成2。D/A加熱設(shè)備控制器溫度變送器溫度傳感器A/D設(shè)定值溫度信號圖11加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來調(diào)節(jié)電阻絲的輸出功率，由溫度檢測元件熱電阻將采集到的爐膛溫度信號，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進來的電壓信號轉(zhuǎn)化為西門子S7200PLC可識別的數(shù)字量。用編制好的程序?qū)ζ溥M行計算，得到實際溫度值，在與給定的溫度值比較，得到的偏差經(jīng)過PID運算后，輸出的數(shù)字量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，在由模擬量輸出模塊送給可控硅電壓調(diào)整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號，該信號觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅(qū)動電爐的加熱絲，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)信號（即調(diào)節(jié)供電電壓每個周期的導(dǎo)通角），即可控制電爐電壓的通斷及大小，進而達到控制爐溫的目的。15技術(shù)綜述自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少?，F(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機進行PID控制，然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴充在許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能。因此本設(shè)計選用西門子S7200PLC來控制加熱爐的溫度。第2章硬件設(shè)計隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎≒ROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。本章主要介紹西門子S7200系列PLC以及其它硬件的組成與選型。21西門子S7200PLCS7200系列PLC是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動化控制的需求，其設(shè)計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用3。S7200系列可以根據(jù)對象的不同,可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。211西門子S7200主要功能模塊介紹S7200的CPU模塊包括一個中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O點,這些都被集成在一個緊湊,獨立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號,驅(qū)動外部負(fù)載從CPU模塊的功能來看,CPU模塊為CPU22,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU單元CPU221它有6輸入/4輸出,I/0共計10點無擴展能力,程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小,有一定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。CPU222它有8輸入/6輸出，I/0共計14點，和CPU221相比,它可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CPU224它有14輸入/10輸出，I/0共計24點，和前兩者相比,存儲容量擴大了一倍,它可以有7個擴展模塊,有內(nèi)置時鐘,它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力,是使用得最多S7200產(chǎn)品。CPU224XP它有24輸入/16輸出,I/0共計40點,和CPU224相比,增加了通信口的數(shù)量,通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CPU226它有24輸入/16輸出,I/0共計40點,它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展,其他指標(biāo)和CPU224XP相同。212開關(guān)量I/O模塊介紹當(dāng)CPU的I/0點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時,就要進行I/O擴展,I/O擴展包括I/O點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。通常開關(guān)量I/O模塊產(chǎn)品分3種類型輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證PLC的工作可靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離,輸入保護浪涌吸收器,旁路二極管,限流電阻,高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于PLC要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進行選擇,有直流輸出模塊,交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為3種繼電器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應(yīng)仔細查看開關(guān)量I/O模塊的技術(shù)特性，按照實際情況進行選擇。由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號具有更好的硬件指標(biāo)，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表21所示表21模擬量I/O配置表I/O信號信號類型電壓信號電流信號模擬量輸入210V/模擬量輸出010V020MACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個，模擬量輸出通道1個。在S7200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是032000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是32000320004。22溫度傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。221熱電偶工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出420MA、010V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢隨動勢的對應(yīng)溫度值，電溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長短粗細無關(guān)。根據(jù)使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。222熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。當(dāng)電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應(yīng)的溫度值。通常用PT100來表示,其中PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為1385歐姆。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等,其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，在200850范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢。鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出420MA標(biāo)準(zhǔn)電流信號或010V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，使用起來更為方便。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將PT電阻的電阻值和溫度對應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應(yīng)溫度值5。工業(yè)上將鉑電阻R0分別在50和100（稱PT100）的條件下，制成相應(yīng)RTT關(guān)系制成分度表，供查用。如表22所示表22鉑熱電阻分度表工作端溫度/PT100工作端溫度/PT100工作端溫度/PT100508031100138512501941040842711014229260197713088221201460727020131209216130149832802049010960914015358290208480100001501573330021205101039016016105310215612010779170164773202191530111671801684833022268401155419017217340226215011940200175863502297260123242101795336023321701270822018319370236708013990230186843802401890134712401904739024364常用的PT電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。本設(shè)計采用的就是三線制電橋接線。如圖21所示圖21熱電阻三線制電橋接法由于鉑熱電阻測出的是溫度變化，需要在將信號輸入PLC前加一個溫度變送器，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。本系統(tǒng)采用的是010V標(biāo)準(zhǔn)溫度變送器，使用過程中要加一個24V的電源，該電源可以從PLC上直接獲得。如圖22所示變送器PLCPT100010V圖22PT100標(biāo)準(zhǔn)一體化溫度變送器接線圖23模擬量輸入模塊S7200系列PLC模擬量I/O模塊主要由EM231模擬量4路輸入、EM232模擬量2路輸出和EM235模擬量4輸入/1輸出混合模塊3種，另外還有EM231模擬量輸入熱電偶模塊和EM231模擬量輸入熱電阻模塊7。231EM231模擬量輸入模塊傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成010V的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC內(nèi)部的模擬量輸入寄存器AIW中。在這里，我們選用了西門子EM231模擬量輸入模。存儲在16位模擬量寄存器AIW中的數(shù)據(jù)有效位為12位，其格式如圖23所示。對單極性格式，最高位為符號位，最低3位是測量精度，即A/D轉(zhuǎn)換是以8為單位進行的；對于雙極性格式，最低4位為轉(zhuǎn)換精度，A/D轉(zhuǎn)換是以16為單位進行的。圖23模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式使用模擬量輸入模塊時，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計選用的電壓信號為010V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。使用模擬量輸入模塊時，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計選用的電壓信號為010V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。如圖24所示圖24EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表選好DIP開關(guān)的設(shè)置后，還需對輸入信號進行整定，輸入信號的整定就是要確定模擬量輸入信號與數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系，通過設(shè)定DIP設(shè)定開關(guān)左側(cè)的增益旋鈕可調(diào)整該模塊的輸入輸出關(guān)系。為了使DIP開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。如圖25所示圖25EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關(guān)示意圖經(jīng)上述調(diào)整后，若輸入電壓范圍為010V的模擬量信號，則對應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為032000或所需要數(shù)字232EM232模擬量輸出模塊EM232模擬量輸出的過程是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動元件的模擬量，其外部接線端子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖26所示圖26EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可知，存儲于AQW中的數(shù)字量經(jīng)EM232模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器分為兩路信號輸出，一路經(jīng)電壓輸出緩沖器輸出標(biāo)準(zhǔn)的1010V電壓信號，令一路經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的020MA的電流信號。在16位的模擬量輸出寄存器AQW0中的數(shù)字量其有效位為12位，格式如圖27所示。數(shù)據(jù)的最高有效位是符號位，最低4位在轉(zhuǎn)換為模擬量輸出值時，將自動屏蔽。圖27模擬量輸出數(shù)據(jù)之間的數(shù)字量格式24可控硅電壓調(diào)整器241可控硅電壓調(diào)整器簡介ZK系列可控硅電壓調(diào)整器與可控硅配合使用，能作為單相或三相的電壓功率調(diào)整，其調(diào)節(jié)精度較高，抗干擾能力強。能以自動方式（外給定信號）或手動發(fā)式（內(nèi)給定）對單向或雙向可控硅進行移相或過零觸發(fā)，實現(xiàn)可控硅調(diào)功或調(diào)壓控制。其中移相觸發(fā)方式是通過改變可控硅導(dǎo)通角大小，調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，而過零觸發(fā)方式則是通過改變可控硅在一定周期內(nèi)的通斷時間，調(diào)節(jié)負(fù)載電源通斷的占空比，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，通過與相應(yīng)的控制儀表配合使用實現(xiàn)負(fù)載對象輸入功率的自動調(diào)節(jié)，達到精確控制溫度的目的9。本系列儀表采用了先進的脈沖信號處理技術(shù)及抗干擾處理，控制輸出采用小型晶閘管強觸發(fā)方式，并引進先進的光點耦合技術(shù)進行光電隔離，相位采集和脈沖信號傳輸，并采用光條代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動圈表頭指示輸出功率，從而使本系列控制器具有以下優(yōu)點（1）優(yōu)異的抗干擾性能。（2）采用新穎的小型晶閘管強觸發(fā)電路，觸發(fā)電路與電網(wǎng)實行光電隔離，從而保證各種可控硅快速可靠開通，安全可靠。（3）手動、自動控制可任意按鍵切換，操作直觀方便，功率指示燈為光條指示百分比，清晰直觀無視差。有010MA,420MA,05V,15V等多種控制觸發(fā)信號輸入方式供選擇。（4）晶閘管運行時無噪音，壽命長，功率因數(shù)高。（5）體積小，重量輕，操作簡單，使用方便，接線容易，無需調(diào)試（6）可用于各種單相電路以及三相負(fù)載星型接法及三角形接法。242可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo)本設(shè)計采用ZK1可控硅電壓調(diào)整器，其主要技術(shù)指標(biāo)如下（1）輸入信號010MA（輸入阻抗800）或420MA（輸入阻抗250）；（2）輸入脈沖幅值不小于3V、寬度不小于50US20負(fù)載時；（3）移相觸發(fā)型最大導(dǎo)通角，不小于150度；（4）工作環(huán)境溫度050相對濕度不超過85的無腐蝕性氣體場合；（5）電源交流220V15,50HZ約3VA；（6）重量約08KG；243雙向可控硅交流調(diào)壓原理雙向可控硅交流調(diào)壓原理一只雙向可控硅的工作原理，可等效兩只同型號的單向可控硅互相反向并聯(lián)，然后串聯(lián)在調(diào)壓電路中實現(xiàn)其可控硅交流調(diào)壓的。為50HZ交流電的電壓波形。在0時間內(nèi)，SCR1因控制極無正脈沖信號而正向阻斷，而SCR2則反向不導(dǎo)通。在時間內(nèi),SCR1控制極受觸發(fā)脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通。如圖28所示UT圖28雙向可控硅導(dǎo)通原理圖將可控硅在正向陽極電壓作用下不導(dǎo)通的范圍稱為控制角，用字母表示，而導(dǎo)通范圍稱為導(dǎo)通角，用字母表示。顯然控制角的大小，可改變正負(fù)半周波形切割面積的大小。當(dāng)越小被切割的波形面積越小，輸出交流電壓的平均值越大。相反，當(dāng)角越大，被切割的波形面積越大，輸出交流電壓的平均值越小。例如在30度加一脈沖，可控硅只能通過余下的150度的電壓。加熱器倆端的電壓受可控硅觸發(fā)角的控制，通過控制加在可控硅控制極觸發(fā)脈沖的時刻（的大?。┘纯蓪崿F(xiàn)加熱器的功率或溫度的調(diào)節(jié)。當(dāng)增大時，電阻絲兩端電壓U降低，加熱器功率下降，溫度降低，反之，則溫度升高。244可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應(yīng)用1ZK1可控硅電壓調(diào)整器在220V加熱爐中的應(yīng)用ZK1可控硅電壓調(diào)整器作為單相電壓調(diào)整器，其工作電壓為220V,當(dāng)工作處于手動或自動狀態(tài)時，隨著輸入信號的變化，輸出的門控信號的移相范圍也跟著變化，從而改變可控硅的導(dǎo)通角，達到不同的輸出電壓比例，導(dǎo)通角的范圍是0100,調(diào)整電壓范圍是0220V這樣可以通過控制加熱元件的發(fā)熱功率來控制溫度。使用時，需在可控硅的輸出端加上反饋，以達到穩(wěn)定輸出的目的。ZK1可控硅電壓調(diào)整器在電加熱爐系統(tǒng)中的硬件框圖如下圖29所示PLC模擬量輸出ZK1電壓調(diào)整器雙向可控硅加熱元件控制電源系統(tǒng)電源電壓反饋溫度反饋圖29電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件框圖2ZK1可控硅電壓調(diào)整器在380V加熱爐中的應(yīng)用在交流380V電加熱爐設(shè)備中，電源電壓為380V，在設(shè)備的調(diào)試和使用中發(fā)現(xiàn)，即使ZK1可控硅電壓調(diào)整器的導(dǎo)通角達到100，輸出電壓始終上不去，限制在220V左右，這與要求輸出的380V電壓相差甚遠。因為ZK1可控硅電壓調(diào)整器的工作電壓為交流220V，電路系統(tǒng)當(dāng)中，其工作電壓和反饋電壓都是以220V為標(biāo)準(zhǔn)，輸出電壓比例為0100。這樣，在主回路為交流380V電路系統(tǒng)中，要想達到220V的輸出，通過從輸出端直接加反饋至ZK1可控硅電壓調(diào)整器的反饋輸入端，顯然達不到目的。所以，我們在輸出端至反饋輸入端之間加一個控制變壓器（380V/220V），這樣輸出電壓就可以達到0380V。反饋回路加變壓器控制原理圖如下圖210所示?？煽毓桦妷赫{(diào)整器雙向可控硅變壓器智能控制器輸出信號可控硅觸發(fā)信號加熱元件電壓反饋交流380V交流220V圖210反饋回路加變壓器控制原理圖3ZK1可控硅電壓調(diào)整器接口匹配情況在電加熱爐系統(tǒng)中，本系統(tǒng)選用的模擬量輸出信號為010V的電壓信號，與ZK1可控硅電壓調(diào)整器的輸入信號（要求010MA電流信號）不匹配，解決方法如下（1）使用變流器，將010V的電壓信號轉(zhuǎn)換為010MA電流信號。（2）對ZK1可控硅電壓調(diào)整器的信號輸入電路作部分改動，即增大輸入電阻值。25本章小結(jié)本章主要介紹了本系統(tǒng)的主要硬件的設(shè)計，包括S7200的選型、溫度傳感器的選擇、還有可控硅電壓調(diào)整器的選型，詳細介紹了各個器件的硬件特性以及在整個控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。第3章爐溫PID控制算法在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的11。31PID控制器基本概念比例（P）控制比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（STEADYSTATEERROR）。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SYSTEMWITHSTEADYSTATEERROR）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例積分PI控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后DELAY組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示圖31PID模擬控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器的微分方程和傳遞函數(shù)形式為ERRORNOBOOKMARKNAMEGIVEN/1TU0DTTDTITKPT）（31（32）/1/UTDSIKPS32PID控制算法數(shù)字化處理為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值，數(shù)字計算機處理的算式如下MNKCENKIEXMINTIALKDENEN1（33）輸出比例項積分項微分項其中MN在采樣時刻N，PID回路輸出的計算值KCPID回路增益EN采樣時刻N回路的偏差值EN1回路的偏差值的前一個值EX采樣時刻X的回路偏差值KI積分項的比例常數(shù)MINTIAL回路輸出的初始值KD微分項的比例常數(shù)從這個公式可以看出，積分項是從第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項的函數(shù)，微分項是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項前值。作為數(shù)字計算機解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。簡化算式是MNKCENKIENMXKDENEN1（34）輸出比例項積分項微分項其中MN在第N采樣時刻，PID回路輸出的計算值KCPID回路增益EN采樣時刻N回路的偏差值EN1回路的偏差值的前一個值KI積分項的比例常數(shù)MX積分項前值KD微分項的比例常數(shù)CPU實際上使用以上簡化算式的改進形式計算PID輸出，這個改進型算式是MNMPNMINMDN35輸出比例項積分項微分項其中MN第N采樣時刻的計算值MPN第N采樣時刻的比例項值MIN第N采樣時刻的積分項值MDN第N采樣時刻的微分項值比例項MP是增益（KC）和偏差（E）的乘積。其中KC決定輸出對偏差的靈敏度，偏差（E）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7200解決的求比例項的算式是MPNKC（SPNPVN）36其中MPN第N采樣時刻比例項的值KC增益SPN第N采樣時刻的給定值PVN第N采樣時刻的過程變量的值積分項值MI與偏差和成正比。S7200解決的求積分的算式是MINKCTS/TISPNPVNMX37其中MIN第N采樣時刻積分項的值KC增益TS采樣時間間隔TI積分時間SPN第N采樣時刻的給定值PVN第N采樣時刻的過程變量的值MX第N1采樣時刻積分項（積分項前值）積分和（MX）是所有積分項前值之和，在每次計算出MIN后，都要用MIN去更新MX。其中MIN可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計算輸出以前被設(shè)為MINITIAL（初值）。積分項還包括其他幾個常數(shù)增益（KC），采樣時間（TS）和積分時間（TI）。其中采樣時間是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間控制積分項在整個輸出結(jié)果中影響的大小。微分項值MD與偏差的變化成正比，S7200使用下列算式來求解微分項MDNKCTD/TSSPNPVNSPN1PVN138為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPNSPN1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改進為MDNKCTD/TSSPNPVNSPNPVN139或MDNKCTD/TSPVN1PVN310其中MDN第N采樣時刻的微分項值KC回路增益TS回路采樣時間TD微分時間SPN第N采樣時刻的給定值SPN1第N1采樣時刻的給定值PVN第N采樣時刻的過程變量的值PVN1第N1采樣時刻的過程變量的值為了下一次計算微分項值，必須保存過程變量，而不是偏差，在第一采樣時刻，初始化為PVN1PVN。在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。如果不想要積分動作（PID計算中沒有“I”），可以吧積分時間（復(fù)位）置為無窮大“INF”。即使沒有積分作用，積分項還是不為零，因為有初值MX。如果不想要微分回路，可以把微分時間置為零。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為00，系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時，把增益當(dāng)做10看待。33PID在PLC中的回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP7MICRO/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令。見表31。表31PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PIDTBL，LOOP梯形圖使用方法當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進行PID運算。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB200，因為一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD200到VD232都被占用了。LOOP是回路號，可以是07，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表32所示。表32PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVN）雙字實數(shù)必須在0010之間4給定值（SPN）雙字實數(shù)必須在0010之間8輸出值（YN）雙字實數(shù)必須在0010之間12增益（KC）雙字實數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時間（TS）雙字實數(shù)單位為S，必須是正數(shù)20積分時間（TI）雙字實數(shù)單位為MIN，必須是正數(shù)24微分時間（TD）雙字實數(shù)單位為MIN，必須是正數(shù)28積分項前值（YX）雙字實數(shù)必須在0010之間32過程變量前值（PVN1）雙字實數(shù)最后一次執(zhí)行PID指令的過程變量值1回路輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換方法本文中，設(shè)定的溫度是給定值SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過程變量PV，過程變量PV和PID回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過測量的溫度信號被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號溫度值才是過程變量，所以，這兩個數(shù)不在同一個數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。從EM231模擬量輸入模塊采集到的過程量都是實際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同。在PLC內(nèi)部進行數(shù)據(jù)運算之前，必須將這些值轉(zhuǎn)換為無量綱的標(biāo)準(zhǔn)化格式0010。其轉(zhuǎn)換程序如下XORDAC0,AC0MOVWAIW0,AC0DTRAC0,AC0/R640000,AC0R05,AC0MOVRAC0,VD200在這段程序中，將實數(shù)格式的工程實際值轉(zhuǎn)換為0010間的無量綱相對值，用到下面的公式（311）ESTPANRAWNOUMOFSRR/式中,RNOUM標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值；RRAW未標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值SPAN值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000雙極性為64000。OFFEST補償值或偏置，單極性為00，雙極性為05本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為（312）320/RAWNOUMR2回路輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法本設(shè)計中，回路的輸出值是在0010之間，是一個標(biāo)準(zhǔn)化了的實數(shù)格式的數(shù)據(jù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過程是實數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化的逆過程。（313）SPANOFMRESTNSCAL假定PID運算的標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)格式結(jié)果存儲在AC0中，則經(jīng)過下面程序段的轉(zhuǎn)換，存儲在模擬量寄存器AQW0中的數(shù)據(jù)為一個按工程量標(biāo)定后的16為數(shù)字值。程序如下MOVRVD208,AC0R05,AC0R640000,AC0TRUNCAC0,AC0MOVWAC0,AQW034模擬量采集的數(shù)字濾波算法PLC除了可以對開關(guān)量控制外，還可以進行模擬量的處理。典型的PLC模擬量處理是將工業(yè)現(xiàn)場的各種被控對象（如溫度、壓力、流量、液位等）通過相應(yīng)的傳感器將其變換為一標(biāo)準(zhǔn)的模擬電量（常見的是電壓、電流），電壓電流等模擬量常常會因為現(xiàn)場的瞬時干擾而產(chǎn)生較大的波動，這種波動經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后亦反映在PLC的數(shù)字量輸入端。為了消除工業(yè)現(xiàn)場瞬時干擾對模擬量信號的影響，提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確，就必須在硬件和軟件上采取相應(yīng)的抗干擾措施。在硬件上，抗干擾措施一般是在布線時將信號傳輸線和動力線分開布線，信號傳輸線采取屏蔽處理。而在軟件中采取的抗干擾措施一般是數(shù)字濾波算法，即將模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果進行過濾處理，力爭將干擾信號產(chǎn)生的影響降低最低。PLC常用的數(shù)字濾波方法是平均值濾，即對采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到的幾個數(shù)據(jù)求平均值，以此平均值最為模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進行處理?；镜那笃骄邓惴ǚ譃槿N，分別為算術(shù)平均值法，滑動平均值法，去極值平均值法。算術(shù)平均值濾波的效果與采樣次數(shù)有關(guān)，采樣次數(shù)越多效果越好。但這種濾波方法對于強干擾的抑制作用不大。算術(shù)平均值法的算法公式為（314）其中N采樣次數(shù)；XI第I次采樣值；X為平均值。算術(shù)平均值算法可以通過圖32所示的程序流程圖來實現(xiàn)。算術(shù)平均值法適合對一般的具有隨機干擾信號的濾波，特別適用于信號本身的某一數(shù)字范圍附近作上下波動的情況，如流量液位等信號的測量。數(shù)據(jù)寄存器清零采樣次數(shù)清零采樣次數(shù)足夠采樣數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器采樣數(shù)據(jù)求和求平均值否是32算術(shù)平均值法濾波去極值平均濾波可有效地消除明顯的干擾信號，消除的方法是對多次采樣值進行累加后，找出最大值和最小值，然后從累加和中減去最大值和最小值，再對N2個數(shù)據(jù)進行平均計算。去極值平均濾波算法可以通過圖33所示的程序流程圖來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)寄存器清零采樣次數(shù)清零采樣數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器采樣次數(shù)足夠采樣數(shù)據(jù)求和求平均值數(shù)據(jù)比較減去最大值和最小值否是圖33去極值平均值濾波法滑動平均值濾波能夠克服算術(shù)平均值法的低速率，它采用數(shù)據(jù)隊列作為數(shù)據(jù)計算平均值的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)隊列的長度固定為N，每進行一次新的采樣，就把最新采樣結(jié)果放在隊列的尾部，將原來隊列首位的采樣結(jié)果扔掉，這樣在數(shù)據(jù)隊列中始終保留著最新采樣結(jié)果。計算平均值時，只要將隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均計算，就可以得到最新的算術(shù)平均值。這樣每進行一次采樣，就可以經(jīng)過計算得到一個新的算術(shù)平均值?；瑒悠骄邓惴梢酝ㄟ^圖34所示的程序流程圖實現(xiàn)。初始化變量表采樣次數(shù)足夠移出最早一次采樣值移入最新一次采樣值求采樣和求平均值結(jié)束是否圖34滑動平均值法濾波需要注意的是，在初始化數(shù)據(jù)塊時一定要將第一次的采樣數(shù)據(jù)填充進所有的采樣數(shù)據(jù)寄存器中，然后進行數(shù)據(jù)塊移位，將最早的采樣數(shù)據(jù)移除，將最近的采樣數(shù)據(jù)填補進來，然后進行求平均值。本設(shè)計采用的就是滑動平均值法進行數(shù)字濾波。35采樣周期的選擇采樣周期在周期性測量過程變量信號的系統(tǒng)中，相鄰兩次實測之間的時間間隔。離散控制系統(tǒng)都采用周期性測量方式，采樣間隔之間的變量值是不測量的。如采樣周期過長，將引起有用信號的嚴(yán)重丟失，使系統(tǒng)品質(zhì)變差。反之，如采樣周期過短，則，兩次實測值的變化量太小，亦不相宜。所以采樣周期的選擇甚為重要。采樣周期TS是設(shè)計者要精心選擇的重要參數(shù)，系統(tǒng)的性能與采樣周期的選擇有密切關(guān)系。需要考慮的主要因素分析如下（1）香農(nóng)采樣定理設(shè)連續(xù)信號X（T）的最高頻率分量為FM，以等間隔TS（TS稱采樣間隔，F(xiàn)S1/TS稱為采樣頻率）對X（T）進行采樣，得到XS（T）。如果FS2FM，則XS（T）保留了X（T）的全部信息（從XS（T）可以不失真地恢復(fù)出X（T）。（2）閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。（3）從抑制擾動的要求來說，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。（4）從執(zhí)行元件的要求來看，有時要求輸入信號要保持一定的寬度。（5）從計算機精度考慮，采樣周期不宜過短。（6）從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長越好。綜合以上各種因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足系統(tǒng)控制的性能要求條件下，盡可能地選擇低的采樣速率。工業(yè)控制中，大量的受控對象都具有低通的性質(zhì)，下面表33給出了常用被控量的經(jīng)驗采樣周期。表33常見被調(diào)量的經(jīng)驗采樣周期被控量采樣周期TS/S流量1壓力5液位10溫度2036PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間TI和和微分時間TD，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法等。經(jīng)驗法又叫做現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如表34所示。表34溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大2060310053實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分“。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟（1）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(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。西門子S7200的V40版的編程軟件STEP7MICRO/WIN提供了PID參數(shù)自整定功能。V40版的編程軟件STEP7MICRO/WIN增加了PID整定控制面板。這兩項功能相結(jié)合,使用戶能輕松地實現(xiàn)PID的參數(shù)自整定,同時可以對最多8個回路進行自整定。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。西門子S7200的PID參數(shù)自整定屬于基于規(guī)則的自整定,此方法對模型要求較少,借助于控制器輸出和過程輸出變量的觀測值來表征動態(tài)特性,具有易執(zhí)行且魯棒性較強的特點,這種自整定法能綜合采用專家經(jīng)驗進行整定。但這類方法的理論基礎(chǔ)較弱,需要豐富的控制知識,其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗以及對反饋控制理論的理解程度。S7200使用的自整定算法為ASTROM和HAGGLUN提出的繼電型PID自整定控制法,它用繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替ZN法ZIEGLERNICHOLS中的純比例控制器,使系統(tǒng)出現(xiàn)極限環(huán),從而獲取所需要的臨界值?；诶^電反饋的自動整定法避免了ZN法整定時間長、臨界穩(wěn)定等問題,且保留其簡單性,目前已成為PID自動整定方法中應(yīng)用最多的一種。其基本思想是在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài)測試模態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)。在測試模態(tài)下,由一個繼電非線性環(huán)節(jié)來測試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益,而在調(diào)節(jié)模態(tài)下,由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到PID控制器,然后由此控制器對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化,則需要重新進入測試模態(tài)進行測試,測試完畢之后再回到調(diào)節(jié)模態(tài)進行控制。要確定系統(tǒng)的振蕩頻率C與KC增益,比較常用的是描述函數(shù)方法,根