基于PLC的恒溫系統(tǒng)PID控制系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u32249第1章緒論 2324121.1課題研究背景和意義 2174581.2恒溫控制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 373941.2.1可編程邏輯控制器 3221881.2.2控制算法發(fā)展現(xiàn)狀 4238571.3本文主要研究?jī)?nèi)容 628579第二章恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理 6166952.1溫度控制系統(tǒng)概述 72392.2溫度測(cè)量模塊原理 7304342.2.1常用測(cè)溫原理介紹 7159772.2.2溫度傳感器補(bǔ)償方式原理 9208962.3溫度控制模塊原理 10268182.3.1常用溫度控制介紹 10180412.3.2基于PID的溫度控制算法 10173292.4可編程邏輯控制器（PLC） 12189182.5本章小結(jié) 1215068第三章恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1496373.1恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計(jì) 1448603.2恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件組成 14199193.2.1PLC 14125393.2.2溫度變送器 15143333.2.3固態(tài)繼電器 1538673.2.5鋁塊 1531393.2.6觸摸屏 16308403.2.7熱電阻 1618583.2.8其他附件 1795593.3主電路設(shè)計(jì) 19239803.3.1主電路組成 19263983.3.2測(cè)溫電路設(shè)計(jì) 20135403.3.3控溫電路設(shè)計(jì) 20186723.4系統(tǒng)搭建 2186113.5本章小結(jié) 2229244第四章恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22258004.1人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 22170974.1.1監(jiān)控界面設(shè)計(jì) 2281364.2PLC程序開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì) 2371614.2.1測(cè)溫程序 24177374.2.2加熱程序 24105934.2.3風(fēng)冷程序 26286574.3本章小結(jié) 2619176第五章恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析 27226535.1系統(tǒng)運(yùn)行 2753815.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 28116565.2.1恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置比例系數(shù)作用分析 28163485.2.2恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置積分時(shí)間作用分析 29252735.2.3恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置微分時(shí)間作用分析 30256685.3本章小結(jié) 3131278第六章總結(jié)與展望 3176785.1結(jié)論 3187915.2展望 31第1章緒論1.1課題研究背景和意義溫度作為人們生產(chǎn)生活過(guò)程以及科學(xué)科技實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)又重要的物理參數(shù)之一，開(kāi)爾文以絕對(duì)零度作為溫度的初始點(diǎn)，即將水的三相點(diǎn)溫度準(zhǔn)確定義為273.16K后所得的溫度REF_Ref15006\r\h[1]。對(duì)溫度的應(yīng)用主要有測(cè)溫和控溫，而控溫往往又伴隨著測(cè)溫。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)與科技的日新月異，對(duì)于環(huán)境溫度的測(cè)量與控制的需求也在水漲船高，人們學(xué)習(xí)生活中也對(duì)于不同溫度變化也非常敏感，根據(jù)相關(guān)研究學(xué)術(shù)論文指出，變化無(wú)常的溫度甚至能夠影響人的道德判斷REF_Ref17703\r\h[2]，由此看來(lái)，溫度控制系統(tǒng)對(duì)于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活也顯得舉足輕重。生產(chǎn)、醫(yī)療、工業(yè)、科研、軍事、航空航天等領(lǐng)域?qū)囟鹊脑敿?xì)要求也更加嚴(yán)格。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)鍋爐是通用設(shè)備之一，如果更準(zhǔn)確地控制其蒸汽溫度，可以提高其熱效率，從而節(jié)約能源REF_Ref22834\r\h[3]；而像2016年"山東疫苗事件"一樣，是因?yàn)檫\(yùn)輸過(guò)程中沒(méi)有保護(hù)低溫疫苗，引起全國(guó)一片嘩然REF_Ref25743\r\h[4]；在航空航天領(lǐng)域，為了傳回準(zhǔn)確的圖像，對(duì)于空間相機(jī)的工作環(huán)境溫度控制會(huì)影響光學(xué)元件及結(jié)構(gòu)件相對(duì)位置改變從而影響成像質(zhì)量REF_Ref25766\r\h[5]。像類(lèi)似此類(lèi)事件由于溫度變化所影響生產(chǎn)生活社會(huì)發(fā)展以及科學(xué)研究結(jié)果的例子應(yīng)有盡有。這表明溫度控制的重要性,溫度控制不僅在人們的日常生活產(chǎn)生影響更多的是至關(guān)重要的領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn),但由于溫度控制場(chǎng)景不同,想要建立在完全符合實(shí)際使用的環(huán)境條件是非常困難的。然而，由于溫度控制的主要要求包括精度、快速性和穩(wěn)定性，為了達(dá)到理想溫度的目標(biāo)，使用溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)控溫，即搭建溫度控制測(cè)試裝置擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。1.2恒溫控制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前為止，自動(dòng)化工業(yè)控制已經(jīng)顯然成為一個(gè)熱點(diǎn)，一個(gè)國(guó)家自身的自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀彰顯了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)實(shí)力。即使中國(guó)的年消費(fèi)總量已經(jīng)位居世界前列，但是由于我國(guó)企業(yè)前期工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，導(dǎo)致很多關(guān)鍵領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)控制研究領(lǐng)域仍相對(duì)比較落后，與其他國(guó)家對(duì)比，當(dāng)時(shí)我國(guó)在溫度控制領(lǐng)域的技術(shù)和發(fā)展成果較為薄弱。國(guó)家溫度計(jì)量檢定所在1957年設(shè)立了熱工處，從此象征著我國(guó)溫控方面工作的起頭REF_Ref8684\r\h[6]。但在那之后，發(fā)展的進(jìn)程非常緩慢。通過(guò)幾十年學(xué)習(xí)吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，并且引進(jìn)了多個(gè)先進(jìn)溫度控制管理系統(tǒng)，通過(guò)信息技術(shù)創(chuàng)新完成了產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速轉(zhuǎn)型。這極大地促進(jìn)了我國(guó)溫度測(cè)量和控制的進(jìn)步，但在許多方面還存在差距REF_Ref1087\r\h[7]。1.2.1可編程邏輯控制器可編程控制器(PLC)是控制領(lǐng)域常用的電子產(chǎn)品，其內(nèi)部存儲(chǔ)程序使用可編程存儲(chǔ)器REF_Ref22793\r\h[8]。我國(guó)自身的國(guó)情是屬于一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，但是正在努力的成為世界新的制造業(yè)領(lǐng)頭人。而在控制領(lǐng)域中，PLC作為控制系統(tǒng)的不二選擇，同時(shí)，機(jī)械行業(yè)也必然要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。而且PLC在我國(guó)的應(yīng)用潛力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有得到充分發(fā)揮，由此看來(lái)，我國(guó)將迎來(lái)一個(gè)PLC市場(chǎng)高速增長(zhǎng)的時(shí)期，使我們的生活更加方便REF_Ref4455\r\h[9]。在PLC產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與使用上國(guó)外的公司發(fā)展一直都是處于一個(gè)絕對(duì)領(lǐng)先的地位，如以西門(mén)子為代表的的一些歐美PLC廠(chǎng)商技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行研究工作多年。PLC最早應(yīng)用于20世紀(jì)60年代末的汽車(chē)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，主要是由機(jī)電繼電器和面板硬連接線(xiàn)圈組成的分立的非剛性電路控制。通用汽車(chē)有限公司發(fā)展設(shè)想計(jì)算機(jī)技術(shù)可以用來(lái)執(zhí)行邏輯系統(tǒng)功能，然后由繼電器執(zhí)行。吉爾德莫迪康公司開(kāi)發(fā)了第一個(gè)PLC型號(hào)為084PLC安裝在通用汽車(chē)公司的奧茲莫比爾分部和賓法西尼亞州蘭迪斯的蘭迪斯分部。而如今，PLC在許多應(yīng)用中得到了非常廣泛的使用。目前世界有二百多家生產(chǎn)和研發(fā)PLC的廠(chǎng)商，其中國(guó)外廠(chǎng)商占據(jù)了絕大多數(shù)，我國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，各種型號(hào)的PLC供不應(yīng)求，但是由于PLC絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額都被外國(guó)廠(chǎng)商所把握著。1.2.2控制算法發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)于溫度控制的需求非常普遍地出現(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)生活以及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)制造、家居使用、電器領(lǐng)域等。由于各種控制條件下不同的控制要求，出現(xiàn)了種類(lèi)繁多的溫控方法REF_Ref22887\r\h[10]。(1)PID控制各個(gè)國(guó)家根據(jù)PID控制理論并融合各種其他的控制算法，對(duì)溫控進(jìn)行了深入的研究REF_Ref8880\r\h[11]。PID控制器已經(jīng)有接近一個(gè)世紀(jì)的使用歷史，因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好和工作可靠以及調(diào)整方便等獨(dú)到之處從而被廣泛應(yīng)用于中國(guó)的自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中REF_Ref27038\r\h[12]。PID產(chǎn)生并發(fā)展于二十世紀(jì)初期，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用PID可編程邏輯控制器以及其改進(jìn)型的控制器幾乎占到全部。在二十世紀(jì)中葉，泰勒儀器公司的Zieiger和Nichols等人分別在開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的情況下，用實(shí)驗(yàn)的方法分別研究了比例、積分和微分這三個(gè)部分在控制中的作用，首次提出了PID控制器參數(shù)整定的問(wèn)題REF_Ref8965\r\h[13]。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制管理方式與PID控制存在些許差異，其主要是應(yīng)用在變頻器的控制過(guò)程中，不僅如此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還可以實(shí)時(shí)控制不止一個(gè)變頻器。其更主要還是控制比較復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其非常適合作為多個(gè)變頻器級(jí)聯(lián)時(shí)控。而由于我們對(duì)信息系統(tǒng)整體框架了解甚少，需要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成辨識(shí)的功能，與此同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確地控制。心理學(xué)家赫布通過(guò)大腦在學(xué)習(xí)之后形成的條件反射來(lái)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行了相關(guān)研究，提出與神經(jīng)元連接強(qiáng)度變化規(guī)律相關(guān)的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，至此人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究引發(fā)了對(duì)于自動(dòng)控制研究高潮REF_Ref32387\r\h[14]。(3)模糊控制1965年美國(guó)的L.A.Zadeh創(chuàng)建了模糊集合論，而到了1973年，L.A.Zadeh給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)定理，直到1974年，英國(guó)的E.H.Mamdani通過(guò)模糊控制語(yǔ)句完成了模糊控制器，不僅如此，E.H.Mamdani還通過(guò)使用模糊控制鍋爐與蒸汽，以此為標(biāo)志，意味著模糊控制論的誕生，模糊控制機(jī)構(gòu)框圖如圖1-1所示。在2013年，巴西的WangerFontesGodoy等人使用模糊控制器為PID輸出信號(hào)，從而設(shè)計(jì)了一種全新的溫控方法REF_Ref5689\r\h[15]。在如今通過(guò)各種各樣工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化管理控制生產(chǎn)線(xiàn)中，模糊控制自己已經(jīng)發(fā)展成為最受歡迎的控制工程技術(shù)方法之一REF_Ref5817\r\h[16]。1985年?duì)I野道夫的專(zhuān)著《模糊控制》問(wèn)世，更是從理論上對(duì)于模糊控制器進(jìn)行了全面的總結(jié)和分析REF_Ref23064\r\h[17]。圖1-1模糊控制機(jī)構(gòu)框圖(4)專(zhuān)家系統(tǒng)控制專(zhuān)家系統(tǒng)控制是一種發(fā)展具有一個(gè)特定文化知識(shí)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域?qū)＜壹?jí)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，是人工智能中最具實(shí)用價(jià)值的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。專(zhuān)家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示REF_Ref8655\r\h[18]。圖1-2專(zhuān)家系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu)中國(guó)目前正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著我國(guó)化工溫度控制的不斷發(fā)展，一些先進(jìn)的溫度控制算法已廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中REF_Ref8733\r\h[19]。太原理工大學(xué)的魏小字等人提出了在傳統(tǒng)PID算法中加入模糊控制和比例設(shè)定值權(quán)重，解決了反應(yīng)釜溫度控制的滯后性以及跟隨性較差等問(wèn)題REF_Ref23149\r\h[20]；天津理工大學(xué)的張燿等人結(jié)合半導(dǎo)體制冷技術(shù)，著重研究溫度控制的相關(guān)算法，設(shè)計(jì)出了一款基于模糊PID算法的高精度大范圍溫度控制系統(tǒng)REF_Ref10504\r\h[21]；西安交通大學(xué)的趙亮等人通過(guò)有限元模型有效預(yù)測(cè)受熱元件的熱特性變化規(guī)律為溫度控制提供了一種新的思路。溫度控制的重要性不言而喻，德國(guó)宣布進(jìn)入工業(yè)4.0，中國(guó)也正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要關(guān)頭，做好溫度控制系統(tǒng)具有重要意義?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析結(jié)果可知，溫度控制在日常生產(chǎn)社會(huì)生活中不可或缺，安全穩(wěn)定的工作學(xué)習(xí)環(huán)境是保證信息系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，設(shè)計(jì)一套恒溫系統(tǒng)PID控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)模擬對(duì)溫度的控制技術(shù)具有一個(gè)重大的現(xiàn)實(shí)社會(huì)意義和應(yīng)用企業(yè)價(jià)值。本課題主要針對(duì)溫度控制問(wèn)題，結(jié)合PID算法，設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，主要功能是快速控制被控對(duì)象的溫度，精確控制設(shè)定溫度，并保證其穩(wěn)定性。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本課題研究設(shè)計(jì)一套鋁塊恒溫控制管理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集溫度并實(shí)現(xiàn)恒溫控制。實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。以西門(mén)子SP-200PLC作為控制器，PT100熱電阻進(jìn)行溫度采集，威輪觸摸屏交互界面為顯示界面，電加熱器為控制對(duì)象，用PID算法實(shí)現(xiàn)恒溫控制。要求鋁塊恒溫控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，溫度控制范圍為40-100℃，交互界面設(shè)計(jì)合理，交互界面上需包含目標(biāo)溫度，實(shí)時(shí)溫度，比例P值，積分I值，微分D值，加熱啟動(dòng)，加熱停止，鋁塊溫度與時(shí)間的變化曲線(xiàn)等。本文搭建鋁塊恒溫控制實(shí)驗(yàn)裝置，完成基于S7-200PLC的程序開(kāi)發(fā)與調(diào)試。主要內(nèi)容如下：綜述溫度控制的發(fā)展研究過(guò)程以及國(guó)內(nèi)外溫度控制技術(shù)領(lǐng)域不斷發(fā)展實(shí)際情況，介紹現(xiàn)在主流的溫度控制工作方式方法以及關(guān)于溫度控制的成果。介紹基于PLC使用PID控制鋁塊溫度的工作原理。恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)恒溫系統(tǒng)的PID控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了調(diào)試和測(cè)試。恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理在前一章中，概述了溫度控制系統(tǒng)的概念及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，說(shuō)明了溫度控制系統(tǒng)在日常生產(chǎn)和生活中的重要性。為了更深入了解溫控系統(tǒng)的本質(zhì)，本章將介紹溫控系統(tǒng)中如何測(cè)溫以及如何控溫的原理和系統(tǒng)主要設(shè)備組成部分以及運(yùn)行工作原理。本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)主要由溫度測(cè)量和溫度控制兩個(gè)核心部分組成，包括電源模塊、散熱模塊、執(zhí)行器、溫度傳感器和溫度控制模塊。同時(shí)，為了滿(mǎn)足簡(jiǎn)單、直觀(guān)、易操作的要求，本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)基于人機(jī)交互模塊?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析問(wèn)題展開(kāi)對(duì)恒溫系統(tǒng)PID控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。2.1溫度控制系統(tǒng)概述溫度測(cè)量特別是溫度控制在當(dāng)前的生產(chǎn)生活中起著重要的作用。舒適健康的日常環(huán)境是幸福生活的基礎(chǔ)，穩(wěn)定安全的生產(chǎn)環(huán)境是高效工作的基礎(chǔ)。溫度控制反映在各種工業(yè)領(lǐng)域，如電子技術(shù)、鋼鐵生產(chǎn)和機(jī)械制造，從細(xì)菌形成的小群落到航天工業(yè)的各個(gè)方面，所有涉及和干擾溫度變量，即使是最細(xì)小的事件也不能脫離溫度控制的過(guò)程。因此，做好溫度控制管理系統(tǒng)具有重大的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義?？删幊炭刂破?PLC)是一種利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生活和生產(chǎn)自動(dòng)控制的新型裝置。它具有效率高、成本低、可控性強(qiáng)、易于編程等特點(diǎn)。在PLC的基礎(chǔ)上，使用PID算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。2.2溫度測(cè)量模塊原理2.2.1常用測(cè)溫原理介紹對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量是溫度控制管理系統(tǒng)的重要組成一個(gè)部分，為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制，則需要通過(guò)精準(zhǔn)的溫度測(cè)量。因此，溫度測(cè)量是溫度控制系統(tǒng)的基本組成部分。測(cè)溫方法有很多，如圖2-1所示，基本上可以分為接觸式測(cè)溫方法和非接觸式測(cè)溫方法:圖2-1溫度測(cè)量方法分類(lèi)接觸式測(cè)溫方法原理及特點(diǎn)接觸式測(cè)溫技術(shù)主流的一般囊括膨脹式測(cè)溫、電量式測(cè)溫、接觸式光電信息以及熱色測(cè)溫等等。接觸式溫度測(cè)量一般測(cè)量被測(cè)物體和傳感器之間的平衡溫度，這要求與被測(cè)物體或介質(zhì)完全接觸。膨脹式測(cè)溫方法膨脹式測(cè)溫較為傳統(tǒng)，如我們所熟知的水銀溫度計(jì)（如圖2-2）。它主要采用物質(zhì)的熱膨脹和冷卻原理來(lái)測(cè)量溫度，通過(guò)根據(jù)溫度的體積或幾何變形將其與溫度聯(lián)系起來(lái)確定溫度與變形的關(guān)系。膨脹式測(cè)溫技術(shù)方法主要內(nèi)容包括玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬膨脹式溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)。圖2-2水銀溫度計(jì)電量式測(cè)溫方法電測(cè)溫法主要利用材料的電勢(shì)、電阻等電性能與溫度的關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度。包括熱電偶溫度測(cè)量、熱敏電阻溫度測(cè)量、集成芯片溫度測(cè)量等。其是根據(jù)材料的電阻和溫度的關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量，輸出信號(hào)大，準(zhǔn)確度也比較高，穩(wěn)定性好。接觸式光電接觸式光電測(cè)溫技術(shù)方法主要是指通過(guò)接觸被測(cè)對(duì)象，從而將溫度不斷變化所引起的熱輻射或其他光電信號(hào)可以引出，通過(guò)研究光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行檢測(cè)其信號(hào)，從而能夠獲得測(cè)溫結(jié)果的方法。其可以有效避免非接觸式溫度計(jì)那樣容易發(fā)展受到被測(cè)對(duì)象表發(fā)射率和中間工作介質(zhì)的影響。熱色測(cè)溫方法熱色測(cè)溫方法主要通過(guò)溫敏材料在不同溫度下的顏色變化來(lái)指示溫度變化，包括指示溫度的涂料和指示溫度的液晶，這種方法實(shí)際上使用簡(jiǎn)單，但主要依靠人工才能進(jìn)行。（2）非接觸式測(cè)溫方法原理及特點(diǎn)非接觸式測(cè)溫技術(shù)方法則不需要與被測(cè)對(duì)象進(jìn)行接觸，因此我們并不會(huì)干擾溫度場(chǎng)，其動(dòng)態(tài)發(fā)展特性分析一般也非常好，但是會(huì)受到測(cè)量工作介質(zhì)物性參數(shù)或測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)象表面狀態(tài)的影響。非接觸測(cè)溫方法主要有輻射測(cè)溫、光譜測(cè)溫、激光干涉測(cè)溫、聲測(cè)溫等方法。輻射式測(cè)溫方法輻射測(cè)溫主要以熱輻射定律為基礎(chǔ)，但由于實(shí)際物體一般不是黑體，因此引入了輻射溫度、亮度溫度和色溫的概念，基于上述三種方法的高溫計(jì)分別稱(chēng)為全輻射高溫計(jì)、亮度高溫計(jì)和比色高溫計(jì)。光譜法測(cè)溫方法光譜法測(cè)溫系統(tǒng)主要工作原理為當(dāng)單色光線(xiàn)照射透明的物體時(shí)，會(huì)發(fā)生光的散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其中散射光又包括彈性散射和非彈性散射，光譜法測(cè)溫技術(shù)主要研究用于通過(guò)高溫火焰和氣流環(huán)境溫度的測(cè)量。激光干涉測(cè)溫方法激光干涉測(cè)溫的主要原理是基于干涉原理，所以用光學(xué)方法測(cè)量介質(zhì)的溫度場(chǎng)，將流場(chǎng)各處折射率的變化，即被測(cè)介質(zhì)密度的變化轉(zhuǎn)化為各種光學(xué)參數(shù)的變化，從而得到溫度和分布。聲波、微波測(cè)溫方法聲波測(cè)溫的主要原理是基于聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度有關(guān)的事實(shí)。因此我們只要測(cè)得聲速，便可以推算出溫度；微波衰減法通過(guò)進(jìn)行測(cè)量入射微波的衰減程度分析可以確定氣體環(huán)境溫度。2.2.2溫度傳感器補(bǔ)償方式原理在實(shí)際溫度測(cè)量中，溫度測(cè)量電路存在各種誤差，往往需要通過(guò)測(cè)量補(bǔ)償消除測(cè)量，常見(jiàn)的補(bǔ)償方法是：二線(xiàn)制接法、三線(xiàn)連接法和四線(xiàn)連接法REF_Ref23234\r\h[22]。其中，雙線(xiàn)制接線(xiàn)方法只適用于測(cè)溫距離較近且測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合，四線(xiàn)制可以完全消除引線(xiàn)電阻的影響，但成本相對(duì)較高，主要用于高精度的溫度測(cè)量。二線(xiàn)制接法二線(xiàn)制測(cè)量系統(tǒng)電路的接線(xiàn)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行如圖2-4所示，此接線(xiàn)工作方式主要是將一個(gè)接觸電阻RL1與引線(xiàn)電阻RL2分別接在熱電阻兩端，通過(guò)將引線(xiàn)電阻r算入熱電阻阻值中，而r的大小由引線(xiàn)材料和長(zhǎng)度所決定，從而使得研究結(jié)果產(chǎn)生了一定偏差，從而產(chǎn)生影響測(cè)量數(shù)據(jù)精度。圖2-4二線(xiàn)制接線(xiàn)方式圖三線(xiàn)制接法三線(xiàn)制接法在工業(yè)以及生活中溫度測(cè)量使用非常廣泛，等效為3個(gè)相等的導(dǎo)線(xiàn)電阻RL1、RL2、RL3和所測(cè)電阻的串并聯(lián)模型，如下圖2-5所示。本文采用了三線(xiàn)連接的方法。三線(xiàn)連接法可以消除二線(xiàn)連接中由于接觸電阻和引線(xiàn)電阻引起的偏差。圖2-5三線(xiàn)制接線(xiàn)方式圖四線(xiàn)制接法四線(xiàn)連接法稱(chēng)為四線(xiàn)連接法，因?yàn)閮筛鶎?dǎo)線(xiàn)分別從熱敏電阻的兩個(gè)端口引出，共有四根導(dǎo)線(xiàn)。RL1、RL2、RL3、RL4為四根引出線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)電阻，通過(guò)U1和U4給熱電阻兩端施加相同的激勵(lì)電流I，為熱電阻提供恒定的電流，當(dāng)熱電阻溫度變化時(shí)電阻阻值發(fā)生變化的同時(shí)，此時(shí)U2和U3之間的電壓之差即為鉑電阻兩端的電壓變化。此方法可以幫助我們直接完全消除多余引線(xiàn)電阻產(chǎn)生的影響。圖2-6四線(xiàn)制接線(xiàn)方式圖2.3溫度控制模塊原理2.3.1常用溫度控制介紹溫度控制模塊是溫控系統(tǒng)的重中之重。溫度控制一般分為制冷和加熱兩種形式，以及應(yīng)用最廣泛的一般電熱，可分為電阻加熱、電子束加熱、紅外加熱等。制冷在實(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的方式有熱電制冷、蒸發(fā)制冷等。2.3.2基于PID的溫度控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，算法是整個(gè)管理系統(tǒng)的核心組成部分，控制算法的優(yōu)劣程度決定了溫控性能的優(yōu)劣程度。PID是比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）的簡(jiǎn)稱(chēng)，自誕生至今已經(jīng)有百年的歷史，許多自動(dòng)控制的算法都是由其演變而來(lái)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中PID的使用極為常見(jiàn)。圖2-7所示為PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，接收系統(tǒng)輸入信號(hào)后對(duì)比形成的偏差信號(hào)e(t)經(jīng)過(guò)PID控制器的比例積分以及微分運(yùn)算后變成相應(yīng)的控制信號(hào)u(t)，然后再將這個(gè)控制信號(hào)u(t)輸出給被控對(duì)象，被控對(duì)象實(shí)際的輸出量c(t)與實(shí)際輸入量u(t)的誤差為e(t)，控制目標(biāo)則是使實(shí)際輸出量c(t)與實(shí)際輸入量u(t)誤差最小，以此循環(huán)就形成了一個(gè)完整的單閉環(huán)控制器REF_Ref31907\r\h[23]。PID控制是一種線(xiàn)性控制方法，它根據(jù)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間所存在的控制變差e(t)=r(t)-y(t),對(duì)其進(jìn)行比例、積分和微分三種不同的運(yùn)算，在將這三種運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行相加，然后就得出PID控制器所需要輸出的控制輸出u(t)REF_Ref6911\r\h[24]。圖2-7PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖其中偏差值e(t)的表達(dá)式為：在得到偏差值e(t)后，將偏差值e(t)通過(guò)PID控制器進(jìn)行各種組合運(yùn)算，然后輸出量u(t)，輸出量u(t)的表達(dá)式為：其中，Kp為比例系數(shù)，Ti是積分時(shí)間常數(shù)，Td是微分時(shí)間常數(shù)，將上式進(jìn)行拉格朗日變換后寫(xiě)成傳遞函數(shù)的形式為：由此可以發(fā)現(xiàn)，其中的比例系數(shù)（Kp），積分時(shí)間常數(shù)（Ti），微分時(shí)間常數(shù)（Td）直接影響PID控制器的性能。比例系數(shù)（Kp）：其作用是按一定比例擴(kuò)大輸入值與反饋值的偏差，從而提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。當(dāng)輸入值與反饋值有偏差時(shí)，比例環(huán)節(jié)會(huì)立即調(diào)整，但相應(yīng)的比例系數(shù)會(huì)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。所以適當(dāng)?shù)脑黾颖壤禂?shù)可以通過(guò)提高內(nèi)部控制管理系統(tǒng)的響應(yīng)速度，相應(yīng)的系統(tǒng)的超調(diào)量也會(huì)增大，從而導(dǎo)致產(chǎn)生振蕩。同時(shí)，比例系數(shù)只能減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但不能完全消除。積分時(shí)間常數(shù)（Ti）：積分環(huán)節(jié)的功能是減少或完全消除系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。每當(dāng)系統(tǒng)可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，積分環(huán)節(jié)就會(huì)開(kāi)始發(fā)展作用，從而能夠使其消除。積分時(shí)間常數(shù)越小，積分作用越強(qiáng)。但是，當(dāng)積分時(shí)間常數(shù)太小時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法消除產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，這會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)量，導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩。所以合適的積分時(shí)間非常重要。微分時(shí)間常數(shù)（Td）：微分環(huán)節(jié)則主要對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性方面進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，通過(guò)算法預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部控制存在偏差的變化發(fā)展趨勢(shì)，然后在系統(tǒng)還未產(chǎn)生偏差量的時(shí)候，使用微分調(diào)節(jié)提前介入來(lái)消除系統(tǒng)偏差，所以微分環(huán)節(jié)我們可以極大地提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。但同樣的一點(diǎn)是，只有合適的參數(shù)才能發(fā)揮更大的作用。當(dāng)微分時(shí)間常數(shù)太小時(shí)，微分調(diào)節(jié)幾乎不起作用，系統(tǒng)誤差沒(méi)有得到很好地消除；而當(dāng)微分時(shí)間常數(shù)太大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超前抑制過(guò)強(qiáng)，影響系統(tǒng)的控制能力，增加控制時(shí)間。由此可見(jiàn)，微分環(huán)節(jié)具有局限性，所以一般不單獨(dú)地使用，而是與比例或積分同時(shí)使用，如PD或PID控制。由此可見(jiàn)，控制系統(tǒng)想要達(dá)到控制目標(biāo)并且兼具準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與快速性，對(duì)于比例系數(shù)（Kp），積分時(shí)間常數(shù)（Ti），微分時(shí)間常數(shù)（Td）選取至關(guān)重要。2.4可編程邏輯控制器（PLC）它們是基于計(jì)算機(jī)的、固態(tài)的、單處理器設(shè)備，模仿電梯圖的行為，能夠控制多種類(lèi)型的工業(yè)設(shè)備和整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)。PLC通常是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容組成一個(gè)部分。在制造業(yè)、化工業(yè)和過(guò)程工業(yè)中，除了使用plc的技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，它還降低了先進(jìn)水平和復(fù)雜控制系統(tǒng)的價(jià)格。目前，用于執(zhí)行系統(tǒng)邏輯的控制元件大多被PLC取代。使用邏輯這個(gè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)是因?yàn)榫幊淌侵饕纳婕皩?shí)現(xiàn)邏輯和切換操作。輸入設(shè)備(如開(kāi)關(guān))和輸出設(shè)備(如受控電機(jī))連接到PLC，然后控制器根據(jù)機(jī)器或工藝監(jiān)控輸入和輸出。最初，PLC被設(shè)計(jì)用來(lái)取代硬接線(xiàn)繼電器和定時(shí)邏輯控制系統(tǒng)。微處理器技術(shù)和軟件編程技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，為PLC增加了更多的特性能力。這種增強(qiáng)是因?yàn)榭删幊踢壿嬁刂破骷夹g(shù)可以高速執(zhí)行更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和過(guò)程控制應(yīng)用。目前，十幾家制造商生產(chǎn)PLC，如圖表2-1為全球主要生產(chǎn)PLC廠(chǎng)家。這些企業(yè)公司中大多數(shù)制造了幾種型號(hào)，其大小、成本和復(fù)雜程度各不相同，以滿(mǎn)足自己特定技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)程序的需要。表2-1全球市場(chǎng)PLC制造商名單制造商制造商1西門(mén)子9松下2ABB10IDEC3施耐德11臺(tái)達(dá)4羅克韋爾12東芝5三菱13富士6霍尼韋爾14基恩斯7歐姆龍15皮爾磁8日立工業(yè)16橫河電機(jī)2.5本章小結(jié)本本章主要介紹了溫度測(cè)量的各種原理和溫度控制的概念，然后介紹了基于PID的溫度控制算法，總結(jié)了影響PID的三個(gè)主要參數(shù)：比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，然后介紹了可編程控制器(PLC)的主要情況。為以下構(gòu)建整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章詳細(xì)介紹了恒溫系統(tǒng)PID控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)主要工作原理發(fā)展以及各個(gè)功能模塊組成，本章將對(duì)其硬件信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，包括可編程邏輯控制器（PLC）、溫度變送器、固態(tài)繼電器、觸摸屏以及一系列附件。然后介紹實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，包括主電路設(shè)計(jì)、加熱電路、散熱電路和溫度控制電路。完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的最終構(gòu)建，最終可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的硬件功能。3.1恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用西門(mén)子SP-200系列PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)PT100熱電阻進(jìn)行鋁塊溫度采集，溫度變送器將模擬量傳輸給PLC；威綸觸摸屏顯示界面，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行互動(dòng)與溫度監(jiān)視；PLC通過(guò)相應(yīng)控制算法對(duì)其實(shí)現(xiàn)溫度控制，其中電加熱器作為控制對(duì)象，如圖3-1是溫度控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)示意圖。圖3-1溫度控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖3.2恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件組成3.2.1PLCPLC通常是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容組成的一部分。它們?cè)谥圃鞓I(yè)、化學(xué)工業(yè)和過(guò)程工業(yè)中涉及過(guò)程和輔助部件的順序控制和同步的應(yīng)用中非常有效和可靠。在本控制系統(tǒng)中，作為核心控制器選擇的是西門(mén)子SP-200系列PLC控制系統(tǒng)，如圖3-2所示。圖3-2西門(mén)子SP-200系列PLC3.2.2溫度變送器溫度變送器是將溫度控制變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)輸出一個(gè)信號(hào)的儀表，如圖3-3所示。溫度變送器的測(cè)溫元件通常使用熱電偶、熱電阻，首先通過(guò)將信號(hào)傳導(dǎo)到測(cè)溫元件，然后再傳輸?shù)綔囟茸兯推?，中間通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括放大信號(hào)、矯正信號(hào)、穩(wěn)壓濾波、反向保護(hù)以及V/I轉(zhuǎn)換等電路處理。將輸入其中的包含0-5V/0-10V電壓信號(hào)以及4～20mA電流信號(hào)，通過(guò)一定關(guān)系轉(zhuǎn)化成為電流與溫度成線(xiàn)性關(guān)系或者電壓與溫度成線(xiàn)性關(guān)系的模擬量信號(hào)。最終，在本設(shè)備中，溫度變送器輸出的模擬量信號(hào)將會(huì)輸送到PLC中。圖3-3溫度變送器3.2.3固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器本質(zhì)上是一種無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)由電力電子電力器件、微電子電路和分立電子器件組成。其輸入端采用微小的控制系統(tǒng)信號(hào)，就可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)發(fā)展較大的電流負(fù)載。見(jiàn)圖3-4。加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的高級(jí)科學(xué)家說(shuō)，由于這種繼電器具有隔離、非接觸式開(kāi)關(guān)控制，在開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)或電火花，因此它不僅具有與電磁繼電器相同的功能，而且還具有優(yōu)異的防潮和防腐特性，在爆炸性和臭氧污染環(huán)境中工作得很好，輸入功率低，靈敏度高，功率低，具有良好的電磁兼容性和抗干擾能力REF_Ref6659\r\h[25]。圖3-4固態(tài)繼電器3.2.5鋁塊作為本次溫控實(shí)驗(yàn)的控制對(duì)象，鋁合金不僅比銅便宜，而且導(dǎo)熱能力弱，適合溫控，如圖3-5所示，是安裝在實(shí)驗(yàn)裝置上的鋁塊，插有PT100熱電阻和加熱器。在控溫過(guò)程中，鋁塊被插入其中的加熱棒加熱。隨著鋁塊溫度的升高，PT100的電阻值發(fā)生變化，從而達(dá)到控溫測(cè)溫的目的。圖3-5鋁塊3.2.6觸摸屏為了搭建一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái)，希望觸摸屏既能將鋁塊的溫度變化信息與給定的目標(biāo)溫度同步，又能掌握鋁塊的溫度。還可以簡(jiǎn)化操作，降低操作門(mén)檻。通過(guò)對(duì)比選擇威綸觸摸屏作為人機(jī)交互平臺(tái)，觸摸屏通過(guò)通訊電纜（DVI）與PLC相連接，觸摸屏內(nèi)需要提前編譯人機(jī)交互界面程序，用來(lái)控制PLC使用PID算法從而控制鋁塊溫度。在其實(shí)際運(yùn)行時(shí)，顯示溫度實(shí)際值、溫度設(shè)定值、比例（P）、積分（I）、微分（D）、加熱按鈕、加熱停止以及事實(shí)的溫度變化曲線(xiàn)，并且可以對(duì)溫度設(shè)定值、以及比例（P）、積分（I）、微分（D）值進(jìn)行分別設(shè)定。如圖3-6為威綸觸摸屏。圖3-6威綸觸摸屏本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行選擇威綸觸摸屏作為一個(gè)人機(jī)交互技術(shù)平臺(tái)，下表3-1即為威綸觸摸屏詳細(xì)各項(xiàng)工作性能參數(shù)。表3-1威綸TK6071iQ1觸摸屏性能參數(shù)表名稱(chēng)參數(shù)核心處理器ARMRISC528MHzSDRAM128MBNANDFLASH128MB串口COM1:RS-232,COM2:RS-4852W/4W輸入電源10.5~28VDC工作溫度-20°~60°C(-4°~140°F)工作濕度10%~90%(非冷凝)防護(hù)等級(jí)IP65屏幕分辨率800x4803.2.7熱電阻金屬熱電阻是根據(jù)不同金屬在其工作溫度發(fā)生發(fā)展變化的同時(shí)，其自身的電阻阻值也同時(shí)發(fā)生了一些相應(yīng)的變化進(jìn)行制作而成。同時(shí)電阻變化與溫度變化有一定的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)測(cè)量電阻變化和溫度變化，可以確定相關(guān)函數(shù)表達(dá)式的常數(shù)，這就是金屬熱阻的測(cè)溫原理REF_Ref31940\r\h[19]。本文所采用的測(cè)溫元件即PT100熱電阻，當(dāng)其溫度發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)的阻值也隨之發(fā)生線(xiàn)性變化。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)PT100熱電阻溫度從0攝氏度增長(zhǎng)至100℃時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的阻值也會(huì)從100歐姆增長(zhǎng)到138.5Ω。PT100鉑電阻如圖3-7所示。圖3-7PT100熱電阻當(dāng)溫度在0℃~200℃時(shí)：R其中A、B為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得常數(shù)：A=0.00396847Ω/℃，B=-5.847×10-7Ω/℃，Rt為t℃時(shí)的電阻值，R0為0℃時(shí)的電阻值。3.2.8其他附件斷路器為了對(duì)電源管理以及相關(guān)線(xiàn)路信息進(jìn)行環(huán)境保護(hù)，當(dāng)其發(fā)生發(fā)展嚴(yán)重的過(guò)載或者短路情況以及欠壓等故障時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切斷電路，在電路中加入斷路器，如圖3-8所示。同時(shí)，在電路中，斷路器還起著分配電能的作用。圖3-8斷路器開(kāi)關(guān)電源切換電源是電壓或電流，通過(guò)不同形式的架構(gòu)將有點(diǎn)精確的電壓轉(zhuǎn)換為用戶(hù)方所需的電壓或電流，如圖3-9所示。通過(guò)上文介紹的斷路器將220V交流電輸送給開(kāi)關(guān)電源，然后輸出直流DC24V，從而滿(mǎn)足PLC、觸摸屏、溫度變送器以及下文將介紹的用于系統(tǒng)散熱的小風(fēng)扇。圖3-9開(kāi)關(guān)電源風(fēng)扇本文研究旨在通過(guò)設(shè)計(jì)一款基于PID算法需要進(jìn)行工作溫度控制的實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)目標(biāo)物體被加熱后僅僅依靠自然散熱降溫過(guò)于緩慢，為了能夠提高實(shí)驗(yàn)效率，引入小風(fēng)扇進(jìn)行散熱。同時(shí)，在系統(tǒng)的參數(shù)整定完成后，也可以利用小風(fēng)扇的散熱作為外部擾動(dòng)來(lái)觀(guān)察系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)。小風(fēng)扇的實(shí)物圖示如圖3-10所示。小風(fēng)扇由上述開(kāi)關(guān)電源供電。圖3-10風(fēng)扇交流接觸器由于實(shí)驗(yàn)中要頻繁地接通斷開(kāi)線(xiàn)路，引入一個(gè)中間控制系統(tǒng)元件交流接觸器，如圖3-11所示。其原理是利用電磁力和彈簧力的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)觸頭的接通和斷開(kāi)，對(duì)負(fù)載設(shè)備起到過(guò)載保護(hù)作用。主要有兩種工作狀態(tài):斷電狀態(tài)和通電狀態(tài)。當(dāng)交流接觸器中通電時(shí)，此時(shí)吸引線(xiàn)圈會(huì)流過(guò)電流，從而產(chǎn)生磁力，靜鐵芯則會(huì)被線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力吸引，此時(shí)銜鐵也被吸引，從而整個(gè)交流接觸器通電。而當(dāng)吸引線(xiàn)圈斷電，吸引線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力也會(huì)消失，銜鐵則不會(huì)被吸引，在彈簧的作用下電路斷開(kāi)，交流接觸器也處于斷路。圖3-11交流接觸器加熱棒為滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁塊的加熱要求，引入了加熱棒。其原理的核心是能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換：將電能可以轉(zhuǎn)換成一種熱能。圖3-12加熱棒啟動(dòng)、停止、急停按鈕最后通過(guò)按鈕來(lái)控制交流接觸器，如圖3-13為啟動(dòng)、停止以及急停按鈕。圖3-13啟動(dòng)、停止、急停按鈕3.3主電路設(shè)計(jì)3.3.1主電路組成下圖3-14為主電路圖，其中主電路由220V供電，并聯(lián)出一條支路線(xiàn)路通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流24V，從而達(dá)到給西門(mén)子PLC、觸摸屏、風(fēng)扇以及溫度變送器的供電的目的。圖3-14主電路圖3.3.2測(cè)溫電路設(shè)計(jì)根據(jù)第二章測(cè)溫分析表明，溫度采集主要由溫度傳感器和測(cè)溫裝置組成，該測(cè)溫裝置適用于PT100鉑電阻的動(dòng)態(tài)測(cè)量，采用三線(xiàn)制測(cè)量補(bǔ)償方式對(duì)電路中由于電阻產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，即將測(cè)量電阻的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后將模擬量傳遞給PLC。其主要結(jié)構(gòu)圖如圖3-15所示：圖3-15測(cè)溫模塊主要結(jié)構(gòu)圖測(cè)量鋁塊溫度時(shí)，將表面涂有導(dǎo)熱硅脂的PT100鉑電阻插入鋁塊最中間，可以較為準(zhǔn)確客觀(guān)地反映鋁塊溫度的變化，同時(shí)PT100鉑電阻的阻值也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)三線(xiàn)制補(bǔ)償電路與溫度變送器將電阻的變化轉(zhuǎn)變成電壓變化，再通過(guò)PLC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，計(jì)算得到相應(yīng)的溫度值，將其與威綸觸摸屏連接，然后將其溫度值顯示在觸摸屏上，如圖3-16是測(cè)溫電路圖：圖3-16測(cè)溫電路圖3.3.3控溫電路設(shè)計(jì)當(dāng)鋁塊溫度發(fā)生變化時(shí)，鉑電阻的阻值也隨之不斷發(fā)生發(fā)展變化，導(dǎo)致工作溫度壓力變送器輸出給PLC的電壓值也會(huì)發(fā)生變化。然后PLC采集模擬量的變化，通過(guò)預(yù)編的程序轉(zhuǎn)換成溫度值，在觸摸屏上反映出來(lái)。然后根據(jù)PLC中預(yù)先編制的程序，決定如何控制鋁塊的溫度，主要分為加熱和散熱。加熱電路圖如圖3-17所示，散熱電路圖如圖3-18所示：圖3-17加熱電路圖圖3-18散熱電路圖3.4系統(tǒng)搭建根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)以及電路設(shè)計(jì)搭建系統(tǒng)，最終恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-19所示。圖3-19恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置3.5本章小結(jié)本章主要闡述了恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置的硬件系統(tǒng)電路組成和單元電路設(shè)計(jì)。在控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度時(shí)主要可以使用制冷與加熱兩種溫控方式，信號(hào)由觸摸屏上人工操作指令下達(dá)，然后根據(jù)指令需要通過(guò)觸摸屏與PLC通訊電纜傳遞，再通過(guò)PLC對(duì)制冷與加熱時(shí)間進(jìn)行有效控制。恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)在恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了實(shí)現(xiàn)更好的處理，人機(jī)交互模塊是必要的。在一般的智能控制系統(tǒng)中，硬件部分僅局限于硬件控制功能的實(shí)現(xiàn)，而不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)條件實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)修改。將觸摸屏幕引入控制管理系統(tǒng)，可以通過(guò)提供具有以下主要功能：實(shí)時(shí)輸入溫度控制企業(yè)相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)讀取并且顯示被控物體的溫度信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作生活狀態(tài)等等。與觸摸屏實(shí)時(shí)通信的PLC也需要預(yù)先設(shè)置內(nèi)置的軟件，以便按照觸摸屏的指示完成溫度控制系統(tǒng)。4.1人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)4.1.1監(jiān)控界面設(shè)計(jì)為了滿(mǎn)足溫度控制的實(shí)用性，監(jiān)控界面可以隨意啟動(dòng)和停止系統(tǒng)是否對(duì)鋁塊進(jìn)行加熱和散熱，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋁塊溫度值的數(shù)值變化和期間的溫度變化曲線(xiàn)。同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整預(yù)期目標(biāo)值、比例、積分、微分，實(shí)現(xiàn)更深層次的溫度控制?？紤]到人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理的友好特性，監(jiān)控界面需要滿(mǎn)足以下功能要求：在觸摸屏幕上可以設(shè)置目標(biāo)溫度，并且需要設(shè)置的同時(shí)將不同目標(biāo)溫度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令發(fā)送給PLC?；赑LC的溫度控制實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。在整個(gè)溫控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行中，實(shí)時(shí)接受采集并且同步顯示鋁塊的實(shí)時(shí)溫度。它可以隨意開(kāi)啟和關(guān)閉加熱和冷卻。在整個(gè)溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，鋁塊的實(shí)時(shí)溫度采集并同步顯示。根據(jù)上述功能和要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)觸摸屏監(jiān)控界面，其界面渲染如下圖4-1所示：圖4-1監(jiān)控界面設(shè)計(jì)圖其中溫度實(shí)際值對(duì)應(yīng)的PLC中的地址為VD354，溫度設(shè)定值以及PID算法中比例、積分以及微分的參數(shù)所對(duì)應(yīng)的地址為VD324、VD344、以及VD334，加熱啟動(dòng)按鈕和散熱啟動(dòng)按鈕所對(duì)應(yīng)的地址為M0.1以及M0.2，能夠反映加熱狀態(tài)與散熱狀態(tài)的指示燈對(duì)應(yīng)PLC的Q0.6以及Q0.7通道是否對(duì)外輸出。為了我們更能直觀(guān)地反映溫度的變化曲線(xiàn)，同時(shí)可以加入溫度發(fā)展趨勢(shì)圖。為了方便整體控制，引入總開(kāi)關(guān)，其地址為M0.0。4.2PLC程序開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)其中PLC工作流程圖如圖4-2所示，隨著PLC通電后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)總開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，測(cè)溫模塊會(huì)開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)同步鋁塊溫度值到PLC中。觸摸屏輸入的比例、微分、積分目標(biāo)溫度值等參數(shù)會(huì)直接進(jìn)入PLC中的PID算法中，倘若加熱開(kāi)關(guān)打開(kāi)，PID算法將會(huì)通過(guò)控制固態(tài)繼電器對(duì)鋁塊進(jìn)行加熱,。而測(cè)量溫度也會(huì)實(shí)時(shí)與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量溫度高于目標(biāo)溫度，并且同時(shí)散熱開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，風(fēng)扇將會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)鋁塊進(jìn)行散熱。如果總開(kāi)關(guān)關(guān)閉，則整個(gè)PLC會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4-2PLC工作流程圖4.2.1測(cè)溫程序溫度測(cè)量程序是本控制實(shí)驗(yàn)裝置的核心，它是由PT100熱阻隨被測(cè)對(duì)象溫度的變化而產(chǎn)生的，然后通過(guò)溫度變送器將相應(yīng)的電壓變化值傳送給PLC，變送器的相應(yīng)電壓變化值為0~10V。PLC接收到模擬量輸入，將其電壓值轉(zhuǎn)化為實(shí)際溫度值，其中的轉(zhuǎn)化程序如圖4-3所示，最終溫度實(shí)際值地址為VD354。具體過(guò)程：首先獲得模擬輸入量（地址Alw0），然后將其由整數(shù)轉(zhuǎn)為雙整數(shù)（地址AC0），然后將整數(shù)轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)（地址仍為AC0），隨后通過(guò)實(shí)數(shù)相除，將輸入其中的模擬量分為32000份（溫度測(cè)量范圍0-100℃，PLC中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）為15位，所以對(duì)應(yīng)PLC里面的值為0-32000，輸出地址仍為AC0），隨后將AC0中的數(shù)據(jù)傳送給VD100（PID算法中過(guò)程變量的當(dāng)前值的地址），然后通過(guò)實(shí)數(shù)相乘，乘以100得到實(shí)際溫度值（地址為VD290），最終通過(guò)取整得到顯示在觸摸屏上的整數(shù)溫度值（地址為VD354）。最后，在溫度實(shí)際值的基礎(chǔ)上減少1℃使散熱達(dá)到較好的效果（由于實(shí)際溫度具有滯后性），即當(dāng)實(shí)際溫度大于目標(biāo)溫度1℃時(shí)，風(fēng)扇才會(huì)運(yùn)行。圖4-3模擬量轉(zhuǎn)化程序圖4.2.2加熱程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)對(duì)鋁塊溫度的控制，同時(shí)要在PLC中引入PID控制算法，如圖4-4是導(dǎo)入觸摸屏輸入的比例、積分、微分以及溫度設(shè)定值，其中采樣時(shí)間設(shè)定為0.1s。圖4-4觸摸屏數(shù)值導(dǎo)入程序圖如圖4-5為PID算法程序圖，如圖表4-1為PID各參數(shù)地址。圖4-5PID算法程序圖表4-1PID各參數(shù)地址地址實(shí)際意義VD100過(guò)程變量當(dāng)前值VD104給定值VD108輸出值VD112增益VD116采樣時(shí)間VD120積分時(shí)間VD124微分時(shí)間控制溫度過(guò)程由閃爍電路完成，如圖4-6所示。閃爍電路：隨著總開(kāi)關(guān)打開(kāi)，SM0.0始終接通，然后T37開(kāi)始計(jì)時(shí)，（VW2*0.1）秒后T37接通，同時(shí)T38開(kāi)始計(jì)時(shí)，（VW0*0.1）秒后T37斷開(kāi)，同時(shí)T37、T38復(fù)位，以此循環(huán)。圖4-6閃爍電路程序圖其中的VW0和VW2值則由PID的輸出值給出，其輸出值介于0.0-1.0之間，通過(guò)程序算法，VW0+VW2=100，其程序圖如圖4-7所示。圖4-7通過(guò)PID輸出值給出閃爍電路控制變量程序圖當(dāng)觸摸屏輸入數(shù)據(jù)比例、積分、微分以及發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行溫度后，通過(guò)PID算法可以得到一個(gè)輸出值，然后我們通過(guò)閃爍電路控制T37的開(kāi)合，當(dāng)加熱開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，固態(tài)繼電器則會(huì)跟隨T37的開(kāi)合而通電斷開(kāi)，達(dá)到有效控制電加熱棒加熱鋁塊的目的。如圖4-8是加熱開(kāi)關(guān)程序圖。圖4-8加熱開(kāi)關(guān)程序圖4.2.3風(fēng)冷程序?qū)τ跍囟瓤刂疲粌H需要加熱，而且需要冷卻時(shí)，溫度溢出。為了提高實(shí)驗(yàn)效率和擾動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引入了一種小型風(fēng)機(jī)。本實(shí)驗(yàn)裝置采用一個(gè)DC24V供電的小風(fēng)扇對(duì)鋁塊進(jìn)行降溫，其中風(fēng)扇的控制由PLC的Q0.7通道輸出，風(fēng)扇的啟動(dòng)地址為M0.2，當(dāng)風(fēng)扇開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，引入比較指令中的雙指數(shù)小于，當(dāng)現(xiàn)有溫度大于等于風(fēng)冷溫度時(shí)，通道Q0.7會(huì)給小風(fēng)扇供電，從而小風(fēng)扇啟動(dòng)，達(dá)到降溫的目的。在溫度實(shí)值基礎(chǔ)上-1.0使得散熱達(dá)到一個(gè)較好的效果，即當(dāng)實(shí)際工作溫度影響大于目標(biāo)進(jìn)行溫度1攝氏度時(shí)風(fēng)扇才會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。其中散熱的程序如圖4-9所示。圖4-9散熱程序圖4.3本章小結(jié)本章主要介紹控制實(shí)驗(yàn)裝置的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文首先分析了觸摸屏作為人機(jī)交互平臺(tái)的功能，提出了考慮人性化需求的觸摸屏程序設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)需求設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面。最后我們對(duì)于觸摸屏相連接的PLC進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而可以達(dá)到基于PID控制算法對(duì)目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度以及控制。恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析本章首先總結(jié)了基于第二章的控溫系統(tǒng)原理,然后將每個(gè)模塊根據(jù)第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)進(jìn)行整合,最后完成第四章中對(duì)觸摸屏與PLC中內(nèi)置程序的編譯,從而搭建了恒溫系統(tǒng)的PID控制實(shí)驗(yàn)裝置。然后可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)各項(xiàng)溫控性能是否能夠達(dá)到預(yù)期，通過(guò)調(diào)查分析各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)整體評(píng)價(jià)。再改5.1系統(tǒng)運(yùn)行（1）系統(tǒng)初始運(yùn)行過(guò)程首先通上電，打開(kāi)斷路器開(kāi)關(guān)，意味著斷路器已經(jīng)通電，但交流接觸器還未接通。隨后通過(guò)啟動(dòng)、停止以及急停按鈕來(lái)控制交流接觸器的連通。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，意味著系統(tǒng)已經(jīng)通電。隨后電源開(kāi)關(guān)將交流220V轉(zhuǎn)化為直流DC24V，輸送給運(yùn)行指示燈、觸摸屏、溫度變送器以及PLC。隨后觸摸屏與PLC開(kāi)機(jī)，觸摸屏進(jìn)入初始化界面，讀取已經(jīng)編譯好的溫度控制內(nèi)置程序，然后進(jìn)入本溫控實(shí)驗(yàn)裝置人機(jī)交互界面。隨著溫度變送器的通電，PT100鉑電阻所對(duì)應(yīng)的溫度值由溫度變送器轉(zhuǎn)化為電壓值輸送給PLC，之后PLC通過(guò)提前編譯好的程序?qū)⑵淠M量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再通過(guò)通訊電纜實(shí)時(shí)輸送并且顯示在觸摸屏上。系統(tǒng)加熱運(yùn)行過(guò)程當(dāng)系統(tǒng)完成初次運(yùn)行過(guò)程后，首先可以在觸摸屏上讀取鋁塊實(shí)時(shí)溫度值，然后設(shè)定目標(biāo)溫度值以及加熱開(kāi)關(guān)，并且調(diào)整基于PID算法溫度控制過(guò)程中的比例、積分以及微分參數(shù)，其目標(biāo)溫度值、比例、微分以及積分參數(shù)通過(guò)觸摸屏同樣通過(guò)通訊電纜輸送給PLC中對(duì)應(yīng)的地址，PLC再通過(guò)內(nèi)置的算法程序通過(guò)通道對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，隨后加熱棒通電對(duì)鋁塊開(kāi)始加熱，達(dá)到給鋁塊升溫的目的。如圖5-1為當(dāng)目標(biāo)溫度高于實(shí)時(shí)溫度時(shí)加熱狀態(tài)下的觸摸屏界面。圖5-1系統(tǒng)加熱狀態(tài)系統(tǒng)散熱運(yùn)行過(guò)程散熱系統(tǒng)類(lèi)似于加熱系統(tǒng)。當(dāng)目標(biāo)溫度低于鋁塊實(shí)時(shí)溫度時(shí)，PLC會(huì)通過(guò)通道控制風(fēng)扇的運(yùn)行，達(dá)到冷卻鋁塊的目的。如圖5-2為當(dāng)目標(biāo)進(jìn)行溫度明顯低于實(shí)時(shí)控制溫度時(shí)散熱狀態(tài)下的觸摸屏界面。圖5-2系統(tǒng)散熱狀態(tài)5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.2.1恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置比例系數(shù)作用分析在溫控實(shí)驗(yàn)中，首先關(guān)閉了微分器和積分器。每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始可以通過(guò)小風(fēng)扇將鋁塊降溫至25℃。當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)定為35℃，在比例系數(shù)為5時(shí)，此時(shí)輸出值的最大值為0.5（在PLC中，VD108表示輸出值，范圍0.0~1.0；VD104表示輸入值，范圍0.0~1.0；VD112表示比例系數(shù)），當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)定為35℃時(shí)，在比例系數(shù)為5.5時(shí)輸出值最大為0.55。以此類(lèi)推，比例系數(shù)分別為6、6.5、7時(shí)，輸出值最大為0.6、0.65、0.7。如圖5-3為當(dāng)設(shè)定值為35℃，對(duì)應(yīng)輸入值VD104為0.35，目前溫度為25.1125，比例系數(shù)為6.5，對(duì)