论文总字数：24350字

摘 要

对加热水箱温度特性进行了测试和分析。结果表明温度在加热后的变化滞后比较明显，在冷却水参与调节下难以实现符合要求的控制。由此，使用DA转换模块，通过改变输出电压的方式改变加热器功率，从而控制水温变化。PID参数由于PLC控制器的上限限制，使加热水箱温度PID控制曲线中的超调量很小，因此难以在现有的实验系统下实现整定。为探究环境冷源温度对控制的影响，同时开启冷却水进水阀门和加热水出水阀门并保持进出水流量相同，以进出水的热量损失作为冷源进行实验，可以看出对PID控制的实际影响不大，仅时加热至温度设定值的时间增加。此外，进行相应实验探究了冷却中的PID控制作用，根据实验结果可以看出，冷却过程通过调节达到设定值的时间较长，振荡也相对较为明显。

最后，根据所进行的实验，编写了模拟量AD/DA实验、加热水箱温度特性测试实验和加热水箱温度PID控制实验的实验指导书。

关键词：水箱，温度，PLC控制器，PID控制，实验指导书

THE DEVELOPING OF PLC-TEMPERATURE-CONTROL-EXPERIMENTAL-DEVICE AND THE EDIT OF EXPERIMENTAL INSTRUCTIONS

03011216 Kang Kuoruo

Supervised by Pan Lei

Abstract: In this thesis, I use a thermal experimental system consists of two cisterns, pump, heater, transducer and PLC controller. According to this system, I research possible programs it can realize, edit an operation interface of touch panel and wrote relative experimental instructions.

After testing the temperature characteristic of heating cistern, the result shows the hysteresis of temperature change in heating process is very obvious, it is really hard to realize temperature control by adding cooling water. Thus, I use DA conversion module to change output voltage, so that the power of heater can be controlled, then the temperature can be regulated. The PID parameters are limited by PLC controller, the overshoot in heating cistern temperature PID control characteristic is very little and it is very hard to adjust. To research the influence of environment temperature, I switch on the cooling water inlet valve and heating water outlet valve at the same time, using the heat loss as the cold source to do the experiment. I get the characteristic showing the environment temperature effect on PID control is limited, it can only make the heating span longer. Besides, I also do the experiment about PID control in cooling process. According to the result, I can know that achieving the setting temperature value needs a long time and oscillation is relatively obvious.

At last, I edit experimental instructions of analog AD/DA experiment, heating cistern temperature characteristic testing experiment and heating cistern temperature PID control experiment.

Key words: cistern, temperature, PLC controller, PID control, experimental instruction

目 录

1. 绪论1
   1. 选题背景及选题依据1
   2. 温度控制技术现状1
      1. 定值开关温度控制法1
      2. PID线性温度控制法2
      3. 智能温度控制法3
   3. PLC控制技术与继电器控制技术的区别4
   4. 本文主要研究内容5
2. 建立PLC水温控制实验平台6

实验基本装置简介6

温度控制实验装置7

实验装置及参数明细汇总8

电气原理图12

1. 实验基本原理14

PID控制原理14

• • 1. 比例运算（P运算）14
    2. 积分运算（I运算）14
    3. 微分运算（P运算）14
    4. PID运算15

数模、模数转换基本原理15

• • 1. 模数转换器（ADC）基本原理15
    2. 模数转换器（ADC）基本原理15
    3. ADC和DAC的主要技术指标15

1. 实验系统触摸屏操作界面设计17

实验系统触摸屏操作界面设计17

• • 1. 触摸屏所实现的功能17
    2. 相关装置17
    3. 操作步骤17

通过计算机模拟触摸屏并记录数据18

• • 1. 使用GT simulator3在计算机上的模拟触摸屏18
    2. 使用MX Sheet软件记录数据18

1. 实验结果及分析20

加热水箱温度特性测试实验20

加热水箱温度PID控制实验21

1. 实验指导书24

实验一 模拟量AD/DA实验24

实验二 加热水箱温度特性测试实验26

实验三 加热水箱温度PID控制实验28

致谢30

参考文献31

附录一 PLC程序梯形图32

附录二 实验原始数据34

附录三 触摸屏操作界面39

PLC温度控制实验装置研制与实验指导书编写

绪论

• 1. 选题背景及选题依据

在热能与动力工程专业现有的课程与实验中，并没有将热工过程与控制理论很好地结合起来，由此，基于热工对象的控制实验可以很好地帮助同学们理解热工对象的控制过程。正如我们所熟知的那样，温度在生活、生产以及热工过程中都是作为十分基本的物理量出现，它的主要作用在于表征实际物体的冷热程度。在生产过程与自然环境中，几乎所有的物理、化学过程都与温度有着千丝万缕的联系。在我们所了解的一些生产过程中，针对温度的测量和控制与确认安全、提升生产效率、确保所生产的产品质量、降低能源与燃料的消耗、减少设备损耗等重大技术经济性与安全性指标直接相关。自从十八世纪的工业革命至今，工业生产的相关过程往往都离不开对温度的控制。温度的控制技术在社会生活与工业生产的各个领域，如电气设备、工业生产、材料成型、机械制造、电子元件等中都已经得到了十分广泛的应用。针对不同的情况和控制对象，我们往往会选取不同的温度控制精度以及不同的控制方法，对这些参数及方案的选择在控制过程中都起着不可替代的作用，由此，运用反馈控制理论对温度进行控制的实验十分适合加入本科学习阶段的实验中。除此以外，在科学技术高度发达的今天可编程控制器已经广泛取代了传统继电器控制装置，被应用在工业控制的各个领域，成为现代控制技术常用的手段和工具。由于它可以使用软件编程从而改变控制过程，并且同时具备着体积小，组装方便，程序编写简单，有着较强的抗干扰能力和相对较高的可靠性等优势，因此即使在非常恶劣的工业环境下也可以正常使用。通过可编程控制器实现的温度控制系统，可以通过现场和计算机对温度进行控制。所以，我们选择使用可编程控制器来实现对温度进行检测、控制和调节。

• 1. 温度控制技术现状

在当前的科技发展阶段，现有的温度控制技术一般以控制目标为参考标准，分为动态温度跟踪与恒值温度控制两种。动态温度跟踪的方法是以使被控对象的温度测定值按提前计算出的期望曲线进行变化为控制目标的温度控制方法。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在热力发电厂中热工对象参数过程控制，化工生产中的化学反应环境温度控制，热力发电厂中锅炉炉膛中的温度控制等；另一种温度控制方法——恒值温度控制的目的是将被控对象的温度稳定地控制在某一数值上，在其波动幅度（即稳态误差）有着一定的要求和规范，即波动范围不能超过某一给定的限制标准。工业上的温度控制器经历了很长时间的发展，在不同的发展阶段，生产生活中应用的温度控制技术主要分为以下几种：

• • 1. 定值开关温度控制法

所谓定值开关温度控制法，就是以Bang-bang控制原理为理论基础的简易开关量控制在温度控制的实际应用。其工作基本过程是在执行机构之前用开关的通断作为执行机构是否动作的判断结果。判断标准是温度测定值与设定期望值之间的大小关系，以执行机构为加热装置为例，前者为更大数值的时候则关闭开关，若后者数值更大则闭合开关使加热器工作，而两者之间始终处于一种比较的关系，只要数量关系发生变化，则开关立即发生变化，使执行机构改变动作。因此加热器使测定值超温后需要冷却一段时间才会再次改变执行机构动作，这种控制方法使执行机构只有工作和不工作两种状态，工作的频率、功率等并不会受到控制而对执行机构产生反馈作用，工作状态没有快慢之分。由于温度的变化有着较大的滞后性，定值开关的控制方法在温度控制方面有着十分明显的缺陷。首先系统温度的变化很大，控制精度难以达到一个令人满意的地步，在大部分场合中不适宜使用；在测定值与设定值相等的误差零点附近，控制器会发生抖动，对执行机构产生很严重的损害。对于现在的工业生产与日常生活，简单的开关量控制已经不能满足大部分情况下的需求，在我国仅仅有一些工厂的老式工业电炉中仍旧坚持使用这一十分简单的温度控制方法。

• • 1. PID线性温度控制法

PID的控制理论的提出为温度的控制方案提供了一个新的选择。PID控制在上世纪有着飞速的发展，从1922年第一次提出这一方法开始，到现在为止已经得到了足够多的改善。PID控制是比例积分微分（以下简称为PID，即Proportional，Integral，Differential）控制的简称，在其诞生伊始，便有着相对于以往控制方法结构模型更加简单，操作更为简便等优点，此外，PID控制对系统误差还具有鲁棒性。相比简单的定值开关温度控制，将PID控制应用在温度控制领域有着多方面的优势，虽然PID控制的应用历史并没有那么悠久，但是它可以实现的控制作用却是定值开关控制无法相提并论的。PID控制中三项本身就可以分为比例调节，比例微分调节，比例积分调节和比例微分积分调节四种调节，因此它有着十分广泛的应用范围。而依靠着三种控制作用的协调工作，控制过程可以实现快速、误差振动小等定值开关控制无法实现的优点。从上世纪二十年代开始，随着过程控制中的广泛使用，PID操作经历了一系列的发展。首先，频域设计的设计方法通过奈奎斯特和伯德在稳定性上的理论奠定了一定的基础，这是一种通过设计一种以奈奎斯特稳定准则引出的图解法为理论依据研究出来的反馈补偿器，在充分考虑了模型的不确定性，并使用反馈来减少系统对扰动和模型偏差的灵敏度之后，可以得到一定量的稳定裕量的控制方法。在此之后，得到明显进步的是解析法，准确的说，是在这一时期，一些瞬态性能指标得到了定义，控制领域的人们应用模拟计算机来简化时域响应参数的检测。但是，鲁棒性和灵敏度这两个重要的性质却被控制领域无情地忽略了。在比如人造地球卫星等诸多方面展示出自己的优势之后，PID控制开始在实际的过程控制中得以应用。在此阶段，控制领域对系统模型的描述一般通过使用数字计算机来计算差分方程来实现，在寻找非线性动态系统的最优轨迹这一方面，往往采用最优控制。在上世纪六十年代，以最优化技术的控制器为理论基础的设计方法在应对多种多样的设计问题上展现出了其所具有的一定的优势。现代控制理论在这一发展阶段开始在实际的过程控制中得到应用，这一理论需要对过程的控制对象建立精确的数学模型，因此在实际控制过程中往往因为难以得到精确的数学模型而使这一理论的应用有着很多缺陷。在自动控制的发展进入七十年代以后，人们开始更多地将目光聚焦在鲁棒性问题上，参数整定和自适应控制理论也在之后被引入到单回路PID控制器中，因此PID控制理论得以步入高速发展的历史阶段。在控制技术高速发展的今天，PID控制算法凭借着它简单、可靠性高等优点，在工业过程控制中依旧保持着相对主导的地位。因为PID调节器在模型中将系统的误差，误差的变化以及误差的积累三个因素考虑其中，它的控制性能大大地优于在前一小节中所介绍的定值开关量控温法。PID调节器的具体电路能够使用模拟电路或者计算机软件方法来实现所需要的调节功能，这两种PID调节器也有着自己的名字，即模拟PID调节器和数字PID调节器。数字PID调节器由于具有可以在现场实现在线整定参数的特点而拥有相比模拟PID调节器更大的灵活性，在控制效果上有着更好的表现。以这种理论方法为基础所得到的温度控制器，其控制品质的优劣一般是由比例项、积分项、微分项三个PID参数共同决定的。只要我们能够选取适当的PID参数，便能够在一个已经确定的受控系统中得到令人比较满意的控制精度。虽然它在大多数工业控制中都可以使控制对象达到一个相对而言比较好的控制效果，但是它也有着自己明显的缺点，比如对于非线性、大滞后、时变系统控制不能达到理想控制效果，过于依赖于对象模型等。同时伴随着生产的发展，在控制的实时性与精度方面有着越来越高的要求，所选取的被控制的对象也有着越来越复杂的趋势，仅仅采用常规的PID控制器己经不能满足系统所需要达到的要求，因此许多新的控制方法如最优控制、自适应控制、鲁棒控制、智能控制、满意控制等在这段时间里如同雨后春笋般涌现出来。系统的控制性能由于这些控制方法引入到PID控制系统的设计当从而得到了极大的提高。在近几年，人们对智能PID的控制产生了极大的研究兴趣。我们将智能的控制方法和常规的PID控制方法两种经典的控制方法有机地结合在一起，因而得到了很多不同形式的智能PID控制器。它们同时拥有智能控制与常规PID控制两种控制方法所具有的优点。首先，它拥有自学习、自适应、自组织的能力，可以自发地将被控过程参数和自动整定控制参数辨识出来、能够自动地适应被控量过程参数的变化;其次，它也具有常规PID控制器所具有的系统简单、可靠性高、鲁棒性强、现场工程设计人员更加熟悉等优点。将这些不同形式的智能PID控制器应用在温度控制领域中，使温度控制在精度、操作的简便性、应变性、迅速性、安全性等方面提升到了一个新的高度。

• • 1. 智能温度控制法

智能可定义为:可以通过有效地获取、传递、处理、再生和利用数据信息，在任意给定的环境下成功地实现所指定目标的能力。人工智能是应用除了数学公式以外的手段将人们的思维过程转化为一种模型，再使用计算机通过这一模型来模仿人类的智能的学科。它的应用范围已经远远超过了控制理论的应用领域，比如判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，同时综合了高度脑力行为和体力行为。智能控制系统（Intelligent Control Systems）是著名的美籍华裔模式识别与机器智能专家傅京孙教授在1971年第一次公开指出的一个全新的研究领域，并且电气和电子工程师协会（IEEE）在美国纽约召开的第一界智能控制学术讨论会上以智能控制原理和智能控制系统结构为主要议题，通过了在其控制系统学会下设立一个IEEE智能控制专业委员会的决定，正式宣告智能控制这一崭新的学科研究领域的诞生。智能控制以一门独立的学科的形式在国际上正式建立起来。在过去的二十余年中，智能控制理论得到了飞速的发展，很多新颖的控制理论在这一发展阶段涌现出来。智能控制系统可以近似地理解为某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展有着十分紧密的联系。智能控制作为一门全新的交叉前沿学科，具有着相当广泛的应用领域。智能控制应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将他们连同控制理论方法与技术相结合，将智能控制与PID控制两种控制手段结合在一起，从而达到智能控制温度的目的。智能温度控制法以神经元网络和模糊数学作为理论基础，并通过适当地结合专家系统来实现智能化的目标。在智能温度控制法中得到广泛应用的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等，模糊控温法在实际工程技术中尤为醒目。目前已经出现了一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上来讲，甚至能够将稳态误差完全消除。我们通常所提到的第三代智能温控仪表，便是指以智能控温技术为基本原理而研制的具有自适应PID算法为基本原理的温度控制仪表。智能温度控制系统与传统方法的最大区别就是它可以使温度控制变得更加人性化和智能化。虽然智能温度控制法有着很多优势，但是当前我国温度控制仪表的发展与发达国家在性能方面相比还有着较大的差距，在控制算法方面有着尤为明显的差别，从国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差这两点就可以明显看出来。这些不足的原因有很多，比如针对不同的温度控制对象，控制算法的不足所导致控制精度的不稳定，等等。

• 1. PLC控制技术与继电器控制技术的区别

梯形图是在PLC的编程语言中应用最多的语言。PLC的梯形图和继电器的控制线路图有着很多的相似之处，它们在信号的输入/输出形式以及控制功能方面也基本相同，但是PLC的控制与继电器的控制在控制逻辑，控制速度，限时、计数控制，可靠性，可维护性以及价格上有着一定的差异。

继电器的控制逻辑普遍采用了硬接线逻辑，它利用了继电器机械触头的串联或者并联以及时间继电器的延时等组合成为控制逻辑，它的接线比较复杂，增添或者改变它可以实现的功能都十分困难，并且继电器的触头数目也是有一定限制的。与之不同的，PLC是利用它自身内部的存储器，通过程序的形式把控制逻辑存储在内存中，仅仅依靠改变程序的方法便可以十分方便快捷地改变控制逻辑。此外，软继电器的触头数量都比较多，所以相比继电器的控制逻辑，PLC的控制逻辑都有着很好地灵活性和扩展性。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：24350字

相关图片展示：