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(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3 PLC应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
(1)开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
(2)模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 (3)运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC
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也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 (5)数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
2.4 PLC硬件结构简介
输 入 电 路 编程器
系统程序存储器 用户程序存储区 中央处理单元 （CPU） 输 出 电 路 电源 图 2-1 PLC硬件结构简化框图
其中，CPU是PLC的控制中枢，完成所有的运算和控制任务，并能监视电源、存储器、I/O以及定时器的状态，诊断用户程序的语法错误。PLC的存储空间一般包括三个区域，系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区：系统程序存储区存放相当于计算机操作系统的系统程序，一般采用可擦除的只读存储器（EPROM），制造厂商将系统程序固化在EPROM中，用户不能直接存取，系统程序与硬件一起决定了PLC的性能；系统RAM存储区包括I/O映象区和各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计数器、计时器、变址寄存器、累加器等），辅助CPU完成I/O操作、运算、控制等任务；用户程序存储区存放用户编制的用户程序，一般采用可擦写的ROM，容量可根据需要进行扩展。PLC的输入/输出电路可以进行模拟量、开关量的进行处理编程CPU能够接受或处理的有效数字信号，同时可以将CPU输出数字量转化为模拟电信号或者开关信号实现对外界的控制或通信；编
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程器完成PLC梯形图的编写，然后通过专门的通信接口将程序下载到PLC的存储器中；电源在PLC整个系统中起着非常重要的作用，它为PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源，没有它，系统将无法工作。
PLC采用不同一般微型计算机的运行方式——扫描，当它投入运行后，工作过程一般分为输入采样、用户程序执行、输出刷新三个阶段，完成上述三个阶段称为一个扫描周，在整个运行期间，PLC的CPU就按照一定的扫描速度重复执行上面三个动作，如图所示。在输入采样阶段，PLC以扫描方式一次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区相应的单元；用户程序执行阶段，PLC的CPU按自上而下自左而右的顺序扫描用户梯形图程序，对由触点构成的控制线路进行逻辑运算并刷新逻辑线圈对应位的状态，或执行梯形图中的特殊功能指令。输出刷新阶段，CPU按I/O映象区对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
第（N-1）个 扫描周期 N个扫描周期 输出刷新 输入采样 用户执行程序 输出刷新 输入采样 图 2-2 PLC扫描运行方式
第（N+1）个 扫描周期 PLC普遍采用梯形图与语句表（梯形图助记符）来编程。梯形图是一种采用常开触点、常闭触点、线圈和功能块等构成的图形语言，类似继电器线路图。触点、线圈用于逻辑运算，功能块用于执行功能指令和应用指令。
在温度控制系统中，传统的指针式仪表和继电器式控制柜，结构复杂，体积大，故障率高，通用性差，控制精度不高，采用PLC作为控制则可以克服这些缺点。一般PLC温度控制系统有两种设计方案，一种是PLC扩展通用A/D转换模块构成，另一种是PLC扩展专用热电偶温度模块构成。前一种温度传感器采集到的微弱信号不直接送到PLC的A/D转换模块，须要由变送器将温度信号进行放大、冷端补偿和线性化处理，再送到A/D转换模块的模拟输入通道转换；后一种则直接用热电偶模块对温度信号进行采集和处理，不需要附加其它外部电路。PLC的输出用于驱动晶闸管模块，控制加热的电压或功率。另外PLC温度控制器还能通过串行通信口与PC机连接，构成人机接口界面友好、控制功能完善的温控系统。
2.5 本章小结
本章着重介绍了PLC控制器。其中包括PLC的定义简介、特点、应用领域以及其硬件结构。PLC控制器是本论文设计的核心部分，详细的了解PLC以及熟练
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的掌握其所包含的知识及应用是本课题论文设计的关键所在。因此本章通过以前所学的课本知识以及查阅资料对PLC进行了详细的的介绍。PLC具有许多优异的特点如第二节所介绍，其优点决定了PLC能够在现代工业控制中得到广泛的应用于各个领域。第四节着重介绍了PLC的基本结构特点并对其扫描方式进行了简单介绍，可以更清楚的理解PLC的工作原理。
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3 PID控制简介
3.1 PID 控制器概述
PID简介：PID是比例、积分、微分控制的简称。PID控制算法具有原理简单、使用方便、适应性广和鲁棒性强等特点，因此在控制理论和技术飞跃发展的今天，它在工业控制领域仍具有强大的生命力。
在过去的 50 年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如Coon-Cohen响应曲线法；还有使用Nyquist 曲线法的，如Ziegler-Nichols 连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整 PID 参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定 PID控制技术的发展。
自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期,60年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID 控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。
加热炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 PID、数字 PID到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID 控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。
3.2 PID 控制算法
（1）位置式控制算法。位置式PID控制算法描述为：
? u（k）?kPe（k）?kI?kD?e（k）?e（k?1）（3-1）
式中的：k=0,1,2------为采样序号；u(k)为第k次采集时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；kp为比例系数；kI为积分系数；kD为微分系数。该算法的优点是原理简单、易于实现；缺点是每次均与先前状态有关，要对e(k)进行累加，运算工作量大，而且输出的u(k)对应的电机控制的PWM的值。
（2）增量式控制算法。增量式PID控制算法描述为：
? （3-2） ?u（k）?kP?e（k）?kI?kD??e（k）??e（k?1）该算法的优点是：由于计算机输出增量，误动作时影响小；当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号锁存作用，故仍能保持原值，控制增量△u(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，易通过加权而获得较好的控制效果。其不足之处为：积分截断效应大、有静态误差、溢出的影响大。