2013毕业设计论文
摘 要
温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本文通过设计温度控制系统，
体现PID在模拟量信号检测与控制中应用的优越性。本文中被控对象是电炉，在 炉温自动控制系统中，炉温经过热电偶检测和温度变送器的转换，变为相应的电 压信号，送往PLC控制器，再经过模拟量输入/输出模块（A/D）转换为数字量， 并由程序将给定的温度值与测量值比较，然后根据偏差大小按比例调节规律，计 算出校正量。通过模拟量输入/输出模块的输出控制作用，消除炉温的偏差，从 而使炉温达到并稳定在给定的数值上。
关键词 PLC，温度控制，PID调节
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目 录
摘 要 .................................................................................................................................................... 1 绪 论 .............................................................................................................................................. 1
1.1 课题背景、目的及意义 ........................................................................................................ 1
1.1.1 课题背景..................................................................................................................... 1 1.1.2 课题的目的及意义 ..................................................................................................... 1 1.2 本文结构安排........................................................................................................................ 1 2 PID控制系统的概况 ........................................................................................................................ 2
2.1 PID控制系统的概述 ............................................................................................................. 2 2.2 PID的实现意义 ..................................................................................................................... 2 2.3 PID的作用价值 ..................................................................................................................... 3 2.5 PID的系统分类 ..................................................................................................................... 4
2.5.1开环控制系统 .............................................................................................................. 4 2.5.2闭环控制系统 .............................................................................................................. 4 2.5.3阶跃响应...................................................................................................................... 5 2.6 PID的调节方法 ..................................................................................................................... 5 2.7 PID的工作原理 ..................................................................................................................... 7
2.7.1 比例（P）控制 .......................................................................................................... 7 2.7.2 积分（I）控制 ........................................................................................................... 7 2.7.3 微分（D）控制 .......................................................................................................... 7
3控制的实现 ....................................................................................................................................... 8
3.1控制原理图 ............................................................................................................................ 8 3.2 各独立模块方案论证 ............................................................................................................ 9
3.2.1 温度检测模块 ............................................................................................................. 9 3.2.2 变频调速模块 ........................................................................................................... 10 3.2.3 主控模块PLC .......................................................................................................... 11 3.2.4 功率输出电路及其控制原理的分析 ....................................................................... 12 3.2.5 显示电路设计 ........................................................................................................... 13 3.2.6 按键接入................................................................................................................... 13 3.2.7 报警电路设计 ........................................................................................................... 13 3.2.8 温度调节模块 ........................................................................................................... 14 3.2.9 硬件总框图 ............................................................................................................... 14
4 系统软件设计 ................................................................................................................................ 14
4.1主要的工作流程图 ............................................................................................................... 14 4.2 PID控制器的参数整定 ....................................................................................................... 15 4.3数字PID在电阻炉温度控制系统中的应用 ...................................................................... 17 5 结论 ................................................................................................................................................ 20 6 参考文献 ........................................................................................................................................ 21
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1 绪 论
1.1 课题背景、目的及意义
1.1.1 课题背景
随着电子行业的飞速发展，IC技术的不断提高，PID在国民经济生产各行业
发挥了重要作用。它因为集成度高，体积小，运行可靠，应用灵活，价格低，面向控制等特点得到了广大工程技术人员的好评。在温度控制方面，PID能够代替以前常规的模拟调节器。目前，我国在这些方面的技术水平与欧美等拥有先进制造技术的国家还有一定的差距。我们波撇需要培养和训练能够设计智能化，自动化设备的工程技术人才。智能作为现在的新发明，是以后的发展发祥和趋势，他能够按照预先设定的模式在一个环境里自动运作，不需要人为的管理，可应用于各个领域。炉温控制就是其中的一个。本设计介绍了利用PID进行炉温控制系统的基本组成，工作原理，程序设计和系统的抗干扰措施。本设计结构简单，实用型强，有较高自能化，人性化特点。
1.1.2 课题的目的及意义
本次设计选择“电炉温度控制的PID控制设计”是为了更好地学习和研究PID电气设计的相关知识，掌握电路设计的方法和技巧。学会如何将学习到的理论知识用到实际当中，怎么能够活学活用。深入的了解电子元器件的使用方法，了解各个元器件的基本用法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，同时在实践过程中锻炼查阅，归纳质料的能力，提高理论知识联系动手能力。
1.2 本文结构安排
本设计系统以PID为控制核心，加以温度检测电路，变频调速器，D/A转换器以及其他电路构成。系统由PID通过对温度检测电路检测到的温度加以分析，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，找出温度值所在范围，根据PLC中设置的PID参数，输出相应温度初值对应的受控对象电机的转速初值，经D/A转换为模拟电压，通过信号转为变频器的频率，控制变频调速装置，带动被控对象，并且把被控对象的转速经变换电路和D/A转换器反馈到PLC中，与输出的转速初
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值进行比较，其偏差被PID程序计算后重新输出，在规定的时间内循环，从而实现对温度的控制。本系统简洁，灵活，可扩展性好，具有电路设计简单，精度高，控制效果好的优点。
2 PID控制系统的概况
2.1 PID控制系统的概述
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为：u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]。其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
2.2 PID的实现意义
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控
制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器（PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器
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（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
2.3 PID的作用价值
它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。 在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：
如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。
因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续
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