电炉的温度PID控制.doc

电炉的温度控制
实验目的
学习利用PID指令编写程序。
实验设备
西门子S7-200PLC一台，EM231模拟量输入模块一个，EM232模拟输出模块一个，0-5V直流稳压电源一台，RS232数据线。
实验功能
有一台电炉要求炉温控制在一定得范围。电炉的工作原理如下：
当设定电炉温度后，S7-200PLC经过PID运算后由模拟量输出模块EM232输出一个电压信号送到控制板，控制板根据电压信号（弱点信号）的大小控制电热丝加热电压（强电信号）的大小（甚至断开），温度传感器测量电炉的温度，温度信号经过控制板的处理后输入到模拟量输入模块EM231，再送到S7-200PLC进行PID运算，如此循环。在实验中没有温度传感器，由0~5V可变电压源代替反馈的温度值。整个系统的硬件配置如图所示：

图1硬件配置图
实验原理
1.PID算法
图2为PID的控制过程

图2PID控制过程
PID控制器调节输出，保证偏差（e）为零，使系统达到稳定状态，偏差是给定值（SP）和过程变量（PV）的差。PID控制的原理基于以下公式：
（1-1）
式中，M（t）是PID回路的输出；是PID回路的增益；e是PID回路的偏差（给定值与过程变量的差）；是PID回路输出的初始值。
由于以上的算式是连续量，必须将以上的连续量离散化才能在计算机中运算，离散处理后算式如下：
（1-2）
式中，是在采样时刻n时PID回路的输出的计算值；是PID回路的增益；是积分项的比例常数；是微分项的比例常数；是采样时刻n的回路的偏差值；是采样时刻n-1的回路的偏差值；是采样时刻x的回路的偏差值；是PID回路输出的初始值。
在对以上算式进行改进和简化，得到如下计算PID输出的算式：
（1-3）
式中，是第采样时刻的计算值；是第n时刻的比例项值；是第n采样时刻的积分项的值；是第n采样时刻微分项的值。
2.PID指令介绍
PID回路（PID）指令，当使能有效时，根据表格（TBL）中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID回路计算。PID指令的格式见下表
表1PID指令格式
LAD输入/输出含义数据类型EN使能BOOLTBL参数表的起始地址BYTELOOP回路号，常数范围0~7BYTEPID指令的使用注意事项：（1）程序中最多可以使用8条PID指令回，回路号为0~7，不能重复使用。
（2）PID指令不对参数表输入值进行范围检查。必须保证过程变量、给定值积分项前值和过程变量前值在0.0~0.1之间。
（3）使EN0=0的错误条件：0006（简介地址），SM1.1（溢出，参数表起始地址或指令中指定的PID回路指令号操作数超出范围）。
在工业生产过程中，模拟信号PID（由比例、积分和微分构成的闭合回路）调节是常见的控制方法。运行PID控制指令，S7-200PLC将根据参数表中输入测量值、控制设定值及PID参数，进行PID运算，求的输出控制值。参数表中有9个参数，全部是32位的实数，共占用36个字节。PID控制回路的参数表见表2。

表2PID控制回路参数表
偏移地址参数数据格式参数类型描述0过程变量PVnREAL输入/输出必须在0.0~0.1之间4给定值SPnREAL输入必须在0.0~0.1之间8输出值MnREAL输入必须在0.0~0.1之间12增益KcREAL输入增益是比例常数，可正可负16采样时间TsREAL输入单位为秒，必须是正数20积分时间TiREAL输入单位为分钟，必须是正数24微分时间TdREAL输入单位为分钟，必须是正数28上一次积分值MxREAL输入必须在0.0~0.1之间32上一次过程变量PVn-1REAL输入最后一次PID运算过程变量值36~79保留自整定变量程序的编写
1）编写程序前，先要填写PID指令的参数表，参数表见表3
表3电炉温度控制的PID参数设置
偏移地址参数描述VD100过程变量PVn温度经过A/D转换后的标准化数据VD104给定值SPn0.335（最高温度为1，调节到0.335）VD108输出值MnPID回路输出值VD112增益Kc0.15VD116采样时间Ts35VD120积分时间TI30VD124微分时间Td0VD128上一次积分值Mx根据PID运算结果更新VD132上一次过程变量PVn-1最后一次PID运算过程变量值2）再编写PLC控制程序，程序如下图所示。

主程序

（b）子程序

（c）中断服务程序
实验分析
实验结果基本符合PID控制过程，在编写程序的过程中首先要理解PID的参数表各个参数的含义，其次要理解数据类型的转换。用以上的方法编写PID控制程序是可行的，但显然比较麻烦，我们还可以利用指令向导比较容易编写PID控制程序。