[优秀毕业论文]温控系统的PLC智能控制.doc

学院毕业设计（论文）

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本科毕业设计（论文）

题 目 温控系统的PLC智能控制

学院 电气工程及自动化 专业
学 号
学生姓名
指导教师
起讫日期
设计地点

31

摘 要

房间温度控制系统利用可编程控制器（简称PLC）对房间内的温度进行控制，PLC具有控制精度高的特点，能够把室温精确的控制在±0.1ºC范围内。温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
设计了房间温度控制系统。该系统由西门子系列的PLC、温度传感器、A/D转换器、D/A转换器、加热器等组成。该温度控制系统采用闭环控制，当室温低于30ºC时进行加热，超过30ºC时开启风扇进行降温，以保证控制温度在30±0.1ºC，该系统具有运算简单、调整方便的特点。并且介绍了房间温度控制系统的组成、特殊功能模块、PLC系统控制程序、系统的调试和安装使用时的注意事项等。
从参数整定和调试的结果来看，本文研究的温度控制系统在一定条件下能够稳定、准确和及时地对被控量——温度进行有效地控制，达到了预期效果。

关键词： PLC；温度控制系统；PID

Abstract
Room temperature control system of the plc programmable controller （PLC ） short of the room temperature for control, plc has high precision of the room temperature control is accurately ± 0.1 mm & ordm. The temperature field in developing rapidly, and tracking control as a digital technology, the temperature of the tracking control the chip also related to the historical stage, the industrial and agricultural areas in wide use，in this type need to translate words.
The room temperature control system design. This system consists of Siemens PLC of series, the temperature sensor, A/D converter, D/A converter, heater, etc. The temperature control system adopts closed loop control, when temperature below 30 ° C for heating, more than 30 ° C to open when, in order to ensure that the cooling fan control temperature in 30 ± 0.1 ° C, this system has a simple, convenient adjustment. And introduces the room temperature control system, special function module and PLC control system, the system of debugging and program installation use the matters needing attention.
Parameters and debugging from the results of research, the temperature control system in given conditions to stable and accurate and timely to the control of temperature — — an effective control and achieve the desired effect.

Keyword: PLC;Temperature control system;PID;

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 PLC概述 2
1.3 本文的主要工作 3
第二章 温度控制系统理论设计 4
2.1 模拟量闭环控制的基本概念 4
2.1.1 模拟量闭环控制系统的组成 4
2.1.2 闭环控制的主要性能指标 4
2.2 PID 原理 5
2.2.1 PID（Proportional, Integral and Derivative）简介 5
2.2.2 PID控制算法 6
2.2.3 PID参数的整定方法 6
2.2.4 PID参数工程整定法 6
2.2.5 PID各参数在系统中的作用 9
2.3 温度控制系统概述 10
2.3.1 温度控制系统工作原理 10
2.3.2 系统要求 11
2.3.3 PLC控制系统的构成 11
第三章 硬件系统设计 12
3.1 总体方案 12
3.2 硬件系统方案设计 12
3.3 控制器的选择 13
3.4 信号采集与变换 15
3.5 执行模块 17
3.5.1 固态继电器 17
3.5.2 加热器 19
第四章 软件系统设计 20
4.1 S7-300实现PID闭环控制的方法 20
4.2 连续PID控制器 20
4.2.1 设定值与过程变量的处理 20
4.2.2 控制器输出值的处理 22
4.3 系统实现与PLC编程 22
4.3.1 软件编程方框图 22
4.4 调试结果 25
第五章 系统安装 27
第六章 结束语 28
6.1 本文总结 28
6.2 展望 28
致 谢 30
参考文献 31

第一章 绪论
1.1 引言
房间温湿度状态参数对人体的热舒适性和房间内物品的存放有着很大的影响。特别是对于那些对温、湿度要求比较高的场所，传统的控制方法已不能够满足控制要求，其主要的缺点是通用性差、灵活性差、控制精度和稳定性差，控制运算功能简单，不能实现复杂的过程控制等。随着电子技术的发展，新型的过程控制计算机不断涌现，较为流行的有STD总线计算机、可编程调节器（PSC）、集散型控制系统（DCS）。其中，可编程调节器PSC是在电动型仪表的基础上采用微处理器发展起来的第四代仪表，它的功能较强，在灵活性、可靠性、控制精度、数字通信能力等方面都是模拟仪表无法比拟的。因此，PSC与PLC一样都是工业控制装置。PSC与PLC相比，PLC以开关量控制为主，模拟量控制为辅；而PSC则以闭环控制为主，开关量控制为辅。房间温度控制系统利用可编程控制器（简称PLC）对房间内的温度进行控制，可编程控制器具有控制精度高的特点，能够把室温精确的控制在±0.1ºC范围内。

房 间

图1-1 控制监控图
图1-1就是温度控制系统的控制监控图。
直观的触摸屏更有效的显示了运行状态图，趋势图，具有越限报警功能，能够直接人工控制及自动控制。在TP270的全程监控下使得温控更直观更精确有效。
温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
设计了房间温度控制系统，该系统由西门子系列的PLC、温度传感器、A/D转换器、D/A转换器、加热器等组成。该温度控制系统采用闭环控制，当室温低于30ºC时进行加热，超过30ºC时开启风扇进行降温，以保证控制温度在30±0.1ºC，该系统具有运算简单、调整方便的特点。并且介绍了房间温度控制系统的组成、特殊功能模块、PLC系统控制程序、系统的调试和安装使用时的注意事项等。而且网络化、远程化控制越来越受到各行各业的重视。
从参数整定和调试的结果来看，本文研究的温度控制系统在一定条件下能够稳定、准确和及时地对被控量——温度进行有效地控制，达到了预期效果。
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机控制系统主要有：PLC 控制系统、基于PC 总线的工业控制计算机（IPC）系统、基于单片机的测控系统、集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。而其中的PLC 因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。因此用PLC来控制温度也是在实际的控制系统中应用非常广泛，非常有实际价值。
1.2 PLC概述
当今世界，可编程控制器（简称PLC）技术已经成为我国工业控制的三大支柱产业。特别是近几年大规模集成电路的迅猛发展，使得PLC技术应用的领域越来越广泛。由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强等特点，因此在我国工业控制中大量使用。随着PLC技术的发展，它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。
PLC具有可靠性高、灵活性好、开关量控制能力及通信联网能力强等特点，使其在开关量控制上发挥了巨大的威力。同时，PLC在模拟量控制上也富有特色，具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点，特别在开关量、模拟量混合控制的系统上更显出独特的优越性。
在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件机构，这样造成时间和金钱的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的继电器多，控制系统的体积大，耗电多，工作频率低等缺点，为了解决这些问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司），为了适应汽车型号的不断翻新，提出要用一种新型的控制装置取代它，为此，特定以下10项公开招标的技术要求，即：
（1）编程简单方便，可在现场修改程序。
（2）硬件维护方便，采用插件式结构。
（3）可靠性高于继电器接触器控制装置。
（4）体积小于继电器控制装置。
（5）可将数据直接送入计算机。
（6）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。
（7）输入可以是交流115V。
（8）输出为交流115V，能直接驱动电磁阀，交流接触器等。
（9）通用性强，扩展方便。
（10）成本上要有竞争力。
美国数字设备公司根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。
80年代以后，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大。
PLC是综合继电器接触控制的有点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。
（4）系统设计、建造工作量小，维护方便。
（5）体积小，重量轻，能耗低。
PLC具有可靠性高、灵活性好、开关量控制能力及通信联网能力强等特点，使其在开关量控制上发挥了巨大的威力。同时，PLC在模拟量控制上也富有特色，具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点，特别在开关量、模拟量混合控制的系统上更显出独特的优越性。
1.3本文的主要工作
利用可编程控制器（简称PLC）对房间内的温度进行控制，可编程控制器具有控制精度高的特点，能够把室温精确的控制在±0.1ºC范围内。
首先详细介绍了温度控制系统的一些理论基础，阐述了模拟量闭环控制系统的组成，闭环控制的主要性能指标。接着系统介绍了PID控制的算法及各参数在系统中的作用。之后对PROFIBUS的结构协议和类型和物理结构作出了详细的介绍。
通过输入数值或激活所组态的软键，可以对设定值或控制单元设置值进行修改在全图形的动态画面上对过程、机械设备和系统进行显示，通过输出域、棒图或趋势曲线对过程报警和变量进行显示。

第二章 温度控制系统理论设计
2.1 模拟量闭环控制的基本概念
2.1.1 模拟量闭环控制系统的组成
典型的PLC模拟量单闭环控制系统如下图2-1所示。
在模拟量闭环控制系统中，被控量 c(t)（例如压力、流量、温度、转速等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号mv(t)，而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，例如4～20mA,1～5V,0～10V,PLC用A/D转换器将它们转换为数字量pv(n)。

三相电源

PLC

PLC控制器
D/A
加热炉
SCR
sp T

A/D
传感器

图2-1 典型的PLC模拟量单闭环控制系统
模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样时Ts。各数字量括号中的 n表示该变量是第n次采样计算的数字量。
图中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的反馈量，误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。
D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv(t),再去控制执行机构。
模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动系统。恒值控制系统的给定值是由操作人员提供，一般很少变化，例如温度控制系统 ，转速控制系统等。随动控制系统的输入量是不断变化的随机量，例如高射炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开度控制系统就是典型的随动控制系统。闭环负反馈控制可以使系统的反馈量 pv(n)等于设定值sp(n)。
例如，假设输出的温度值c(t)低于给定的温度值，反馈量pv(n)小于给定值sp(n)，误差 ev(n)为正，控制器的输出量mv(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气的流量增加，加热炉的温度升高，最终使实际温度接近或等于给定值。
天然气压力的波动、工件加入加热炉，这些因素称为扰动量，它们会破坏炉温的稳定。闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响，使被控量趋近于给定值。
闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。
2.1.2 闭环控制的主要性能指标
由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输出量达到稳定值之前的过程称为过渡过程或动态过程。系统的动态性能常用阶跃相应（阶跃输入时输出量的变化）的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0，t>0时为某一恒定值。图2-2被控对象的阶跃响应曲线。
输出量第一次达到稳定值的时间tr称为上升时间，上升时间反映了系统在相应初期的快速性。
系统进入并停留在稳定值c(∞)上下±5%（或2％）的误差带内的时间ts称为调节时间达到调节时间表示过渡过程基本已结束。
设动态过程中输出的最大值为,如果它大于输出量的稳态值c(∞), 超调量

反映了系统的相对稳定性，它越小越好，一般希望超调量小于10％。
系统的稳态误差是进入稳态后的期望值与实际值之差，它反映了系统的稳态精度。

图2-2 被控对象的阶跃响应曲线
2.2 PID 原理
2.2.1 PID（Proportional, Integral and Derivative）简介
PID控制问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
目前PID控制在工业控制系统中无处不见，随着控制效果的要求不断提高，PID逐渐向智能化发展，但形形色色“时髦”的现代控制理论中的PID最终还是源自经典PID理论。
　　为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？是因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦。
　　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、现代控制理论和智慧控制理论三个阶段。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死循环控制系统。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慧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慧化调整或自校正、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) 是利用其死循环控制模块来实现PID控制。
2.2.2 PID控制算法
在生产过程的自动控制系统中，控制器上很重要的组成部分。控制器将系统被控变量测量值与设定值相比较，如果存在偏差，就按预先设置的不同控制规律发出控制信号，控制生产过程，使被控变量的测量值与设定值相等。控制器的输出信号随偏差的变化而变化的规律叫做控制规律。通常常用的控制规律有比例（P）控制、比例积分（PI）控制、比例微分（PD）控制和比例积分微分（PID）控制。
2.2.3 PID参数的整定方法
PID参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
2.2.4 PID参数工程整定法
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
1.控制器参数经验方法
控制器参数经验方法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数(见表2-1)，并将系统投入运行通过观察认为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数制，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。
由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度d的大小来满足质量指标，有以下两条整定途径：
表2-1 控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度d
积分时间Ti(min)
微分时间Td(min)
流量
对象时间常数小，参数有波动，d要大；Ti要短；不用微分
40%~100%
0．3~1

温度
对象容量滞后较大，即参数受干扰变化迟缓，d应小；Ti要长；一般需要微分
20%~60%
3~10
0．5~3
压力
对象的容量滞后不算大，一般不需要微分
30%~70%
0．4~3

液位
对象时间常数范围较大，要求不高时，d可在一定范围内选取，一般不用微分
20%~80%

①先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度d，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分（I）作用，一般先取积分时间Ti衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入积分作用之前，要先减弱比例作用，通常把比例度增加10%~20%。调整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。
需要时，最后加入微分（D）作用之前，可把比例度调整到比纯比例度作用时更小一些，还可以把积分时间缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调最小。
②先根据表2-1选取积分时间Ti和微分时间Td，通常取Td设置得不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重新凑试，使曲线最终符合控制要求。
经验整定法适用于各种控制系统，特别适用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规则的控制系统。但是，使用此方法主要靠经验，对于缺乏经验的操作人员来说，整定所花费的时间较多。
2.临界比例度法
所谓临界比例度法，是在系统闭环的情况下，用纯比例控制的方法获得临界振荡数据，即临界比例度dk和临界振荡周期Tk，如图2-3所示，然后利用一些经验公式，求取满足4：1衰减振荡过渡过程的控制器参数。其整定计算公式见表2-2。具体整定步骤如下：
①将控制器的积分时间放在最大值（Ti=∞）, 微分时间放在最小值（Td=0），比例度d放在较大值后，让系统投入运行。
②逐渐减小比例度，且每改变一次d值时，都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察系统的输出，直到过渡过程出现等幅震荡为止。此时的过渡过程称为临界振荡过程，dk为临界比例度，Tk为临界振荡周期。
③利用dk和 Tk这两个试验数据，按照表中的相应公式，求出控制器的各整定参数。
④将控制器的比例度换成整定后的值，然后依次放上积分时间和微分时间的整定值。
如果加入干扰后，过渡过程与4：1衰减还有一定差距，可适当调整d值，直到过渡过程满足要求。

图2-3 曲线图
临界比例度法应用时简单方便，但必须要注意以下两点：
①此方法在调整过程中必定出现等幅振荡，从而限制了此方法的使用场合。对于工艺上不允许出现等幅振荡的系统，如锅炉水位控制系统，就无法使用该方法；对于某些时间常数较大的单容量对象，如液位对象或压力对象，在纯比例作用下是不会出现等幅振荡的，因此不能获得临界振荡的数据，从而也无法使用该方法。
②使用该方法时，控制系统必须工作在线性区，否则得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依据此时的数据计算整定参数。
表2-2 临界比例度法控制器参数计算
控制规律
比例度d（%）
积分时间Ti(min）
微分时间Td(min)
P
2dk

PI
2.2dk
0.85Tk

PD
1.8dk

0.1Tk
PID
1.7dk
0.5Tk
0.125Tk
3.衰减曲线法
该方法与临界比例度法的整定过程有些相似，即也是在闭环控制系统中，先将积分时间置于最大值，微分时间置于最小值，比例度置于最大值，然后让设定值的变化作为干扰输入，逐渐减小比例度d 值，观察系统的输出响应曲线。按照过渡过程的衰减情况改变d 值，直到系统出现4：1的衰减振荡，如图2-4所示。记下此时的比例度ds和衰减振荡周期Ts，然后根据相应的经验公式，求出控制器的整定参数。其整定计算公式见表2-3。

图2-4 曲线图
衰减曲线法对大多数的系统均可使用，且由于试验过渡过程振荡的时间较短，又都是衰减振荡，易为工艺人员所接受，故这种整定方法应用较为广泛。
表2-3 衰减曲线法控制器参数计算表（4：1衰减比）
控制规律
比例度d（%）
积分时间Ti（min）
微分时间Td(min)
P
ds

PI
1.2ds
0.5Ts

PID
0.8ds
0.3Ts
0.1Ts
4． 反应曲线法
反应曲线法是根据广义对象的时间特性，通过经验公式的求取的。这是一种开环的整定方法，又Ziegler和Nichols于1942年首先提出的。
当操纵变量做阶越变化时，被控变量随时间的变化曲线称为反应曲线。对自衡的非振荡过程，广义对象的传递函数常用 来近似的，Ko,t和To可由反应曲线用图解法得出。控制器参数整定的反应曲线法是根据广义对象的Ko, t和To。确定控制器的参数的方法。
有了参数Ko, t和To，就可以根据经验公式，计算出满足4：1衰减振荡的控制器的整定参数。见表2-4。
表2-4 反应曲线法控制器参数计算表（4：1衰减比）
控制规律
比例度d（%）
积分时间Ti（min）
微分时间Td(min)
P
Ko(t/T)

PI
1.1 Ko(t/T)
3.3t

PID
0.8Ko(t/T)
2.2t
0.5t
2.2.5 PID各参数在系统中的作用
在单回路控制系统中，由于干扰作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值想比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺参数的自动控制。
被控参数能否回到给定值上来，以及通过怎样的途径，经过多长的时间回到设定值上来，及控制过程的品质如何，这不仅与对象的特性有关，而且还与调节器的特性即调节器的运算规律（或称调节规律）有关。
比例作用P只与偏差成正比；积分作用I是偏差对时间的积累；微分作用D是偏差的变化率。
自动调节系统中当干扰出现的时候微分D立即起作用，P 随偏差增大而明显起来，两者首先起克服偏差的作用，使被控量在新值上稳定，次新值与设定值的偏差叫余差，而I随时间增加逐渐增强，直至克服掉余差，使被控量从返设定值上来。
1．比例调节
调节作用快，能迅速反应误差，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大1/P倍输出。 系统存在余差比例带越大，过渡过程越平稳，但余差越大，比例带越小，过渡过程易振荡，比例带太小时，就可能出现发散振荡。
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
2．积分调节
积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分调节作用的输出不仅取决与偏差信号的大小，还取决于偏差存在的时间，只要有偏差存在,尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号就越大，只有消除偏差，输出才停止变化。
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3．微分调节
微分调节的输出是与被调量的变化率成正比。在比例微分调节作用下，有时尽管偏差很小，但其变化速度很快，则微分调节器就有一个较大的输出。
　 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.3 温度控制系统概述
2.3.1 温度控制系统工作原理
当房间内温度变化时会引起温度传感器输出电压信号的变化，通过与温度传感器连接的信号线把变化的电压信号送入A/D模块，A/D模块将其转换为对应的数字信号并送入PLC进行运算处理来控制D/A模块输出电压的大小，D/A模块输出的电压信号送给调压模块的控制端来控制加热器两端电压，以达到改变加热器加热量的目的。PLC的控制可以通过计算机进行控制也可以通过触摸屏进行控制，触摸屏并具有参数预置和数据显示功能。

2.3.2 系统要求
将房间内的温度控制在30±0.1ºC，当室温低于29.9ºC或高于30.1ºC时系统应能自动进行调整，系统设置一个启动按钮和停止按钮来控制程序的运行和停止。
2.3.3 PLC控制系统的构成
该系统由温度传感器、PLC、人机界面、模拟量输入A/D模块、模拟量输出D/A模块及执行机构等组成。

第三章 硬件系统设计
3.1 总体方案
系统方框图如图3-1所示：

图3-1 系统方框图

3.2 硬件系统方案设计
先确定硬件系统设计后就可以进行控制器的选择。另外本设计系统中还需选购传感器、变送器、固态继电器、加热器和断路器。其中传感器和变送器用于将现场的实际物理量经检测后转换为标准信号;态继电器作为执行机构将控制回路与主电路隔离并控制作为控制对象的加热器的工作（通电和断电），断路器对主电路起到过载和短路保护。系统控制原理图如3-2图所示。
被控量为加热器的温度值，用Pt100型热电阻与变送器的一体机将检测出来的温度信号转变为4～20mA的标准电流信号，再经过一个500欧姆的电阻转换为2～10V的电压信号，送入ET200S分布式I/O的模拟量输入模块（AI），并由之转换为数字量，送入PLC的CPU单元处理。经过数字量处理、PID运算，输出值再经过ET200S分布式I/O的2PULSE模块的脉冲宽度调制并输出产生相应的一系列的PWM脉冲，这一系列的PWM脉冲控制信号加到固态继电器的3，4输入端上，通过控制1，2输出端的通断来改变加热器工作电压值的大小，从而达到了控制加热器温度的目的。

硬件系统原理图：

图3-2 硬件系统原理图
3.3 控制器的选择
当今市场中成型的产品均为以单片机为控制器的温度控制器，而一般的单片机的速度较慢，更重要的是其ROM和RAM空间较小，不能运行较大的程序，因为基于多任务的操作系统需要的任务堆栈很多，需要的RAM空间很大，故其在发展上受到了很大的限制。而传统的加热电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高而且容易出现故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机技术的发展，传统的继电器控制技术必然会被基于计算机技术而产生的PLC控制技术取代。
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计的，它采用可编程序的存储器存储程序，通过执行程序实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机电设备和生产过程。它具有高可靠性、可编程、丰富的I/O接口模块、采用模块化结构以适用于各种工业控制需要、编程简单易学、安装简单和维护方便这六大特点。除此之外，正是由于PLC具有多种功能，并集三电（电控装置、电仪装置、电气传动装置）于一体，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居榜首，成为现代工业自动化的三大支柱之一。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变得更经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性的意义。基于此，本设计选用PLC作为控制器是最合适不过了。西门子自动化与驱动公司的PLC以其极高的性能价格比，在我国占有很大的市场份额，在我国的各行各业都得到了广泛的应用。其中，S7-300是模块化的中小型PLC，见图3-3，见表3-1。
适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信功能，使其应用十分灵活。

图3-3 S7-300 CPU
表3-1 CPU315-2PN/DP性能指标
指标
CPU315-2PN/DP
存储器
工作存储器/KB
128
装载存储器（内部集成RAM）/KB
128
装载存储器（Flash EPROM）
随MMC卡插入（最大8M）
地址I/O区
DI/DQ
1024
AI/A1
256
本机I/O点
－
执行时间
位指令
最少0.1us
字指令
最少0.2us
整数运算
最少2.0us
浮点数运算
最少3.0us
存储器标志位
存储器标志位
2048
计数器/定时器
计数器/定时器
256/256
接口

第1个接口

接口类型
集成RS485接口
物理组成
RS485
电隔离
是
接口电源（15到30V DC）
最大为200mA
功能

MPI
是
PROFIBUS DP
是
点对点连接
是
PROFINET
是
第2个接口

接