PLC基于S7-300的电炉温度PID控制系统设计+程序梯形图(2)

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1.1 系统设计的背景

近年来，电炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度控制是工业生产过程中重要的被控参数。随着计算机控制技术的发展，PLC控制技术逐渐应用于温度控制中。PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变得经济高效稳定而且维护方便。

温度控制系统大致可以用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更是使用复杂, 而PLC 在这方面被认为公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充，在许多PLC 控制器中都扩充了PID控制功能。因此本设计选用西门子S7-300PLC来控制电炉的温度。

1.2系统的工作原理

本文中的温度控制过程如下：当设定好电炉温度后，CPU314C-2DP经过PID运算后由自带的模拟量输出模块输出一个电压信号传送到控制板，控制板则根据电压信号（弱点信号）的大小控制电热丝的加热电压（强电）的大小（甚至中断供电），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，再传送到CPU314C-2DP后进行PID运算，这样不断的循环。整个控制系统的硬件配置如图1-1所示。

系统框图

1.3系统设计内容

本设计内容及要求如下：

（1）接线图设计：S7-300和电炉控制对象之间的接线图设计；

（2）S7-300 PLC的硬件组态设计；

（3）程序设计 PLC控制程序设计，包括主控制程序、故障输出程序、PID控制程序设计等内容。

2 控制算法介绍

2.1 PID控制算法

在过程控制，根据偏差比（P），积分（I）和微分（D）控制的PID控制器（也称为PID调节器）是最广泛使用的自动控制器。它具有原理简单，容易执行，适用范围广泛，独立的控制参数，参数的选择是相对简单，调整方便，而且在理论上可以证明，用于过程控制的典型对象──“一阶延迟+纯滞后”和“二阶延迟+纯滞后”控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节器是一个持续的制法，是一种动态的质量校正的有效方法，它很容易对参数进行设置，结构灵活性多变（如PI调节、PD调节等）。长期以来，PID控制器被大多数科学家和现场操作人员使用，并积累了丰富的经验。

PID控制器是系统误差，使用比例，积分和微分控制来计算控制量。当结构和被控对象参数不能完全掌握，或缺乏精确的数学模型，控制理论很难使用其他技术，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，当应用PID控制是最方便的。也就是说，当我们并不完全了解一个系统和被控对象，或无法得到有效的手段测量，以获得系统参数，最合适的PID控制技术。

（1）比例（P）控制

比例控制是控制最简单的。该控制器的输出正比于输入错误的信号。只有当比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

（2）积分（I）控制

在积分控制中，为了消除稳态误差，积分项会增加。因此，即使误差很小，积分项会随着时间增加，这必定会使得控制器的输出增加，稳态误差进一步减小。因此，采用比例+积分（PI）控制器，允许以无稳态误差稳态系统。

（3）微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出和输入差分误差信号（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统，以克服在调整过程中可能出现的错误的振荡，甚至不稳定。这是因为系统存在较大的惯性器件，或有一个滞后（Delay）组件，能起到抑制误差的作用，变化总是比误差的变化慢一步。解决的办法是改变错误的“先进”紧箍咒的作用，也就是说，接近于零的错误，对错误的抑制的作用应该是零。这意着，只有控制器的“比例”一词引进常常不够，该比例项的作用只是放大了的错误的严重性，而目前需要增加的“微分项”，可以改变趋势预测误差，因此，该控制器具有比例+微分能够抑制提前误差控制为零，甚至出现负作用，被控以避免严重的过冲量。因此，更大的控制对象或滞后，比例+微分（PD）的控制器惯性可以改善的过程调节系统的动态特性。