高低溫試驗室中PID控制新方法的應用
高低溫試驗室中PID控制新方法的應用
高低溫試驗室PID控制的實現(xiàn)涉及較多專業(yè)知識, 因此, 有必要對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成進行分析, 明確溫度控制原理, 設計滿足要求的控制系統(tǒng), 以促進其更好的應用, 不斷提高高低溫試驗室控制水平, 為試驗的順利實施創(chuàng)造良好條件。
一、PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
文中探討的高低溫試驗室PID控制新方法基于PID控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)主要由PC機、PLC構(gòu)成, 通過控制柜完成對制冷機組、加熱器的控制。同時, 在PLC控制下, 利用PPI電纜作為上位機自由端口通信介質(zhì), 結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)情況, 對圖形顯示、數(shù)據(jù)進行管理。在該系統(tǒng)控制下, 可將溫度調(diào)整至-100℃~+200℃范圍, 而且精度控制在±1℃。
該控制系統(tǒng)中主回路是重要部分, 設計時需綜合分析被控制設備的數(shù)量及特點。本文設計的制冷機組共兩套, 為M1、M2, 分別被接觸器K1、K2進行控制。為保證試驗箱中溫度的均勻性, 使用K3接觸器對室內(nèi)風機進行控制。另外, K4和K5負責對兩套加熱器進行控制, 使用固態(tài)繼電器SSR控制其加熱。
同時, 使用S7-200作為PLC的CPU模塊, 擴展模塊使用EM231。整個系統(tǒng)中pt100傳感器通過EM231獲取試驗箱中的溫度。為保證測量精度, 設計時運用三線制接法。另外, 輸出端的Q0.1與Q0.0分別負責控制兩臺制冷機, 而Q0.3與Q0.4負責控制兩套電加熱器, Q5控制試驗箱中的照明。
溫度控制算法由上位PC機負責, 在PPI支撐下將計算結(jié)果傳輸給PLC, 通過SSR由Q1.0控制電加熱器的加熱情況。
二、PID溫度控制原理
PID溫度控制的實現(xiàn)主要在PID算法下進行, 并需結(jié)合控制過程對PID參數(shù)整定進行認真分析, 構(gòu)建專門的PID參數(shù)生成系統(tǒng)。系統(tǒng)由上升段T1、恒溫段T2、降溫段T3以及恒溫段T4四控溫段構(gòu)成。為滿足試驗溫度控制精度要求, 確保實際溫控曲線更好的與設定曲線匹配, 做好PID參數(shù)整定尤為關(guān)鍵。本文構(gòu)建PID參數(shù)生成系統(tǒng), 并由以下矩陣確定控溫段的控制參數(shù):
在上位PC機上可方便對PID參數(shù)生成系統(tǒng)進行編程。另外, 針對一些特殊參數(shù), 需要在調(diào)試系統(tǒng)中加以確定。另外, 系統(tǒng)運行中需在增量式PID算法的基礎上, 運用位式輸出滿足系統(tǒng)輸出要求, 即, 在周期T時間內(nèi), 在參考PID輸出歸一化結(jié)果的基礎上, 確定SSR的導通時間。
三、PID控制系統(tǒng)的應用
為保證PID控制系統(tǒng)在高低溫試驗室中更好的應用, 應用時應注重以下內(nèi)容的認真落實:
1. 做好應用準備
本文設計的PID控制系統(tǒng), 結(jié)構(gòu)復雜, 涉及的專業(yè)知識較多, 系統(tǒng)能否正常運行直接影響應用效果, 因此, 應用時應做好充分的準備, 加強技術(shù)攻關(guān), 保證PC機和PLC之間的通信、控制試驗箱溫度以及數(shù)據(jù)管理編輯曲線等功能的順利實現(xiàn)。首先, PC機和PLC之間的通信時, 主要應用PPI電纜, 將PC機、PLC的COM、自由端口相連, 為兩者提供信息傳輸通道。其次, 控制試驗箱溫度時, 主要應用PID參數(shù)生成系統(tǒng)以及PID控制算法實現(xiàn), 因此, 做好PID控制算法研究, 保證算法的合理性尤為重要。后, 試驗會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù), 應用中需應用專門的數(shù)據(jù)庫, 負責管理試驗產(chǎn)生的圖形以及數(shù)據(jù)信息。同時, 借助曲線編輯程序, 實現(xiàn)曲線編輯功能。另外, 為方便試驗人員操作, 應用時應設計友好的交互界面, 符合試驗人員操作習慣。
2. 編寫合理軟件程序
為保證高低溫試驗室中PID控制新方法良好的應用, 需要專業(yè)的軟件系統(tǒng)支撐, 編寫的軟件需實現(xiàn)以下功能: (1) 試驗中發(fā)生故障, 能夠自動檢測并發(fā)出警報; (2) 能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理, 并具備報表打印功能; (3) 能夠?qū)崟r顯示出溫度曲線, 并支持縮放; (4) 可隨意設置投入制冷機、加熱器個數(shù)以及相關(guān)參數(shù), 滿足試驗對溫度控制的要求。
3. 做好軟硬件調(diào)試
在完成硬件、軟件設計后, 為及時發(fā)現(xiàn)與解決系統(tǒng)運行中存在的問題, 應做好軟、硬件調(diào)試工作。一方面, 明確調(diào)試操作。設計人員應結(jié)合高低溫試驗室控制要求以及系統(tǒng)各功能, 明確調(diào)試操作細節(jié), 按照一定的流程與規(guī)范開展調(diào)試工作。另一方面, 及時解決系統(tǒng)中的不良問題。調(diào)試工作中, 一旦發(fā)現(xiàn)問題應認真分析是硬件問題, 還是軟件問題, 分析問題出現(xiàn)原因, 及時加以解決, 保證各項功能順利實現(xiàn)。
終將設計的系統(tǒng)應用在試驗箱中溫度控制中, 不僅操作方便, 而且控制精度達到預期要求, 具有較好的推廣價值。
四、結(jié)論
高低溫試驗室是工業(yè)生產(chǎn)、科學研究常用設備, 為保證相關(guān)試驗的順利進行, 積極采取有效方法, 不斷提高試驗箱控制精度與水平, 成為業(yè)內(nèi)人士討論的熱點。本文探討的PID控制新方法基于新設計的系統(tǒng), 通過研究得出以下結(jié)論:
(1) 本文設計的PID控制系統(tǒng)主要由PC機、PLC構(gòu)成, 設計中除保證兩者間正常通信的同時, 還應明確溫度控制原理。本文通過PID參數(shù)生成系統(tǒng)以及PID算法, 為溫度控制的實現(xiàn)提供支撐。
(2) 設計中除完成硬件設計外, 系統(tǒng)的正常運行還需要軟件系統(tǒng)支撐, 因此, 還應根據(jù)試驗要求, 保證軟件設計的合理性。
(3) 將本文設計的PID控制系統(tǒng)應用在高低溫試驗室中, 不僅操作方便, 功能強大, 而且控制精度滿足試驗要求, 具有較高的推廣與應用價值。
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