高低溫試驗(yàn)室中PID控制新方法的應(yīng)用
高低溫試驗(yàn)室PID控制的實(shí)現(xiàn)涉及較多專業(yè)知識(shí), 因此, 有必要對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行分析, 明確溫度控制原理, 設(shè)計(jì)滿足要求的控制系統(tǒng), 以促進(jìn)其更好的應(yīng)用, 不斷提高高低溫試驗(yàn)室控制水平, 為試驗(yàn)的順利實(shí)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(yàn)室PID控制新方法基于PID控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)主要由PC機(jī)、PLC構(gòu)成, 通過控制柜完成對(duì)制冷機(jī)組、加熱器的控制。同時(shí), 在PLC控制下, 利用PPI電纜作為上位機(jī)自由端口通信介質(zhì), 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)情況, 對(duì)圖形顯示、數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)需綜合分析被控制設(shè)備的數(shù)量及特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的制冷機(jī)組共兩套, 為M1、M2, 分別被接觸器K1、K2進(jìn)行控制。為保證試驗(yàn)箱中溫度的均勻性, 使用K3接觸器對(duì)室內(nèi)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。另外, K4和K5負(fù)責(zé)對(duì)兩套加熱器進(jìn)行控制, 使用固態(tài)繼電器SSR控制其加熱。
同時(shí), 使用S7-200作為PLC的CPU模塊, 擴(kuò)展模塊使用EM231。整個(gè)系統(tǒng)中pt100傳感器通過EM231獲取試驗(yàn)箱中的溫度。為保證測(cè)量精度, 設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用三線制接法。另外, 輸出端的Q0.1與Q0.0分別負(fù)責(zé)控制兩臺(tái)制冷機(jī), 而Q0.3與Q0.4負(fù)責(zé)控制兩套電加熱器, Q5控制試驗(yàn)箱中的照明。
溫度控制算法由上位PC機(jī)負(fù)責(zé), 在PPI支撐下將計(jì)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(shí)現(xiàn)主要在PID算法下進(jìn)行, 并需結(jié)合控制過程對(duì)PID參數(shù)整定進(jìn)行認(rèn)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(yàn)溫度控制精度要求, 確保實(shí)際溫控曲線更好的與設(shè)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(jī)上可方便對(duì)PID參數(shù)生成系統(tǒng)進(jìn)行編程。另外, 針對(duì)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(yùn)行中需在增量式PID算法的基礎(chǔ)上, 運(yùn)用位式輸出滿足系統(tǒng)輸出要求, 即, 在周期T時(shí)間內(nèi), 在參考PID輸出歸一化結(jié)果的基礎(chǔ)上, 確定SSR的導(dǎo)通時(shí)間。
三、PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用
為保證PID控制系統(tǒng)在高低溫試驗(yàn)室中更好的應(yīng)用, 應(yīng)用時(shí)應(yīng)注重以下內(nèi)容的認(rèn)真落實(shí):
1. 做好應(yīng)用準(zhǔn)備
本文設(shè)計(jì)的PID控制系統(tǒng), 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 涉及的專業(yè)知識(shí)較多, 系統(tǒng)能否正常運(yùn)行直接影響應(yīng)用效果, 因此, 應(yīng)用時(shí)應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備, 加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān), 保證PC機(jī)和PLC之間的通信、控制試驗(yàn)箱溫度以及數(shù)據(jù)管理編輯曲線等功能的順利實(shí)現(xiàn)。首先, PC機(jī)和PLC之間的通信時(shí), 主要應(yīng)用PPI電纜, 將PC機(jī)、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(yàn)箱溫度時(shí), 主要應(yīng)用PID參數(shù)生成系統(tǒng)以及PID控制算法實(shí)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(yàn)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù), 應(yīng)用中需應(yīng)用專門的數(shù)據(jù)庫, 負(fù)責(zé)管理試驗(yàn)產(chǎn)生的圖形以及數(shù)據(jù)信息。同時(shí), 借助曲線編輯程序, 實(shí)現(xiàn)曲線編輯功能。另外, 為方便試驗(yàn)人員操作, 應(yīng)用時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)友好的交互界面, 符合試驗(yàn)人員操作習(xí)慣。
2. 編寫合理軟件程序
為保證高低溫試驗(yàn)室中PID控制新方法良好的應(yīng)用, 需要專業(yè)的軟件系統(tǒng)支撐, 編寫的軟件需實(shí)現(xiàn)以下功能: (1) 試驗(yàn)中發(fā)生故障, 能夠自動(dòng)檢測(cè)并發(fā)出警報(bào); (2) 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的管理, 并具備報(bào)表打印功能; (3) 能夠?qū)崟r(shí)顯示出溫度曲線, 并支持縮放; (4) 可隨意設(shè)置投入制冷機(jī)、加熱器個(gè)數(shù)以及相關(guān)參數(shù), 滿足試驗(yàn)對(duì)溫度控制的要求。
3. 做好軟硬件調(diào)試
在完成硬件、軟件設(shè)計(jì)后, 為及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題, 應(yīng)做好軟、硬件調(diào)試工作。一方面, 明確調(diào)試操作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合高低溫試驗(yàn)室控制要求以及系統(tǒng)各功能, 明確調(diào)試操作細(xì)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(shí)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(yīng)認(rèn)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(shí)加以解決, 保證各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)。
終將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用在試驗(yàn)箱中溫度控制中, 不僅操作方便, 而且控制精度達(dá)到預(yù)期要求, 具有較好的推廣價(jià)值。
四、結(jié)論
高低溫試驗(yàn)室是工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究常用設(shè)備, 為保證相關(guān)試驗(yàn)的順利進(jìn)行, 積極采取有效方法, 不斷提高試驗(yàn)箱控制精度與水平, 成為業(yè)內(nèi)人士討論的熱點(diǎn)。本文探討的PID控制新方法基于新設(shè)計(jì)的系統(tǒng), 通過研究得出以下結(jié)論:
(1) 本文設(shè)計(jì)的PID控制系統(tǒng)主要由PC機(jī)、PLC構(gòu)成, 設(shè)計(jì)中除保證兩者間正常通信的同時(shí), 還應(yīng)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(shí)現(xiàn)提供支撐。
(2) 設(shè)計(jì)中除完成硬件設(shè)計(jì)外, 系統(tǒng)的正常運(yùn)行還需要軟件系統(tǒng)支撐, 因此, 還應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求, 保證軟件設(shè)計(jì)的合理性。
(3) 將本文設(shè)計(jì)的PID控制系統(tǒng)應(yīng)用在高低溫試驗(yàn)室中, 不僅操作方便, 功能強(qiáng)大, 而且控制精度滿足試驗(yàn)要求, 具有較高的推廣與應(yīng)用價(jià)值。