图1—1所示控制系统中,试验箱体积为3m3,试验箱的加热器和制冷机组等设备的控制由西门子PLCS7-200通过控制柜实现。而上位机由PC机构成,其主要任务是由PLC通过PPI电缆实现自由端口的通信,并根据现场数据进行温度控制的决策、数据管理和图形显示等。
试验箱的控制原理是,首先根据实际要求的控机组。其次,根据试验箱的设定温度与实际温度的比较,进行控制算法运算。后控制SSR的导通率进行试验箱的加热控制。
该控制系统中,笔者根据试验箱系统的被控设备数量及特点,选用PLC的CPU模块为S7-200(14点DC输入,10点继电器输出),扩展模块为EM231(2路Pt100温度测量模块)。控制回路设计见图3—1所示。
图3—1控制回路中,试验箱的温度由Pt100传感器通过EM231获得,Pt100采用三线制接法以保证测量精度。输出端Q0.0和Q0.1分别控制2台制冷机组;Q0.2控制试验箱室内风机;Q0.3和Q0.4分别控制2套电加热器;Q0.5控制试验箱室内照明。电加热器的加热控制由Q1.0通过SSR实现。输入端I0.0~I0.5用于输入控制系统的状态信号S1~S6,其含义如表3-1所示。
系统的温度控制算法由上位PC机实现,运算结果通过PPI电缆送给PLC,终由Q1.0控制SSR。PLC控制程序流程见图3-2所示。
对于温度试验箱控制系统,其被控对象为一阶惯性加纯滞后环节。为了实际调节方便,仍然采用常用的PID算法实现温度控制,但在整个控制过程中,对PID参数的整定进行了认真分析,并设计了一种PID参数生成器,使系统的温度控制效果得到很大改善。
温度试验箱在试验过程中的温度控制是按设定曲线进行的,如图4-1所示。该图是一个试验曲线实例,共包含4个控温段:上升段T1、恒温段T2、降温段T3和恒温段T4。显然,为使实际的控温曲线跟踪好设定曲线,且保证在T2和T4段系统无差,达到系统要求的控温精度,PID算法的参数整定十分关键。由于试验箱的温度对象参数既要随着试件的种类和多少改变,也要随着投入的加热器和制冷机组多少而改变,在整定PID参数时要根据不同情况加以调整。为此,设计了一个温度控制PID参数生成器,用来根据不同的控温段和试验情况来生成不同的PID参数。设第n个控温段的PID参数分别为Pn,In和Dn,则该控温段的控制参数由下列矩阵确定:
式(4—1)中,P0,I0和D0分别为系统的基本PID参数;Fn(P),Fn(I)和Fn(D)分别为第n个温控段与试验情况相关的P、I和D参数的系数函数。基于PID参数生成器的实现,通过上位PC机编程很容易实现,当然,一些相关参数还是要通过实际系统的调试获得。另外,实际应用中91视频链接下载采用增量式PID算法,而输出采用位式输出,即在时间周期T内,按照PID输出的归一化结果(0~1)去控制SSR的导通时间,从而实现温度调节。试验箱温度控制系统的控制原理如图4—2所示,Ts为设定温度;Tf为实际温度。
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