开题报告：触摸屏与PLC构架下的水温PID控制.doc

1、毕业设计（论文）开题报告自动化触摸屏与 PLC 构架下的水温 PID 控制一、选题的依据及意义：水温状态参数对人体的热舒适性和生产环节有很大影响，特别是那些对水温要求较高的场所。可以利用可编程控制器对水温进行控制，利用 S7-300 内部所提供的闭环控制软件包具体实现 PID 的闭环控制功能。可编程控制器（PLC ）是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置，在上世纪 80 年代至 90 年代中期 PLC 得到了快速的发展。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用

2、上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PID 控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID 控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期、比例系数 Kp、积分系数 Ki、微分系数 Kd。因而,PID 参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID 在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID 算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，

3、使之在工业控制中得到广泛应用。在 PID 算法中，针对 P、I、D 三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。它们之间最大的差别，主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快

4、速发展。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、以下填写内容各专业可根据具体情况进行修改，但每个专业应保持一致。智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。触摸屏是显示器和触摸开关一体型的可编程终端,简称町,是新一代高科技人机界面产品。专为 PLC 应用而设计的触摸屏集主机、输入输出设备于一体,适合在恶劣的工业环境中使用(防护等级达 IP65)。用它作为人机界面 ,具有交互性好、可靠性高、编程简单以及与 PLC 连接简便等优点PLC 作为工控机的一员,在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。

5、据统计,当今世界 PLC生产厂家约150家,生产300多个品种。预计到2000年,销售额约为86亿美元,占工控机市场份额的50%,PLC 将在工控机市场中占有主要地位,并保持继续上升的势头。PLC 在60 年代末引入我国时,只用作离散量的控制,其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等,最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的 PLC 具有 PID 调节功能,它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域,广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但 PLC 也面临着其它行业工控产品的挑战,各厂家正采取措施不断改进产品,主要表现为以下几个方面:1.微型、小型 PLC 功能明显增强很多有名的 PL

6、C 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的 PLC。三菱的FXOS14点(8个24VDC 输入 ,6个继电器输出),其尺寸仅为58mm89mm,仅大于信用卡几个毫米,而功能却有所增强,使 PLC 的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业,如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等,甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。2.集成化发展趋势增强由于控制内容的复杂化和高难度化,使 PLC 向集成化方向发展,PLC 与 PC 集成、PLC 与 DCS 集成、PLC 与 PID 集成等,并强化了通讯能力和网络化 ,尤其是以 PC 为基的控制产品增长率最快。PLC 与 PC 集成,即将计算机、PLC 及操作

7、人员的人 机接口结合在一起,使 PLC 能利用计算机丰富的软件资源,而计算机能和 PLC 的模块交互存取数据。以 PC 机为基的控制容易编程和维护用户的利益,开放的体系结构提供灵活性,最终降低成本和提高生产率。 3.向开放性转变PLC 存在严重的缺点,主要是 PLC 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的,绝大多数的 PLC 是专用总线、专用通信网络及协议,编程虽多为梯形图,但各公司的组态、寻址、语文结构不一致,使各种 PLC 互不兼容。国际电工协会(IEC )在1992年颁布了IEC1131-3 可编程序控制器的编程软件标准 ,为各 PLC 厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以 PC 为基、

8、在 WINDOWS 平台下, 符合 IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的 PLC 正在规划中。三、研究内容及实验方案： 1.项目研究内容本论文研究的是 PLC 技术在温度监控系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制 PID 算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。2.实验方案1)熟悉 PID 控制算法PID 控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差 e 和输入量 r、输出量 c的关系:（3-1）)()(tcrte控制器的输出为：（3-2）)()(1)()(0dteTtetKtuip-PID 回路输出t-比例系

9、数 Pp-积分系数 IiT-微分系数 DdPID 调节的传输函数为（3-3）1)(STKsEUDdip数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表所示：表 3.1 模拟与离散形式模拟形式 离散化形式)()(tcrte )()(ncredTT1te0)( nini ee00)()(所以 PID 输出经过离散化后，它的输出方程为:（3-4）00)()( )1()ununneTdieeKudipn式中，称为比例项)()(eupp称为积分项nipiTK0称为微分项)1()(eudpd上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累

10、积值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用 PLC 中的 PID 指令实现位置式 PID 控制算法量。 2)设计流程图评估控制任务PLC 机型的选择硬件布线程序设计联机调试PLC 安装程序检查、调试控制流程的设计程序备份修改软、硬件模拟运行投入使用是否满足要求四、目标、主要特色及工作进度目标：本系统将 PLC 与触摸屏组态软件两者相结合在一起，通过他们之间的通讯和监控，最终实现对研究对象的水温进行 PID 控制。主要特色：本系统是由 PLC 和触摸屏组成的一个温度控制系统。采集的温度从PLC 模拟量通道进入，在通过信号传输到触

11、摸屏人机界面上，再由总线将输入的设定值以及 PID 参数送入 PLC 作 PID 运算，最后将产生的 15V 控制信号送到加热器，即能实现对温度的控制。工作进度：1）第 1 周第 3 周 查阅资料、翻译英文资料并撰写开题报告；2）第 4 周第 7 周 熟悉相关软件开发环境和用户手册；3）第 8 周第 12 周 对必要的知识进行学习；4）第 13 周第 16 周 实现水温的 PID 控制；5）第 17 周18 周 总结，撰写论文并准备答辩；五、参考文献1.徐峰，张嫣华，数字控制系统的 PID 算法研究【J】.机床电器.2008， （6）2.S7-300 可编程控制器系统手册（Z） 3.刘敏.浅谈

12、DCS和PLC的区别.国外建材科技,29(4):113-115,2008 4.张爱筠,张琳琳,贺楠.温度控制系统的设计与市场研究.商业经济,2:57-58,20085.毛忠国,杨超.从控制角度谈 PLC、DCS 及 FCS 三大系统的差异.宁夏电力,增刊(2):103-105,2007 6.徐亚飞，刘官敏，高国章.温箱温度PID与预测控制.武汉理工大学学报交通科学与工程版，2004，28(4)：554-5577.樊军庆,张宝珍.温度控制理论的发展概况.工业炉,30(6):12-14,20088.Yamamoto T.,Shah S.L.Design and experimental evaluation of a multivariable self-tuning PID controller. IEE Proceedings of Control Theory and Applications,2004, 5(151):645-652