1、微机控制技术微机控制技术实验指导书上海交通大学电气工程实验中心2014年 3月1基于 TWIDO PLC 的温度控制实验一、 实验目的：1、 熟悉 PLC 实验装置，TWIDO 系列编程控制器以及拓展模块的外部接线方法2、 了解编程软件 TWIDOSOFT 的编程环境，软件的使用方法3、 了解 PID 温度控制技术4、 掌握施耐德 PLC 的 PID 模块使用方法二、 实验设备：1、施耐德 TWDLCAE40DRF2、A/D D/A 模块 TWDAMM3HT3、温度控制箱三、 实验原理：1、硬件简介施耐德的 TWDLCAE40DRF是一体型 40I/O控制器，具有 24个数字量输入，14 个继
2、电器和 2个晶体管输出；具有 2个模拟电位器输入；具有 1个集成的串行口；具有一个支持附加串行口的插槽；内置实时时钟 RTC；具有一个装有用户可更换电池的电池盒；最多连接7个扩展 I/O 模块；最多连接 2个 AS-Interface V2总线接口。该产品自带以太网接口，通过内置的 RJ45口，利用 TCP/IP协议的 100 Base-TX自适应以太网通信。额定电源电压：100-240VAC。通过 USB或者 COM与计算机连接。图 1 TWDLCAE40DRF2TWDAMM3HT作为拓展模块,它具有 2输入 1输出;信号范围: 0- 10V 或 4- 20mA。其作用就是将温度传感器产生的
3、 0- 10V 的电压模拟信号转换为 PLC 能够处理的数字信号, 并将 PLC 产生的数字信号转换为模拟量来驱动外电路。模拟量 I/O 模块 TWDAMM3HT可以线性地将 0- 10V 的模拟信号转换成 0- 4095 之间的数字信号。PLC 产生的 0- 4095 的数字信号同样可以线性地转换成 0- 10V 的模拟信号。由于运用了该拓展模块，使得温度控制系统结构上小巧紧凑,达到更加经济、简洁的系统设计效果。图 2 TWDAMM3HT2、控制对象的数学模型控制对象的数学模型不同，控制方案的具体程序和公式也有所区别。电阻丝是利用电能转换为热能的一个装置，流入电阻丝的热量 Q与其温升的关系为
4、：(1)dCt其中 C为物体的热容量，即要使物体的温度上升一度所需的热量（卡）， 为物体的温度；Q 为流入物体的热量（卡）。电阻丝加热的同时还要向外散发热量，所以加热元件发出的热量 Q应该等于电阻丝中的热量 Q1和电阻丝散掉的热量 Qo之和。故上式应为(2)sdCt由于散发的热量 Qo与温度高低成正比，若令(3)sR其中为比例系数，称为电阻丝的热阻。因此(4)dCQt两边取拉氏变换得：3(5)11()()()CssCsQR由于测量元件会存在一定时间的滞后，使得控制信号与温度测量值之间存在着一个时滞环节 。控制器输出的控制信号为 U，而 U (s)与 Q( s)的关系又是成正比例，即(6)()(
5、)mQsK而温度控制箱的输出信号即是温度信号所以(7)()y那么(8)()1()ssmsKKGseeuQTCR其中，T=R*C，称为对象的时间常数，K=K m*R，称为对象的增益。3、PID 控制算法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID调节。PID 控制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。所以虽然 PID控制器产生于 19世纪初，但今天仍被广泛应用于化工、冶金、电力、机械等工业过程控制中。目前全世界大约有 90%的过程控制仍在使用 PID控制器及其改进型来完成反馈回路
6、的控制。基于上述内容，本系统采用 PID算法。PID 控制的全称叫做比例积分微分控制，是由比例控制、积分控制和微分控制三种控制组合而成的组合控制方式。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，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，这时应用 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。PID 控制，实际中也有 PI和 PD控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例控制 比例控制是一种最简单的控制方式
7、。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。 积分控制I 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器
8、，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分控制D 4在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至
9、为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因而规律中积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近，其控制规律为(9)001()()()()Tp di etUtKet U式中:e(t)调节器输入函数，即给定量与反馈量的偏差;U(t)调节器输出函数Kp比例常数;Ti积分时间常数;Td微分时间常数;U0控制常量，t= 0 时的输出值。基本偏差 e(t)表示当前测量值
10、与设定目标间的差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。表示的调节器的输入函数和输出函数均为模拟量。为了用计算机对它进行计算，可以把连续形式微分方程转换位离散形式的差分方程。(10)00()()TKiedeT累计偏差(11)()(1)2)(1)etette这是我们每一次测量到的偏差值的综合，考虑到他的正负号运算，这是面向积分项的一个变动数据。基本偏差的相对偏差(12)()(1)etet用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制对象的趋势，作为快速5反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。取 T为采样周期，
11、k 为采样序号，k=0，1，2，3，i，k。因为采样周期T相对于信号变化周期是很小的，所以可以用矩形法来计算积分，用后向差分来代替微分，即(13)()(1detkeT）这样式(1)就可以写成(14)1()1)()()()pdi ekUkKe 式中:U(k)采样时刻 k的输出值e(k)采样时刻 k的偏差值e(k-1)采样时刻 k-1的偏差值式(2-16)中的输出量为全量输出。它对应于被控制对象的执行机构每次采样时应达到的位置。因此，式(2-16) 也是 PID控制规律的离散化形式。称为位置型 PID控制算式。另有增量型 PID控制算式 37。增量算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得到的结
12、果是增量，也就是说在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味着减少）的空置量。在温度控制中就是需要增加（或减少）的加热比例。在增量型中，输出是执行机构的增量u。，即(15)01 120()()2DnpnnnnTuKeeeK 式中， K 1为 PID控制算式的积分系数(16)011pTKD为 PID控制算式的微分系数(17)0DpKT3、PID 参数整定经验试凑法在现场控制系统整定工作中，经验丰富的调试人员常采用经验整定法，它不需要进行试验和计算，而是根据运行情况，先确定一组调节器参数，并将系统投入运行，然后人为加入阶跃扰动，观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线，并依照调节器各参数对调节过程的影
13、响，改变相应的整定参数值，一般先比例后积分，再微分，反复试验，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。6表 1 经验法调节器参数经验数据被控对象整定参数 Kp Ti/min TD/min温度 2060 0.13 0.53压力 1.43.5 0.43 -流量 12.5 0.11 -液位 1.255 - -四、 实验步骤：1、硬件部分将 TWDAMM3HT的 out口的正负端与温度控制箱的 UIN的正负端相连，将 TWDAMM3HT的 IN0的正负端与温度控制箱的 Uout的正负端相连。同时将 PLC输出的 24V直流电压用两导线连接至 TWDAMM3HT模块的供电端，综上所述，此实验的硬件接线为 6条导
14、线。2、软件部分在进行温度控制系统的设计中，第一步是要得到控制对象的数学模型。我们可以采用阶跃响应曲线法，利用 PID的手动模式得到。随后，进行 PID参数调节，按照经验法逐步调节，直到得到满意的阶跃响应曲线为止。具体过程如下(1)运行 TwidoSoft软件，新建一个文件，单击确定图 1 功能级别管理可以看到如下窗口7图 2 TwidoSoft(2)右键 TWDL*DRF，选择更改控制器类型，选择 TWDLCAE40DRF(3)右键拓展总线，选择添加模块，双击 TWDAMM3HT，选择完成(4)右击 TWDAMM3HT，选择配置图 3 TwidoSoft8(5) 起用%IW1.0，在类型处，
15、选择 0-10V（注意：究竟是启用%IW1.0 还是启用%IW1.1,得具体看你的硬件接线，如果接线选择的是 TWDAMM3HT模块的 IN0则选择%IW1.0，如果接线选择是 IN1，则选择%IW1.1）起用%QW1.0，在类型处，选择 0-10V图 4 TWDAMM3HT 配置(6)配置编辑器上，选择(7)单击控制器，选择连接方式，在设备管理器中查看通讯口是哪个后，再勾选相应的选项。(8)右键 PID，选择配置图 5 PID 工作模式选择(9)配置框前打勾，选择 PID工作模式(10)单击“输入”标签，在测量值处写入%IW1.0（或%IW1.1） 。%IW1.0 与%IW1.1 是TWDAMM3HT的输入口地址，从中取得的值是温度传感器经过 A/D变换后的数据。9图 6 测量值设定(11)单击 PID标签，在设定点处输入%MW0，Kp 中写入%MW10，Ti 中写入%MW11，TD 中写入%MW12（%MW0%MW2999 为 PLC内部字地址）图 7 PID 参数设定(12)单击输出标签。启用手动模式。在手动一栏中选择“启用” ，在“输出”中写入%MW13。在输出模拟中写入%QW1.0。%QW1.0 是 TWDAMM3HT的输出口地址，从中输出的值将会是经过 D/A变换后的
