高低溫試驗室中PID控制新方法的應用
高低溫試驗室PID控制的實現涉及較多專業知識, 因此, 有必要對控制系統的結構及組成進行分析, 明確溫度控制原理, 設計滿足要求的控制系統, 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造良好條件。
一、PID控制系統結構
文中探討的高低溫試驗室PID控制新方法基于PID控制系統, 該系統主要由PC機、PLC構成, 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, 結合現場數據情況, 對圖形顯示、數據進行管理。在該系統控制下, 可將溫度調整至-100℃~+200℃范圍, 而且精度控制在±1℃。
該控制系統中主回路是重要部分, 設計時需綜合分析被控制設備的數量及特點。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溫度控制的實現主要在PID算法下進行, 并需結合控制過程對PID參數整定進行認真分析, 構建專門的PID參數生成系統。系統由上升段T1、恒溫段T2、降溫段T3以及恒溫段T4四控溫段構成。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參數整定尤為關鍵。本文構建PID參數生成系統, 并由以下矩陣確定控溫段的控制參數:
在上位PC機上可方便對PID參數生成系統進行編程。另外, 針對一些特殊參數, 需要在調試系統中加以確定。另外, 系統運行中需在增量式PID算法的基礎上, 運用位式輸出滿足系統輸出要求, 即, 在周期T時間內, 在參考PID輸出歸一化結果的基礎上, 確定SSR的導通時間。
三、PID控制系統的應用
為保證PID控制系統在高低溫試驗室中更好的應用, 應用時應注重以下內容的認真落實:
1. 做好應用準備
本文設計的PID控制系統, 結構復雜, 涉及的專業知識較多, 系統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, 加強技術攻關, 保證PC機和PLC之間的通信、控制試驗箱溫度以及數據管理編輯曲線等功能的順利實現。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參數生成系統以及PID控制算法實現, 因此, 做好PID控制算法研究, 保證算法的合理性尤為重要。后, 試驗會產生大量數據, 應用中需應用專門的數據庫, 負責管理試驗產生的圖形以及數據信息。同時, 借助曲線編輯程序, 實現曲線編輯功能。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, 需要專業的軟件系統支撐, 編寫的軟件需實現以下功能: (1) 試驗中發生故障, 能夠自動檢測并發出警報; (2) 能夠實現對數據庫的管理, 并具備報表打印功能; (3) 能夠實時顯示出溫度曲線, 并支持縮放; (4) 可隨意設置投入制冷機、加熱器個數以及相關參數, 滿足試驗對溫度控制的要求。
3. 做好軟硬件調試
在完成硬件、軟件設計后, 為及時發現與解決系統運行中存在的問題, 應做好軟、硬件調試工作。一方面, 明確調試操作。設計人員應結合高低溫試驗室控制要求以及系統各功能, 明確調試操作細節, 按照一定的流程與規范開展調試工作。另一方面, 及時解決系統中的不良問題。調試工作中, 一旦發現問題應認真分析是硬件問題, 還是軟件問題, 分析問題出現原因, 及時加以解決, 保證各項功能順利實現。
終將設計的系統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、結論
高低溫試驗室是工業生產、科學研究常用設備, 為保證相關試驗的順利進行, 積極采取有效方法, 不斷提高試驗箱控制精度與水平, 成為業內人士討論的熱點。本文探討的PID控制新方法基于新設計的系統, 通過研究得出以下結論:
(1) 本文設計的PID控制系統主要由PC機、PLC構成, 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參數生成系統以及PID算法, 為溫度控制的實現提供支撐。
(2) 設計中除完成硬件設計外, 系統的正常運行還需要軟件系統支撐, 因此, 還應根據試驗要求, 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。