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2. 总体设计方案及控制算法描述
2.1 系统总体方案设计
加热炉温控制系统主要有硬件与软件两部分组成。
2.1.1 硬件方案设计
硬件基本构成有PLC主控系统部分、调功器、加热炉、加热器、启动/停止开关按钮、数显表与温度变送器五部分组成。
基本工作原理：加热炉是加热对象（本设计采用自来水作为加热对象）的容器，通过温度变送器检测炉内水温和夹套温度，产生0~100mV电压信号，传送给S7-200PLC的模拟量扩展模块EM235，由PLC主控系统部分进行运算和处理后再由模拟量扩展模块EM235产生0~5V的控制信号传送给调功器，调功器根据不同的控制信号输出不同的电压来控制加热炉内的加热器来对水温进行加热和控制，由此水温升高或降低会影响温度检测元件，从而产生了一个闭环回路控制，因此达到平衡控制水温的目的。通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行及停止，实现手动控制的功能。两个数显表分别用于显示夹套温度和内胆温度，其分辨率为1℃。其结构硬件部分组成及其关系如图1所示。
图1 加热炉硬件部分组成图
2.1.2 软件方案设计
软件基本结构由主/副控器PID，控制对象温度调功器、检测元件温度变送器等部分组成。
其基本工作原理：首先计算出两个控制器PID的有关参数，进行PID初始化，把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来0~100mV的电压信号通过模拟量输入模块EM235的A/D转换变为0~32000的数字量，然后进行变换变为0~1的过程量形参，然后给定一个夹套温度给定量SV和夹套温度过程量PV1传送给主控制器PID运算，得到的结果OUT1作为副控制器的给定量SV与内胆温度过程量PV0传送给副控制器 PID运算，得到的结果OUT0经过标度变换和模拟量输出模块EM235的A/D转换变为0~5V的控制信号传送给温度调功器，对炉内加热器进行控制，同时对内胆温度和夹套温度进行检测，形成双闭环回路控制。加热炉软件控制部分组成图如图2所示。
图2 加热炉软件控制部分组成图
2.2 PID控制算法
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。
比例控制(P)是一种最简单的控制方式。控制器的输出与输入误差信号成比例。能迅速反映偏差，但不能消除余差。
在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。只要系统存在偏差，积分环节就会产生控制作用减小偏差，直到最终消除偏差。
在微分控制(D)中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比。有助于系统减少超调，克服震荡，加快系统响应速度减少调节时间从而改善系统的动态性能。
PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只要合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。
2.2.1 PID算法
PID控制器可以调节回路输出，使系统达到稳定状态，其闭环控制系统框图如图3所示。
图3 带PID控制器的闭环控制系统框图
偏差e和输入量r、输出量c的关系：
(1)
控制器的输出为：
(2)
上式中， ——PID回路的输出； ——比例系数P； ——积分系数I； ——微分系数D；PID调节器的传输函数为：
(3)
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