高低温试验箱微机自动控制系统设计理念（二）

一、控制回路设计

试验箱的设备控制主要由西门子公司的S7-200系列的PLC完成。目前，一般的工控系统大多数采用工控板卡、工控模块或PLC来实现。其中，工控板卡实时性好但使用维护不太方便；工控模块扩展性好但功能固定；而PLC由于其稳定性好，设计灵活，使用方便而越来越受工控界的欢迎，尤其在分布式控制系统的应用中其优势更加明显。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57-200(14点DC输入，10点继电器输出)，扩展模块为F.M}31(2路Ptl00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10.0~10.5用于输入控制系统的状态信号S1~S6，其含义如表3-1所尔。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，最终由Q1.0控制SSRo PLC控制程序流程见图3-2所示。

二、试验箱的温度控制

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式((4-1)中，P0，10和DO分别为系统的基本P参数；FnCP)FnC1)和Fn CD)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，实际应用中我们采用增量式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；军为实际温度。5PC机软件设计用V86进行上位PC机的软件设计，主要完成3个任务：①实现PC机与PLC的通信；②完成试验箱的温度控制；③实现曲线编辑与数据管理。

PC机与PLC的通信是利用PPI电缆通过PC机的(pM和PLC的自由端口实现的，通信波特率为9600bps。试验箱的温度控制主要是实现P。参数生成器和PID控制算法。至于曲线编辑和数据管理也是程序设计中必不可少的内容，因为在试验过程中要经常更改温度的设定曲线，试验数据和图形也要通过数据库进行管理。此外，在界面设计上，结合动画图形技术，力求界面友好、操作方便。试验箱软件的具体功能如下：

(1>任意设定控温曲线及相关控制参数；

(2)任意设定每个控温段投入的加热器及制冷机个数；

(3)实时显示温度数据曲线，具有缩放功能；

(4)试验过程中各种故障报警；

(5)试验数据库管理及报表打印。http://www.gdzhenghang.net