plc论文

发布时间：2023-06-16 作者：admin 来源：文学

plc论文

名头纸-六年级女生浴室

2023年3月20日发(作者：劝说的英文)

陕西理工学院毕业设计

基于PLC实现的水温控制

XXX

（陕西理工学院电气工程系自动化专业，2007级2班，陕西汉中723003）

指导教师：XXX

[摘要]针对工农业生产中现有的水温控制系统可靠性低、控制精度差、成本高等缺点。我们利用三菱

FX0N60-MR型PLC构建了一个水温控制系统对这一问题进行了研究。在整个控制系统中以电阻炉作为被控对象，

以水温为被控变量，以三菱FX0N60-MR型PLC为控制器，输入部分外加光电耦合器，并用按键和数码管构建了人

机接口设置目标温度；控制算法的选择经过对模糊控制和PID算法的实验对比，最终选择采用PID。PLC程序利用

梯形图编程语言进行编写。在系统搭建完成后我们利用试凑法，通过大量实验对PID控制器的参数进行了优化，进

过测试系统能够达到设计要求。除此之外该系统还具有硬件结构简单、系统可靠性高、制作成本低廉、控制器参数

易于调试等优点。能够利用小型PLC实现对水温较高精度的控制。

[关键词]PLC温度控制PID

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PLC-basedtemperaturecontroltoachieve

Liaozhonglin

(Grade07,Class2,MajorAutomation

，

DepartmentofElectricalEngineering，ShaanxiUniversityof

Technology，Hanzhong723003，Shaanxi)

Tutor:Liupei

[Abstract]Accordingtotheexistingwatertemperatureintheindustryandagricultureproductioncontrol

systemreliability,lowcost,itsubishiFX0N60-MRtypePLC

hascholecontrolsystemto

resistancefurnaceascontrolledobjecttowatertemperatureascontrolledvariables,themitsubishiFX0N60-MR

typePLCasthecontroller,inputpartplusphotoelectriccouplers,buttonsanddigitaltubeandconstructingthe

man-machineinterfacesettargettemperature;ThechoiceofcontrolalgorithmbasedonfuzzycontrolandPID

algorithmexperimental,gramuseladderdiagramprogramminglanguagetowrite.

Afterthecompletionofthestructuresinthesystemweusetrail-and-error,throughalargenumberofexperiments

ofPIDcontrollerparametersareoptimized,sthissystem

alsohasthehardwarestructureissimple,systemreliabilityhigh,productioncostislow,andthecontroller

parametersiseasytodebug,smallPLCtocontrolthewatertemperaturehigheraccuracy.

[Keywords]PLCtemperaturecontrolPID

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绪论...............................................................................................................1

1．设计方案的论证....................................................................................2

1.1PLC的选型..................................................................................................2

1.1.1常用PLC的特点比较..........................................................................2

1.1.2本设计PLC的选型..............................................................................3

1.2控制方案的选择..........................................................................................3

1.2.1采用模糊控制的温度控制....................................................................3

1.2.2采用PID算法的温度控制...................................................................3

1.2.3控制方案的选择...................................................................................4

2．硬件电路的设计....................................................................................5

2.1PLC硬件资源分配设计..............................................................................5

2.2温度传感器.................................................................................................8

2.2.1利用温度变送器采集...........................................................................8

2.2.2利用DS18B20采集.............................................................................8

2.3输入部分电路设计...................................................................................10

2.3.1设置输入部分电路设计.....................................................................10

2.3.2AD转换结果输入部分电路设计....................................................10

2.4输出部分电路设计....................................................................................10

3．系统软件的设计..................................................................................13

3.1PLC编程语言简介.................................................................................13

3.2输入部分程序设计....................................................................................15

3.3显示部分程序...........................................................................................15

3.4PID运算部分程序设计.............................................................................15

4．系统的调试..........................................................................................19

4.1硬件调试....................................................................................................19

4.2软件调试....................................................................................................19

4.1软硬件联合调试........................................................................................19

4.3实验数据....................................................................................................19

参考文献.....................................................................................................20

英语科技文献翻译....................................................................................21

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附录.............................................................................................................34

附录A：源程序..............................................................................................34

附录B：元器件清单......................................................................................37

附录C：电路总图..........................................................................................38

附录D：实物图..............................................................................................39

致谢.........................................................................................................40

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绪论

温度控制系统在各行各业的应用虽然很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平

仍然不高。工农业生产中现有的温度控制系统存在着可靠性低、控制精度差、成本高等缺点。同美

国、日本、欧洲等先进国家和地区相比仍然有着很大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于很

落后水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统

的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。对于要求较高的控制场合的智能化、自适应控

制仪表，国内还不十分成熟。现状中的问题主要体现在以下两个方面：

位式调节器依然占主导地位。工业现场对温度控制，常用有位式调节器和PID控制器等。位式

调节器作为一种温度控制仪表，具有一些无法消除的缺陷，当炉温大于给定值时不加电压，会导致

超调大，常有控制精度差或出现失控【基于模糊控制的PLC在温度控制中的运用[J].电气传动，

2005年，35卷第8期,54-59.】。

稳定性差、可靠性低。随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展，对实时温度控制的精

度以及反应快速性的要求越来越高。温度控制广泛的应用于生产与工业控制流程的各个方面，比如

精细材料加工流程中温度的控制、锅炉供暖系统温度的控制以及化学染色系统的温度控制上。传统

的模拟式温度控制方法已经不能适用干现代工业对系统稳定性和快速性的需求，特别是当系统的温

度指令信号发生快速变化时，传统的模拟控制器固有的反应时间和器件特性使系统的反应稳定过程

较慢、而且易受干扰，不能适应现代高精度温度控制的需求。【李国萍.基于PLC的温度控制系统的

设计[J].科技创新导报，2010年7期，86.】。

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、智能化、人

性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。

本课题主要要解决问题是通过对水温控制进行研究，实现对温度的高精度控制。在硬件实现上，

我们要解决外围电路与PLC的连接，解决好各种输入输出设备的协调工作。本题目以电阻炉为被控

对象，以水温为被控参数，以PLC为控制器，构成水温控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图

编程语言进行编程，实现水温的自动控制。本课题将要解决的主要问题是熟悉PLC的使用和编程，

并用PLC编程实现PID算法，并通过实际调试优化控制器参数，实现对水温的高精度控制。

系统设计大体如下，PLC采用三菱FX0N60MR，由于没有热电偶变送器及与三菱FX0N60MR搭配使

用的AD模块，我们决定采用DS18B20采集温度，使用AT89C2051单片机制作一个PLC输入模块，将

温度通过光电耦合器连接到PLC的输入节点，并设置按钮和数码管做为人机交互模块，通过PLC输

出接点驱动继电器，调节电热炉工作的占空比。实现对炉内水温的控制。

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1．设计方案的论证

设计水温控制的方法有多种多样，方案是多种多样的，由于PLC型号的多样性和控制理论的发

展，控制方法的多样性，选择不同型号的PLC或者采用不同的控制算法，都会产生不同的炉温控制

方案，下面从PLC选型和控制算法两方面进行方案的选择。

1.1PLC的选型

可编程控制器简称PLC（ProgrammablelogicController)是一种工业控制用计算机，是继承自动

控制技术、计算机和电子及通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可

靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业

控制的各个领域中被广泛地使用。它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、

计数和演算等功能并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。现在PLC的功能强

大，质量优良，品牌很多，特点各异。其中著名品牌有西门子、三菱、欧姆龙、施耐德等等。

图1.1PLC原理图

1.1.1常用PLC的特点比较

市面上最常见的是三菱、西门子、欧姆龙三家公司的PLC，现在我对它们简单的进行一下对比

介绍。

⑴三菱系列的PLC

三菱PLC英文名又称：MitsubishPowerLineCommunication，三菱PLC在中国市场常见的有

以下型号：FR-FX1NFR-FX1SFR-FX2NFR-FX3UFR-FX2NCFR-AFR-Q。FX系列PLC的主要特

点：编程语言。在FX系列可编程控制器控制器中，除基本的指令表变成方式外，还可以采用在图

形画面上进行阶梯符号作图的梯形图编程方式，以及对应机械动作流程进行顺控设计的SFC（顺序

功能图）方式，而且，这些程序可以相互转换换。指令表及梯形图程序如果按一定的规则编写，也

可以实现到SFC图的逆变换。高速处理三菱系列PLC可以实现高速处理，FX系列可编程控制器内

置的高速计数器，对来自特定的输入继电器的高速脉冲进行中断处理，因此与扫描时间无关，可以

进行高达60kHz/h的高速脉冲。在可编程控制器中设置了C-R滤波器，以防止输入信号的震动和噪

音的影响。可以对脉冲进行捕捉，在脉冲捕捉中可以监视来自特定输入的脉冲信号，也可以在输入

时采用中断处理设置特殊辅助继电器。FX的PLC支持顺序控制。可编程控制器的扫描周期是恒定

模式，采用次模式可以以固定的周期处理和运算同步执行的指令。在设备不停机的情况下也可以对

运行过程中的程序进行改变的功能。应用指令FX系列PLC基于追求“基本功能、高速处理、便于使

用”的规范理念，FX可编程控制器具有数据的传送和比较，四则运算及逻辑运算、数据的循环和位

移等基本指令，还有输入输出刷新、中断、高速计算器专用比较指令、高速脉冲输出等高速处理指

令，以及在SFC控制方面，将机械控制的标准动作封袋化的状态初始化指令等。此外，还提供了可

适应更复杂的控制的浮点运算及PID运算等。

⑵西门子系列PLC

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西门子SIAMTIC模块化控制器有着很大的优势，它可以即买即用，长期兼容性和可用性，

可以在恶劣环境下工作，模块还可以扩展和升级。西门子的产品十分的抗震动，通过集中式

和分布式I/O控制。所以西门子在最近的一些年内能够很有力的打进中国的市场并能在中国

的市场牢牢的扎根。这和西门子产品的质量和性能有着十分大的关系.其中就有S7-200、

S7-300、S7-400。S7-200它适用于一系列机械设备的制造或用作独立的解决方案，微型自动化系

统的组成部分，STEP7Micro/WIN工程组态软件应用于它，，应用于性能要求较低的自动化任务。

它是低成本的微型系统。西门子S7-300它设计紧凑，安装在DIN导轨上，在CPU中集成了许多功

能，通过在微型存储器上保持数据实现免维护，PROFIBUS上的等时模式，属于故障安全类型。西

门子S7-400具有多种机架类型的机架系统，优异的高速处理能力和通讯性能，可以在运行中更改组

态，PROFIBUS上的等时模式(图1)，还支持PROFIBUS连接分布式I/O(如图2)，属于故障安全和

容错类型，热插拔。S7-400的三个HCPU，支持硬件同步,功能强大的解决方案，不会发生任何

信息损失，且可对工程任务提供高级支持，无需额外的编程费用,可以为安全应用轻松扩展H系统。

西门子plc现在不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reduced

instructionsetcomputer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进

行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制

功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制

器

⑶欧姆龙PLC

欧姆龙PLC包括微型机，中型机，大中型机三种。CPM1A微型机属于结构紧凑、成本较低的

PLC，在CPU单元中装配了10~40点的输入输出端子，为一体化组建型的plc。增加了实现平稳输

入输出动作的输入滤波器功能、外部输入中断功能、快速响应输入功能、高速计数器功能，模拟设

定定时器功能等采用快速山村，无电池的内存支持得以实现，维护简单化。

1.1.2本设计PLC的选型

由于硬件环境的限制学校实验室现仅有三菱FX0N60MR和西门子S7-200两种型号的PLC，由

于在此之前对三菱PLC进行过系统的学习，而且三菱系列的PLC配有手持编程器，易于在现场对

PID参数进行整定所以选择了三菱FX0N60MR型PLC为控制器。

1.2控制方案的选择

采用不同的控制算法，产生的控制结果也会大不相同，根据现有的知识，初步决定从经典控制

理论和智能控制理论中选取了PID和模糊控制两种控制方案。现将两种控制方案大致介绍如下。

1.2.1采用模糊控制的温度控制

这个设计方案控制算法采用模糊控制，根据以往的经验，根据实测温度与设定的温度计算偏差

大小，根据偏差划分偏差隶属度区间，设定规则库，控制时根据偏差和相应的规则库调节控制量的

大小。运用PLC编程时，数据运算处理比较繁琐，但是PLC内部具有比较指令和区间比较指令，用

其实现模糊推理相对容易，所以该方案在编程实现上具有一定优势。

1.2.2采用PID算法的温度控制

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t

、比例系数K

、积分系数K

、微分系数K

。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，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。运用该方案最大的优点就是控制精度要高方案一。

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1.2.3控制方案的选择

第一种方案采用模糊控制的温度控制设计其优点是，控制原理简单、思路清晰，能够满足一般

的控制精度。但对控制精度要求较高场合的不适应，切组建模糊规则需经过长时间大量实验修改确

定。而第二种方案采用PID算法的温度控制不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种

设计方案设计不灵活，隶属度函数组建困难，调试耗时，控制精度低等缺点。所以本设计选择了第

二种方案。

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2．硬件电路的设计

2.1PLC硬件资源分配设计

本设计中选用是三菱公司的FX0N-MR60型PLC。M表示是基本模块，R表示是继电器输出。

FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、

F2系列PLC产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC三菱PLC。

其具有系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种外设；令人放心的高性能；

高速运算；可使用于多种特殊用途等特点。

图2.1三菱FX0N-60MR型PLC外形图

⑴三菱FX系列PLC常数（K、H）

K是表示十进制整数的符号，主要用来指定定时器或计数器的设定值及应用功能指令操作数中

的数值；H是表示十六进制数，主要用来表示应用功能指令的操作数值。

⑵三菱FX系列PLC指针（P、I）

在FX系列中，指针用来指示分支指令的跳转目标和中断程序的入口标号。分为分支用指针、

输入中断指针及定时中断指针和记数中断指针。

①分支用指针（P0～P127）

FX2N有P0～P127共128点分支用指针。分支指针用来指示跳转指令（CJ）的跳转目标或子程

序调用指令（CALL）调用子程序的入口地址。

②中断指针（I0～I60）

中断指针是用来指示某一中断程序的入口位置。执行中断后遇到IRET（中断返回）指令，则返

回主程序。中断用指针有以下三种类型。

输入中断用指针（I00～I50）共6点，它是用来指示由特定输入端的输入信号而产生中断的中断

服务程序的入口位置，这类中断不受PLC扫描周期的影响，可以及时处理外界信息。

定时器中断用指针（I6～I8）共3点，是用来指示周期定时中断的中断服务程序的入口位置，这

类中断的作用是PLC以指定的周期定时执行中断服务程序，定时循环处理某些任务。处理的时间也

不受PLC扫描周期的限制。□□表示定时范围，可在10～99ms中选取。

计数器中断用指针（I010～I060）共6点，它们用在PLC内置的高速计数器中。根据高速计数

器的计数当前值与计数设定值之关系确定是否执行中断服务程序。它常用于利用高速计数器优先处

理计数结果的场合。

⑶三菱FX系列PLC数据寄存器（D）

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PLC在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时，需要许多数据寄存器存储数据和参数。

数据寄存器为16位，最高位为符号位。可用两个数据寄存器来存储32位数据，最高位仍为符号位。

数据寄存器有以下几种类型。

①通用数据寄存器（D0～D199）

共200点。当M8033为ON时，D0～D199有断电保护功能；当M8033为OFF时则它们无断

电保护，这种情况PLC由RUN→STOP或停电时，数据全部清零。

②特殊数据寄存器（D8000～D8255）

共256点。特殊数据寄存器的作用是用来监控PLC的运行状态。如扫描时间、电池电压等。

未加定义的特殊数据寄存器，用户不能使用。具体可参见用户手册。

③变址寄存器（V/Z）

FX2N系列PLC有V0～V7和Z0～Z7共16个变址寄存器，它们都是16位的寄存器。变址寄

存器V/Z实际上是一种特殊用途的数据寄存器，其作用相当于微机中的变址寄存器变，用于改变元

件的编号（变址），例如V0=5，则执行D20V0时，被执行的编号为D25（D20+5）。变址寄存器

可以象其它数据寄存器一样进行读写，需要进行32位操作时，可将V、Z串联使用（Z为低位，V

为高位）。

⑷三菱FX系列PLC定时器（T）

PLC中的定时器（T）相当于继电器控制系统中的通电型时间继电器。它可以提供无限对常开常

闭延时触点。定时器中有一个设定值寄存器（一个字长），一个当前值寄存器（一个字长）和一个

用来存储其输出触点的映象寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地址编号。但使用场合不

一样，意义也不同。

FX2N系列中定时器时可分为通用定时器、积算定时器二种。它们是通过对一定周期的时钟脉

冲的进行累计而实现定时的，时钟脉冲有周期为1ms、10ms、100ms三种，当所计数达到设定值时

触点动作。设定值可用常数K或数据寄存器D的内容来设置。

①通用定时器

通用定时器的特点是不具备断电的保持功能，即当输入电路断开或停电时定时器复位。通用定

时器有100ms和10ms通用定时器两种。

100ms通用定时器（T0～T199）共200点，其中T192～T199为子程序和中断服务程序专用定

时器。这类定时器是对100ms时钟累积计数，设定值为1～32767，所以其定时范围为0.1～3276.7s。

10ms通用定时器（T200～T245）共46点。这类定时器是对10ms时钟累积计数，设定值为1～

32767，所以其定时范围为0.01～327.67s。

②积算定时器

积算定时器具有计数累积的功能。在定时过程中如果断电或定时器线圈OFF，积算定时器将保

持当前的计数值（当前值），通电或定时器线圈ON后继续累积，即其当前值具有保持功能，只有

将积算定时器复位，当前值才变为0。积算定时器有1ms和100ms积算定时器两种。

1ms积算定时器（T246～T249）共4点，是对1ms时钟脉冲进行累积计数的，定时的时间范围

为0.001～32.767s。

100ms积算定时器（T250～T255）共6点，是对100ms时钟脉冲进行累积计数的定时的时间范

围为0.1～3276.7s。

⑸三菱FX系列PLC内部计数器

内部计数器是在执行扫描操作时对内部信号（如X、Y、M、S、T等）进行计数。内部输入信

号的接通和断开时间应比PLC的扫描周期稍长。16位增计数器（C0～C199）共200点，其中C0～

C99为通用型，C100～C199共100点为断电保持型（断电保持型即断电后能保持当前值待通电后继

续计数）。这类计数器为递加计数，应用前先对其设置一设定值，当输入信号（上升沿）个数累加

到设定值时，计数器动作，其常开触点闭合、常闭触点断开。计数器的设定值为1～32767（16位二

进制），设定值除了用常数K设定外，还可间接通过指定数据寄存器设定。

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⑹三菱FX系列PLC辅助继电器（M）

辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控制系统中的中间继

电器相似。

辅助继电器不能直接驱动外部负载，负载只能由输出继电器的外部触点驱动。辅助继电器的常

开与常闭触点在PLC内部编程时可无限次使用。

辅助继电器采用M与十进制数共同组成编号（只有输入输出继电器才用八进制数）。

①通用辅助继电器（M0～M499）

FX2N系列共有500点通用辅助继电器。通用辅助继电器在PLC运行时，如果电源突然断电，

则全部线圈均OFF。当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的仍将保持

OFF状态，它们没有断电保护功能。通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移

位等。

根据需要可通过程序设定，将M0～M499变为断电保持辅助继电器。

②断电保持辅助继电器（M500～M3071）

FX2N系列有M500～M3071共2572个断电保持辅助继电器。它与普通辅助继电器不同的是具

有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电后再现其状态。它之所以能在电源

断电时保持其原有的状态，是因为电源中断时用PLC中的锂电池保持它们映像寄存器中的内容。其

中M500～M1023可由软件将其设定为通用辅助继电器。

③特殊辅助继电器

PLC内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。FX2N系列中有256个特殊辅助

继电器，可分成触点型和线圈型两大类。触点型其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点。例

如：

M8000：运行监视器（在PLC运行中接通），M8001与M8000相反逻辑。M8002：初始脉冲（仅在

运行开始时瞬间接通），M8003与M8002相反逻辑。M8011、M8012、M8013和M8014分别是产

生10ms、100ms、1s和1min时钟脉冲的特殊辅助继电器。线圈型由用户程序驱动线圈后PLC执行

特定的动作。例如：M8033：若使其线圈得电，则PLC停止时保持输出映象存储器和数据寄存器内

容。M8034：若使其线圈得电，则将PLC的输出全部禁止。M8039：若使其线圈得电，则PLC按

D8039中指定的扫描时间工作。

⑺状态器（S）

状态器用来纪录系统运行中的状态。是编制顺序控制程序的重要编程元件，它与后述的步进顺

控指令STL配合应用。状态器有五种类型：初始状态器S0～S9共10点；回零状态器S10～S19共

10点；通用状态器S20～S499共480点；具有状态断电保持的状态器有S500～S899，共400点；

供报警用的状态器（可用作外部故障诊断输出）S900～S999共100点。

在使用用状态器时应注意：状态器与辅助继电器一样有无数的常开和常闭触点；状态器不与步

进顺控指令STL配合使用时，可作为辅助继电器M使用。

⑻三菱FX系列PLC输出继电器（Y）

输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。输出继电器线圈是

由PLC内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部

负载。

每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器，

不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。

FX系列PLC的输出继电器也是八进制编号其中FX0N60MR编号范围为Y00~Y27（24点）。

与输入继电器一样，基本单元的输出继电器编号是固定的，扩展单元和扩展模块的编号也是按与基

本单元最靠近开始，顺序进行编号。

⑼三菱FX系列PLC输入继电器（X）

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输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受PLC外部开关信号的元件。PLC通过输入接口将

外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入并存储在输入映象寄存器中。

输入继电器必须由外部信号驱动，不能用程序驱动，所以在程序中不可能出现其线圈。由于输

入继电器（X）为输入映象寄存器中的状态，所以其触点的使用次数不限。

FX系列PLC的输入继电器以八进制进行编号，FX2N输入继电器的编号范围为X000~X267（184

点）。注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单元和扩展模块是按与基本单元最靠近开

始，顺序进行编号。例如：基本单元FX0N-64MR的输入继电器编号为X000~X037（32点）。

SWOPC-FXGP/WIN-C是与电脑相连的三菱PLC的编程软件，它可以将写好的梯形图直接下载

到PLC里，但需要下载线RS232，由于没有下载线，所以用编程器进行编程。

经过对PLC内部资源的了解，我们对PLC端口资源作如下分配。输入部分：

2.2温度传感器

温度采集开始想的是用热电偶测温，通过对变送器送出来的是1--5V的电压信号进行AD转换得

到对应温度。起初方案是采用ADC0809做转换芯片，NE555做08009的时钟源，做出来是78.9KHZ，

用PLC控制0809的时序，但是由于这是个转换过程和数据处理都很复杂。最主要是精度较低，所以

最终还是选用了DS18B20做温度传感器测水温。下面将两种方案简单介绍如下。

2.2.1利用温度变送器采集

温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度

参数的测量和控制。

温度变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转

换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，

因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线

功能。变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成，输出信号与温差之间有一给定的连续函数关

系。故称为温度变送器。变送器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函

数），早期生产的变送器其输出信号与温度传感器的电阻值（或电压值）之间呈线性函数关系。标

准化输出信号主要为0mA~10mA和4mA~20mA（或1V~5V）的直流电信号。不排除具有特殊规定的其他

标准化输出信号。

Pt100是铂热电阻温度变送是一种可选的温度变送器，Pt100的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原

理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

2.2.2利用DS18B20采集

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更

经济Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度

传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入

全新概念。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一

线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度

较差为±2°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于

恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产

品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，

体积更小。DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM

中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822

与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的

EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。继“一

线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特

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性及封装有更多的选择，可以构建适合自己的经济的测温系统。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发

器TH和TL、配置寄存器。DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易

失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

图2.2DS18B20引脚图

GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）；DQ为数字信号

输入/输出端。

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的

序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每

一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图2.3DS18B20输出数据格式

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补

码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号

位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果

温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。暂存存储器

包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个

字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的

易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。

第九个字节是冗余检验字节。

实际运用时采用单片机，读取DS18B20，再由单片机端口输出温度数据至PLC的X10-X17输

入结点。

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2.3输入部分电路设计

2.3.1设置输入部分电路设计

输入部分主要主要完成对系统的设置启动等操作，使用了四个按钮分别实现对系统启动、开始

控制、设定值加、设定值减等设定，分别从X0、X1、X2、X3对应输入。

2.3.2AD转换结果输入部分电路设计

图2.4AD转换结果输入部分电路

由于没有FX0N系列PLC专用AD模块，所以使用DS18B20与51单片机联合制作了一个简易

的AD输入模块，它能够将实时温度转换为8位数据送入PLC，包括7位数据位，1位符号位。输

入部分采用输入节点X10~X17。

为了提高PLC的可靠性，减少外界对PLC运行的干扰，同时根据PLC的输入要求，采用光耦

芯片TLP521制作输入电路。

2.4输出部分电路设计

输出部分分显示电路和控制电路两部分，显示部分主要使用显示译码器74LS48和数码管组成，

控制电路使用节点Y1外接继电器控制电热杯。

图2.5继电器输出单元

显示部分系统分配X14~X17为个位，X20~X23为十位，X24~X27为百位。7448是7段

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显示译码器,输出高电平有效的译码器。工作电压为5V，用于驱动共阴极数码管，7448除了有

实现8段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测

试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动

态灭零输出（BI/RBO）端，如图2.6所示。

图2.67448引脚功能图

表2.17448/SN7448译码器0-9真值表

LIRBIDCBABI/RBOYaYbYcYdYeYfYg显示

110

1X1

1X2

1X3

1X4

1X5

1X6

1X7

1X1

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八

段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个

“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数

码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极

数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就

点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴

极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND

上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，

相应字段就不亮。

Vcc

fgabc

CLT

BI/RBORBID

GND

74LS48

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图2.7数码管实物图

图2.8显示部分电路图

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3．系统软件的设计

软件设计是该系统的要解决的核心问题，经过分析结合设计要求，大致将软件划分为输入部分、

显示部分、PID运算部分三个大模块。

图3.1程序总流程图

3.1PLC编程语言简介

在PLC中有多种程序设计语言,如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语

言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列

指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成

顺序控制和逻辑控制等。通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和

语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，

数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块

图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散

是

开始

初始化数据

设定目标值

X3闭合否

计算U（k）max

进行PID运算

输出

显示实时温度

否

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控制系统的编程和组态时也常常被采用。由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广

大工程设计和应用人员所喜爱。

根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种，现做一简

单对比介绍：

⑴梯形图(LadderDiagram)程序设计语言

梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序

设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关

系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。

梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在

工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发

展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。

梯形图程序设计语言的特点是:

·与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习;

·与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;

·与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是:梯形图中的能流(PowerFLow)不是实际意义的电流，

内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别

对待;

·与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。

⑵布尔助记符(BooleanMnemonic)程序设计语言

布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设

计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。

布尔助记符程序设计语言具有下列特点:

·采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点;

·在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计;

·与梯形图有一一对应关系,其特点与梯形图语言基本类同。

⑶功能表图(SepuentialFunctionChart)程序设计语言

功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的

一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的

操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。

功能表图程序设计语言的特点是:

·以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通;

·常用于系统规模校大、程序关系较复杂的场合;

·对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计、调试时间;

·只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此整个程序的扫描时间较

其他程序编制的程序扫描时间要短得多。

功能表图来源于佩特利(Petri)网，由于它具有图形表达方式，能比较简单清楚地描述并发系统和

复杂系统的所有现象，并能对系统中存在的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的

基础上可以直接编程，因此得到了广泛的应用。近几年推出的可编程控制器和小型集散控制系统中

也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。

⑷功能模块图(FunctionBlock)程序设计语言

功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的

功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的

控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同

而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不

同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、

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信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是:

·以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易;

·功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好

的易操作性;

·由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，对功能模块的执行需要一定的执行时间，因此，

这种设计语言在大中型PLC和集散控制系统的编程和组态中才被采用。

·对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，

编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少;

⑸结构化语句(StructuredText)描述程序设计语言

结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一

种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构化语句描述程

序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。

结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的运算关系，

完成所需的功能或操作。大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语

言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了

简化。

结构化程序设计语言具有下列特点:

·采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算;

·需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通

电气人员难以完成。

·直观性和易操作性等较差;

·常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。

进过分析对比，由于在之前系统的学习过梯形图语言，用梯形图编程直观易懂，而且由梯形图

转化指令表较为容易，所以选择使用梯形图编程。

3.2输入部分程序设计

输入部分主要用于处理温度控制目标值的设定，在通常的大气压条件下，水的沸点为100摄氏

度，所以系统设定值的范围为50-100。在输入时采用两个键一个对温度设定值进行加操作、另一个

对温度设定值进行减操作。同时还应该在对设定值进行限制，不得小于50，大于100。

3.3显示部分程序

在设置目标温度时系统需要显示设定值，在进行控制时系统需要显示当前的实时温度，根据需

求设计了三位数码管显示，显示时首先对要显示的数进行分解取出百位、十位、个位对应的数据，

然后逐一送出进行显示。

3.4PID运算部分程序设计

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。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。

所以我们选择PID为控制器算法。

比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是

具有快速反应，控制及时，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关系。积分控制可以消除余差，

但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。

在微分控制(D)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。微分

控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势，避免较大的误差出现。但是容易引入干扰且不能消

除余差。

PID控制，P、I、D各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只要合理

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地选取PID控制器的参数值，就可以获得较高的控制质量。

图3.2PID闭环控制系统

如图3.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。输入量r和偏差e、输出量

c的关系:

)()()(tctrte（3-1）

控制器的输出为：

]

)(

)([)(

tde

Tdtte

teKtu

（3-2）

)(tu---------PID回路输出

K----------比例系数P

-----------积分系数I

-----------微分系数D

PID调节的传输函数为

]

)(

)(ST

（3-3）

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3.1所示。

比例（P）

积分（I）

微分（D）

执行部件

设定Y（t）

反

馈

e（t）

—

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表3.1模拟与离散形式

模拟形式离散化形式

)()()(tctrte)()()(ncnrne

tde)(

nene)1()(

t

dtte

)(





ieTTie

)()(

所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为:

)()()(

)]}1()([)()({)(

unununu

nene

neKnu

dip







（3-4）

式中，

)()(neKnu

称为比例项





Knu

)()(称为积分项

)]1()([)(nene

Knud

称为微分项

以上PID算法积分项容易溢出，所以使用增量式PID算法。增量式PID的算式为：

1212

PID

ukekekekekekekKKK





FX0N—60MR型PLC使用PID指令时需要专用扩展模块的支持，由于使用的PLC没有该扩展

模块，所以必须自行编写PID计算程序。

表3.2PID运算部分数据单元的分配定义

存储单元存储数据类型

D10设定值

D22采样值

D8偏差e（k）

D28e（k-1）

D30e（k-2）

D32kp

D34ki

D36kd

D38,D39比例项

D40,D41积分项

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D42,D43微分项

D44,D45△u(k)

D46,D47u(k-1)

D48,D49u(k)

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4．系统的调试

4.1硬件调试

硬件调试，我们主要验证了硬件电路能否正常的工作。由于该系统需要使用DC5V、DC24V、

AC220V三种电源，电压高低差异较大，所以我们需要验证系统的稳定性、抗干扰性能，在这个问

题上我们使用了光电耦合器、增设中间继电器等手段，减少硬件干扰。特别要注意的是由于继电器

是一个感性负载所以在电流变化它的电流不会立即变化，为了减小它对其他电路的干扰应该为其并

联一个二极管作为电流的泄放回路。

4.2软件调试

最初编写软件时我们分别编写了模糊控制和PID控制两种方案的程序，分别对其进行了调试，

测得了大量的实验数据对后期的调试总结了大量经验，由于与一维模糊控制相比PID具有控制精度

高的优点，所以经过初步调试我们决定选择使用PID算法。其次我们主要对各个子程序功能模块进

行了调试验证，先后验证了按键显示子程序、PID部分程序的正确性。

4.1软硬件联合调试

将软硬件有机组合后，我们就开始了系统的软硬联调，也就是看系统能否按要求如期运行，经

过前期分别对软件和硬件的调试，基本没有出现大的故障，所以联合调试最主要就是对控制效果既

PID控制器参数的整定。PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时

间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通

过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临

界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验

参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规

律如表4.1所示。

表4.1温度控制器参数经验数据

被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）

温度滞后较大20～603～100.5～3

根据反复的试凑，调处比较好的结果是P=20，I=0.12，D=1。

4.3实验数据

系统硬件组装完毕，软件PID参数调试结束后，我们实测了几组试验参数对系统进行了分析，

实验数据如下。

表4.2系统实测数据

初始温度（摄氏度）设定值（摄氏度）上升时间（分钟）超调量

2868131.4%

2470142.8%

507081.4%

405571.4%

经过实测，可以看出系统能达到一定的控制精度超调量较小，但是系统的上升时间太长。主要

是因为我们为了减小超调量给的控制器参数比较保守，一味求稳而使系统丧失了一定的快速性。另

外我们在PLC程序的处理中将所用的除法运算得到的余数舍去，这个累积起来也会造成较大的误差。

但是经过我们对PID参数的反复整定我们还是将误差控制在了3%左右，达到了预期的控制精度。

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第20页共40页

参考文献

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[2]刘守操．可编程序控制器技术与应用[M]．北京：机械工业出版社．2006:6-58

[3]李忠文，冯推柏，袁学军．可编程控制器应用与维修[M]．北京：化学工业出版社．2006:2-10，38-86

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[6]张仑.可编程序控制器中PID控制的研究[J].电子电气教学学报,2005（3）.

[7]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006

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[9]廖常初.PLC变成及应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2008.

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[13]SoftwareforS7-300/400SystemandStandardFunctionsManual，2006.

[14]Logic（LAD）forS7-300andS7-400ProgrammingReferenceManual,2006.

[15]entList(STL)forS7-300andS7-400ProgrammingReferenceManual,2006.

[16]trolUserManual,2003.

[17]SiemensAG.S7GRAPHV5.2forS7-300/400ProgrammingSequentialControlSystemsManual,2004.

[18]3OperatingManual,2009.

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英语科技文献翻译

引用的外文文献：

PIDControl

Introduction

nessentialelementofearly

governoesscontrol

today,morethan95%ofthecontrolloopsareofPIDtype,

trollerscomeinmanydifferentforms.

Therearestandalonesystemsinboxesforoneorafewloops,whicharemanufacturedbythehundred

trollersare

trolisoftencombinedwithlogic,

sequentialfunctions,selectors,andsimplefunctionblockstobuildthecomplicatedautomationsystems

usedforenergyproduction,transportation,phisticatedcontrolstrategies,such

asmodelpredictivecontrol,trolisusedatthelowestlevel;the

multivarcontrollercanthus

besaidtobethe“importantcomponentineverycontrol

engineer’stoolbox.

PIDcontrollershavesurvivedmanychangesintechnology,frommechanicsandpneumaticsto

microprocessorsviaelectronictubes,transistors,roprocessorhashadadramatic

hasgivenopportunitiestoprovideadditionalfeatureslikeautomatictuning,gainscheduling,and

continuousadaptation.

6.2TheAlgorithm

“textbook”versionofthePID

algorithmisdescribedby:



















tde

deteKtuT

6.1

whereyisthemeasuredprocessvariable,rthereferencevariable,uisthecontrolsignalandeisthe

controlerror（e=

−y）.trolsignalisthusa

sumofthreeterms:theP-term（whichisproportionaltotheerror）,theI-term（whichisproportionalto

theintegraloftheerror）,andtheD-term（whichisproportionaltothederivativeoftheerror）.The

controllerparametersareproportionalgainK,integraltimeT

,andderivativetimeT

.Theintegral,

proportionalandderivativepartcanbeinterpretedascontrolactionsbasedonthepast,thepresentandthe

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ivativepartcanalsobeinterpretedaspredictionbylinear

ionofthedifferenttermscanbeillustratedbythe

followingfigureswhichshowtheresponsetostepchangesinthereferencevalueinatypicalcase.

EffectsofProportional,IntegralandDerivativeAction

trollerisgivenbyD6.1EwithT

=and

=orwill

decreasewithincreasinggain,butthetendencytowardsoscillationwillalsoincrease.

owsfromD6.1Ethatthestrengthofintegral

actionincreaseswithdecreasingintegraltimeT

.Thefigureshowsthatthesteadystateerrordisappears

ewiththediscussionofthe“magicofintegralaction”inSection2.2.

ThetendencyforoscillationalsoincreaseswithdecreasingT

.Thepropertiesofderivativeactionare

illustratedinFigure6.3.

ametersKandT

arechosenso

gincreaseswithincreasingderivativetime,butdecreases

thatderivativeactioncanbeinterpretedasproviding

predictionbylinearextrapolationoverthetimeT

.Usingthisinterpretationitiseasytounderstandthat

derivativeactiondoesnothelpifthepredictiontimeT

re6.3theperiodofoscillationis

trol

Figure6.1

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Figure6.2

DerivativeactionsceasetobeeffectivewhenT

islargerthana1s(onesixthoftheperiod).Also

noticethattheperiodofoscillationincreaseswhenderivativetimeisincreased.

APerspective

ThereismuchmoretoPIDthanisrevealedby（6.1）.Afaithfulimplementationoftheequationwill

inagoodPIDcontrolleritisalsonecessarytoconsider。

Figure6.3

Noisefilteringandhighfrequencyrolloff

Setpointweightingand2DOF

Windup

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Tuning

Computerimplementation

InthecaseofthePIDcontrollertheseissuesemergedorganicallyasthetechnologydevelopedbut

thesequestionsareclosely

relatedtofundamentalpropertiesoffeedback,someofthemhavebeendiscussedearlierinthebook.

6.3FilteringandSetPointWeighting

clearlyseenfromthetransferfunctionG(s)=sofa

lowingexampleisalsoilluminating.

tttntty

nnasinsinsin

ivativeofthesignalis



tttnt

tdy

nnacoscoscos

Thesignaltonoiseratiofortheoriginalsignalis1/a

butthesignaltonoiseratioofthedifferentiated

signalisw/a

.Thisratiocanbearbitrarilyhighifwislarge.

Inapracticalcontrollerwithderivativeactionitistherefornecessarytolimitthehighfrequencygain

nbedonebyimplementingthederivativetermas





6.2

insteadofD=sT

roximationgivenby(6.2)canbeinterpretedastheidealderivativesT

filteredbyafirst-ordersystemwiththetimeconstantT

/roximationactsasaderivativefor

n,however,ansthathigh-frequency

lvaluesofNare8to20.

Furtherlimitationofthehigh-frequencygain

ThetransferfunctionfrommeasurementytocontrolleroutputuofaPIDcontrollerwiththe

approximatederivativeis



















KSC

Thiscontrollerhasconstantgain

NsCK





1lim

owsfromthediscussiononrobustnessagainstprocessvariationsinSection

5.5thanbeachievedby

additional

lowpassfilteringofthecontrolsignalby

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第25页共40页



n



whereT

iceofT

isacompromise

ueofT

canbecoupledtothecontrollertimeconstants

erivativetimeisused,T

/Nisasuitable

ontrollerisonlyPI,T

=Ti/Nmaybesuitable.

Thecontrollercanalsobeimplementedas

N

KsC

i















16.3

ThisstructurehastheadvantagethatwecandevelopthedesignmethodsforanidealPIDcontroller

trollerisfirstdesignedfortheprocessP(s).Thedesigngives

thecontrollerparameterT

.AnidealcontrollerfortheprocessP(s)/(1+sT

/N)2isthendesignedgivinga

newvalueofT

rocedurewillalsogiveaclearpictureofthetradeoffbetweenperformance

andfiltering.

SetPointWeighting

Whenusingthecontrollawgivenby（6.1）itfollowsthatastepchangeinthereferencesignalwill

oftenhighlyundesirablethereforderivativeactionis

oblemcanbeavoidedbyfilteringthereferencevalue

rpossibilityistoletproportionalactionactonlyonpartofthe

ntrollergivenby（6.1）thenbecomes































tdy

tdr

cdetytbrKtuT

6.4

egraltermmustbebasedonerrorfeedbacktoensure

trollergivenbyD6.4Ehasastructurewithtwodegreesoffreedombecause

nsferfunctionfromrtouis















T

bKs

sU1

6.5

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第26页共40页

Timet

Figure6.4Responsetoastepinthereferenceforsystemswithdifferentsetpointweightsb=0

dashed,b=05fullandb=cesshasthetransferfunctionP（s）=1/（s+1）3and

thecontrollerparametersarek=3,k

=15andk

=15.

andthetransferfunctionfromytouis















T

sU1

16.6

Setpointweightingisthusaspecialcaseofcontrollershavingtwodegreesoffreedom.

Thesystemobtainedwiththecontroller（6.4）respondtoloaddisturbancesandmeasurementnoise

inthesamewayasthecontroller（6.1）.Theresponsetoreferencevaluescanbemodifiedbythe

illustratedinFigure6.4,whichshowstheresponseofaPIDcontrollerto

set-pointchanges,loaddisturbances,ureshows

rshootforset-pointchangesissmallestforb=0,whichisthecase

wherethereferenceisonlyintroducedintheintegralterm,andincreaseswithincreasingb.

Theparametercisnormallyzerotoavoidlargetransientsinthecontrolsignalduetosuddenchanges

intheset-point.

6.4DifferentParameterizations

ThePIDalgorithmgivenbyEquation（6.1）canberepresentedbythetransferfunction















T

KsG

16.7

diKK







6.8

TTTdii6.9

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第27页共40页

d







AninteractingcontrolleroftheformEquationD6.8Ethatcorrespondstoanon-interactingcontroller

canbefoundonlyif

TTdi4

Theparametersarethengivenby

TTid

K411







Tid

411

6.10



Tid

411



Thenon-interactingcontrollergivenbyEquation（6.7）ismoregeneral,andwewillusethatinthe

,however,sometimesclaimedthattheinteractingcontrolleriseasiertotunemanually.

Itisimportanttokeepinmindthatdifferentcontrollersmayhavedifferentstructureswhenworking

trollerisreplacedbyanothertypeofcontroller,thecontrollerparametersmay

eractingandthenon-interactingformsdifferonlywhenbothIandtheDparts

lyusethecontrollerasaP,PI,orPDcontroller,thetwoformsare

therrepresentationofthePIDalgorithmisgivenby

k

ksG



6.11

Theparametersarerelatedtotheparametersofstandardformthrough

Kk

T

K

TherepresentationEquation（6.11）isequivalenttothestandardform,buttheparametervaluesare

ycausegreatdifficultiesforanyonewhoisnotawareofthedifferences,particularly

ifparameter1/k

iscalledintegraltimeandk

enmoreconfusingifk

iscalled

mgivenbyEquation（6.11）isoftenusefulinanalyticalcalculationsbecausethe

resentationalsohastheadvantagethatitispossibletoobtainpure

proportional,integral,orderivativeactionbyfinitevaluesoftheparameters.

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第28页共40页

PID控制

6.1介绍

PID控制器是反馈控制的最常见形式。因为早在40年代它就成为了过程控制的标准工具。在今

天的过程控制业中,超过95%的控制回路是PID类型,多数实际上是PI控制。PID控制是分布控制

系统的一种重要组成部分。控制器被隐藏在许多其他控制系统下面。PID控制与逻辑控制经常结合

在一起,连续作用、选择器,和简单的功能模块一起构成复杂自动化系统，可以应用在发电,运输，

以及制造业。许多经典的控制策略,譬如模型有预测性的控制。PID控制是使用在要求水平较低的场

合；PID控制器应用在底层。PID控制器在每个控制工程师的应用实例里都能经常见到。

近年来PID控制器在技术生产上也产生了许多变化,从机械到微处理器控制由电子管,晶体管,

组合电路组成的控制系统。微处理器对PID控制器有着强烈的影响。实际上今天制作的所有PID

控制器都是建立在微处理器的基础上的。这就有机会扩展其他的特点：像自动定调,获取预定,和连

续的适应。

6.2算法

我们开始讲解PID控制器的主要特点。

PID算法的描述:



















tde

deteKtuT

6.1

这里y是被测量的处理可变量,r参考可变量,u是控制信号，e是控制误差











yy

e。

参考变量经常可以被称为是固定的点。控制信号包含三个量，P-term，I-term，D-term，控制器的参

数包括比例系数K，整体时间Ti，和Td。以过去，现在和未来为基础的控制轨迹可解释整体，比例

项和输出部份的关系。图中举例。在不同时间的运动可以表示输出部分的一个典型的例子。在参数

值方面作一下改变，即可预测下一时间的走向问题。

PID的作用

图6.1说明的是典型的比例控制.控制器给定Ti=∞，Td=0。表示在比例控制中总存在有一种稳

定状态误差。获取值增加误差将减少,但系统稳定性将受到影响。

图6.2说明增加积分式的作用。它跟随图6.1而来增加时间Ti.当积分式运行使用。稳定状态误

差将逐渐的消失。相比较，说明在图6.3减少Ti，波动继续增大.

图6.3举例说明增加输出的方法的效果。参数K和Ti被选定以便闭环系统是振动的。当输

出时间过长时，导出时间将被阻值再一次增加，减少也是一样。当在时间Td作线形补偿取消输出可

以得到预测的结果。用简单的方法解释，如果预测时间Td太大，导出将没有影响。在图6.3中，振

荡的周期是没有引出的，大约是6S。

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第29页共40页

图6.1

图6.2.

当Td比1S（六分之一的周期时间）大的时候，输出的作用停止是有效的。也要注意当输出时

间增加的时候，振荡的周期也将增加。

图6.1说明有许多比PID更好的系统，但是，实际上一个好控制器，必需得有一个好的PID控

制器。而获得一个好的PID控制器，也需要认真地考虑一下。

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第30页共40页

图6.3.

噪声过滤和高频率关闭

凝固点衡量和2DOF

终结

调谐

计算机执行

在使用PID控制器的时候，有些问题就会涌现出来，但他们实际上最重要的是在所有控制中的

实施。许多问题与反馈本身是紧密地联系在一起的。其中，有些在早期的一些资料中就已经被研究

过。

6.3过滤和凝固点的衡量

微分对噪声总是敏感的。像G(s)=s的微分器。以下的例子可以有力的说明。

例子6.1-DIFFERENTIATION放大高频率噪音，参考信号

tttntty

nnasinsinsin

这里的噪声是正弦信号，频率为w。信号的导数是



tttnt

tdy

nnacoscoscos

针对噪音的信号比率为原始的信号是1倍，但噪音的信号比率是被区分的。如果w是足够大的

这个比率是可能任意提高的。

从一种积分作用控制器来看，是有必要限制积分范围的，以得到高频率。这可以由做积分的范

围决定





6.2

替换D=sT

Y。由（6.2）的f得到的近似值，可以解释为理想的积分sT

过滤了由一个以时间

常数Td/N的优先处理的系统。近似值以一种低频率信号组分。但是,这种获取,限制了KN。这就意

味着,高频率测量噪声大多由因素KN被放大，N的典型的价值是8到20。

高频率获取的进一步

测量y对控制装置输出u的一种PID控制器与近似积分是

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第31页共40页



















KSC

这种控制器有稳定的输入

NsCK





1lim

由于在高频率，因而决定从强度问题讨论,这可能有另外达到低通过滤的控制信号



n



这里T

是过滤器时间常数。T

选择在过滤的范围和起点之间。如果选择时间，T

＝T

/N是适

当的选择。如果控制器是唯一的PI，Tf＝T

/N可能是适当的。

控制器也可能被实施，就像

N

KsC

i















16.3

这个结构的好处,我们能将其开发设计为一种理想的PID控制器和使用一种设计程序方法。控

制器首先被设计为处理P(s)，设计给控制器参量Td，一种理想的控制器为P(s)/(1+sTd/N)2，然后重

新给Td符值，这样做将有一张清楚的滤波图片。

设定点权衡

当使用（6.1）提供的控制规则时，参考信号的变化会在控制信号上产生波动。这种情况是不好

的，因此，输出的信号被用于参考信号。这个问题应在控制器设计前考虑，得以避免，另外的一种

可能性在参考信号的部份上，这叫做关键点权衡。PID控制器由(6.1)提供，然后写成































tdy

tdr

cdetytbrKtuT

6.4

b和c是另外的参量，必须根据误差反馈来保证期望的稳定状态。控制器由（6.4.）提供，因为

从y到u的信号路径与r到u不同，所以用自由结构，从r到u。















T

bKs

sU1

6.5

Timet

图6.4在参考系统以另外固定点衡量b=0,b=0.5和b=1.0。传递作用P(s)=1/(s+1)3和控制器参

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第32页共40页

量是k=3,ki=1.5和kd=1.5。

并且传递作用从y到u是















T

sU1

16.6

定点衡量是因为控制器是一种特殊二阶系统。

控制器(6.4)反应加载干扰和测量噪声以与控制器相似。在表6.4说明对参考价的反应可能被参

量b和c修改。展示PID控制器对信号一点的变动的反应,增加扰动,并且在b的不同的值计量误差。

图清楚地显示改变b的作用。信号点的变动是在b=0,

参量c通常是零，为避免由于瞬间在信号一点上的突然的变化。

6.4不同参数

PID算法由方程式(6.1)提供，并且传递函数的代表为















T

KsG

16.7

diKK







6.8

TTTdii

6.9

d







对应于控制器形式，可导出

TTdi4

给定参量

TTid

K411







Tid

411

6.10



Tid

411



控制器方程式(6.7)只是一般的,并且我们正在使用。但是,有些控制器更加容易手工调节。

重点记住,不同的控制器也许有不同的结构，当工作与PID控制器合作的时候，不同的控制器

可能有不同的结构。（在与PID控制器合作的时候，不同的控制器可能有不同的结构。）如果控制器

由其它类型控制器替换,控制器参数必须被改变。

当控制器的I和D部分被使用。如果我们只使用控制器作为P,PI,或PD控制器,二个形式是

等效的。PID算法的另一个表示法

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k

ksG



6.11

参量与标准格式的转换

Kk

T

K

方程（6.11）是对标准形式的变换，但是参数值是不同的。这可能为任何一个有不同观点，或

者不了解的人带来很大的困难，特别是如果参数1/ki整体的时间和k

导出时间，如果k

叫做整合时

间，会更难以理解。由于参数线的出现，所以时常方程（6.11）这种形式在分析计算中经常用到。

这种表示法也有好处,它可能获得纯比例,积分式。

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附录

附录A：源程序

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第37页共40页

附录B：元器件清单

器件名称型号数量备注

PLCFX0N60MR1

光电耦合器

TLP5218

显示译码器

74LS481

按键开关脉冲按键

电阻

3k8

电阻

1k8

继电器

电阻

51k2

电容

10uF/25v1

电容

30pF2

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附录C：电路总图

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附录D：实物图

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第40页共40页

致谢

借此论文结束之际，我首先要感谢我的导师在大学四年里对我的栽培。本论文是在老师的悉心

指导下才完成的。刘老师学识渊博，为人和善。他不仅在学术上给了我指导，在生活上也给了我无

尽的关怀。这一切都将使我终身难忘。

我要感谢我系的各位老师，在设计过程中，我系的老师们给了我很多种肯定的建议，使我的论

文得以顺利的完成。也要感谢各位老师在四年来对我学习和生活上的关心和帮助。

我要感谢所有的师弟师妹们，在这个团结奋斗、积极向上、充满爱心的集体中，我获得了不断

进取的动力。

最后，我要感谢我的家人，是他们在背后默默无闻的奉献，才使我有充足的时间和充裕的精力

顺利完成我的学业。

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