高低温交变试验箱中PID控制新方法的应用

  我国工业与科学技术发展的过程中，温度试验箱越来越多地被运用，这种环境试验设备的的作用是用来做特定的环境试验，进而满足某些相应产品的试验需求，并最终达到检测和鉴定的目的，以往对于试验箱的控制大多是通过仪表结合有纸记录仪来进行的，功能略显单调，不能更完整更高效地完善数据的保存和图形的显示等，基于此，我们以高低温交变试验箱为例，为其设计了一种微机自动控制系统，主要由PC机和PLC构成，如图1，为其系统的结构，并在后续的研究中为其的应用等展开了分析。

1、  高低温实验箱PID控制新方法的结构及组成分析

我们设计的高低温交变试验箱控制系统中运用到了PLC和PC机，综合看来，试验箱体积为3m3，运用了西门子PLC S7-200，并通过控制柜实现了对高低温试验箱的加热器和制冷机组等设备的控制，而上位机由PC机构成，其在自由端口的通信方面的作用是由PLC通过PPI电缆实现的，并在此基础上，可根据现场数据进行温度的数据管理、图形显示以及控制决策等作用，为实验的更好更完善进行提供了保障，高低温交变试验箱的温度介于-100℃到+200℃之间，相应的温度精度为±1℃，实现的精确性打发下了基础。

2、  高低温实验箱控制系统主回路分析

本次设计中，高低温试验箱设备的控制系统的制冷机组分为两套，分别是由接触器K1和K2控制的M1和M2，此外，K3接触器控制的M3为试验箱室内风机，对其的运用可实现室内温度的均匀，K4和K5分别控制两套电加热器，可控制其断开或接通，并由固态继电器SSR进行加热控制，如图2所示。

3、  高低温实验箱控制回路设计分析

我们进行的此次研究中，运用了西门子公司的S7-200系列的PLC进行试验箱的设备控制，其具有稳定性好，设计灵活的特点，被越来越多地被工控界运用，最明显的应用便是在分布式控制系统中的运用，本次设计的控制系统中，以被控设备的特点及数量为依据，我们选用了PLC的CPU模块为S7-200，EM231为其扩展模块，设计的具体信息如图3所示。

如上，在此设计的运用中， 试验箱的温度由Pt100传感器通过EM231获得，在测量精度方面，使用了三线制接法，形成了对测量精度的有效保证，另外，2台制冷机组分别由输出端的Q0.0和Q0.1控制，而试验箱室内风机则由Q0.2进行控制，Q0.4和Q0.3分别控制的为2套电加热器，试验箱室内的照明的控制由Q0.5控制。在我们设计的控制回路中，电加热器的加热控制由Q1.0通过SSR实现，对系统的状态信号S1~S6的输入控制由输入端的I0.0~I0.5来完成其中，S1、S2为指令机组1、2的超压信号，S5、S6为制冷机组1、2电极过载信号，而S3、S4则分别为制冷机组1、2油压故障信号，共同组成了控制回路。

在此设计中，系统的温度控制算法由上位PC机来是实现，并经PPI实现将运算结果=传送给PLC，对于SSR的控制，最终是由Q1.0来进行的，具体的流程如图4所示。

4、高低温实验箱的温度控制

此设计对于温度的控制，采用了常用的PID算法来进行，实现了实际调节的方便性，并将对PID参数的整定的认真分析贯穿了整个控制过程，在此基础上，设计了一种PID 参数生成器，有效改善了对系统温度的控制效果。本次PID控制对于温度的控制式按照曲来进行的，如图5，共由4控温段组成，分别为恒温段T4，降温端T3，以及恒温段T2和上升段T1四部分，为保证在T2和T4段系统无差以及实现试验中需求的控温精度，使实际的控温曲线跟踪好设定曲线很重要，其中最为关键的技术便是PID的参数整定，随着投入的制冷剂组和加热器的增多和减少和试件种类的改变，试验箱的温度对象参数也要跟着改变，基于此，在设计的过程中，我们为控制系统设计了一个温度控制PID参数生成器，其具体的作用是根据试验情况和控温段的不同生成不同的PID参数，该控温段的控制参数的确定矩阵如下：

式（1）中，设第n个控温段的PID参数分别为Pn、In和Dn，系统的基本PID参数有P0、I0、D0，在前述基础上，第n个温控段与试验相关的I、P、和D的系数函数为Fn（I）、Fn（P）、Fn（D），PID参数生成器通过上位PC机编程是很容易实现，具有一定的适应性，此外，对于特殊的相关参数，获取的方法也不同，需通过实际系统的调试来实现，除此之外，在此控制、系统的实际运作中，需要采用增量式PID算法，并通过采用位式输出来实现输出的需求，也就是在=运用过程中在时间周期T内，对SSR的导通时间的控制按照PID输出的归一化（0~1）结果来实施，在此基础上实现对温度的有效调节，其控制原理图如图5，其中Tf表示实际温度，Ts表示设定温度。

5  PC机软件设计及应用

在此控制系统的设计过程中，我们运用VB6进行上位PC机的软件设计，这种设计体系下，其在功能方面主要表现为三种任务，其中第一种为实现PC机遇PLC的通信，第二种任务为进行试验箱的温度控制，最后一种任务为实现数据管理与曲线编辑，综合的实现对高低温交变试验箱的控制，保证实验的有效进行。

利用PPI电缆通过PC机的PLC的自由端口和COM口，就可实现PC机与PLC的通信，其中的通信波特率为9600bps。而此过程中对于试验箱温度的控制主要是根据PID控制算法和PID参数生成器来进行的，因为实验过程中的数据和图形要通过数据库进行管理，且也需要经常更改温度的设定曲线，基于此原因，控制程序的设计中对于数据管理和曲线编辑程序的设计也是一定要有的，除上述组成部分的设计与应用外，在界面的设计上，应当跟根据高低温交变试验箱运用的需要，整合动画图形等现有的先进科学技术，进而达到操作方便且力求界面友好的效果，要吸引用户，满足用户的审美标准。试验箱软件的具体功能大致分为五种，分别为：（1）实验过程中各种故障报警功能；（2）任意设定控温曲线及相关控制参数；

（3）实验数据库管理机报表打印功能；（3）实时显示温度数据曲线，及缩放功能；（5）可以在进行高低温实验的过程中对每个控温段投入的加热器及制冷机个数进行任意设定，以达到试验对温度的各种需求。保证试验的有效进行。

6  结束语

综上所述，本文通过对高低温交变试验箱微机控制系统的设计及应用进行分析研究，得出了高低温交变试验箱中PID新方法具有操作简单，功能强大以及运行可靠的控制效果，相比于传统的仪表控制方式，高低温交变试验箱中PID新方法具有界面友好、时间简洁以及可管图形、数据等诸多优势，特别是上位PC机的强大图像显示效果，远超传统控制仪器的控制， 经我们后续的研究探讨发现，高低温交变试验箱中PID新方法的控制原理具有广泛的适用性，可在其他种类的环境试验设备中进行运用前景广阔，颇具推广价值。应当大力推广使用，促进实验的高效进行，进而促进我国科技的不断发展。

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