1第一章緒論1.1PLC的定義及現狀隨著電子技術的發展，可編程控制器(ProgrammableLogicController.以下簡稱PLC)由原來簡單的邏輯量控制，逐步具備了計算機控制系統的功能，同時，還具有抗干擾性強、可靠性強、體積小、編程方便、修改容易、網絡功能強大等顯著優點，它可以與計算機一起組成功能完備的控制系統。PLC在工業控制領域得到了廣泛的應用，在PLC組成的控制系統中，一般由上、下位微機組成主從式控制系統。PLC作為下位機，完成數據采集、狀態判別、輸入輸出控制等，上位機（微型計算機、工業控制機），完成采集數據信息的存儲、分析處理、復雜運算、狀態顯示以及打印輸出，以實現對系統的實時監控。微型計算機與PLC組成的主從式實時監控系統，能夠充分發揮各自的優點和功能，實現優勢互補。PLC的定義如下：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下應用而設計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原理設計”1。S7-300的CPU具有豐富的指令功能，編程十分方便。采用PLC作為溫度控制系統的核心，克服了以往儀表控制的單回路調節器的缺點，可以由用戶自己定義控溫曲線，同時利用PLC控制邏輯量的優點，與輸入、輸出信號通過簡單的編程實現連鎖，可以對各種故障情況及時做出反應，使控制系統更加安全可靠。1.2過程工業控制算法的應用現狀(1)PID控制算法大量的事實證明，傳統的PID控制算法對于絕大部分工業過程的被控對象(高達90%)可取得較好的控制結果。采用改進的PID算法或者將PID算法與其他算法進行有機的結合往往可以進一步提高控制質量。(2)預測控制預測控制是直接從工業過程控制中產生的一類基于模型的新型控制算法.它高度結合了工業實際的要求，綜合控制質量比較高，因而很快引起工業控制界以及學術界的廣泛興趣與重視。預測控制有三要素，即預測模型、滾動優化和反饋校正。它的機理表明它是一種開放式的控制策略,體現了人們在處理帶有不確定性問題時的一種通用的思想方法。(3)自適應控制2在過程工業中，不少的過程是時變的，如采用參數與結構固定不變的控制器，則控制系統的性能會不斷惡化，這時就需要采用自適應控制系統來適應時變的過程。它是辨識與控制的結合。目前，比較成熟的自適應控制分三類:A、自整定調節器及其它簡單自適應控制器；B、模型參考自適應控制；C、自校正調節與控制。自適應控制己在工程實際中得到了不少的應用，但它至今仍然有許多待進一步解決的問題(特別在參數估計方面)，這些問題不解決，自適應控制的廣泛應用仍將遇到許多困難。（4）智能控制隨著科學技術的發展，對工業過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數的自適應和自學習能力。另外，被控工業過程日趨復雜，過程嚴重的非線性和不確定性，使許多系統無法用數學模型精確描述。沒有精確的數學模型作前提，傳統控制系統的性能將大打折扣。對于復雜的工業過程往往可以取得很好的控制效果。常見的智能控制方法有以下幾種:模糊控制、分級遞階智能控制、專家控制、人工神經元網絡控制、擬人智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明將它們相互交叉結合或與傳統的控制方法結合將會產生更佳的效果16。智能控制在家電行業及工業過程中取得了許多成功的應用。在國內外，模糊控制與人工神經元網絡也在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業取得了成功的應用。1.3預測控制的歷史和發展現狀以狀態空間法為基礎的現代控制理論從60年代初期發展以來，已取得了很大進展，對自動控制技術的發展起到了積極的推動作用。但隨著科學技術和生產的迅速發展，對大型、復雜和不確定性系統實行自動控制的要求不斷提高，使得現代控制理論的局限性日益明顯。一般來說，實際工業過程常具有非線性、時變性和不確定性，且絕大多數工業過程是多變量的，難以建立它們精確的數學模型。即使一些對象能夠建立數學模型，它們的結構也往往十分復雜，難于設計并實現有效控制。近年發展起來的自適應、自校正控制技術，雖然能在一定程度上解決不確定性問題，但其本質仍然要求在線辨識對象模型，所以算法復雜，計算量大，且它對過程的未建模動態和擾動的適應能力差，系統的魯棒性問題尚有待進一步解決，因此應用范圍也受到限制。基于上述情況，在工業過程控制領域，應用現代控制理論設計的過程控制器的控制效果，往往還不如按經典理論設計的PID調節器好。因此，到目前為止，在工業過程中，占統治地位的仍然是經典的PID調節器。為了克服理論與應用間的上述不協調現象，從70年代以來，人們除了加強對生產過程的建模、系統辨識、自適應控制、魯棒控制等的研究外，開始打破傳統控制思想的束縛，試圖面向工業過程的特點，尋找各種對模型要求低、在線計算方便、控制綜合效果好的算法。隨著數字計算機向小型、高速、大容量、低成本方向的發展，也為這類新算法的實現提供了物質基礎。預測控制就是這種情況下發展起來的一類新型計算機控制算法。預測控制不是某一種統一理論的產物，而是在工業實踐過程中獨立發展起來的。它是由美國和法國幾家公司在70年代先后提出的。而且一經問世，就在石油、電力和航空等工業中得到十分成功的應用。隨后又相繼出現了各種其他相近的算法，到目前為止已有幾十種之多，可統稱為預測控制算法。最早應用于工業過程的預測控制算法，有Richalet、Mehra等提出的、建立在非參數模型脈沖響應基礎上的模3型預測啟發控制(MPHC)，或稱為模型算法控制(MAC)，以及Culter等提出的、建立在非參數模型階躍響應基礎上的動態矩陣控制(DMC)等。由于這類算法用來描述過程動態行為的信息，是直接從生產現場檢測到的過程響應(即脈沖響應或階躍響應)，且不需要事先知道過程模型的結構和參數的有關先驗知識，也不必通過復雜的系統辨識來建立過程的數學模型，即可根據某一優化指標設計控制系統，確定一個控制量的時間序列，使未來一段時間內被調量與經過柔化后的期望軌跡之間誤差為最小。由于預測控制算法采用的是不斷在線優化，且在優化過程中不斷通過實測系統輸出與預測模型輸出誤差和某些不確定性干擾等的影響，使系統的魯棒性得到增強，適用于控制復雜工業生產過程。1.4現場總線現場總線(Profibus)就是通訊總線一直延伸的現場儀表，使得許多現場儀表，如變送器、調節閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC及手持終端和控制室自動化設備間可以在同一總線上進行雙向多信息數字通信。形象一點，可以把現場總線看成是用全數字化、多向、多變量的通信方式來替代目前使用的4-20mA單變量單向模擬傳輸方式9。現場總線的功能特點及趨勢如下：a.設備的互操功能現場總線的互操性是指允許現場總線中集成不同廠家的產品。并允許用不同廠家的設備來更換故障設備。現場總線設備的互操性由功能塊和設備描述兩個基本部分來保證。功能塊提供了通用的結構,適用于定義的輸入、輸出、控制算法、事件、報警和塊控制圖。各廠家的相同等級的設備的功能塊是通用的,這樣就保證了系統的完整性。功能塊還允許功能的轉移,尤其是將控制策略轉移到現場設備上去。例如:通過現場總線的數據通信,將PID控制策略轉移到現場智能執行器中去,DCS可以去完成別的功能。b.設備的管理功能隨著生產的發展,人們對生產過程和生產過程設備的管理水平不斷提高,對質量管理,法規執行情況的監督要求也不斷提高。這要求過程控制系統不僅能傳送生產過程的控制信息,還要能傳送大量的非控制信息。現行的生產過程控制系統中所傳送的信息,大部分為與生產過程控制有關的控制信息。今后的生產過程中,總的信息量是會有較大的增加，其中控制信息量所占的比重要小于非控制信息量所占的比重。現場各種智能化設備的廣泛使用和非控制信息量的加大為在線管理生產過程的現場設備提供了可能。使過程控制變化為過程管理,即:過程管理=過程控制+設備管理。1.5論文內容的研究工作本文的主要內容包括：PID參數的整定及各個參數的控制性能的比較；DMC算法的熟悉及應用PLC語句編程來控制熱交換器熱水出水口的溫度；S7-300可編程控制器的硬件組態的掌握；應用PID控制算法和DMC算法所得到的實驗曲線分析以及在過程控制中遇到的問題分析。4第二章溫度控制系統溫度控制系統是用于控制理論算法研究的良好的實驗手段。本章將主要介紹溫度控制實驗系統和控制方案的設計。2.1過程控制實驗對象系統在畢業設計中用到的有惠爾儀器的AE2000A型過程控制實驗對象系統、AE2000A型過程控制實驗儀表控制臺和西門子PLC（S7-300系列）控制系統。溫度控制系統的原理圖如圖2-3所示。閥111為手動閥溫度傳感器：Pt100熱電阻，經過溫度變送器送出420mA的電流單向泵1：家用型單向泵渦輪流量計：輸出信號：420mA，測量范圍：00.6m3/h壓力表：測量范圍：00.25MPaQS智能型電動調節閥：輸出電流420mA單相可控硅移相調壓：通過420mA電流控制信號控制單相220V交流電源在0220V之間根據控制電流的大小實現連續變化2.2西門子PLC控制系統大、中型PLC（例如西門子的S7-300和S7-400系列）一般采用模塊式結構，用搭積木的方法來組成系統，模塊式PLC由機架和模塊組成，S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊和功能模塊能滿足各種領域的自動控制任務，用戶可以根據系統的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。當系統規模擴大和更為復雜的時候，可以增加模塊，對PLC進行擴展。簡單實用的分布式結構和強大的通信聯網能力，使其應用十分靈活。S7-300的CPU模塊集成了過程控制功能，用于執行用戶程序。每個CPU都有一個編程用的RS-485接口，現在使用的實驗系統裝置帶有了集成的現場總線PROFIBUS