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计算机数据采集卡电源模拟量输入温度传感器PN操作屏可编程控制器PLC模拟量输出比例调节阀热水出口冷水流量冷水进口换热器电源
图2-2 模拟实验平台温度控制和采集系统
2.3本章小结
本章先是对我们整个系统的工作原理进行简单的介绍，通过系统的工作原理图，提出对本论文所做工作的要求。接着本章主要介绍的PID控制系统的方案设计，并对整体方案控制方式和控制流程进行说明。
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第三章 模糊PID控制系统的设计
3.1 控制策略 3.1.1 PID控制介绍
PID控制也就是 Proportional Integral Derivative，它是一种最早发展起来的控制系统，他因算法简单、稳定性较好以及具有高可靠性等特点，在最早的工业过程控制中被广泛的应用[9]。
在控制系统的理论中，PID是一种在很早就已经就成熟了的经典控制方法之一，它在控制理论日新月异的高速发展的情况下依旧在工业实际中广泛的应用，因为它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点顺利的在时代潮流中顽强的生存了下来，并且占据垄断的地位，成为工业控制的主要技术之一。就目前存在的大部分的控制系统中有着一个缺陷就是在被控对象的结构和参数无法完全掌握的情况下，或是数学模型不能精确的得到时，其控制技术无法有效展开。在这个时候我们必须依靠丰富的经验和现场的调试来确定系统控制器内的结构和参数，在这是PID就可以发挥它的作用，其简便化的操作可以省却不少的麻烦。因此当我们对一个系统 或是被控对象不能较好的了解时，或系统参数不能通过一般的测量手段有效的获得时，PID控制技术就成了我们最好的选择[10]。PID控制在实际的控制环节中有PI和PD控制。PID控制器的控制是以系统的误差为依据，采用比例、积分以及微分计算出所需要的控制量对系统进行控制。
从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、滞后－超前校正可以总结为比例、积分、微分三种运算及其组合。
在对PID控制器系统进行设计时，我们首先需要考虑的是参数的整定，即根据被控对象的特点及要求来确定PID控制器的积分时间（Ki）、微分时间（Kd）和比例系数（Kp）等参数。总体来说，PID控制器的参数整定方法有两大类，即理论计算整定和工程整定两种方法[11]。对于理论计算整定的方法，主要是通过对控制器的参数进行理论计算。由于未经过工程实际的应用的检测，因此我们还需要在实际的工程应用中对计算结果进行调试及修改。而工程整定的方法主要是依靠设计人员的工程经验，直接在实际平台上对控制系统进行试验和实际调试。这种方法既简单而且有易于掌握，在实际工程应用中被广泛采用。但是由于个人经
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验及操作的原因，并不适合于所有操作人员。PID控制器通过工程整定的方法确定参数主要有三种方法。第一种方法为临界比例的方法也是使用最多的一种方法，即首先选择一个比较短的周期工作进行采样，然后加入比例控制环节，观察阶跃响应知道出现临界震荡并记下此时的临界震荡周期和比例放大系数，最后通过计算公式计算出PID的控制参数[12]。第二种方法为反应曲线法，第三种方法为衰减法。由于这两种方法使用较少在这里就不多介绍。另外，这三种方法所得到的控制器参数由于只是通过特殊情况下所得到，都需要在实际运行中再次进行调试、修改及完善。而PID调试一般遵循三个原则 ：在输出不振荡时，增大微分时间常数Td、即在输出不振荡时，可以增大比例增益Kp、在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
3.1.2 系统控制过程
设定换热器的热水出口温度为40℃，温度传感器检测换热器热水出口温度值与设定的40℃相比较，以经过模拟量输入模块将电流信号输入可编程控制器PLC中，可编程控制器PLC经模拟量输出模块以电压信号的形式控制比例调节阀的阀门开度使冷水的流量不断变化，使热水的出口温度值接近40℃。
3.2 基于西门子STEP7 的模糊PID控制系统设计 3.2.1 PLC控制器介绍
根据本文的总体方案设计，我们决定采用西门子S7-1200型号PLC控制器来进行数据控制。
SIMATICS7-1200就目前来说是一款比较紧凑、模块分布合理的PLC控制器，它一般运用在简单的逻辑控制、高级的逻辑控制、HMI以及网络通信等目前普遍使用的设备。这款设备在单机小型自动化系统中，是较为完美的解决方案。在目前的自动化系统中，网络通信功能和单屏或多屏HMI功能是必不可少的。这款设备的有点就是易于设计和实施。而且具有支持小型的运动控制系统、过程控制系统的高级应用功能等。。
SIMATIC S7-1200 控制器可以实现模块分布合理和紧凑的设计，功能十分强大、投资相对安全并且完全适合于各种应用。可扩展能力十分强、灵活度也非常高的设计，可以实现最高的标准工业通信的通信接口和一整套强大的集成技术功
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能，这使该控制器成为完整的、全面的自动化解决方案中重要组成部分。
我们选择使用完全集成的新工程组态 SIMATIC STEP 7 Basic，并借助 SIMATIC WinCC Basic 对 SIMATIC S7-1200 进行编程。SIMATIC STEP 7 Basic 的设计理念是可以让我们对于程序而已直观的、易学和易用。这种设计理念可以使用户在工程组态中实现工作的最高效率。一些智能功能，例如直观编辑器、拖放功能和“IntelliSense”（智能感知）等工具，能让用户的工程进行的更加迅速。这款新软件的体系结构来源于创新的不断追求，西门子在软件开发领域上有着很多年的经验，因此 SIMATIC STEP 7 的设计可以在未来长时间的使用且不会被时代所抛弃。
3.2.2 PLC编程软件介绍
对PLC S1200进行编程的专用软件为STEP7编程软件，我们这里使用的为STEP7 V12版本进行程序编写，同时可以用于对PLC进行组态。STEP7 软件所包含一系列的应用工具，比如说符号编辑器、编程语言、网络组态、硬件组态、硬件诊断、SIMATIC 管理器等十分便捷的工具应用[13]。我们在使用STEP7进行软件编程时，可以自由方便的选择所匹配的硬件设备，并且对硬件以及连接网络进行组态，同时还可以直观方便的进行替换或修改。在编程方面，我们可以选择在线编程或是离线编程的功能，并可以在互联网上对PLC中的程序进行上传和下载。通过STEP7软件，我们可以方便的创建一个较为便捷的项目方案。
当我们在硬件和连接网络的组态完成后，可以对参数进行赋值建立参数表，同时根据参数和程序要求来创建程序。在这些工作都完成之后，我们通过在线连接，下载编写的这个或是部分的程序到受控可编程序控制器中。在下载到PLC的CPU之前，我们需要通过在线控制，将PLC的工作方式由RUN模式改为STOP模式。而在进行调试的时候，我们在将PLC改为RUN模式。
PLC在运行地时候所产生的数据在电源断电以及CPU复位时将会被系统自动保留。另外，我们可以从可以从一个S7 CPU中上传块，或者可编程控制器中上传一个工作站PG/PC。故此，当系统出现故障而不能访问到程序文档的符号或注释时，我们就可以在 PG/PC 中编辑它。
在对S7-1200PLC进行编程时 ，可以选用梯形图，语句表和功能块图等编程语言进行编写。 梯形图 是STEP7 编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一
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