鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)建模和控制器設(shè)計(jì)

1、中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)姓 名： 陳寇忠 學(xué) 號(hào)： 04071702 學(xué) 院： 信息與電氣工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 201010 設(shè)計(jì)題目： 鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)建模和控制器設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 郭西進(jìn) 職 稱(chēng)： 教授 2010年 6 月 徐州目 錄1 緒論11.1 課題簡(jiǎn)介11.2 溫度控制方式研究現(xiàn)狀11.2.1 傳統(tǒng)控制方法PID控制算法1 模糊控制21.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制2 自適應(yīng)控制31.2.5 PID控制方法和其他控制方法的結(jié)合使用41.3 本文所做的工作62 溫度控制系統(tǒng)的概述72.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)述72.2 溫度控制系統(tǒng)概述13 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖13

2、調(diào)節(jié)器及其基本調(diào)節(jié)規(guī)律132.2.3 執(zhí)行器142.2.4 被控對(duì)象142.2.5 檢測(cè)元件143 溫箱系統(tǒng)建模153.1 數(shù)學(xué)模型概述153.2 溫箱數(shù)學(xué)模型的建立163.3 系統(tǒng)建模184 PID控制方案184.1 PID控制概述184.2 PID控制原理19 模擬PID控制器19 數(shù)字PID控制器20 S7-300控制PID實(shí)現(xiàn)234.3 PID控制整定方法25 ZieglerNichols整定公式25 最優(yōu)PID控制器26 自整定PID控制器284.4 PID控制仿真284.4.1 建模284.4.2 系統(tǒng)仿真314.4.3 分析比較355 結(jié)論366 體 會(huì)377 參考文獻(xiàn)381 緒

3、 論1.1 課題簡(jiǎn)介這學(xué)期我們學(xué)習(xí)了過(guò)程控制系統(tǒng)與自動(dòng)化儀表，它是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)比較重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課。過(guò)程控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統(tǒng)。溫度是國(guó)際單位制中七個(gè)基本量之一，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域都占有極為重要的地位，因此，對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制也是科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要解決的重要問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)溫度控制進(jìn)行進(jìn)一步的研究。THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置包括溫度、壓力、流量、液位等多種被控參數(shù)；同時(shí)也包括位式控制、模擬PID控制、智能儀表控制、單片機(jī)控

4、制 、PLC控制、計(jì)算機(jī)控制等多種控制方式。本文主要對(duì)溫度控制方式中的幾種方式進(jìn)行深一步的探討、研究。1.2溫度控制方式研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)控制方法PID控制算法目前大部分溫度控制器還是采用PID控制算法，PID控制是比例積分微分控制，PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的、應(yīng)用領(lǐng)域至今仍然廣泛的控制策略之一。它是基于對(duì)象數(shù)學(xué)模型的方法，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。這種算法對(duì)固定參數(shù)的線(xiàn)性定常系統(tǒng)是非常有效的，一般都得到比較滿(mǎn)意的控制效果。其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于PID控制器各個(gè)參數(shù)的整定，但是對(duì)不同的溫度控制對(duì)象要用不同的PID參數(shù)，而且參數(shù)整定比較麻煩。PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖11所示。 圖11

5、 PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高。盡管如此，由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線(xiàn)性和時(shí)變不確定性，難以確定精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果。另外，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)PID參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。故實(shí)際的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然采用試湊的辦法對(duì)之加以解決，因此，控制精度必然受到制約。模糊控制自從1974年E.H.Majndani等人研制成功第一臺(tái)Fuzzy控制器以來(lái)，F(xiàn)uzzy控制理論和方法引起了許多專(zhuān)家學(xué)者的極大興趣，模糊自動(dòng)控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一

6、種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，從線(xiàn)性控制與非線(xiàn)性控制的角度分類(lèi)，模糊控制是一種非線(xiàn)性控制。從控制器的智能型看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的形式，尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及混沌理論等新學(xué)科的互0相融合，模糊邏輯控制技術(shù)作為一種新的控制技術(shù)，可以模仿人的思維方法，運(yùn)用不確定不精確的模糊信息來(lái)決策實(shí)現(xiàn)成功的控制。用模糊邏輯實(shí)現(xiàn)控制，只需要關(guān)心功能目標(biāo)而不是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究的重點(diǎn)是控制器本身而不是被控對(duì)象。所以這種控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，模糊控制因?yàn)橛休^快的響應(yīng)，能夠克服非線(xiàn)性因素的影響等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程控制中得到了廣泛的

7、應(yīng)用。模糊控制系統(tǒng)的原理框圖如圖12所示。 圖12 模糊控制原理框圖 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制或簡(jiǎn)稱(chēng)神經(jīng)控制，是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一工具對(duì)難以精確描述的復(fù)雜的非線(xiàn)性對(duì)象進(jìn)行建模，或充當(dāng)控制器，或優(yōu)化計(jì)算，或進(jìn)行推理，或故障診斷等，以及同時(shí)兼有上述某些功能的組合，將這樣的系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，稱(chēng)這種控制方式為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的原理框圖如圖13所示。 圖13 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理框圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的作用分為以下幾種:(l)在基于精確模型的各種控制結(jié)構(gòu)中充當(dāng)對(duì)象的模型，(2)在反饋控制系統(tǒng)中直接充當(dāng)控制器的作用;(3)在傳統(tǒng)控制中起優(yōu)化計(jì)算的作用;

8、(4)在與其他智能控制方法和優(yōu)化算法，如模糊控制、專(zhuān)家控制及遺傳算法等相融合中，為其提供非參數(shù)化對(duì)象模型、優(yōu)化參數(shù)、推理模型及故障診斷等。自適應(yīng)控制對(duì)于自適應(yīng)控制的定義人們尚未給出一個(gè)廣泛采納的概念，因?yàn)樽赃m應(yīng)控制是一種針對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)的控制方法，其特性十分復(fù)雜。暫且定義為自適應(yīng)控制是一類(lèi)特定的非線(xiàn)性反饋控制，具有一定的適應(yīng)能力，能夠認(rèn)識(shí)環(huán)境條件的變化，并自動(dòng)校正控制動(dòng)作，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)或者次優(yōu)的控制。自適應(yīng)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的顯著區(qū)別在于它包含性能指標(biāo)閉環(huán)。具有“辨識(shí)、決策、修改”的功能，從而使系統(tǒng)在不同的環(huán)境中能達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的控制效果。雖然沒(méi)有一個(gè)明確的定義，但沒(méi)有阻擋住人們對(duì)自適應(yīng)控制的研究

9、。人們主要致力于自適應(yīng)控制和其他理論的結(jié)合，并研究出了多種控制方法。人們?cè)谧赃m應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、收斂性、魯棒性方面作了大量的工作，但自適應(yīng)控制的理論進(jìn)展比較緩慢，許多研究工作在理論上仍未達(dá)到合理和完整的程度。自適應(yīng)控制的原理框圖如圖14所示。 圖14 自適應(yīng)控制原理框圖1.2.5 PID控制和其他控制方法的結(jié)合使用PID控制由于算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，尤其使用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的線(xiàn)性定常參數(shù)系統(tǒng)，但實(shí)際工業(yè)過(guò)程往往具有非線(xiàn)性、時(shí)變性等不確定因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以常規(guī)PID控制器難以實(shí)現(xiàn)有效控制；在實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的

10、因擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直尋求PID控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。隨著智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究和應(yīng)用的深入于發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型智能型PID自整定控制器。（1）FuzzyPID控制算法 FuzzyPID控制實(shí)際上是針對(duì)PID控制及模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種分段式模糊PID控制方法，把兩者有效地結(jié)合起來(lái)，F(xiàn)uzzyPID復(fù)合控制器具有以下特點(diǎn)： 使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，不僅上升時(shí)間快，而且超調(diào)量??；系統(tǒng)具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)，穩(wěn)態(tài)過(guò)程沒(méi)有振蕩，控制精度高；使系統(tǒng)的 抗干擾能力增強(qiáng)

11、，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種噪聲和干擾具有較好的抑制作用；當(dāng)被控過(guò)程參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)仍能保持較好的適應(yīng)能力和魯棒性。模糊PID控制的原理框圖如圖15所示：圖15 模糊PID控制原理框圖（2）AdaptivePID控制算法AdaptivePID控制是結(jié)合自適應(yīng)控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)而形成的一種控制算法。按照控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)原理來(lái)分，自適應(yīng)PID控制器可分為五大類(lèi)，極點(diǎn)配置自適應(yīng)PID控制器，相消原理自適應(yīng)PID控制器，基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的自適應(yīng)PID控制器，基于二次型性能指標(biāo)的自適應(yīng)PID控制器和智能或?qū)＜易赃m應(yīng)PID控制器。自適應(yīng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)施且魯棒性強(qiáng)。但AdaptivePID

12、也有許多弱點(diǎn)，有些甚至是致命的：在一定的假設(shè)條件下，控制器具有全局收斂性和最優(yōu)性，但由于系統(tǒng)不確定的存在，將破壞這些假設(shè)條件，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)都是本質(zhì)非線(xiàn)性的 ，因此系統(tǒng)運(yùn)行的初值不僅會(huì)影響估計(jì)的精度 ，亦會(huì)影響收斂性。 在自適應(yīng)PID控制實(shí)施時(shí)系統(tǒng)參數(shù)的確定也會(huì)影響控制性能。（3） 模糊自適應(yīng)PID控制將模糊控制理論與自適應(yīng)控制理論應(yīng)用與PID控制器的參數(shù)整定，使PID控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)自動(dòng)適應(yīng)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型大參數(shù)變化。模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖16所示。 圖16模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的原理框圖模糊自適應(yīng)PID控制具有以以下特點(diǎn)：(1)這種控制充分利用了模糊控制

13、規(guī)則較少、系統(tǒng)簡(jiǎn)單而透明和自適應(yīng)理論較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力的優(yōu)勢(shì)。因此模糊自適應(yīng)PID控制器在改善被控過(guò)程的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和超調(diào)量等動(dòng)態(tài)性能以及對(duì)參數(shù)時(shí)變的適應(yīng)方面均優(yōu)于常規(guī)PID控制。(2)模糊自適應(yīng)PID控制的控制模型只用幾個(gè)簡(jiǎn)單的解析式便可完全描述，故用于在線(xiàn)確定控制作用的時(shí)間很短，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。(3)針對(duì)不同性質(zhì)的被控對(duì)象，可通過(guò)對(duì)模糊控制規(guī)則表、過(guò)程控制階段性切換式、參數(shù)整定算法等對(duì)應(yīng)的參數(shù)變量作適當(dāng)?shù)男薷?，即可使系統(tǒng)滿(mǎn)足一定的靈活性與穩(wěn)定性的要求。1.3 本文所做的工作本文研究了THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控對(duì)象是鍋爐內(nèi)膽，根據(jù)響應(yīng)曲

14、線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求出鍋爐內(nèi)膽的數(shù)學(xué)模型。用PLC S7-300 PID控制方案、PID、模糊PID復(fù)合控制、對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。用MATLAB對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。分析響應(yīng)曲線(xiàn)特性，比較控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)。2 溫度控制系統(tǒng)概述2.1實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)述本課題使用的實(shí)驗(yàn)裝置是THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，它根據(jù)自動(dòng)化及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，學(xué)習(xí)了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)了多次實(shí)驗(yàn)論證和精心設(shè)計(jì)。一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介本現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)是基于PROFIBUS通訊協(xié)議、在傳統(tǒng)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上升級(jí)而成的新一代過(guò)程控制系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置分為上位控制系統(tǒng)和控制對(duì)象兩部分

15、，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示：圖2-1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制對(duì)象總貌圖如圖2-2所示。圖2-2 控制對(duì)象總貌圖二、系統(tǒng)組成本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。被控對(duì)象被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、上、中、下三個(gè)串接圓筒形有機(jī)玻璃水箱、4.5Kw電加熱鍋爐(由不銹鋼內(nèi)膽和夾套構(gòu)成)、冷熱水交換盤(pán)管和敷塑不銹鋼管路組成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。 上、中、下水箱采用淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但

16、堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直能接觀察到液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。每個(gè)水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲(chǔ)水箱尺寸為：長(zhǎng)寬高=68cm5243。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測(cè)其溫度。 盤(pán)管：長(zhǎng)37米（43圈），可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤(pán)管上有兩個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，因而有

17、兩個(gè)不同的滯后時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的滯后時(shí)間。盤(pán)管出來(lái)的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)完成流量滯后實(shí)驗(yàn)。管道：整個(gè)系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，將球閥打開(kāi)讓水直接排出。2、檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來(lái)對(duì)上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其精度為0.

18、5級(jí)，因?yàn)闉槎€(xiàn)制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。溫度傳感器：本裝置采用六個(gè)Pt100傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤(pán)管的水溫。Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性能較好。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY-10，流量范圍：01.2m3/h，精度：1.0%。輸出：420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方

19、便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。3.可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 4.控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號(hào)為315-2DP，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通

20、訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。三、總線(xiàn)控制柜總線(xiàn)控制柜有以下幾部分構(gòu)成：1、直流電源：采用直流穩(wěn)壓電源，給主控單元和DP從站供電。2、控制站：控制站主要包含CPU、DP/PA耦合器、分布式I/O DP從站構(gòu)成。四、系統(tǒng)特點(diǎn)被控參數(shù)全面,涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。本裝置由控制對(duì)象、綜合上位控制系統(tǒng)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)三部分組成。真實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來(lái)源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。執(zhí)行器中既有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，又有變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有設(shè)定值階躍擾動(dòng)外，還可以通過(guò)對(duì)象中手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)。一個(gè)被調(diào)參數(shù)

21、可在不同動(dòng)力源、不同執(zhí)行器、不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使2個(gè)信號(hào)在本對(duì)象中存在著相互耦合，二者同時(shí)需要對(duì)原獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定，或進(jìn)行解耦實(shí)驗(yàn)，以符合工業(yè)實(shí)際的性能要求。能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)。五、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分，下位機(jī)軟件采用SIEMENS的STEP7，上位機(jī)軟件采用SIEMENS的WINCC，上、下位機(jī)軟件在后面的實(shí)驗(yàn)中將分別敘述。六、裝置的安全保護(hù)體系三相四線(xiàn)制總電源輸入經(jīng)帶漏電保護(hù)器裝置的三相四線(xiàn)制斷路器

22、進(jìn)入系統(tǒng)電源后又分為三相電源支路和不同的單相支路，每一支路給各自的負(fù)載供電?？傠娫丛O(shè)有通電指示燈和三相指示表。 下位機(jī)軟件中的硬件配置和程序結(jié)構(gòu) 一、STEP 7簡(jiǎn)介STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語(yǔ)句表。它是SIEMENS SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。STEP 7以其強(qiáng)大的功能和靈活的編程方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，總體說(shuō)來(lái)，它有如下功能特性： 可通過(guò)選擇SIMATIC工業(yè)軟件中的軟件產(chǎn)品進(jìn)行擴(kuò)展 為功能摸板和通訊處理器賦參數(shù)值 強(qiáng)制和多處理器模式 全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊 使用通訊功能塊的事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送 組態(tài)

23、連接二、STEP 7的硬件配置和程序結(jié)構(gòu) 一般來(lái)說(shuō)，要在STEP 7中完成一個(gè)完整自動(dòng)控制項(xiàng)目的下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)化任務(wù)解決方案、生成項(xiàng)目、組態(tài)硬件，生成程序、傳送程序到CPU并調(diào)試等步驟，其結(jié)構(gòu)流程圖如圖1-3所示。圖1-3 程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)流程圖從其流程圖來(lái)看，設(shè)計(jì)自動(dòng)化任務(wù)解決方案是首要的，它是根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)對(duì)此不做過(guò)多地闡述。在生成項(xiàng)目和傳送程序到CPU并調(diào)試步驟之間，有先組態(tài)硬件后生成程序和先生成程序后組態(tài)硬件兩種方案可供選擇，兩種方案本質(zhì)都是一樣的，可根據(jù)具體情況和習(xí)慣來(lái)選擇其中一種。 上位機(jī)組態(tài)軟件簡(jiǎn)介WINCC 概述WINCC指的是Window

24、s Control Center，它是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫(huà)面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性。WINCC 是基于Windows NT 32位操作系統(tǒng)的，在Windows NT或Windows 2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，WINCC具有控制自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能 ，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性?xún)r(jià)比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。WINCC的顯著特性就是全面開(kāi)放，它很容易結(jié)合用戶(hù)的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確的滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求。不僅如此，WINCC還建立了像DDE、OLE等在Windonw

25、s程序間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無(wú)困難的集成ActiveX控制和OPC服務(wù)器、客戶(hù)端功能。2.2溫度控制系統(tǒng)概述2.2.1溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 干擾 圖22溫度控制系統(tǒng)的框圖調(diào)節(jié)器及其基本調(diào)節(jié)規(guī)律在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的作用就是將來(lái)自測(cè)量變送元件的測(cè)量值與系統(tǒng)的給定值去比較，產(chǎn)生一定的偏差信號(hào)，對(duì)該偏差按照某種規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的溫度、液位、壓力、流量等的自動(dòng)控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的自動(dòng)控制，以及控制過(guò)程的品質(zhì)如何，不僅與對(duì)象特性有關(guān)，還與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律有密切的關(guān)系。所謂調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，就是調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)

26、和輸入信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系。溫度控制系統(tǒng)有兩種基本的調(diào)節(jié)規(guī)律：（1）位式調(diào)節(jié)位式調(diào)節(jié)中最常用的是雙位調(diào)節(jié)。當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出為最大（或最?。?；當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出為最?。ɑ蜃畲螅?。調(diào)節(jié)器只有兩個(gè)輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有開(kāi)和關(guān)兩個(gè)極限位置，因此又稱(chēng)開(kāi)關(guān)控制。在實(shí)際的雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)關(guān)動(dòng)作非常頻繁，通常系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件因此而損壞，使得實(shí)際系統(tǒng)的雙位調(diào)節(jié)具有一個(gè)中間區(qū)。偏差大于零的時(shí)候，輸出在某一個(gè)數(shù)值e范圍內(nèi)保持不變，知道大于e后，輸出才變?yōu)樽畲?，?zhí)行機(jī)構(gòu)處于全開(kāi)的位置；偏差小于零時(shí)，在某一個(gè)數(shù)值-e范圍內(nèi)保持不變，直到小于-e后，輸出才變?yōu)樽钚?，?zhí)行機(jī)

27、構(gòu)處于全關(guān)位置。（2）PID調(diào)節(jié) 理想PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律可用下式表示： （2.1）式中，第一項(xiàng)為比例（P）部分，第二項(xiàng)為積分（I）部分，第二項(xiàng)為微分（D）部分，各參數(shù)意義如下：Kp控制器的比例系數(shù)Ti控制器的積分時(shí)間Td控制器的微分時(shí)間 P、I、D參數(shù)設(shè)置 “P比例調(diào)節(jié)”比例系數(shù)KC（即放大系數(shù)）的調(diào)節(jié)。它是比例度的倒數(shù)，即KC=1/。 “I積分調(diào)節(jié)”指積分時(shí)間常數(shù)Ti的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍“0.01至2.5分”和“0.1至25分”。 “D微分調(diào)節(jié)器”指微分時(shí)間常數(shù)Td的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍“0.01至10分”。執(zhí)行器執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。它接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)信號(hào)，并將該調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)

28、的角位移或者直線(xiàn)位移，去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而改變被控介質(zhì)的流量，使被調(diào)節(jié)參數(shù)符合工藝要求。本系統(tǒng)使用的執(zhí)行元件：可移相SCR調(diào)壓裝置。可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 2.2.4被控對(duì)象本系統(tǒng)的被控對(duì)象是鍋爐內(nèi)膽，此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成，我們可移相SCR調(diào)壓裝置給鍋爐加熱，當(dāng)溫度超過(guò)目標(biāo)值之后，執(zhí)行器動(dòng)作，給定電壓為0，停止加熱，內(nèi)膽在自然狀態(tài)下冷卻。當(dāng)溫度降到低于目標(biāo)值時(shí)，執(zhí)行器動(dòng)作，繼續(xù)給水箱加熱，超過(guò)目標(biāo)值時(shí)再停止加熱，如此反復(fù)。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)

29、水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測(cè)其溫度。檢測(cè)元件過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)儀表有以下三條要求：（1）測(cè)量值要正確地反映被測(cè)變量的大小，誤差不超過(guò)規(guī)定的范圍；（2）測(cè)量值必須迅速反映被測(cè)變量的變化，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較迅速；（3）檢測(cè)儀表在工作環(huán)境條件下，應(yīng)能長(zhǎng)期正常的工作，以保證測(cè)量值的可靠性。本裝置使用的檢測(cè)元件是溫度傳感器中的鉑電阻元件PT100，并通過(guò)溫度變送器（測(cè)量電橋或分壓采樣電路或者AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器）將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。在0650的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為 RtRt0(1+At+Bt2+Ct3) （2.3） 式中：

30、Rt溫度為t(如室溫20)時(shí)的電阻值；Rt0溫度為t0(通常為0)時(shí)的電阻值；A、B、C是常數(shù)，一般A=3.90802*1031/，B=-5.802*1071/，C=-4.2735*10121/。Rt-t的關(guān)系稱(chēng)為分度表，用分度號(hào)來(lái)表示。3 內(nèi)膽溫度系統(tǒng)建模3.1數(shù)學(xué)模型概述要分析一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，首要的工作就是建立合理、適用的數(shù)學(xué)模型，這也是控制系統(tǒng)分析過(guò)程中最為重要的內(nèi)容。數(shù)學(xué)模型是所研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，或者更具體地說(shuō)，是系統(tǒng)輸入作用與輸出作用之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。控制系統(tǒng)中需要建立數(shù)學(xué)模型的，不局限于被控對(duì)象，系統(tǒng)中的每一個(gè)部分都需要建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)相對(duì)來(lái)說(shuō)，被控對(duì)象之外部分的數(shù)

31、學(xué)模型很多是控制儀表及裝置的模型，它們的特性已經(jīng)研究得比較多，而且變化很少。被控對(duì)象則比較復(fù)雜，不同的控制系統(tǒng)，被控對(duì)象的差異很大。因此，建模的重點(diǎn)是對(duì)象的建模。系統(tǒng)的建模方法分為兩大類(lèi)：機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。通常人們傾向于機(jī)理建模，認(rèn)為這樣的模型有基本的理論保證，物理意義明確。但對(duì)于叫復(fù)雜的系統(tǒng)，做了許多簡(jiǎn)化與理想化之后，才能建立起機(jī)理建模。實(shí)驗(yàn)室建模似乎是迫不得已的辦法，但在數(shù)據(jù)處理能力大大提高的今天，它也有較強(qiáng)的生命力。機(jī)理建模就像是“開(kāi)環(huán)控制”，理論上可以做到很精確，但實(shí)際上很難；實(shí)驗(yàn)建模就像是“閉環(huán)控制”，不管對(duì)象有多復(fù)雜，都可用這種綜合方法來(lái)對(duì)付它。機(jī)理建模就是根據(jù)被研究對(duì)象的物理化

32、學(xué)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因此，需要掌握對(duì)象的能量平衡關(guān)系、物料平衡關(guān)系、動(dòng)量平衡關(guān)系、化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、電路電子原理等知識(shí)，難度相當(dāng)大。因此，必須做出合理的假設(shè)，建模才是可行的。通?？偸羌僭O(shè)系統(tǒng)是集中參數(shù)的和線(xiàn)性的，當(dāng)然，在這樣的假設(shè)條件下，建立的模型只能在一定的工作范圍內(nèi)適用。實(shí)驗(yàn)建模原則上是把被研究對(duì)象看作為一個(gè)黑箱，通過(guò)施加不同的輸入信號(hào)，研究對(duì)象的輸出響應(yīng)信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)之間的關(guān)系，估計(jì)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這種方法也可稱(chēng)為系統(tǒng)辯識(shí)方法或者黑箱方法。顯然，任何一個(gè)對(duì)象都可能有多個(gè)輸入變量和輸出變量，當(dāng)我們要研究的是x1與y1之間的關(guān)系時(shí)，就應(yīng)該將施加的輸入信號(hào)加在x1輸入端上，

33、并記錄相應(yīng)的y1的變化。這種方法對(duì)于復(fù)雜對(duì)象更為有效。對(duì)于已知的一階或者二階系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)取其特性參數(shù)也很方便、實(shí)用。3.2內(nèi)膽溫度數(shù)學(xué)模型的建立在本論文中，系統(tǒng)的被控量是溫度。我們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，首先給內(nèi)膽注入一定量的水，然后關(guān)閉所有的閥門(mén)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水量是不變的。系統(tǒng)的初始溫度是36.1 ，系統(tǒng)期望達(dá)到的溫度是50。由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)：（數(shù)據(jù)每隔=30s為一個(gè)采樣點(diǎn)取得，共取17組數(shù)據(jù)）時(shí)間012345678溫度37.337.739.140.742.54445.647.248.8時(shí)間910111213141516溫度50.251.552.653.854.95555.1055.15P

34、ID控制曲線(xiàn)如下圖所示：我們采用實(shí)驗(yàn)法階躍響應(yīng)曲線(xiàn)法對(duì)溫箱系統(tǒng)進(jìn)行建模。將被控過(guò)程的輸入量作一階躍變化，同時(shí)記錄其輸出量隨時(shí)間而變化的曲線(xiàn)，稱(chēng)為階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。從圖上可以看出輸出溫度值的變化規(guī)律與帶延遲的一階慣性環(huán)節(jié)的階躍曲線(xiàn)相似。因此選用（1）式作為內(nèi)膽溫度系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu) （3.1）式中：k為放大系數(shù)；T為過(guò)程時(shí)間常數(shù)， 為純滯后時(shí)間。 k 的求法：k可以用下式求得 （3.2）x：輸入的階躍信號(hào)k=y-y(0)x=55-37.35=3.54 過(guò)程時(shí)間常數(shù)T和滯后時(shí)間的求法如下：因?yàn)殡A躍曲線(xiàn)上的拐點(diǎn)不容易確定，我們可以直接取階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的28和63所對(duì)應(yīng)的時(shí)間和，再按下式計(jì)算滯后時(shí)間和和時(shí)間

35、常數(shù)T，即 （3.3）又 =82s , =182s。由上式解得 T=150s , =32s 。但是由于在實(shí)際的系統(tǒng)中，各種器件存在一定的反應(yīng)時(shí)間。例如，在系統(tǒng)中，溫度傳感器檢測(cè)到溫度，再把這個(gè)值反饋給系統(tǒng)，就不可能與給定信號(hào)的時(shí)間同步。綜合考慮，取=30s。根據(jù)以上的分析和計(jì)算，我們可以得到溫箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：GS=3.54e-30s150s+1 （3.4） 即：時(shí)間常數(shù)T=150s 放大系數(shù)k=3.54 滯后時(shí)間=30s3.3系統(tǒng)建模從我們所求的傳遞函數(shù)來(lái)看，該系統(tǒng)是包含一階慣性環(huán)節(jié)，并且T=150s。而且系統(tǒng)存在一定的滯后時(shí)間=30s。本系統(tǒng)的執(zhí)行器是可移相SCR調(diào)壓裝置，體現(xiàn)了非線(xiàn)性。

36、所以本系統(tǒng)是一個(gè)具有一定滯后的、非線(xiàn)性的一階慣性環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的大致組成方框圖，如下圖所示： 圖33 系統(tǒng)框圖4 PID控制方案4.1 PID控制概述PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。當(dāng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)后，數(shù)字PID控制器更顯示出參數(shù)調(diào)整靈活、算法變化多樣、簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)控制的要求也越來(lái)越高，隨之發(fā)展出許多以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新型控制算法，如自適應(yīng)PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等等。4.2 PID控制原理模擬PID控制器模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖41所示，系統(tǒng)由模擬PID控制器和受控對(duì)象組成。 圖

37、41模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差： (4.1)將偏差的比例（P）、積分(I)和微分(D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為： (4.2)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 （4.3）式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PID控制器各效正環(huán)節(jié)的作用是這樣的：比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少誤差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) ，越大，積分作用越弱。反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（

38、變化速度），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 數(shù)字PID控制器當(dāng)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)，首先必須將上述PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式，然后才能編程實(shí)現(xiàn)。PID控制器控制算法的離散形式為： （4.4）或 （4.5）式中：T采樣周期 k采樣序號(hào)，k=0,1,2,; u(k)第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;e(k)第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;稱(chēng)為積分系統(tǒng)稱(chēng)為微分系數(shù)由Z變換的性質(zhì)式（4.5）的Z變換式為： （4.6）由式（4.6）便可得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)： （4.7）或者 （4.8） 圖42 數(shù)字PID控制器框圖

39、由于計(jì)算機(jī)輸出的u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門(mén)），u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門(mén)開(kāi)度）是一一對(duì)應(yīng)的，所以我們通常稱(chēng)式（4.4）或式（4.5）為位置式控制算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)）時(shí)，可由（4.5）導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得： （4.9）用式（4.5）可減式（4.9）可得：= （4.10） 式中： 式（4.10）稱(chēng)為增量式PID控制算法。將上式整理，合并后得： （4.11）式中：它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)。增量式PID和位置式PID實(shí)質(zhì)是一樣的，但增量式比位置式有許多優(yōu)越之處：（1）只與k、k-

40、1、k-2時(shí)刻的偏差有關(guān)，節(jié)省內(nèi)存和運(yùn)算時(shí)間。（2）每次只作計(jì)算，而與位置式中積分項(xiàng)，相比計(jì)算誤差影響小。（3）若執(zhí)行機(jī)構(gòu)有積分能力(如步進(jìn)電機(jī))，則每次只需輸出增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變化部分，誤動(dòng)作造成的影響小。（4）手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。在具體應(yīng)用數(shù)字PID控制器時(shí)，可采用一些改進(jìn)算法，如積分分離PID制算法、不完全微分PID控制算法、帶死區(qū)的PID控制算法、變速積分PID制算法等。4.2.3 S7-300控制PID實(shí)現(xiàn)德國(guó)西門(mén)子公司S7系列PLC有很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字運(yùn)算功能，功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，并具有緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國(guó)內(nèi)工控現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛

41、。 在本裝置中采用了S7-300控制系統(tǒng)。 S7-300是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型PLC。軟件設(shè)計(jì)： PID的數(shù)字化處理 PLC的PID控制器設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，經(jīng)采樣將其數(shù)字化寫(xiě)成離散形式PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。典型的PID算法包括3項(xiàng)，比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。即：輸出比例項(xiàng)積分項(xiàng)微分項(xiàng)。計(jì)算機(jī)在周期性地采樣并離散化后進(jìn)行PID運(yùn)算，算法如下： Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn） 比例項(xiàng)Kc*（SPn-PVn）：能及時(shí)地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調(diào)節(jié)作用，

42、比例系數(shù)Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定精度越高，但Kc過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。 積分項(xiàng)Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但積分的動(dòng)作較慢，給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定帶來(lái)不良影響，很少單獨(dú)使用。積分時(shí)間常數(shù)Ti增大，積分作用越強(qiáng)，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。 微分項(xiàng)Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)Td增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到

43、改善，但Td過(guò)大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)可能上升緩慢。 許多控制系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類(lèi)型。如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過(guò)設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路進(jìn)行控制類(lèi)型進(jìn)行選擇。 程序設(shè)計(jì)S7-300系列PLC提供了閉環(huán)控制PID的運(yùn)算指令，設(shè)計(jì)時(shí)只需要在PLC的內(nèi)存中填寫(xiě)一張PID控制參數(shù)表再執(zhí)行“PID Table Loop”即可完成PID運(yùn)算，其中操作數(shù)Table表使用變量存儲(chǔ)器來(lái)指明控制參數(shù)表的表頭字節(jié)，操作數(shù)Loop只可選擇07號(hào)的整數(shù)，表示本次PID閉環(huán)控制所針對(duì)的環(huán)路編號(hào)，最多8路。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)在上位機(jī)監(jiān)控界面輸入不同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，觀察在不同的調(diào)節(jié)參數(shù)下的自動(dòng)

44、控制效果。記錄各個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析比較，得出最佳的PID參數(shù)： 溫度控制系統(tǒng)PID參數(shù)表地址參數(shù)數(shù)值VB100過(guò)程變量當(dāng)前值溫度傳感器檢測(cè)的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值VB104給定值SPnVD204（通過(guò)上位機(jī)設(shè)置具體數(shù)值。為50CVB108輸出值MnPID回路的輸出值（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值VB112增益KcVD212(通過(guò)上位機(jī)設(shè)置）VB116采樣時(shí)間Ts0.1VB120積分時(shí)間TiVD220(通過(guò)上位機(jī)設(shè)置）VB124微分時(shí)間TdVD224(通過(guò)上位機(jī)設(shè)置）VB128上一次積分值Mx根據(jù)PID回路運(yùn)算結(jié)果更新VB132上一次過(guò)程變量PVn-1最近一次PID的變量值主程序 LDSM0.1 CAL

45、LSBR0 子程序（建立PID回路參數(shù)表，設(shè)置中斷以執(zhí)行PID指令） LDSM0.0 MOVR VD204，VD104 MOVR VD212，VD112 MOVR 0.1，VD116 MOVR VD220，VD120 MOVR VD224，VD124 MOVB 100，SMB34 ATCHINT0，10 ENI 中斷程序（執(zhí)行PID指令） LD SM0.0 ITDAIW0，AC0 DTRAC0，AC0 /R320000.0，AC0 MOVR AC0，VD100 LDI0.0 PID VB100，0 LDSM0.0 MOVR VD108，AC0 *R32000.0，AC0 ROUND AC0，A

46、C0 DTIAC0，AC0 MOVW AC0，AQW0 小結(jié)：基于PLC的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PLC內(nèi)置式PID運(yùn)算模塊的優(yōu)勢(shì)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)三相調(diào)壓模塊的輸出電流，控制電加熱器的加熱電壓，實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)控制。4.3 PID控制整定方法 Ziegler-Nichols整定公式Ziegler和Nichols于1942年提出了一種實(shí)用的PID控制經(jīng)驗(yàn)公式，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式是基于帶有延遲的一階傳遞函數(shù)模型提出的。這樣的對(duì)象模型可以表示為: （4.12）在實(shí)際的過(guò)程控制系統(tǒng)中，有大量的對(duì)象模型可以近似地由這樣的一階模型來(lái)表示，如果不能物理的建立起系統(tǒng)的模型，還可以由實(shí)驗(yàn)提取相應(yīng)的模型參數(shù)。例如，如果可

47、以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)取對(duì)象模型的階躍響應(yīng)，則輸出信號(hào)可以由圖4.3中給出的草圖形狀來(lái)近似，這樣就可以獲取k, L與T或a參數(shù)。 圖43 帶有時(shí)間延遲的一階過(guò)程模型階躍響應(yīng)圖由圖4.3可以看出，還可以由a=KL/T來(lái)求取a參數(shù)。如果獲得了L與a參數(shù)，則可以通過(guò)表4.1中給出的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)PID控制器。 表4.1 Ziegler-Nichols整定公式控制器類(lèi)型P1/aPI0.9/a3LPID1.2/a2LL/2從表4.1中可以看出，除了可以通過(guò)它設(shè)計(jì)PID控制器外，還可以由同樣的模型參數(shù)設(shè)計(jì)出P控制器和PI控制器。最優(yōu)PID控制器Zhuang與Atherton提出了不同準(zhǔn)則下的PID控制器最優(yōu)整定的算法

48、，該算法考慮的最優(yōu)準(zhǔn)則的一般形式為： （4.13）其中為進(jìn)入PID控制器的誤差信號(hào)，向量為PID控制器參數(shù)構(gòu)成的集合。特別的，在最優(yōu)準(zhǔn)則中考慮三個(gè)取值，即n=0,1,2，它們分別對(duì)應(yīng)于誤差平方積分(ISE)準(zhǔn)則、時(shí)間加權(quán)的誤差平方積分(ISTE)準(zhǔn)則、時(shí)間平方加權(quán)的誤差平方積分()準(zhǔn)則。如果對(duì)象模型可以由式(2.12)中給出的形式表示，則對(duì)典型PID結(jié)構(gòu)可以建立經(jīng)驗(yàn)公式：， （4.14）對(duì)于不同的L/T范圍，系數(shù)的對(duì)（a,b）可以由表4.2直接查出。表4.2 設(shè)定點(diǎn)PID控制器參數(shù)表L/T的范圍0.111.12最優(yōu)指標(biāo)ISEISTEISEISTE1.0481.0420.9681.1541.14

49、21.061-0.897-0.897-0.904-0.567-0.579-0.5831.1950.9870.9771.0470.9190.892-0.368-0.238-0.253-0.220-0.172-0.1650.4890.3850.3160.4900.3840.3150.8880.9060.8920.7080.8390.832自整定PID控制器Astram和Hagglund提出了自整定PID控制策略，該方案的基本想法是在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài)：測(cè)試模態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)，在測(cè)試模態(tài)下由一個(gè)繼電非線(xiàn)性環(huán)節(jié)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益，而在調(diào)節(jié)模態(tài)下由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得出PID控制器，然后由此控制

50、器對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，則需要重新進(jìn)入測(cè)試模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成之后再回到調(diào)節(jié)模態(tài)進(jìn)行控制。繼電型PID自整定控制結(jié)構(gòu)如圖44所示。從圖中可以看出，兩個(gè)模態(tài)之間的切換是靠開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖44繼電型PID自整定控制結(jié)構(gòu) 4.4 PID控制仿真 建模系統(tǒng)仿真的起始溫度為37.3，目標(biāo)溫度為50。在Simulink中創(chuàng)建用PID控制溫度的結(jié)構(gòu)圖： 圖45 PID控制結(jié)構(gòu)框圖 5037.3系統(tǒng)的初始溫度是37.3，目標(biāo)溫度是50。在PID控制結(jié)構(gòu)框圖中將左邊的兩個(gè)方框分別設(shè)成37.3，50。這樣做的目的是更好的顯示控制效果。示波器temperature顯示的是系統(tǒng)的響應(yīng)

51、曲線(xiàn)。對(duì)于溫度的純滯后特性，使用常規(guī)的PID控制時(shí)，往往難以得到好的控制效果，這是因?yàn)楸徽{(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)受到的擾動(dòng)，調(diào)節(jié)器的動(dòng)作需經(jīng)過(guò)純滯后時(shí)間以后才能影響被調(diào)量，使之受到控制，當(dāng)純滯后時(shí)間較大時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)的響應(yīng)超調(diào)過(guò)大或發(fā)生振蕩。Smith預(yù)估補(bǔ)償法是解決純滯后問(wèn)題的一種方法，其原理是預(yù)估出過(guò)程控制的動(dòng)態(tài)特性，然后用預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖是滯后的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而減少超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過(guò)程。模型中的PID模塊包含了Smith預(yù)估器補(bǔ)償環(huán)節(jié)： 圖46 包含Smith預(yù)估器補(bǔ)償環(huán)節(jié)的PID控制器Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)為：3.54(1-e-30s)150s+1（4.15）1150s+1 3.54(1-e-30s)分解得：u f V離散得：式中A=e/150n：40/TT：采樣時(shí)間最后得：Vm=3.541-AUm-1-Um-n-1+AUm-1 （4.16） water tank 模塊是內(nèi)膽模塊。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖47鍋爐內(nèi)膽模塊4.4.2系統(tǒng)仿真（1） ZieglerNichols整定公式由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得：K=3.54，T=150s，=30s。得Ti=2=60s，Td=0.5=15s。根據(jù)ZieglerNichols整定公式得到PID控制的三個(gè)參數(shù)為