一種基于PID控制的鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)_圖文

1、第32卷第1期2010-1 【87】一種基于PID 控制的鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)A single return route system of dynamic water temperature boiler based on pid control彭昕昀PENGXin-yun(韶關(guān)學(xué)院計(jì)算機(jī)系,韶關(guān)512026摘要:本論建立了一個(gè)鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)。首先根據(jù)熱力學(xué)定理建立了鍋爐動(dòng)態(tài)水溫模型;其次運(yùn)用MATLAB 對(duì)積分分離PID 控制算法和變速積分PID 控制算法進(jìn)行仿真。最后運(yùn)用A3000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立了鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng),并完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)所建立的鍋

2、爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)能夠很好的滿(mǎn)足控制性能指標(biāo),并且該系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能。關(guān)鍵詞:PID;單回路控制;分級(jí)控制中圖分類(lèi)號(hào):TP273+.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1009-0134(201001-0087-04收稿日期:2009-10-26作者簡(jiǎn)介:彭昕昀(1973-女,廣東汕尾人,講師,碩士,主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。0引言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、魯棒性好及可靠性高,被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。據(jù)統(tǒng)計(jì),在目前所有的控制系統(tǒng)中,PID算法約占80%90%。在大型的DCS控制系統(tǒng)中,PID控制模塊占據(jù)著主要地位。然而,實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性

3、、時(shí)變不確定性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用常規(guī)PID 控制器不能達(dá)到理想的控制效果,而且在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),由于受到參數(shù)整定方法繁雜等影響,因此,有必要對(duì)PID的控制機(jī)理進(jìn)行全面的分析,并對(duì)在上述場(chǎng)合中的應(yīng)用提出改進(jìn)的辦法。問(wèn)題一:PID控制器的參數(shù)整定。傳統(tǒng)的整定方法是在獲得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上按照某種整定原則來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)值的整定。而實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性、時(shí)變不確定性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。因此,在PID參數(shù)的整定及自整定方面還有待進(jìn)一步深入研究。問(wèn)題二:PID控制器結(jié)構(gòu)改進(jìn)。PID控制器最簡(jiǎn)單,但并非最優(yōu),在克服較大擾動(dòng)影響,

4、提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)等方面,光靠調(diào)整參數(shù)難以獲得滿(mǎn)意的控制效果。因此,還有必要在全面分析的基礎(chǔ)上,對(duì)PID控制器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)1。1鍋爐動(dòng)態(tài)水溫系統(tǒng)模型鍋爐如圖1所示,對(duì)象的被控參數(shù)為鍋爐的溫度T,控制量為電熱絲兩端的電壓 u。圖1鍋爐模型鍋爐內(nèi)溫度變化量對(duì)控制電壓變化量之間的傳遞函數(shù)為:(1一般將鍋爐視為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)附加一個(gè)滯后環(huán)節(jié)的對(duì)象,其傳遞函數(shù)表示為(2其中:T 為電爐的時(shí)間常數(shù),T=RC(C 為電爐 【88】第32卷第1期2010-1熱容,R 為熱阻;K 為比例系數(shù);為純滯后時(shí)間,單位為s;S 為復(fù)頻域2。2溫度PID 控制器設(shè)計(jì)及仿真2.1積分分離PID控制算法及仿真積分分離控制

5、基本思路是:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí),取消積分作用,以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,超調(diào)量增大;當(dāng)被控量接近給定值時(shí),引入積分控制,以便消除靜差,提高控制精度。積分分離式PID 階躍跟蹤如圖2所示,采用普通PID 階躍跟蹤如圖3 所示:圖2積分分離式PID 階躍跟蹤圖3普通PID 階躍跟蹤由仿真結(jié)果可以看出,采用積分分離方法控制效果有很大改善。值得注意的是,為保證引入積分作用后系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變,在輸入積分作用時(shí)比例系數(shù)KP 可作相應(yīng)變化。此外,值應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象和要求而定,若過(guò)大,則達(dá)不到積分分離的目的;若過(guò)小,則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)入積分區(qū)。如果只進(jìn)行PD 控制,會(huì)使控制出現(xiàn)余差。2.2變速積分P

6、ID控制算法及仿真3在普通的PID控制算法中,由于積分系數(shù)KI是常數(shù),所以在整個(gè)控制過(guò)程中,積分增量不變。而系統(tǒng)對(duì)積分項(xiàng)的要求是:系統(tǒng)偏差大時(shí)積分作用應(yīng)減弱甚至全無(wú),而在偏差小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)。積分系數(shù)取大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào),甚至積分飽和,取小了又遲遲不能消除靜差。變速積分PID可較好的解決這一問(wèn)題。變速積分PID的基本思想是設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度,使其于偏差大小相對(duì)應(yīng):偏差越大,積 分越慢,反之則越快。仿真如下:圖4變速積分階躍響應(yīng)圖5變速積分參數(shù)變化由仿真結(jié)果可以看出,變速積分與積分分離兩種控制方法很類(lèi)似,但調(diào)節(jié)方式不同,前者對(duì)積分項(xiàng)采用的是緩慢變化,而后者則采用所謂“開(kāi)關(guān)”控制。變速積分調(diào)節(jié)質(zhì)量高

7、。第32卷第1期2010-1 【89】3過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)用到的器件有CPU222DC/DC/DC模塊,EM235模塊,EM277模塊。但由于EM277模塊只有一路模擬量輸出,而實(shí)驗(yàn)中有一路輸入,兩路輸出,所以必須在EM235模塊的基礎(chǔ)上再接一個(gè)模塊EM232(模擬量輸出模塊。具體接線如下:1鍋爐水溫檢測(cè)信號(hào)接PLC 的模擬輸入通道AI0;2加熱器調(diào)壓控制輸入端接PLC 的模擬輸出通道AO0;3變頻器輸入端接PLC的模擬輸出通道AO1;4冷、熱水回路的調(diào)節(jié)閥分別接24V電壓信號(hào);接線完成后,使PLC 與上位機(jī)通訊連接上,再寫(xiě)入程序?？梢韵仍谟?jì)算機(jī)上用軟件模擬調(diào)試,直到?jīng)]有邏輯錯(cuò)誤后在寫(xiě)入

8、PLC 運(yùn)行。PLC 程序如下:3.1主程序 3.2PID參數(shù)初始化子程序:1PID0參數(shù)初始化:2PID1參數(shù)初始化:3.3子程序程序中PID0_SP 表示鍋爐內(nèi)水的溫度設(shè)定值,PID0_PV 表示檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)水的溫度值,flag 是PID0_SP 減去PID0_PV 得到的值即為水的溫度偏差。1變頻器分級(jí)控制子程序:在實(shí)驗(yàn)中,AO1是PLC用來(lái)控制變頻器的模擬輸出口,根據(jù)鍋爐內(nèi)水的溫度的偏差flag值的不同,而給變頻器輸出不同的值4當(dāng)flag 大于2.0是,變頻器賦值為0.0,這時(shí)只有加熱電壓起作用,變頻器控制的水泵處于靜止?fàn)顟B(tài),這有利于鍋爐內(nèi)水溫上升,減少上升時(shí)間。當(dāng)flag 為其他值

9、時(shí),為防止溫度超調(diào)過(guò)大,開(kāi)始適量的給變頻器賦值。變頻器賦值情況如下表所示: 【90】第32卷第1期2010-12加熱電壓控制器PID0 參數(shù)分配程序:3.4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序:1把讀入的數(shù)據(jù)6400-32000轉(zhuǎn)換成 0-12把0-1轉(zhuǎn)換成到 6400-32000 3.5中斷子程序?qū)嶒?yàn)結(jié)果如下:實(shí)驗(yàn)中的曲線SP 即為鍋爐內(nèi)水的溫度給定值曲線;PV 為溫度檢測(cè)值曲線;MV 為控制器輸出值曲線;FC 為變頻器輸出值曲線。圖6為鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制曲線圖;圖7為鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)在穩(wěn)定后改變其溫度給定值的控制曲線, 反映了該系統(tǒng)的跟隨性能。圖6鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制曲線第32卷第1期2010-

10、1 【91】4結(jié)論本論建立了一個(gè)鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng).首先根據(jù)熱力學(xué)定理建立了鍋爐動(dòng)態(tài)水溫模型;其次運(yùn)用MATLAB對(duì)積分分離PID控制算法和變速積分PID控制算法進(jìn)行仿真,并以所得到的結(jié)果為參考確定了加熱電壓的PID控制算法,對(duì)于另一個(gè)控制變量-變頻器采用分級(jí)控制;最后運(yùn)用A3000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立了鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng),并完成實(shí)驗(yàn)。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):利用用分級(jí)控制方式得到控制器的最佳參數(shù),即用分級(jí)控制法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)所建立的鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)能夠很好的滿(mǎn)足控制性能指標(biāo),并且該系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能。參考文獻(xiàn)1趙磊,等.可分離式PID 控制器及其性能

11、仿真J.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2008.2徐峰,張嫣華.數(shù)字控制系統(tǒng)的PID 算法研究J.機(jī)床電器,2008,6,8-10.3曹順安,等.火電廠鍋爐水質(zhì)調(diào)節(jié)IMC-PID 魯棒自適應(yīng)控制J.化工自動(dòng)化及儀表,2008,6,30-33.4周先譜,石振華.基于繼電反饋的模糊PID 控制器設(shè)計(jì)J. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2008,6,137-139.圖 7溫度給定值改變后控制曲線圖5倉(cāng)庫(kù)發(fā)料5結(jié)論本文主要針對(duì)某鐵塔制造企業(yè)在生產(chǎn)管理、庫(kù)存管理、優(yōu)化下料等業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析與研究,結(jié)合ERP 原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、以及快速下料算法等,提出了比較實(shí)用的系統(tǒng)方案,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了鐵塔下料軟件系統(tǒng),

12、為企業(yè)構(gòu)建了高性能的下料使用環(huán)境,成功地實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)管理的科學(xué)化和信息化。系統(tǒng)所提供的優(yōu)化下料算法具有多種方式的組合,包括諸多下料參數(shù)設(shè)定,實(shí)例中,對(duì)于8000噸角鋼進(jìn)行提料運(yùn)算,在HP540(主頻1.6G 內(nèi)存1G上運(yùn)算完畢只需30分鐘,下料速度很讓人滿(mǎn)意,平均利用率在97%以上。使用該軟件后不但材料利用率高,而且,換鋼號(hào)問(wèn)題也得到了很好的解決。本系統(tǒng)已經(jīng)在某鐵塔制造企業(yè)成功上線,大大減輕了管理人員的工作強(qiáng)度,減少了職能部門(mén)間和重復(fù)勞動(dòng),提高了材料利用率,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該廠每年產(chǎn)量為6萬(wàn)噸,人工配料情況下,利用率不足95%,利用該系統(tǒng),材料利用率提高到97%,則每年可節(jié)約1500噸角鋼,經(jīng)每噸節(jié)省2000元計(jì)算,每年可節(jié)約300萬(wàn)元,效益相當(dāng)可觀,在企業(yè)獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也為建設(shè)節(jié)約型社會(huì)作出了貢獻(xiàn),該系統(tǒng)對(duì)同行業(yè)有一定的啟示作用。感謝香港大學(xué)電子商業(yè)科技研究所Dr.Luo(Dr.ZongweiLuo,TheUniveristyofHongKong,China提供