一種基于PID控制的鍋爐動態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)

1、第32卷第1期2010-1 【87】一種基于PID 控制的鍋爐動態(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(韶關學院計算機系,韶關512026摘要:本論建立了一個鍋爐動態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)。首先根據(jù)熱力學定理建立了鍋爐動態(tài)水溫模型;其次運用MATLAB 對積分分離PID 控制算法和變速積分PID 控制算法進行仿真。最后運用A3000過程控制實驗系統(tǒng)建立了鍋爐動態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng),并完成實驗。實驗結果表明:實驗所建立的鍋

2、爐動態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)能夠很好的滿足控制性能指標,并且該系統(tǒng)有較好的動態(tài)跟隨性能。關鍵詞:PID;單回路控制;分級控制中圖分類號:TP273+.5文獻標識碼:B文章編號:1009-0134(201001-0087-04收稿日期:2009-10-26作者簡介:彭昕昀(1973-女,廣東汕尾人,講師,碩士,主要從事計算機應用研究。0引言PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一,由于其算法簡單、魯棒性好及可靠性高,被廣泛應用于過程控制和運動控制中。據(jù)統(tǒng)計,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,實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性

3、、時變不確定性,難以建立精確的數(shù)學模型、應用常規(guī)PID 控制器不能達到理想的控制效果,而且在實際生產(chǎn)現(xiàn)場,由于受到參數(shù)整定方法繁雜等影響,因此,有必要對PID的控制機理進行全面的分析,并對在上述場合中的應用提出改進的辦法。問題一: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象數(shù)學模型的基礎上按照某種整定原則來進行PID參數(shù)值的整定。而實際的工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性,難以建立精確的數(shù)學模型,應用常規(guī)的PID控制不能達到理想的控制效果。因此,在PID參數(shù)的整定及自整定方面還有待進一步深入研究。問題二:PID控制器結構改進。PID控制器最簡單,但并非最優(yōu),在克服較大擾動影響,

4、提高系統(tǒng)動態(tài)品質等方面,光靠調整參數(shù)難以獲得滿意的控制效果。因此,還有必要在全面分析的基礎上,對PID控制器進行結構上的改進1。1鍋爐動態(tài)水溫系統(tǒng)模型鍋爐如圖1所示,對象的被控參數(shù)為鍋爐的溫度T,控制量為電熱絲兩端的電壓 u。圖1鍋爐模型鍋爐內溫度變化量對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一階慣性環(huán)節(jié)附加一個滯后環(huán)節(jié)的對象,其傳遞函數(shù)表示為(2其中:T 為電爐的時間常數(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);為純滯后時間,單位為s;S 為復頻域2。2溫度PID 控制器設計及仿真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:當被控量與設定值偏差較大時,取消積分作用,以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,超調量增大;當被控量接近給定值時,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,在輸入積分作用時比例系數(shù)KP 可作相應變化。此外,值應根據(jù)具體對象和要求而定,若過大,則達不到積分分離的目的;若過小,則會導致無法進入積分區(qū)。如果只進行PD 控制,會使控制出現(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),所以在整個控制過程中,積分增量不變。而系統(tǒng)對積分項的要求是:系統(tǒng)偏差大時積分作用應減弱甚至全無,而在偏差小時則應加強。積分系數(shù)取大了會產(chǎn)生超調,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題。變速積分PID的基本思想是設法改變積分項的累加速度,使其于偏差大小相對應:偏差越大,積 分越慢,反之則越快。仿真如下:圖4變速積分階躍響應圖5變速積分參數(shù)變化由仿真結果可以看出,變速積分與積分分離兩種控制方法很類似,但調節(jié)方式不同,前者對積分項采用的是緩慢變化,而后者則采用所謂“開關”控制。變速積分調節(jié)質量高

7、。第32卷第1期2010-1 【89】3過程控制實驗及驗證本實驗用到的器件有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,而實驗中有一路輸入,兩路輸出,所以必須在EM235模塊的基礎上再接一個模塊EM232(模擬量輸出模塊。具體接線如下:1鍋爐水溫檢測信號接PLC 的模擬輸入通道AI0;2加熱器調壓控制輸入端接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、熱水回路的調節(jié)閥分別接24V電壓信號;接線完成后,使PLC 與上位機通訊連接上,再寫入程序?？梢韵仍谟嬎銠C上用軟件模擬調試,直到?jīng)]有邏輯錯誤后在寫入

8、PLC 運行。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 表示鍋爐內水的溫度設定值,PID0_PV 表示檢測到的鍋爐內水的溫度值,flag 是PID0_SP 減去PID0_PV 得到的值即為水的溫度偏差。1變頻器分級控制子程序:在實驗中,AO1是PLC用來控制變頻器的模擬輸出口,根據(jù)鍋爐內水的溫度的偏差flag值的不同,而給變頻器輸出不同的值4當flag 大于2.0是,變頻器賦值為0.0,這時只有加熱電壓起作用,變頻器控制的水泵處于靜止狀態(tài),這有利于鍋爐內水溫上升,減少上升時間。當flag 為其他值

9、時,為防止溫度超調過大,開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)轉換子程序:1把讀入的數(shù)據(jù)6400-32000轉換成 0-12把0-1轉換成到 6400-32000 3.5中斷子程序實驗結果如下:實驗中的曲線SP 即為鍋爐內水的溫度給定值曲線;PV 為溫度檢測值曲線;MV 為控制器輸出值曲線;FC 為變頻器輸出值曲線。圖6為鍋爐動態(tài)水溫單回路控制曲線圖;圖7為鍋爐動態(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鍋爐動態(tài)水溫單回路控制曲線第32卷第1期2010-

10、1 【91】4結論本論建立了一個鍋爐動態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng).首先根據(jù)熱力學定理建立了鍋爐動態(tài)水溫模型;其次運用MATLAB對積分分離PID控制算法和變速積分PID控制算法進行仿真,并以所得到的結果為參考確定了加熱電壓的PID控制算法,對于另一個控制變量-變頻器采用分級控制;最后運用A3000過程控制實驗系統(tǒng)建立了鍋爐動態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng),并完成實驗。本文作者創(chuàng)新點:利用用分級控制方式得到控制器的最佳參數(shù),即用分級控制法進行參數(shù)尋優(yōu).實驗結果表明:實驗所建立的鍋爐動態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng)能夠很好的滿足控制性能指標,并且該系統(tǒng)有較好的動態(tài)跟隨性能。參考文獻1趙磊,等.可分離式PID 控制器及其性能

11、仿真J.組合機床與自動化加工技術,2008.2徐峰,張嫣華.數(shù)字控制系統(tǒng)的PID 算法研究J.機床電器,2008,6,8-10.3曹順安,等.火電廠鍋爐水質調節(jié)IMC-PID 魯棒自適應控制J.化工自動化及儀表,2008,6,30-33.4周先譜,石振華.基于繼電反饋的模糊PID 控制器設計J. 機械工程與自動化,2008,6,137-139.圖 7溫度給定值改變后控制曲線圖5倉庫發(fā)料5結論本文主要針對某鐵塔制造企業(yè)在生產(chǎn)管理、庫存管理、優(yōu)化下料等業(yè)務流程進行分析與研究,結合ERP 原理、計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術、以及快速下料算法等,提出了比較實用的系統(tǒng)方案,并在此基礎上開發(fā)了鐵塔下料軟件系統(tǒng),

12、為企業(yè)構建了高性能的下料使用環(huán)境,成功地實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)管理的科學化和信息化。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)設定,實例中,對于8000噸角鋼進行提料運算,在HP540(主頻1.6G 內存1G上運算完畢只需30分鐘,下料速度很讓人滿意,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,換鋼號問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度,減少了職能部門間和重復勞動,提高了材料利用率,取得了巨大的經(jīng)濟效益。該廠每年產(chǎn)量為6萬噸,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元計算,每年可節(jié)約300萬元,效益相當可觀,在企業(yè)獲得經(jīng)濟效益的同時,也為建設節(jié)約型社會作出了貢獻,該系統(tǒng)對同行業(yè)有一定的啟示作用。感謝香港大學電子商業(yè)科技研究所Dr.Luo(Dr.ZongweiLuo,TheUniveristyofHongKong,China提供算法支持。參考文獻:1金升平,陳定方,張翔,戴詩亮.一維優(yōu)化下料問題的基因遺傳算法J.武漢交通科技大學學報,1997,21(2:168-172.2夏永勝,夏金兵,祁方