基于PID參數(shù)自整定的爐溫模糊串級控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上·94·工業(yè)儀表與自動化裝置2011 年第 5 期基于 PID 參數(shù)自整定的爐溫模糊串級控制系統(tǒng)設(shè)計吳興純a ，趙金燕a ，楊秀蓮a ，楊燕云b( 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) a. 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院; b. 國資處，昆明 )摘要: 為解決煤氣加熱爐由于燃料壓力變化和進出料時引起的爐溫波動，將模糊串級控制應(yīng)用到爐溫控制系統(tǒng)中。該文分析了加熱爐的對象特點和引起爐溫波動的因素，介紹了參數(shù)自整定模糊 PID 調(diào)節(jié)原理，設(shè)計了基于組態(tài)軟件、串級控制和智能儀表的爐溫模糊控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明: 串級控制是解決這類問題的有力工具。該控制系統(tǒng)具有靜態(tài)精度高、自適應(yīng)能力強、可靠

2、性好、抗擾動性強的特點，大大提高了爐溫的控制質(zhì)量。關(guān)鍵詞: 溫度控制; 串級技術(shù); 參數(shù)自整定; 模糊 PID; 智能儀表; 組態(tài)軟件中圖分類號: TP273文獻標(biāo)志碼: A文章編號: 1000 0682( 2011) 05 0094 05The design of temperature fuzzy cascade control systembased on self-adjusting PID parametersWU Xingchuna ，ZHAO Jinyana ，YANG Xiuliana ，YANG Yanyunb( a. College of Foundation and In

3、formation; b. Assets Management Department，Yunnan Agriculture University，Kunming ，China)Abstract: In order to solve the problems of furnace's varieties caused by gas pressure，the string fuzzed-PID controller was investigated in the temperature control system. After the analysis of the furnaces c

4、haracteristics and the factors causing temperature variation，the fuzzy controller of self-adjusting PID pa-rameters was presented and the fuzzy cascade control system based on configuration software，intelligence measuring appliance and cascade control was investigated in gas furnaces. The results sh

5、owed that the good effects were achieved by the cascade controller and this temperature control system has the charac-teristics of static accuracy，adaptability，reliability，and anti-interference.Key words: temperature control; cascade control; self-adjusting PID parameters; fuzzed-PID; intel-ligence

6、measuring appliance; configuration software專心-專注-專業(yè)0 引言在工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛存在采用煤氣作為燃料、同一煤氣總管道給多臺加熱爐加熱的生產(chǎn)過程。加熱爐借助于總管道煤氣的燃燒來保持其出料溫度( 即爐溫) 的恒定。煤氣壓力的變化、進出料的多少等對受控制溫度的影響很大，系統(tǒng)中存在著嚴重的一次擾動和二次擾動。當(dāng)煤氣壓力發(fā)生變化或者是系統(tǒng)進出料時，加熱爐需要相應(yīng)地調(diào)整其煤氣流量調(diào)節(jié)閥門的開度來控制流量的恒定以保證爐溫的恒定，由于系統(tǒng)不僅慣性大而且滯后時間長，所以傳統(tǒng)PID 單回路控制難于滿足控制要求。該文針對這類收稿日期: 2011 06 28作者簡介:

7、吳興純( 1972) ，男，云南省宣威市人，碩士研究生，講師，研究方向為自動檢測，計算機控制。工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計和技術(shù)改造的現(xiàn)狀1，采用主控回路與副控回路相配合，設(shè)計了一個爐溫控制系統(tǒng)。實驗和經(jīng)驗表明，該系統(tǒng)有效地解決了大慣性環(huán)節(jié)的時間滯后問題，減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，加速了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，使?fàn)t溫控制的靜態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)均達到了控制要求。1 對象分析和控制方案設(shè)計1. 1 對象分析加熱爐溫度場是一個梯度場，其溫度的上升或2，下降隨時間緩慢變化 加熱爐對象可近似為一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)為:G( s) =Ke s( 1)Ts + 1式中: 為純滯后時間，K 為放大倍數(shù)，

8、T 為慣性時間。2011 年第 5 期工業(yè)儀表與自動化裝置·95·當(dāng)煤氣總管道的壓力不保持恒定時，閥位與煤氣流量也就不保持一定的比例，即一定的閥位也不對應(yīng)于一定的流量，加熱爐也就不對應(yīng)于一定的溫度。如果采用傳統(tǒng)的 PID 控制，煤氣壓力的變化導(dǎo)致流量的變化，流量的變化隨之而引起爐溫的變化，爐溫變化以后才來調(diào)節(jié)煤氣閥門的開度位置改變其煤氣的供給量，產(chǎn)生了過程上的滯后問題，使對象的等效純滯后時間 很長，從而達不到預(yù)期的控制效果。而串級模糊控制技術(shù)是解決上述問題的有力工具。1. 2控制方案設(shè)計串級控制的基本思想是主控回路的輸出作為副控回路設(shè)定值修正的依據(jù)，副控回路的輸出作為真3

9、4。根據(jù)工藝要求，正的控制量作用于被控對象為了保證控制精度，系統(tǒng)以加熱爐溫度為主調(diào)節(jié)參數(shù)，煤氣流量為副調(diào)節(jié)參數(shù)，構(gòu)成爐溫串聯(lián)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖 1爐溫串級控制系統(tǒng)原理圖當(dāng)溫度發(fā)生變化時，由主調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，經(jīng)副調(diào)節(jié)器的副調(diào)節(jié)作用最終調(diào)節(jié)煤氣閥門的開度以調(diào)節(jié)出料溫度。溫度一旦發(fā)生變化，副控回路及時地控制閥門的開度，較快地克服了煤氣流量的變化對出料溫度的影響。二次擾動為該系統(tǒng)的主要擾動，副控回路能有效而快速地克服二次擾動的影響。當(dāng)擾動發(fā)生在副回路，由于有副控回路的存在，煤氣流量調(diào)節(jié)器能及時地調(diào)節(jié)，快速消除了擾動的影響; 當(dāng)擾動發(fā)生在主控回路時，

10、串級模糊控制能及時地改變溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號，由副控回路去改變煤氣流量，克服了擾動影響。爐溫串級模糊 PID 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。主調(diào)節(jié)器采用參數(shù)自適應(yīng)的模糊 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用傳統(tǒng) PI 調(diào)節(jié)規(guī)律。圖 2模糊串級結(jié)構(gòu)控制原理系統(tǒng)2 爐溫模糊調(diào)節(jié)器設(shè)計2. 1 模糊 PID 控制算法理想模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為:u( t) = K e( t) +1e( t) dt + Tde( t)( 2)DPTIdt在計算機測控系統(tǒng)，一般采用恒定的采樣周期T。令 t = kT，于是 u( t) u( kT) ，e( t) e( kT) ，tkde( t)e( kT) e( kT

11、 T)，e( t) dt Te( jt) ，0j = 0dtT代入到式( 2) 得:Tku( kT) = KP e( kT) +e( jT) +TI( 3)j = 0TDe( kT) e( kT T) T3就是根據(jù)式 ( 3 ) 計算出PID 的增量算式u( kT T) ，通過計算u( kT)= u( kT) u( kT T) 得到 PID 增量算式u( kT) ，即第 k 次采樣輸出算式為:u( kT) = KPe( kT) e( kT T) +TTDKPe( kT) + KPe( kT) 2e( kT T) +TITe( kT 2T) ( 4)T Td令 KI = KP TI ，KD =

12、KP T ，式( 4) 變?yōu)?u( kT) = KPe( kT) e( kT T) +KD e( kT) + KIe( kT) 2e( kT T) +e( kT 2T) ( 5)4為:模糊 PID 控制器調(diào)整 PID 參數(shù)計算KP = KP ' + KP( 6)KI = KI ' + KI( 7)KD = KD ' + KD( 8)其中: KP '、KI '、KD ' 為初始設(shè)定的 PID 參數(shù);KP 、KI 、KD 為模糊控制器的 3 個輸出。這樣，根據(jù)被控對象的狀態(tài)特性自動在線調(diào)整 PID 三個控制參數(shù)的值。2. 2輸入變量論域的離散化在模糊

13、控制器中，基本論域要變換到模糊論域，首先確定連續(xù)變量的變化范圍，然后確定離散論域，得到離散論域上的輸入變量 E 和 EC。在該系統(tǒng)中，出料溫度偏差 E 的基本論域取值為 100，100，偏差變化率 EC 的基本論域取值為 0. 4，0. 4。將基本論域區(qū)間值按四舍五入原則量化為模糊論域區(qū)間 6，6的論域元素，即 6， 5， 4， 3，·96·工業(yè)儀表與自動化裝置2011 年第 5 期 2， 1，0，1，2，3，4，5，6 。 KP 、 KI 、 KD 離散論權(quán)平均法。根據(jù) E 和 EC 在規(guī)則表中實時地查出域區(qū)間 4，4的論域元素，即 4， 3， 2， 1，KP 、KI 、

14、KD ，利用公式( 6) 、( 7) 、( 8) 便可以得到0，1，2，3，4 。E 和 EC 的模糊子集均為 NB，NM，PID 調(diào)節(jié)器的控制參數(shù) KP 、KI 、KD 。NS，Z0，PS，PM，PB 。 KP 、 KI 、 KD 的模糊子集均表 1KP 的模糊控制規(guī)則表為 NB，NS，ZO，PS，PB ，其中 NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB 分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、E輸NBNMNSZOPSPMPB正大。隸屬度函數(shù)形狀采用三角形，如圖 3 所示。EC 出NBNBNSNSNSZOZOZONMNSNSZONSZOZOPSNSNSNSZOZOPSPSPSZOZOZOZO

15、ZOPSPBPBPSNSNSZOZOPSPSPSPMNSNSNSNSZOPSPSPBNBNSNSNSZOZOZOa 偏差 E 和偏差變化率 EC 的隸屬度函數(shù)b KP 、 KI 、KD 的隸屬度函數(shù)圖 3 模糊變量的隸屬度函數(shù)圖2. 3 模糊控制規(guī)則的建立在系統(tǒng)起跳段，E 0，EC 0，由于偏差 E 很大，為使系統(tǒng)輸出趨向穩(wěn)態(tài)值的速度應(yīng)越快越好，即以消除偏差為主，取較大的 KI 、較小的 KP 和較大的 KD ; 當(dāng)偏差 E 較小時，為了使系統(tǒng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度，應(yīng)取較小的 KI 、KP 和 KD 。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)接近穩(wěn)態(tài)值時，E 很小，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量，比例值要增大，積分值

16、要減小，而微分量要適中; 當(dāng)系統(tǒng)離開穩(wěn)態(tài)值時，E 0，系統(tǒng)偏差向增大的方向變化，比例值要減小，積分值要增大，而微分量要適中。當(dāng) E 接近于零且 EC 較小時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，比例值和積分值要取中等大小。同時為了避免系統(tǒng)在設(shè)定點出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，則微分值的大小應(yīng)視偏差變化率 EC 的值而定。結(jié)合上述控制規(guī)律，根據(jù)專家及工程技術(shù)人員的經(jīng)驗，可建立合適的 KP 、KI 、KD 模糊控制規(guī)則表，如表 1 表 3 所示。2. 4解模糊控制表根據(jù) KP 、KI 、KD 模糊控制規(guī)則表，模糊推理合成規(guī)則采用最大最小合成法，清晰化計算采用加表 2KI 的模糊控制規(guī)則表E輸NBNMNS

17、ZOPSPMPBEC出NBPBPBPBPSPSPSZONMPSPSPSPSPSZONSNSPSPSPSPSZONSNBZONSNSNSZOPSPSNSPSNBNSZOPSPSPSPSPMNSZOPSPSSPPSPSPBZOPSPSPSPBPBPB表 3KD 的模糊控制規(guī)則表E輸NBNMNSZOPSPMPBEC出NBNBNSNSNBNBNSNSNMNMNSNSNBNSNSZONSNSZONSNSNSNSZOZOZOZONSNSNSNSZOPSPSZOZOZOZOZOZOPMPMPBPSPSPSPSPBPBPBPBPSPSPSPSPB3 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計3. 1 硬件設(shè)計根據(jù)工藝要求，考慮到系統(tǒng)中

18、處理的主要是溫度、流量等模擬量信號，系統(tǒng)選用宇光智能系列儀表AI808，用來實現(xiàn)對信號的處理和整個系統(tǒng)的控制，選用北京昆侖公司的組態(tài)軟件 MCGS5. 5 實現(xiàn)顯示和監(jiān)控，其硬件原理結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。2011 年第 5 期工業(yè)儀表與自動化裝置·97·圖 4串級爐溫控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)以出料溫度和煤氣流量為主、副控制回路的測量值，選用 2 個工控專用的擴散硅變送器對爐溫和煤氣流量進行測量、補償、變送，均采用二線6，制 接法。煤氣加熱爐溫度選用鎳鉻熱電偶檢測測量范圍在 400 1 000 ，熱電偶輸出電壓為4，16. 4 41. 32 mV 該信號經(jīng)變送器變換 0 5 VD

19、C 的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號送主調(diào)節(jié)器。執(zhí)行器( 煤氣流量調(diào)節(jié)閥) 選用智能電動調(diào)節(jié)閥 QSVP 16K，控制信號為 1 5 VDC、閥位輸出為 4 20 mADC。由于組態(tài)軟件 MCGS5. 5 版本可在 Windows 98 /NT /2000 /XP 上運行7，硬件環(huán)境要求寬松，上位計算機選用普通的 P4 PC 機。系統(tǒng)工作原理: 煤氣加熱爐溫度信號經(jīng)變送器變換 0 5 VDC 的標(biāo)準(zhǔn)信號送主調(diào)節(jié)器 AI808( 1) 與給定值比較得出偏差，主調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差的大小與變化率、控制參數(shù)的設(shè)置情況，執(zhí)行模糊 PID 運算，其輸出作為副調(diào)節(jié)器 AI808( 2) 的給定值; 由流量壓力變送器輸入的煤氣

20、流量信號微分先行后與主調(diào)節(jié)器的輸出值比較，副調(diào)節(jié)器 AI808( 2) 執(zhí)行 PI 運算，輸出 4 20 mA 的電流控制信號，電動調(diào)節(jié)閥接收到該信號后調(diào)節(jié)其開度，從而調(diào)節(jié)煤氣流量，最終達到穩(wěn)定爐溫的控制目的。智能儀表 AI808 與上位機之間通過 RS232 /485 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)串口通信，通過MCGS 組態(tài)軟件實現(xiàn)過程監(jiān)控。3. 2軟件組態(tài)系統(tǒng)采用北京昆侖公司的 MCGS5. 5 工業(yè)控制組態(tài)軟件，通過 RS232 /RS485 轉(zhuǎn)換器使 PC 機與智能儀表 AI808 進行通信。MCGS5. 5 組態(tài)軟件能夠根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，進行實時數(shù)據(jù)處理，完成監(jiān)控、報警和趨勢曲線顯示等功能。該溫度控

21、制系統(tǒng)的軟件界面設(shè)計及控制流程的編寫都是使用 MCGS5. 5 組態(tài)軟件完成的。4 控制參數(shù)的設(shè)置與系統(tǒng)調(diào)試該系統(tǒng)在昆明市某化工廠的一臺上海齊鑫 QX-LPC II 型煤氣加熱爐，溫度 600 ± 25 的恒溫調(diào)試過程中，控制參數(shù)的設(shè)置如表 4 所示。表 4控制儀表參數(shù)設(shè)置儀表參數(shù)AI808( 1)AI808( 2)上限報警( HIAL)1000下限報警( LOAL)501正偏差報警( DHAL)800負偏差報警( DLAL)301比例度( P)10020積分時間( I)7015輸入規(guī)格( SN)53運行狀態(tài)( RUN)6005輸入上限( DIH)1000功能選擇( CF)28輸出方

22、式( OPI)44通訊地址( ADDR)12為了滿足控制系統(tǒng)的精度要求，參數(shù)采用 2 步整定法。先整定副環(huán)，按 41 衰減曲線法得到 K2S= 86，T2S = 40 s; 再用同樣的方法整定主環(huán)，得到 K1S= 7. 1，T1S = 30 s。從而得到主調(diào)節(jié)器的參數(shù)和副調(diào)節(jié)器的參數(shù)?，F(xiàn)選用 K1 = 120，T1 = 20 s，K2 = 6，T2= 10 s，T2d = 3 s 和 K1 = 80，T1 = 40 s，K2 = 6，T2 = 10 s，T2d = 3 s 將它們投入系統(tǒng)運行，可得到如圖 5 所示的 2 組實時溫度曲線。圖 5a 上升時間短，超調(diào)量約為 3. 85% ，圖 5b上升時間稍長，但超調(diào)量明顯減小，約為 1. 32% 。實驗和經(jīng)驗表明，通過控制參數(shù)的在線整定，可以獲得很好的控制效果，各項動、靜態(tài)性能指標(biāo)均能達到控制要求。a K1 = 120，T1 = 20 s，K2 = 6，T2 = 10 s，T2d = 3 s·98·工業(yè)儀表與自動化裝置2011 年第 5 期b K1 = 80，T1 = 40 s，K2 = 6，T2 = 10 s，T2d = 3 s圖 5 加熱爐的升溫和流量控制曲線圖5 結(jié)束語煤氣加熱