過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)--鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫pid控制實(shí)驗(yàn)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常檢測(cè)和控制的熱工參數(shù)之一，本設(shè)計(jì)是以西門子S7-200PLC為主控制器，以WINCC為上位機(jī)監(jiān)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐內(nèi)膽水溫的DCS自動(dòng)控制。系統(tǒng)主要由一臺(tái)帶有WINCC組態(tài)軟件的上位機(jī)和應(yīng)用于STEP7-MicroWIN V4.0軟件、西門子S7-200PLC下位機(jī)以及PC/PPI電纜、RTGK-2型過(guò)

2、程控制系統(tǒng)構(gòu)成。</p><p>　　通過(guò)對(duì)下位機(jī)S7200PLC的軟件編程，完成鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)采集、處理以及PID控制，分別對(duì)上位機(jī)以及下位機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用工程整定方法，整定出滿足系統(tǒng)要求的鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制參數(shù)，得到比較理想的PID控制曲線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐內(nèi)膽水溫控制的目的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鍋爐內(nèi)膽；水溫；PID；S7200</p>

3、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1系統(tǒng)總體方案分析1</p><p>　　1.1鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫PID控制系統(tǒng)總體方案分析1</p><p>　　1.2上位機(jī)組態(tài)與程序設(shè)計(jì)2</p><p><b>　　2系統(tǒng)調(diào)試13</b></p>&

4、lt;p>　　2.1流程圖繪制13</p><p>　　2.2電源連接14</p><p>　　2.3測(cè)試步驟14</p><p>　　3參數(shù)整定與系統(tǒng)分析17</p><p>　　3.1鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖17</p><p>　　3.2調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)整定過(guò)程17</p>

5、<p>　　3.3系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能20</p><p>　　3.4不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。22</p><p>　　3.5 P、PI、PID控制方式的控制效果26</p><p><b>　　4結(jié)論30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32<

6、;/b></p><p><b>　　1系統(tǒng)總體方案分析</b></p><p>　　1.1鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫PID控制系統(tǒng)總體方案分析</p><p>　　鍋爐內(nèi)膽水為動(dòng)態(tài)循環(huán)水，變頻器、磁力泵與鍋爐內(nèi)膽組成循環(huán)水系統(tǒng)。如圖1所示：</p><p>　　圖1.1鍋爐內(nèi)膽溫度特性測(cè)試系統(tǒng)</p><

7、;p>　　(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組態(tài)軟件進(jìn)行，由于自動(dòng)控制的時(shí)候考慮到機(jī)械及機(jī)器會(huì)出現(xiàn)故障，設(shè)置的調(diào)節(jié)閥可在及其出現(xiàn)故障時(shí)，非自動(dòng)的情況下，手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)開(kāi)度，是鍋爐內(nèi)膽保持給定值，運(yùn)用在大型生產(chǎn)過(guò)程中采用手動(dòng)和自動(dòng)模式替換操作達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)的能耗最低，效益最大化。被控變量為鍋爐內(nèi)膽水溫，要求鍋爐內(nèi)膽水溫等于給定值。實(shí)驗(yàn)前先通過(guò)變頻器、磁力泵支路給鍋爐內(nèi)膽打滿水，然后關(guān)閉

8、鍋爐內(nèi)膽的進(jìn)水閥門 。待系統(tǒng)運(yùn)行后，變頻器－磁力泵再以固定的小流量使鍋爐內(nèi)膽的水處于循環(huán)狀態(tài)。在內(nèi)膽水為靜態(tài)時(shí)，由于沒(méi)有循環(huán)水進(jìn)行熱交換，而三相電加熱管功率為4.5KW，從使內(nèi)膽水溫上升相對(duì)快速，散熱過(guò)程又比較緩慢，而且調(diào)節(jié)的效果受對(duì)象特性和環(huán)境的限制，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較差，即超調(diào)大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。改變?yōu)檠h(huán)水系統(tǒng)后，有利于熱交換，加快了散熱能力，相比于靜態(tài)溫度控制實(shí)驗(yàn)，在控制的動(dòng)態(tài)精度、快速性方面有了很大地提高。系統(tǒng)采用的調(diào)節(jié)器為工業(yè)

9、上常用AI智能調(diào)節(jié)儀。圖2為鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 因可控硅調(diào)壓模塊是通過(guò)輸入信號(hào)使電源電壓變化，實(shí)驗(yàn)前，先用萬(wàn)用表測(cè)可控硅模塊輸入端的電壓，再測(cè)輸出端的電壓看是否變化。當(dāng)給鍋爐加熱時(shí)，應(yīng)使輸出端</p><p>　　圖1.2 鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　1.2上位機(jī)組態(tài)與程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)用組態(tài)軟件的是西

10、門子公司的WinCC，它是Windows Control Center（視窗控制中心）的簡(jiǎn)稱，是HMI/SCADA軟件中的后起之秀。WinCC是Siemens公司的一種功能強(qiáng)大的工業(yè)控制軟件，是“真正開(kāi)放的”HMISCADA軟件。它集成了SCADA、組態(tài)、腳本（Script）語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化（TIA）產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性和無(wú)縫集成

11、的特點(diǎn)。WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選擇，使用方便靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、趨勢(shì)曲線等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個(gè)特點(diǎn)在于它的整體開(kāi)放性，它可以方便的與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機(jī)

12、界面，滿足實(shí)際需要。用戶也可以將WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)充的基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)放式接口，開(kāi)發(fā)其自身需要的應(yīng)用</p><p>　　WinCC由三大部分組成：</p><p>　　1、控制中心：控制中心使用戶通過(guò)WinCC應(yīng)用進(jìn)行瀏覽，并且對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行一些操作。從形式和操作上看，控制中心與Windows資源管理器相似。</p><p>　　2、系統(tǒng)控制器：管理各站之間的系統(tǒng)通訊

13、。</p><p>　　3、數(shù)據(jù)管理器：在WinCC項(xiàng)目中用于處理中央任務(wù)的啟動(dòng)。其主要任務(wù)是處理變量管理器，其通訊通道用于訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)。</p><p>　　WinCC的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　從面市伊始，用戶就對(duì)SIMATIC WinCC印象深刻。一方面，是其高水平的創(chuàng)新，它使用戶在早期就認(rèn)識(shí)到即將到來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)并予以實(shí)現(xiàn)；另一方面，是其基于標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期產(chǎn)

14、品策略，可確保用戶的投資利益。</p><p>　　依據(jù)這種戰(zhàn)略思想，WinCC，這一運(yùn)行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，已發(fā)展成為歐洲市場(chǎng)中的領(lǐng)導(dǎo)者，乃至業(yè)界遵循的標(biāo)準(zhǔn)。如果你想使設(shè)備和機(jī)器最優(yōu)化運(yùn)行，如果你想最大程度地提高工廠的可用性和生產(chǎn)效率，WinCC當(dāng)是上乘之選。突出的優(yōu)點(diǎn)：通用的應(yīng)用程序；適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語(yǔ)言支持，全球通用；可以集成到所有自

15、動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能；可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展；采用開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便集成的Historian 系統(tǒng)作為IT 和商務(wù)集成的平臺(tái)；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展；“全集成自動(dòng)化” 的組成部分。</p><p>　　Wincc監(jiān)控組態(tài)與程序設(shè)計(jì)</p><p><b>　　變量設(shè)置</b></p><p>　　變量

16、系統(tǒng)是組態(tài)軟件的重要組成部分。在組態(tài)軟件的運(yùn)行環(huán)境下，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況將實(shí)時(shí)地保存在變量的數(shù)值中，操作人員監(jiān)控過(guò)程數(shù)據(jù)，他在計(jì)算機(jī)上發(fā)布的指令通過(guò)變量傳送給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。WinCC的變量管理是變量管理器。WinCC使用變量管理器來(lái)組態(tài)變量。變量管理器對(duì)項(xiàng)目所使用的變量和通訊驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行管理。WinCC與自動(dòng)化控制系統(tǒng)間的通訊依靠通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)化控制系統(tǒng)與WinCC工程間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)過(guò)程變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><

17、;p>　　變量管理器管理WinCC工程中使用的變量和通訊驅(qū)動(dòng)程序。它位于WinCC項(xiàng)目管理器的瀏覽窗口中。WinCC的變量按照功能可分為外部變量、內(nèi)部變量、系統(tǒng)變量和腳本變量四種類型。</p><p><b>　　新建新驅(qū)動(dòng)器連接</b></p><p>　　在WINCC變量中建立SIEMENS S7 PROTOCOL SUIT,選擇MPI，新建驅(qū)動(dòng)程序連接，點(diǎn)

18、擊系統(tǒng)參數(shù)，選擇邏輯設(shè)備名稱為“CP5611”，如圖：</p><p>　　圖1.2.1 WINCC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置</p><p>　　再進(jìn)入選擇參數(shù)窗口，設(shè)置插槽號(hào)為2， PLC 315—2DP的插槽號(hào)為2。如下圖所示：</p><p>　　圖1.2.2 WINCC連接參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　建立外部變量</b&

19、gt;</p><p><b>　　以變量d為例</b></p><p>　　右擊新建變量命名為“d”，然后選擇類型為浮點(diǎn)數(shù)32位變量，數(shù)據(jù)選擇為DB，DB號(hào)為42,因?yàn)樵赟TEP 7中我們建立的PID設(shè)為DB42，最后地址設(shè)置為DB28，點(diǎn)擊確定完成地址屬性設(shè)置。如下圖所示：</p><p>　　圖1.2.3 新建變量 </p>

20、<p>　　圖1.2.4地址屬性</p><p>　　按上面步驟建立所有外部變量，如圖1.2.5及表1.2.1</p><p>　　圖1.2.5 外部變量</p><p>　　表1.2.1 外部變量</p><p><b>　　建立內(nèi)部變量</b></p><p>　　在WINCC

21、中，打開(kāi)變量管理，點(diǎn)擊內(nèi)部變量，建立新變量ssqx、lsqx、kaiqi。ssqx是用來(lái)控制實(shí)時(shí)曲線顯示和隱藏的，llqx是用來(lái)控制歷史曲線顯示和隱藏的，kaiqi是開(kāi)始按鈕控制的水管閃爍的。這三個(gè)變量全都為二進(jìn)制。如表4.2</p><p>　　表1.2.2 內(nèi)部變量</p><p><b>　　創(chuàng)建過(guò)程畫面</b></p><p>　　在

22、圖形編輯器中組態(tài)畫面如圖所示。 并根據(jù)系統(tǒng)要求組態(tài)歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線。系統(tǒng)WinCC監(jiān)控界面如下一章所示</p><p><b>　　1設(shè)置管道動(dòng)態(tài)效果</b></p><p>　　選擇所有的水管，在屬性中選擇控件屬性，在BlinkMode中靜態(tài)選擇No Flash，右擊動(dòng)態(tài)中的動(dòng)態(tài)對(duì)話框，在表達(dá)式/公式中選擇變量“man_on”，在數(shù)據(jù)類型中選擇布爾型。當(dāng)“是”的時(shí)

23、候Blink為No Flash，當(dāng)“否”的時(shí)候Blink為Shaded。Black color和Back color選擇淺藍(lán)色。man_on地址為DB42.D0.1。</p><p>　　這一步作用是，當(dāng)MAN_ON_1置為1時(shí)，水管不閃爍，當(dāng)man_on置為0時(shí)，水管開(kāi)始閃爍，表明PID運(yùn)行時(shí)水管有水通過(guò)。</p><p><b>　　2 PID開(kāi)關(guān)編輯</b>&l

24、t;/p><p>　　在對(duì)象選項(xiàng)板中選擇窗口對(duì)象，選擇按鈕，然后命名為“積分開(kāi)關(guān)”，點(diǎn)擊事件中的鼠標(biāo)屬性，在右面的單擊左鍵，設(shè)置C動(dòng)作。添加腳本程序如下：</p><p>　　SetTagBit("i_select",1);//Return-Type: BOOL </p><p>　　同樣在鼠標(biāo)右擊，設(shè)置C動(dòng)作。腳本程序如下：</p>

25、<p>　　SetTagBit("i_select",0);//Return-Type: BOOL</p><p>　　以此類推，Td微分開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉按鈕都要這么設(shè)置。</p><p><b>　　3輸入輸出域的設(shè)置</b></p><p>　　對(duì)副測(cè)量值進(jìn)行設(shè)定，在對(duì)象選項(xiàng)板中選擇智能對(duì)象，然后新建一個(gè)輸

26、入輸出域，在輸出值中選擇動(dòng)態(tài)對(duì)話框，在表達(dá)式/公式中選擇變量pv1，數(shù)據(jù)類型選擇為直接。pv1的變量地址為DB4.DD92。同樣方法設(shè)置變頻器支路測(cè)量值pv2,變量地址DB42.DD92。</p><p>　　圖1.2.6設(shè)置尋址方式</p><p>　　(1)電氣閥支路測(cè)量pv1 (2)變頻器支爐測(cè)量pv2</p><p

27、>　　對(duì)給定值進(jìn)行設(shè)定，在對(duì)象選項(xiàng)板中選擇智能對(duì)象，然后新建一個(gè)輸入輸出域，在輸出值中選擇變量fushe，fushe的地址為DB41.DD6。</p><p>　　用同樣的方法設(shè)定Kp、Ti、Td的輸入輸出域，在輸出值中選擇變量p、i、d，它們的地址分別為DB41.DD20、DB41.DD24、DB41.DD28。</p><p><b>　　4設(shè)置開(kāi)啟按鈕</b&g

28、t;</p><p>　　在對(duì)象選項(xiàng)板中選擇窗口對(duì)象，選擇按鈕，然后命名為“開(kāi)啟”，點(diǎn)擊事件中的鼠標(biāo)屬性，在右面的單擊左鍵，設(shè)置C動(dòng)作。添加腳本程序如下：</p><p>　　SetTagBit("kaiqi",1);//Return-Type: BOOL </p><p>　　SetTagBit("main_on",0);

29、//Return-Type: BOOL </p><p>　　SetTagBit("pvper_on_1",1);//Return-Type: BOOL </p><p>　　SetTagBit("pvper_on_2",1);</p><p>　　單擊“開(kāi)啟”后，由于管道的動(dòng)畫效果設(shè)置，管道會(huì)閃爍。Main_on為1時(shí)控

30、制循環(huán)將被中斷，手動(dòng)值被設(shè)置為操作值。由于本設(shè)計(jì)要求，電動(dòng)閥的PID “Main_on”保持默認(rèn)值1。變頻器PID“Main_on”設(shè)置為0，控制循環(huán)不會(huì)中斷。由于檢測(cè)量為電動(dòng)閥支路流量PIW272，變頻器支路流量PIW274，為外圍設(shè)備，故此本設(shè)計(jì)的兩個(gè)PID，PVPER_ON應(yīng)為1狀態(tài)。</p><p>　　5設(shè)置實(shí)時(shí)曲線歷史曲線</p><p>　　在對(duì)象選項(xiàng)板中選擇窗口對(duì)象，選擇按

31、鈕，然后命名為“實(shí)時(shí)曲線”，點(diǎn)擊事件中的按左鍵，右擊選擇C語(yǔ)言。在編輯動(dòng)作中中插入下列腳本程序：</p><p>　　SetTagBit("ssqx",1);</p><p>　　這條語(yǔ)句的意思是當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，“ssqx”置為1。點(diǎn)擊確定。</p><p>　　再點(diǎn)擊事件中的按右鍵，右擊選擇C語(yǔ)言，在編輯動(dòng)作中插入如下腳本程序：</p&

32、gt;<p>　　SetTagBit("ssqx",0);</p><p>　　這條語(yǔ)句的意思是當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，“ssqx”置為0。點(diǎn)擊確定。</p><p><b>　　如圖所示：</b></p><p>　　圖1.2.7 實(shí)時(shí)曲線C動(dòng)作腳本程序設(shè)置</p><p>　　歷史曲線按鈕

33、設(shè)置相同，只需要將“ssqx”改為“l(fā)sqx”。</p><p>　　接下來(lái)在對(duì)象選項(xiàng)板中選擇控件中的曲線，對(duì)曲線進(jìn)行編輯，命名為“實(shí)時(shí)曲線”。在WINCC在線趨勢(shì)控件的屬性中進(jìn)行編輯，在數(shù)據(jù)源中選擇在線變量，選擇公共X軸和公共Y軸以及可調(diào)整大小。</p><p>　　在曲線一欄中選擇pv1，命名為“電動(dòng)閥支路流量測(cè)量值”，顏色選擇為綠色。然后再添加曲線，命名為“變頻器支路流量測(cè)量值”，在

34、線變量選擇為pv2，顏色為藍(lán)色；然后再添加曲線，命名為“變頻器支路流量給定值”，在線變量選擇為sp1，顏色為紅色。</p><p>　　點(diǎn)擊曲線屬性，然后在顯示中選擇動(dòng)態(tài)對(duì)話框，在表達(dá)式/公式中選擇變量“ssqx”，數(shù)據(jù)類型為布爾量，當(dāng)“是”時(shí)，置為1，當(dāng)“否”時(shí)，置為0。</p><p>　　歷史曲線的屬性同樣如此設(shè)置。</p><p>　　當(dāng)鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)曲

35、線”按鈕時(shí)，實(shí)時(shí)曲線會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)曲線”按鈕時(shí)，曲線會(huì)隱藏。歷史曲線也是這樣的效果。</p><p>　　歷史曲線設(shè)置不同的是在選擇數(shù)據(jù)源時(shí)要設(shè)置為歸檔變量，然后選擇已經(jīng)設(shè)置好的變量，如圖所示：</p><p>　　圖1.2.8 歸檔變量選擇</p><p>　　WiNCC組態(tài)軟件的通訊</p><p>　?。?）給PC和PLC

36、上電，打開(kāi)SETP 7，打開(kāi)已建立好的工程。</p><p>　?。?）進(jìn)入STEP 7軟件界面，點(diǎn)擊options中的Set PG/PC Interface，選擇CP5611(MPI)<active>，然后選擇Diagnostics進(jìn)行測(cè)試，出現(xiàn)OK，在進(jìn)行下載。如圖4.9所示。</p><p>　　圖1.2.9 CP5611</p><p>　?。?

37、）點(diǎn)擊Diagnostics對(duì)MPI、硬件組態(tài)診斷如下圖所示。</p><p>　　圖1.2.10 CP5611（MPI）</p><p>　　圖1.2.11 硬件診斷</p><p>　　（4）將PLC置為run狀態(tài)，SF燈沒(méi)有紅燈，電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟。無(wú)錯(cuò)誤。</p><p>　?。?）運(yùn)行WINCC 目錄下的已建立組態(tài)界面。點(diǎn)擊運(yùn)行鍵進(jìn)入監(jiān)

38、控畫面。</p><p>　?。?）選擇SIEMENS\WINCC\TOOLs中的WINCC Channel Diagnosis，點(diǎn)擊運(yùn)行，出現(xiàn)如下圖所示窗口：</p><p>　　圖1.2.12 WINCC通訊監(jiān)測(cè)</p><p>　　這表明WINCC 已經(jīng)跟PLC通訊上了。通訊成功。</p><p><b>　　2系統(tǒng)調(diào)試<

39、;/b></p><p><b>　　2.1流程圖繪制</b></p><p><b>　　1．繪制靜態(tài)圖形</b></p><p>　　在工程“GLND”中，新建一個(gè)圖形文件，利用繪圖工具繪制如圖6所示的鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)的靜態(tài)圖形。</p><p>　　圖2.1 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控

40、制</p><p>　　2． 設(shè)置文字動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　1）單擊鍋爐內(nèi)膽溫度的文字特性XXX . X℃，右擊鼠標(biāo)選擇動(dòng)態(tài)特性。設(shè)置文字特性：在“文字”標(biāo)簽中選擇“有文字特性”，點(diǎn)名為TT1，項(xiàng)名為AV，域號(hào)為0，其他選擇默認(rèn)。</p><p>　　2）單擊電動(dòng)閥調(diào)節(jié)開(kāi)度的文字特性XXX . X％，右擊鼠標(biāo)選擇動(dòng)態(tài)特性。設(shè)置文字特性：在“文字”標(biāo)簽中選擇“

41、有文字特性”，點(diǎn)名為AO0，項(xiàng)名為AV，域號(hào)為0，其他選擇默認(rèn)。</p><p>　　3．設(shè)置增減交互特性</p><p>　　1）單擊電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的增減值特性“+”，右擊鼠標(biāo)選擇交互特性，設(shè)置增減值特性：在“增減值”標(biāo)簽中選擇“有增減值特性”，點(diǎn)名為AO0，項(xiàng)名為AV，域號(hào)為0，增量為0.5，其他默認(rèn)選擇。</p><p>　　2）單擊電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的增減值特性

42、“ - ”，右擊鼠標(biāo)選擇交互特性，設(shè)置增減值特性：在“增減值”標(biāo)簽中選擇“有增減值特性”，點(diǎn)名為AO0，項(xiàng)名為AV，域號(hào)為0，增量為 - 0.5，其他默認(rèn)選擇。</p><p>　　4．設(shè)置推出窗口交互特性</p><p>　　單擊鍋爐內(nèi)膽溫度的文字特性XXX . X℃，右擊鼠標(biāo)選擇交互特性。設(shè)置交互特性：在“推出窗口”標(biāo)簽中選擇“有推出窗口特性”，窗口類型為“PID窗口”，PID點(diǎn)名為“

43、PID04”，域號(hào)為0，其他選擇默認(rèn)。</p><p>　　5．設(shè)置Tip顯示交互特性</p><p>　　單擊鍋爐內(nèi)膽溫度的文字特性XXX . X℃，右擊鼠標(biāo)選擇交互特性。設(shè)置交互特性：在“Tip顯示”標(biāo)簽中選擇“有Tip顯示特性”，選擇“顯示固定字符串”，輸入顯示內(nèi)容“點(diǎn)擊可修改參數(shù)！”其他選擇默認(rèn)。</p><p>　　6．設(shè)置在線修改交互特性</p&g

44、t;<p>　　單擊電動(dòng)閥調(diào)節(jié)開(kāi)度的文字特性XXX . X％，右擊鼠標(biāo)選擇動(dòng)態(tài)特性。設(shè)置文字特性：在“在線修改數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)值”標(biāo)簽中選擇“有在線修改特性”，點(diǎn)名為AO0，項(xiàng)名為AV，域號(hào)為0，其他選擇默認(rèn)。</p><p><b>　　7．保存文件</b></p><p>　　將剛才繪制的鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)流程圖保存，圖形文件名為GLND，圖形組態(tài)完畢

45、。</p><p><b>　　2.2電源連接</b></p><p>　　三項(xiàng)電源輸出端U、V、W對(duì)應(yīng)連接到三相SCR移相調(diào)壓裝置的三相電源輸入端U、V、W端；三相SCR移相調(diào)壓裝置的三相調(diào)壓輸出端U0、V0、W0接至三相電加熱管輸入端U0、V0、W0；三相電源輸出端U、V、W對(duì)應(yīng)連接三相磁力泵（~380V）的輸入端U、V、W；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥~220V輸入端L、N接至單

46、相電源III的3L、3N端。將控制屏上的直流24V電源（+、－）端對(duì)應(yīng)接到FM模塊電源輸入（+、－）端。</p><p><b>　　2.3測(cè)試步驟</b></p><p>　　1．按上述要求連接完實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，打開(kāi)圖1對(duì)象相應(yīng)的水路（打開(kāi)閥F1-1、F1-2、F1-5、F1-13，其余閥門關(guān)閉）；</p><p>　　2．用電纜線將對(duì)象和DCS控

47、制臺(tái)連接起來(lái)；</p><p>　　3．用電動(dòng)閥支路給鍋爐內(nèi)膽和夾套均打滿水，待實(shí)驗(yàn)投入運(yùn)行之后，用電動(dòng)閥支路以固定的小流量給鍋爐內(nèi)膽打循環(huán)水冷卻；</p><p>　　4．合上DCS控制屏電源，啟動(dòng)服務(wù)器和主控單元；</p><p>　　5．在工程師站的組態(tài)中選擇該工程進(jìn)行編譯下裝；</p><p>　　6．啟動(dòng)操作員站，選擇運(yùn)行界面中的實(shí)

48、驗(yàn)；</p><p>　　7．啟動(dòng)對(duì)象總電源，并合上相關(guān)電源開(kāi)關(guān)（三相電源、單相III），開(kāi)始實(shí)驗(yàn)（如果是控制柜，打開(kāi)三相電源總開(kāi)關(guān)、三相電源、單相開(kāi)關(guān)，并同時(shí)打開(kāi)三相調(diào)壓模塊和三相磁力泵電源開(kāi)關(guān)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電源開(kāi)關(guān)控制站電源開(kāi)關(guān)）；</p><p>　　8．手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出，并根據(jù)對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線求得對(duì)象的K、T和τ值，確定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)σ和TI，并整定之。在流程圖的溫度測(cè)量值上

49、點(diǎn)擊左鍵，彈出PID窗口，進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置；由于熱電偶溫度升得快降得慢所以靜態(tài)控制跟動(dòng)態(tài)控制的效果是不一樣的，動(dòng)態(tài)控制比靜態(tài)控制的升溫過(guò)程稍慢，降溫過(guò)程稍快。無(wú)論操作者采用靜態(tài)控制或者動(dòng)態(tài)控制，本實(shí)驗(yàn)的上位監(jiān)控界面操作都是一樣的。</p><p>　　本系統(tǒng)主要涉及兩路信號(hào)，一路是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)鍋爐內(nèi)膽溫度，另外一路是控制移項(xiàng)調(diào)壓模塊輸出的控制信號(hào)。</p><p>　　1）接通控制系統(tǒng)電

50、源，打開(kāi)用作上位監(jiān)控的PC機(jī)，進(jìn)入后的控制系統(tǒng)主界面。</p><p>　　2）在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)界面如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2控制系統(tǒng)界面</p><p>　　3）在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊 “手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作既可拉動(dòng)輸出值旁邊的滾動(dòng)條，也可直接

51、在輸出值顯示框中輸入。</p><p>　　4）合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定于設(shè)定值。</p><p>　　5）按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PID控制規(guī)律，并按整定后的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　6）待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)

52、，待水溫穩(wěn)定后，突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過(guò)大，一般為設(shè)定值的5％～15%為宜），鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值。點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)界面下邊的切換按鈕，觀察實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表所記錄的設(shè)定值、輸出值，內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖8所示。</p><p>　　圖8 內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過(guò)程曲線</p><

53、;p>　　7）適量改變控制器的PID參數(shù)，重復(fù)步驟6，觀察計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。</p><p>　　8）開(kāi)始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟3～7，觀察實(shí)驗(yàn)的過(guò)程曲線與前面不加冷水的過(guò)程有何不同。</p><p>　　9）采用PI控制規(guī)律，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察在不同的PID參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。</p><p>　　9．設(shè)置好溫度的給定值，先把

54、調(diào)節(jié)器的輸出設(shè)為手動(dòng)，通過(guò)三相移相調(diào)壓模塊給鍋爐內(nèi)膽加熱，等鍋爐水溫趨于給定值且不變后，由手動(dòng)切換為自動(dòng)，使系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；</p><p>　　10．當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行之后，突加階躍擾動(dòng)（將給定量增/減5%~15%），觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線；</p><p>　　11．待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，適量增大或減小電動(dòng)閥的開(kāi)度（加擾動(dòng)），觀察在階躍擾動(dòng)作用下鍋爐內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過(guò)程；</p>

55、;<p>　　12．通過(guò)反復(fù)多次調(diào)節(jié)PI的參數(shù)，使系統(tǒng)具有較滿意的動(dòng)態(tài)性能指示。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中可點(diǎn)擊窗口中的“趨勢(shì)”下拉菜單中的“綜合趨勢(shì)”，可查看相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)以鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實(shí)驗(yàn)要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻TT1檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)

56、節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。在鍋爐內(nèi)膽水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過(guò)程容量時(shí)延較大，所以其控制過(guò)渡時(shí)間也較長(zhǎng)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。</p><p>　　3參數(shù)整定與系統(tǒng)分析</p><p>　　3.1鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p&

57、gt;　　在本控制系統(tǒng)中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入EM235模塊的A路，TT2(爐膛溫度傳感器)將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入EM235模塊的B路。兩路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)EM235轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入PLC，PLC再通過(guò)PID模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制。具體流程在第四章程序編寫的時(shí)候具體論述。由PLC的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖 3-1 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖

58、3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.2調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)整定過(guò)程</p><p>　　1、PID控制器的組成</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p>　?。?）比例系數(shù)KC對(duì)系統(tǒng)性能的影響：　　比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Ｋ

59、c偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。Ｋc太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Ｋc太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。Ｋc可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果Ｋc的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài)(pv值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋc的符號(hào)就一定要取反。</p><p>　?。?） 積分控制Ｔi對(duì)系統(tǒng)性能的影響：　　積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔi?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定

60、，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 （3） 微分控制Ｔd對(duì)系統(tǒng)性能的影響：　　微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，Ｔd偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。Ｔd偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有Ｔd合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間2.主、副回路控制規(guī)律的選擇</p><p>　　2、采用串級(jí)控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是

61、工藝操作的重要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍較小，一般要求無(wú)余差，因此，主調(diào)節(jié)器一般選PI或PID控制，副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就可以。在本控制系統(tǒng)中，我們將鍋爐出口水溫度作為主參數(shù)，爐膛溫度為副參數(shù)。主控制采用PI控制，副控制器采用P控制。</p><p>　　3、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定</p><p>　　

62、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定：　 首先確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝安全考慮，可控硅輸出電壓應(yīng)選用氣開(kāi)式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 Kv >0 。然后確定副被控過(guò)程的K02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，電壓增大，爐膛水溫度上升，所以 K02 >0 。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為負(fù)，所以副調(diào)節(jié)器 K 2<0 ，副調(diào)節(jié)器作用方式

63、為反作用方式?！　≈髡{(diào)節(jié)器作用方式的確定：　　爐膛水溫度升高，出口水溫度也升高，主被控過(guò)程 K01 > 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K1< 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式[7]。</p><p><b>　　4.采樣周期的分析</b></p><p>　　采樣周期Ts越小，采樣值就越能反應(yīng)溫度的變化情

64、況。但是，Ts太小就會(huì)增加CPU的運(yùn)算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒(méi)什么變化，將是PID控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應(yīng)使采樣時(shí)間太小。，確定采樣周期時(shí)，應(yīng)保證被控量迅速變化時(shí)，能用足夠多的采樣點(diǎn)，以保證不會(huì)因采樣點(diǎn)過(guò)稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。</p><p>　　因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時(shí)間不能太短，一般是15s～20s，本系統(tǒng)采樣17s 經(jīng)過(guò)上述的

65、分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運(yùn)之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。</p><p>　　理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過(guò)理論的計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數(shù)。這類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是

66、很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　對(duì)于工程整定法，工程人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所學(xué)的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。</p><p><b

67、>　　比例（P）控制</b></p><p>　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系[]。若產(chǎn)生偏差，控制器就發(fā)生作用調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量向減小偏差的方向變化[]。偏差減小的速度由比例系數(shù) Kp來(lái)決定，Kp越大偏差減小的越快[]。但這樣會(huì)引起振蕩，特別是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的時(shí)候，比例系數(shù)Kp減小，振蕩發(fā)生的可能性就會(huì)減小，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)速度變慢。比例控制的

68、缺點(diǎn)是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，必須要有積分控制來(lái)輔助。</p><p><b>　　積分（I）控制</b></p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大。因此，就算誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)慢慢變大，由它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差慢慢減小至零。所以，比例—

69、積分 (PI) 控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。</p><p><b>　　微分（D）控制</b></p><p>　　在微分控制下，控制器的輸出的微分增加了，輸入誤差信號(hào)的微分同時(shí)也會(huì)增加。而自動(dòng)控制系統(tǒng)在對(duì)于誤差的控制來(lái)說(shuō)，會(huì)出現(xiàn)別的不必要的問(wèn)題，比如波動(dòng)，更嚴(yán)重的會(huì)失穩(wěn)。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)

70、往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，但是加入的微分項(xiàng)卻能夠避免較大的誤差出現(xiàn)，因?yàn)樗梢灶A(yù)測(cè)誤差變化的方向。[14]但是微分控制會(huì)放大高頻噪聲, 降低系統(tǒng)的信噪比,導(dǎo)致系統(tǒng)抑制干擾的能力下降，也就是說(shuō)微分控制不能消除余差。</p><p>　　PID控制本質(zhì)上是一個(gè)二階線性控制器, 通過(guò)調(diào)整比例( P)、積分( I)和微分( D)三個(gè)參數(shù), 使得大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。</p&g

71、t;<p>　　PID控制器的理想計(jì)算公式為:</p><p>　　公式中: u(t)為控制器的輸出; e(t)為控制器的輸入(常常是設(shè)定值與被控量之差, 即e(t)=r(t)-c(t));Kp、Ti、Td 分別為控制器的比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　設(shè)u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出值(采樣周期為T),用一階向后差分代替微分，用矩形法數(shù)

72、值積分代替連續(xù)積分，將上式進(jìn)行離散化處理,可得離散的PID計(jì)算公式:</p><p>　　上式為位置式PID控制算法, 其當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān), 計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加, 運(yùn)算量大, 因此實(shí)際應(yīng)用中一般采用增量PID控制算法。</p><p><b>　　由式可得:</b></p><p><b>　　其中 <

73、;/b></p><p>　　上式是增量PID算法的計(jì)算公式, 系統(tǒng)的采樣周期T選定后, 一旦確定了Kp、Ti、Td, 只要使用前后3次測(cè)量的溫度偏差值即可由式求出控制量[]。</p><p>　　3.3系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能</p><p>　　通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)所得曲線來(lái)說(shuō)明水循環(huán)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，且P、I、D各參數(shù)的整定值都為如圖所示。</p

74、><p>　　圖3.3.1     PID參數(shù)整定表</p><p>　　(1) 水循環(huán)在升溫過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)性能的影響  有水循環(huán)時(shí):將鍋爐內(nèi)膽水溫從36℃加熱到50℃，即在水溫穩(wěn)定在36℃時(shí)，將PID控制器的設(shè)定值設(shè)為50℃，則電加熱管開(kāi)始加熱直到50℃為止。實(shí)驗(yàn)所得曲線如圖3.3.1所示。此時(shí)系統(tǒng)基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的偏差在±0.5℃

75、以內(nèi)，有波動(dòng)是因?yàn)镵P取值太大的緣故，使得調(diào)節(jié)器動(dòng)作太靈敏;調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量為:</p><p>　　圖3.3.2   有水循環(huán)時(shí)的升溫過(guò)程曲線</p><p>　　無(wú)水循環(huán)時(shí):也將鍋爐內(nèi)膽水溫從36℃加熱到50℃，實(shí)驗(yàn)所得曲線如圖3.3.2所示?？梢?jiàn)無(wú)水循環(huán)時(shí)不是很穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間增加，且超調(diào)也有所增加為:</p><p>　　圖3.3.3為無(wú)

76、水循環(huán)時(shí)的升溫過(guò)程曲線。</p><p>　　圖3.3.3  無(wú)水循環(huán)時(shí)的升溫過(guò)程曲線</p><p>　　(2) 水循環(huán)在降溫過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)性能的影響  有水循環(huán)時(shí):內(nèi)膽水溫從50℃降到36℃，即在水溫穩(wěn)定在50℃時(shí)，將控制器的設(shè)定值設(shè)為36℃，則控制器輸出為0，電加熱管停止加熱。實(shí)驗(yàn)所得曲線所示的曲線①。從51.0℃降到36℃總共所需時(shí)間為:10分58.4s。&#

77、160; 無(wú)水循環(huán)時(shí):鍋爐內(nèi)膽水溫也從50℃降到36℃，實(shí)驗(yàn)所得曲線如圖所示的曲線①。從圖中可知:從50.4℃降到40.2℃所需時(shí)間為:13分6.6秒，所花時(shí)間已經(jīng)大于有水循環(huán)時(shí)的總降溫時(shí)間10分58.4秒，何況此時(shí)溫度只降到40.2℃還沒(méi)降到36℃。圖3.3.5為無(wú)水循環(huán)時(shí)的降溫過(guò)程曲線。</p><p>　　圖3.3.4   有水循環(huán)時(shí)的降溫過(guò)程曲線</p><p>

78、;　　圖3.3.5    無(wú)水循環(huán)時(shí)的降溫過(guò)程曲線</p><p>　　3.4不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。 </p><p>　　1、不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　自動(dòng)控制理論中的分析和設(shè)計(jì)方法主要是建立在被控對(duì)象的線性定常數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。該模型忽略了實(shí)際系統(tǒng)中的非線性和時(shí)變性，與實(shí)際系統(tǒng)有較大的差距。對(duì)于

79、許多工業(yè)控制對(duì)象，根本就無(wú)法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此自動(dòng)控制理論中的設(shè)計(jì)方法很難用于大多數(shù)控制系統(tǒng)。對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。</p><p>　　2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)</p><p>　　PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量較小，各參數(shù)有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制、串級(jí)控制等復(fù)雜的控制。</p><p

80、>　　3、有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性</p><p>　　根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方式，例如PI、PD、帶死區(qū)的PID、被控量微分PID、積分分離PID和變速積分PID等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。</p><p

81、><b>　　4、使用方便</b></p><p>　　現(xiàn)在已有很多PLC廠家提供具有PID控制功能的產(chǎn)品，例如PID閉環(huán)控制模塊、PID控制指令和PID控制系統(tǒng)功能塊等，它們使用簡(jiǎn)單方便，只需設(shè)定一些參數(shù)即可，有的產(chǎn)品還具有參數(shù)自整定功能[6，9]。</p><p>　　PID控制器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　

82、（5.5）</b></p><p>　　模擬量PID控制器的輸出表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中：控制器的輸入量（誤差信號(hào)）；</p><p>　　sp(t) —— 設(shè)定值；</p><p>　　pv(t) —— 過(guò)程變量（反饋值）；

83、</p><p>　　mv(t) —— 控制器的輸出信號(hào)；</p><p>　　Kp —— 比例系數(shù)；</p><p>　　TI —— 積分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　TD —— 微分時(shí)間常數(shù)；</p><p>　　M —— 積分部分的初始值。</p><p>　　式（5.6）中

84、等號(hào)右邊的前3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差ev(t)、誤差的積分和誤差的微分成正比。如果取其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成P、PI、或PD調(diào)節(jié)器。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度，可以選用PI控制方式；控制對(duì)象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇PID控制方式[10]。</p><p>　　PID控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡(jiǎn)單歸納一下。</p><p&

85、gt;<b>　　1、比例(P)調(diào)節(jié)</b></p><p>　　純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　式中KP為比例系數(shù)，δ為比例帶。</p><p>　　2、比例積分(PI)調(diào)節(jié)</p&g

86、t;<p>　　PI調(diào)節(jié)器就是利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但I(xiàn)調(diào)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)器在過(guò)程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　GC(s)=KP(1+)＝(1+) </p><p>　　式中TI為積分時(shí)間。</p>

87、<p>　　3、比例微分(PD)調(diào)節(jié)</p><p>　　這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過(guò)大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　GC(s)=KP(1+TDs)＝(1+TDs) </p

88、><p>　　式中TD為微分時(shí)間。</p><p>　　4、比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器</p><p>　　PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為</p><p>　　GC(s)=KP(1++TDs)＝(1++TDs) </p>

89、;<p>　　上式表示了同一對(duì)象在相同階躍擾動(dòng)下，采用不同控制規(guī)律時(shí)具有相同衰減率的響應(yīng)過(guò)程。</p><p>　　圖3.4.1 各種控制規(guī)律對(duì)應(yīng)的響應(yīng)過(guò)程</p><p>　　圖3.4.2 比例調(diào)節(jié)規(guī)律 圖3.4.3 積分作用曲線</p><p>　　圖3.4.4 積分作用曲線</p>&l

90、t;p>　　3.5 P、PI、PID控制方式的控制效果</p><p>　　(1) P調(diào)節(jié)與分析在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為‘自動(dòng)’模式，且‘比例作用開(kāi)關(guān)’設(shè)置為‘1’、‘積分作用開(kāi)關(guān)’設(shè)置為‘0’、‘微分作用開(kāi)關(guān)’設(shè)置為‘0’，此時(shí)就成了P調(diào)節(jié)器。  溫度初值為52.1℃，設(shè)定值設(shè)為60℃。所得曲線如圖3.5.1所示。其中曲線①即為水溫測(cè)量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值

91、曲線。</p><p>　　圖3.5.1   P調(diào)節(jié)</p><p>　　分析:KP=2時(shí)，水溫上升速度慢，即控制系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢，且穩(wěn)態(tài)誤差大，最小的穩(wěn)態(tài)誤差也有2℃;KP=20時(shí)，可見(jiàn)穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小，此時(shí)的最大穩(wěn)態(tài)誤差為30.00-29.10=0.9℃;KP =200時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，控制器輸出加大，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差為30.00-29.52=0.48℃，但是系統(tǒng)產(chǎn)生振

92、蕩最大振幅為30.86-30.00=0.86℃;KP=500時(shí)，控制器輸出再次加大，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差僅為30.00-29.83=0.17℃，但再怎么加大，穩(wěn)態(tài)誤差仍舊存在，不可能完全消除，且振幅已達(dá)到31.28-30.00=1.28℃。所以KP不能太小，也不能太大。動(dòng)態(tài)時(shí):若KP偏大，則振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)KP太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若KP太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。穩(wěn)態(tài)時(shí):加大KP，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差ess，提高控制精度。但是

93、加大KP只是減少ess，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　(2) PI調(diào)節(jié)與分析</p><p>　　在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為‘自動(dòng)’模式，且‘比例作用開(kāi)關(guān)’設(shè)為‘1’、‘積分作用開(kāi)關(guān)’設(shè)為‘1’、‘微分作用開(kāi)關(guān)’設(shè)為‘0’，此時(shí)就成了PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　溫度初值為29.0℃，設(shè)定值設(shè)為40℃，KP=2.0，TI=20000ms。所得曲線

94、如圖3.5.2所示。其中曲線①即為水溫測(cè)量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。</p><p>　　圖3.5.2 PI調(diào)節(jié)</p><p>　　(2) PD調(diào)節(jié)與分析</p><p>　　圖3.5.3     PD調(diào)節(jié)</p><p>　　分析:對(duì)于圖3.5.3，此時(shí)超調(diào)量為<

95、/p><p>　　，系統(tǒng)能慢慢趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差≤0.04℃。調(diào)節(jié)時(shí)間稍微長(zhǎng)了點(diǎn)，這是因?yàn)槲⒎肿饔脹](méi)加，相當(dāng)于0，而微分太小會(huì)使超調(diào)量增加，調(diào)節(jié)時(shí)間也增長(zhǎng)。對(duì)于圖3.5.3，此時(shí)超調(diào)量為  ，比TI=20000ms時(shí)的超調(diào)大，系統(tǒng)不是很穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩次數(shù)多。因?yàn)閺拈_(kāi)環(huán)對(duì)象特性中看出，對(duì)象具有一定的積分特性，所以當(dāng)使控制器的TI=500000ms時(shí)，反而使積分作用更強(qiáng)，因此出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象。  (3

96、) PID調(diào)節(jié)與分析  在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為‘自動(dòng)’模式，且‘比例作用開(kāi)關(guān)’設(shè)置為‘1’、‘積分作用開(kāi)關(guān)’設(shè)置為‘1’、‘微分作用開(kāi)關(guān)’設(shè)置為‘1’，此時(shí)就成了PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　溫度初值為18.0℃，設(shè)定值設(shè)為30℃，KP=2.0，TI=20000ms，TD=10000ms。所得曲線如圖3.5.4所示。其中曲線①即為水溫測(cè)量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出

97、值曲線。</p><p>　　圖3.5.4    PID調(diào)節(jié)(1)</p><p>　　圖3.5.5    PID調(diào)節(jié)(2)</p><p>　　溫度初值為45.0℃，設(shè)定值設(shè)為60℃，KP=1.0，TI=10000ms，TD=10000ms。所得曲線如圖3.5.5所示。其中曲線①即為水溫測(cè)量值曲線;曲線②

98、為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。 4結(jié)論</p><p>　　從以上實(shí)驗(yàn)可得有水循環(huán)將提高系統(tǒng)的控制性能，升溫時(shí)可以保證系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，在降溫時(shí)雖然也要一定時(shí)間，但比起自然冷卻，其可以明顯得縮短降溫時(shí)間。所以在上文中的“鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制和分析”中所有實(shí)驗(yàn)都已加入水循環(huán)。但是，若鍋爐的內(nèi)膽水溫與水循環(huán)通路中的水溫溫差小的話，此時(shí)的降溫

99、效果不明顯，跟自然冷卻差不多;而當(dāng)兩者溫差越大時(shí)，降溫速度越快，所以在內(nèi)膽溫度需要加熱到60℃以上時(shí)，最好關(guān)閉水循環(huán)通路，否則系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)或達(dá)不到穩(wěn)定的效果。鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)的效果看，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)和要求，而且還有一定的改進(jìn)。雖然對(duì)象特性具有一定的大慣性，但經(jīng)過(guò)多次調(diào)試后，能確定合適的PID控制參數(shù)，且控制效果較好，系統(tǒng)的超調(diào)量能控制在5%以內(nèi)，使鍋爐的內(nèi)膽溫度與給定值保持一致，實(shí)現(xiàn)了鍋爐內(nèi)膽水溫的常規(guī)PID控制。在

100、原有課題的基礎(chǔ)上，考慮了水循環(huán)通路，很好的解決了鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)的冷卻問(wèn)題，使系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。由于常規(guī)PID控制沒(méi)有自整定功能，故不具有自適應(yīng)性，所以各參數(shù)的整定不是唯一的，隨著周邊環(huán)境的溫度變化等干擾因素，其參數(shù)會(huì)有一定的偏移。解決的辦法是可以采用基于神經(jīng)網(wǎng)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]劉福仁，我國(guó)鍋爐現(xiàn)狀及

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