养护窑窑温模糊控制系统设计(编辑修改稿)

养护窑窑温模糊控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

通过改变周期来控制其输出频率。 而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。 这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。 由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。 利用 PWM 逆变器能够抑制或消除低次谐波。 加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。 PWM 变频电路具有以下特点： 可以得到相当接近正弦波的输出电压 . 整流电路采用二极管，可获得接近 1 的功率因数 . 电路结构简单 . 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应 PWM 基本原理 . 脉宽调制（ PWM） : 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。 也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄 脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。 冲量既指窄脉冲的面积。 这里所说的效果基本相同。 是指该环节的输出响应波形基本相同。 如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。 单周控制法又称积分复位控制（ Integration Reset Control，简称 IRC），辽宁石油化工大学继续教育学院论文 12 是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。 该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。 单周 控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是 RS 触发器。 单周控制在控制电路中不需要误差综合 ,它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。 虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的 PWM 控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强等优点，此外，单周控制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。 PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。 PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。 噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。 从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。 在接收端，通过适当的 RC 或 LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式总之， PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计 应用中使用的有效技术。 PWM 控制技术的缺点准确性不令人满意。 PID 控制方案 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通 过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID控制，实际中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 (1) 比例（ P）控制： 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与 输入误 差信号成比例辽宁石油化工大学继续教育学院论文 13 关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 (2) 积分（ I）控制： 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关 系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系 统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分（ PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 (3) 微分（ D）控制： 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变 化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节 过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（ delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “ 超前 ” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “ 比例 ” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分项 ” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比 例 +微分（ PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 选择 PID的参数，以及相互间的配合，可以影响 PID控制的稳定性。 如采样时间过短对外部信号的变化有可能检测不到，而过长的采样时间显然不能满足控制精度的要求。 又如过大的增益又会造成控制的震荡。 在调试程序时要注意这些参数的设置，慢慢调试以至达到稳定的 PID控制。 PID 控制算法具有原理简单 ,调节精确的优点，系统的上升特性理想，稳态误差小，无静差等； 实际应用中是一个复杂的系统 ,存在着惯性大 ,非线性 ,参数时变 ,数学模型难以建立等特点 ,必须采用合适的控 制策略才能取得良好的控制效果 ,并且快速性不理想 养护窑窑温控制系统的 控制方案 在这次毕业论文中，本人选择的是模糊控制方案。 因为 模糊控制系统易于接受，设计简单，维护方便，而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒性高。 由于它的这些特点，模糊 控制正在得到越来越广泛的应用。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 14 第三章 养护窑 窑窑温控制 系统的硬件设计 模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。 控制系统的控制方式上可分为开环控制和闭环控制。 开环控制是根据控制的设定值直接向控制对象输出控制信号，这种 控制容易受外界干扰而偏离控制目标。 对于控制要求比较高的场合，一般都采用闭环控制方式。 闭环控制是使用控制的设定值与反馈值的差进行控制的，以求得设定值与反馈值的偏差最小。 因而闭环控制根据其设定值的不同，有可以分为调节系统和随动系统两种。 调节系统的设定值是由控制系统的控制器给出，控制器的作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值的偏差最小为目的。 随动系统的设定值是由被控对象给出的。 控制器的作用就是使控制目标不断地向被控对象靠近。 各种跟踪系统都是随动系统。 模拟量控制系统设计中，应该注意抗干扰问题。 解决干扰 的办法有 4种。 其一是接地问题，这里包括 PLC接地端的接地，要真接地不要假接地，这里所说的接地就是接大地。 其二是模拟信号线的屏蔽问题。 屏蔽线的始端和终端都要接地，信号线的屏蔽是防止干扰的重要措施。 其三是对某些高频信号要解决匹配为题。 如果不匹配，很容易在信号传送中引起干扰，使信息失真。 其四是对信号进行滤波。 模拟量信号如电压值，电流值等，常常会因为现场瞬时干扰而长生较大波动，产生误差。 采用滤波可以有效地减小误差。 这里说所的滤波，包括硬件滤波和软件滤波。 软件滤波主要是数字滤波。 数字滤波的方法比较多，如常用的平均值 法，中值法等等。 S7200系列 PLC在系统设计中可以利用 STEP7Micro/MIN32软件对模拟量输入信号增加滤波功能。 如果语言数字滤波，可以设置滤波选项。 养护窑的工艺要求既有顺序控制要求，又有恒温控制要求。 是个既有开关顺序控制又有模拟控制要求，采用 PLC 设计控制系统，性能价格比高。 恒温控制既可以用 PID 算法实现，也可以用模糊控制算法实现。 本文采用模糊算法实现。 模糊算法的控制思想为：温度过低，采用最大的进气量，缩短过渡时间，温度逼近设定温度，减少进气量，趋近设定的温度，降低超调量。 温度偏高，停 止进气，降低温度到设定温度。 从模糊控制的思想可以看出：采用合理的模糊控制规律，模糊控制系统比 PID控制系统能减少过渡时间，减少超调量，减少静态误差。 主电路电气元件的选择 低压隔离开关选择： 主要作用是： ，建立可靠的绝缘间隙，将需要检修的设备或线路与电源用一个明显断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全。 ，换接线路。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 15 、合线路中的小电流，如套管、母线、连接头、短电缆的充电电流，开关均压电容的电容电流，双母线换接时的环流以及电 压互感器的励磁电流等。 ，可用来分、合一定容量变压器的空载励磁电流。 户外刀闸按其绝缘支柱结构的不同可分为单柱式，双柱式和三柱式。 其中单柱式刀闸在架空母线下面直接将垂直空间用作断口的电气绝缘，因此，具有的明显优点，就是节约占地面积，减少引接导线，同时分合闸状态特别清晰。 在超高压输电情况下，变电所采用单柱式刀闸后，节约占地面积的效果更为显著。 计算：已知 P=、功率因数 COS∮ = Tanarccos∮ = 同期系数： K∑ P=,P=K∑ P∑ Pi K∑ Q=,P=K∑ Q∑ Qi 主回路： P30= (+) （ 31） = 11= Q30= ( 2) = =8KW （ 32） 其型号为 HD11100/31 低压熔断器选择 条件确定熔断器的类型。 ，应首先选定熔体的规格，然后再根据熔体去选择熔断器的规格。 ，各级熔断器应相互匹配，一般上一级熔体的额定电流要比下一级熔体的额定电流大２～３倍。 ，应注意电动机起动电流的影响，熔断器一般只作为电动机的短路保护，过载保护应采用热继电器。 ；额定分断能力应大于电路中可能出现的最大短路电流。 根据电流 I30= 要求 根据国标选择 FU 为 NG70025/380 低压断路器 低压断路器用途广泛，它不仅用于主干线、支路、电路末端等作线路（ 电缆 、电线）及 电气 设备的不频繁合、分和过载、短路、欠电压等故障的保护，还应用于各种负载，如 照明 回路、电热回路、电动机回路、辽宁石油化工大学继续教育学院论文 16 可控硅整流回路、电容器回路等的单独使用和保护。 负载的性质不同，选用断路器的额定电流和保护特性也有差异。 （ 1） 低压断路器的额定电压应不低于保护线路的额定电压。 （ 2） 低压断路器的额定电流应不小于它所装的脱扣器的额定电流。 （ 3） 低压断路器的类型应符合安装条件，保护性能及操作方式的要求。 ① QF1 的选择： I30=,UN=380V，脱扣电流 150A，极限通断能力 COS∮≥ 根据国标选择 QF1 为 DW10200/3 ② QF2， QF3 的选择： I301=I302 = 根据国标选择 QF QF3为 C45ND380/16 ③ QF4 的选择： I=5A 根据国标选择 QF4 为 C45ND220/6 接触器的选择： 接触器是用来接通和切断电动机或其它负载主电路的一种控制电器 .接触器具有强大的执行机构 ,大容量的主触头及迅速的熄灭电弧的能力 .当系统发生故障时 ,能根据故障检测元 件所给出的动作信号 ,迅速可靠的切断电源 ,并有低压释放功能 .与保护电器组合可构成各种电磁启动器 ,用于电机的控制及保护。 接触器的结构及工作原理 : 接触器由磁系统 ,触头系统 ,灭弧系统 ,释放弹簧机构 ,辅助触头及基座等几部分组成 . 接触器的基本工作原理 :利用电磁原理通过控制电路和可动衔铁的运动来带动触头控制主电路通短的 . 选择接触器的类型： 根据电路中负载电流的种类选择。 交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果控制系统中主要是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，也可都选用交流接触器来控制，但触 点的额定电流应选得大一些。 选择接触器主。