基于pid控制的电锅炉温度控制系统的仿真毕业论文(编辑修改稿)

基于pid控制的电锅炉温度控制系统的仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

利于对未知对象进行认知和辨识并进一步改善控制系统的控制性能。 对复杂的任务和分散的传感器信息，具有处理、组织、协调和综合决策能力，并在进行过程中表现出类似于人的主动性和灵活性。 由于智能控制不依赖于对象模型，智能行为表现为从系统输入到 输出的映射关系，即使输入时系统从未有过的例子，系统通过插补、归类等方法，也能给出适当的输出。 如果系统中某部分出现故障，仍能正常工作，并给出警告信号，甚至自行修复。 智能控制具有在线特征辨识、特征记忆和拟人等特点，故在整个控制过程中，计算机能够在线获得信息、实时处理并给出控制决策，通过不断优化参数和寻找控制器最佳结构形式，来获得整体的最优控制性能。 因此就目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径。 在各种仪表高速发展的今天，控制装置己经不是主要问题，影响被控对象性能指标的主要因素取决于控制器本身，控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量和生产率。 论文的主要研究内容 本课题的具体研究内容如下 : ，对被控对象进行理论分析，建立被控系统的数学模型，提出适合于锅炉水温过程控制的纯 PID控制方法。 并对控制算法的实现、控制器的设计和参数调整进行深入研究。 2 运用 MATLAB软件的 Simulink开发环境对上述这种方法进行建模仿真，并对控制性能指标进行分析，确定出符合控制系统输出响应速度快、超调量小和稳定误差小的控制算法。 炉供暖系统对控制器的要求，设计一个智能温度控制器，包括 :总体方案设计、部分软件设计、系统仿真等。 9 第 2 章被控对象及控制策略研究 被控对象及其原有控制方案 被控对象分析 电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置。 其工作原理与传统意义上的锅炉有相似之处，从结构上看也有“锅”和“炉”两大部分。 “锅”是指盛放热介质 (一般是水 )的容器，而“炉”这里指加热水的电热转换元件。 目前国内外生产的电锅炉有很多种型式，从整体结构上分有立式、卧式、多单元式等 :从传热介质上分有热水锅炉、蒸汽锅炉和有机载 体锅炉。 从电加热原理上可分为电热管式、电热棒式、电热板式、电极式和感应式等。 从供热方式上有直热式和蓄热式等。 本文研究对象为直热式热水锅炉，采用电阻式加热，工作压力为 ，锅炉内最高水温 95℃。 当电锅炉工作在 ，水的饱和温度为 144℃ ，最高水温 95℃使锅炉远离了工作压力下的饱和温度及加热元件表面的过度沸腾难以控制的现象，同时， 95℃ 的水温基本上不产生蒸汽。 产品安装示意图如图。 从电锅炉的安装示意图可以看出，电锅炉的热水经供暖出水口送至散热片，通过散热片向供热区释放热量。 可 见供热区的温度是控制参数，操作量是电锅炉内的热水。 通过调节阀的开度，保证供热区的等温特性。 通过水位的判别，调节补水阀的起、停。 因此本文的研究目的是结合电锅炉水温上升的特点，对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量小且稳定误差小的技术要求。 在生产过程，控制对象各种各样，理论分析和试验结果表明 :电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。 参数辨识就是 根据实验数据和建立的模型来确定一组参数值，使得由模型计算得到的数值结果能最好的拟合测试数据（曲 线拟合问题），从而可以为生产过程进行预测，提供一定的理论指导。 当计算得到的数值结果与测试值之间的误差较大时，就认为该数学模型与实际的过程不符或者差距较大，进而修改模型，重新选择参数。 因此，参数辨识问题是一个逆问题，参数估计的好坏决定了用模型来解释实际问题的可信度。 经过多方查证，发现 一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。 其传递函数可由式 (21)表示 : 10   1 TS eksG s (21) 式 (21)中 K对象的静态增益 T对象的时间常数。  对象的纯滞后时间。 对象中的特性参数对其输出的影响 : 大 系 数 K 放大系数 K也就是传递系数，它与被控量的变化过程无关，其值表示输入对输出稳态值的影响程度。 K值越大，表示被控对象的自平衡力小。 K值小，对象自平衡能力大。 间 常 数 T 时间常数 T的大小反映了对象受到阶跃干扰后，被控量达到新的稳定值的快慢程度，即时间常数 T是表示对象惯性大小的物理量。 膨胀水箱 （ 必须与大气相通） 供暖出水口 排污口 供暖回水口 散热片 图 电 锅 炉 安 装 图 原有控制方案 目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。 以预控制的温度为标称值，据此设定一个控制上限，一个控制下限。 当温度不在此范围内时，电热锅加热，否则停止加热。 这种方法主要存在以下几个问题 : ① 在实际工程中达不到理想的控制效果，系统的稳定性不好 . ② 由于系统只是采用简单的开关量启动或关闭，使系统出现反复振荡，且对电网 电锅炉 11 产生很大冲击，运行成本很高。 人工控制方法是通过工作人员的操作经验，简单的对锅炉进行操作 .因此，很 难提高系统的控制精度和实现低成本运行。 针对市面上电锅炉的粗犷式控制方法，要提高系统控制精度和实现低成本运行，必须寻找一种新的解决方案。 控制策略研究 通过对电锅炉的结构和系统研究确定出可采用的研究方案，首选采的控制方案是PID控制，它是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过程的线性定常系统，大多采用经典控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差，在大多数情况下能够满足性能要求。 控制基本理论 PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种比例、积分 、微分并联控制器。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（ Kp， Ti和 Td）即可。 在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例 控制单元 是必不可少的。 首先， PID应用范围广。 虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PID就可控制了。 其次， PID参数较易整定。 也就是， PID参数 Kp， Ti和 Td可以根据过程的动态特性及时整定。 如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化， PID参数就可以重新整定。 PID是工业生产中最常用的一种控制方式， PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一， PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。 12 常规 PID控制系统原理框图如图。 r(t) e(t) + u(t) + c(t) + + 图 基本 PID控制系统原理图 理想的 PID控制器根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成的控制偏差 e(t) e(t )= r(t)c(t ) (22) 将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。        01 tpd d e tu t K e t e t d t TT d t   (23) 式中 u(t)—— 控制器的 输出。 e(t)—— 控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号 ； pk e(t)—— 比例控制项， Kp为比例系数。 1 ()et dtTi —— 积分控制项， 1T 为积分时间常数。 )(tedtdTd —— 微分控制项， dT 为微分时间常数。 ik —— 积分系数， pii kTk  dk —— 微分系数 ， pdd Tkk 在图 PID控制器各校正环节的作用 : 比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。 随着比例系数凡的增大，稳定误差逐渐减小，但同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增大。 比例控制是一种最简单的控制方式。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态 误差（ Steadystate error）。 比例 积分 微分 被控对象 13 积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，则此控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 iT ，时间常数越大积分作用越弱，反之越强。 随着积分时间常数不的减小，静差在减小 :但过小的积分常数会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。 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. 微分环节 微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它可以预测将来，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差 信号值变太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加速系统的动态速度，减小调节时间。 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。 在计算机直接数字控制系统中， PID控制器是通过计算机 PID控制算法程序实现的。 进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，才能进入计算机的存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。 通过改变 控制单元 参数 ，如 比例度 δ、积分时间 Ti、微分时间 Td等，改善 系统 的 动态 、 静态 特性，以求取较佳的 控制 效果的过程。 工程 上，对简单 控制系统 ， 整定参数 的 14 方法有临界比例度法、反应曲线法、衰减曲线法、经验法等 PID控制器的参数整定是控制系统的核心内容。 它是根据被控过程的特性确定 PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法有很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。 她主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所的到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定法，它主要是依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定法，主要有临界比例法，反应曲线和衰减。 三种方法各有其特点，其共同特点是通过实验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法，都需要在实际运行中进行最后调 整与完善。 现在一般采用临界比例法。 利用该方法进行 PID控制参数的整定步骤如下： （ 1）首先预选一个足够短的采样周期让系统工作； （ 2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； （ 3）在一定的控制度下通过公式计算得到 PID控制器的参数。 PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定，另一方面是经验。 P是解决幅值振荡， P大了会出现幅值振荡的幅度大，但振荡频率小，系统达到稳定的时间长。 I是解决动作响应的速度快慢的， I大了，响应速度慢，反之则快。 D是消除静态误差的，一般 D设置都比较小，而且对系统的影响比较小。