基于plc的自整定pid温度控制设计(论文

基于plc的自整定pid温度控制设计(论文内容摘要：

in the thesis to provide the plete temperature control of sintering furnace. The programs of PLC are developed to realize the industrial implements. We have designed Human Machine Interface（ HMI） with the Kingview configuration soft which is developed by domestic pany . The Kingview can monitor and control the PLC on line. We also have designed several menu, including the historical curve screen and monitoring screen. Users can easily query the operation of PLC, data acquisition and online control. Finally the procedures of the temperature control system based on the selftuning PID controller is designed and implemented． Key Words： Temperature control, PLC, FuzzyPID Control , PID parameter tuning, Kingview 1 1 绪论 课题的背景和意义 随着控制理论的不断发展，各项控制场合诸如温度、压力及流量等参数的控制及测量都得到了长足的发展。 而温度控制是其中最重要的一项。 以传统的单片机为核心的温度控制系统，由于受到处理器自身硬件资源和速度的限制，硬件电路设计复杂，数据实时处理能力差，温度调节时间长。 随着可编程序控制器 (简称 PLC)技术的不断发展，它有着高可靠性、逻辑控制的设计实现方便灵活等优点。 将模糊控制与 PLC 控制技术相结合，利用 PLC 实现模糊控制实现 PID 参数自整定，将会有越来越广泛的应用。 它既保留了 PLC 控制系统控制可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度，是现代自动控制系统的发展趋势之一。 PID 以其算法简单、鲁棒性好和可靠性高的特点，被广泛应用于工业过程控制。 由于其结构简单，容易被理解和实现，也成为应用最广泛的控制算法。 在温度控制软件上如果采用 PID 控制算法，便能使得温度调节具有速度快、精度高的特点。 本课题研究的主要目的是运用模糊理论进行 PID 参数整定，并以 PLC 为处理器，设计出一套基于 PID参数自整定的温度控制系统。 本课题对 PID 参数整定的方法具有一定的实际运用价值 ， 并把 PID 控制理论应用到温度控制系统当中，为从事过程控制系统的软件和硬件设计人员提供了一个很好的应用实例。 PID参数整定方法的发展现状 根据研究方法， PID 参数整定方法 可分为基于频域的 PID 参数整定方法和基于时域的PID 参数整定方法；按照被控对象的个数，可分为单变量 PID参数整定方法和多变最 PID参数整定方法；按照控制量的组合形式，可分为常规 PID 参数整定方法与智能 PID 参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者 是最近几年研究的热点和难点。 一般来说， PID 参数整定方法可以分为这样几类：基于模型的自整定方法、基于规则的自整定方法、智能 PID 参数整定方法、多变量 P1D 参数整定方法。 目前，主要将模糊逻辑、神经网络、混沌、进化算法 (遗传算法、进化策略、进化规划 )、免疫算法以及量子计算等自然计算应用于 PID参数整定，是目前 PID 参数整定方法 2 研究的热点。 模糊控制发展现状 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。 模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。 进入 90 年代，由于国际上许多著名学者的参与以及工程应用中取得了大量的成功，尤其对那些大量的无法用经典与现代控制理论建立精确数学模型的复杂系统，模糊控制特别显得成绩非凡，因而导致了更多人的参与研究。 实际上模糊控制已经作为智能控制的一个主要分支确定下来。 在国际大趋势的推动下，模糊控制已 开 始向多元化发展。 除了上面所述的模糊控制的几大方面外，模糊多变量控制 、模糊预测控制、模糊变结构控制、模糊模式识别等研究，也都属于较为前沿的研究方向。 进入 21 世纪，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数 (或规则 )自调整模糊系统方面的研究，尤其受到学者 们的重视。 近几年，对模糊控制的研究越来越深入，应用也越来越广泛。 温度控制系统的发展现状 近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种 加热炉、热处理炉、反应炉等。 由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。 对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。 例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制 (DDC)，推断控制，预测控制，模糊控制 (Fuzzy)，专家控制(Expert Contr01)，鲁棒控制 (Robust Contr01)，推理控制等。 随着 PLC 技术的不 断发展，将模糊控制与 PLC 控制技术相结合，利用 PLC 实现模糊 3 控制，将会有越来越广泛的应用。 它既保留了 PLC 控制系统控制可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度，是现代自动控制系统的发展趋势之一。 因此， PLC 也越来越多的被用到温度控制系统中。 论文的主要内容及组织结构 第一章，即绪论，分别对最后是本课题的背景与意义、 PID 控制的发展现状、 PID 参数自整定算法的发展现状、模糊控制的发展状况、以及本文所设计的温度控制系统的发展现状进行介绍。 第二章，本章主要介绍 PID的控制理论，包括 ： PID的控制原理、 PID三个参数的调节作用 ，以及 介绍 PID参数整定算法的概念和方法，分析 PID控制器参数对控制性能的影响。 第三章，本章主要介绍的是 模糊 PID的参数整定。 分析 模糊控制的基本原理 、 模糊控制系统的组成 、 模糊控制器的设计方法 、 模糊 PID参数自整定原理 以及 模糊 PID参数自整定设计。 第四章，本章首先介绍 PLC的概述以及 组成 ，并介绍温度控制系统所要用到的模块与功能。 详解模糊 PID自整定控制在 PLC的实现。 第五章 , 本章首先介绍组态软件的概述和界面设计，以及对温度曲线进行了分析。 第 六 章，总结与展望 ，总结本文所做，并说明本课题仍需解决的问题。 4 2 PID 控制 在模拟控制系统中，控制器最常用的是 PID 控制。 PID 是“比例一积分一微分”的缩写，它从比例、积分和微分三个环节来实现对系统的控制。 常规 PID 控制系统由模拟 PID控制器和被控对象组成。 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今大概有 90%左右的控制回路具有PID 结构。 在实际生产过程中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规 PID 控制器参数往往整定不良、性 能欠佳，对运行环境参数变化的适应性较差。 针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求 PID 控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。 PID 控制原理 常规 PID 控制器系统原理框图如图 21 所示，系统主要由 PID 控制器和被控对象组成。 图 21 PID控制器系统原理图 PID 控制器作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，从而对被控对象进行控制，故称为 PID控制器。 比例环节 微分环节 积分环节 被控对象 rin e yout 5 PID 三个参数的调节作用 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。 它由比例单元（ P）、积分单元（ I）和微分单元（ D）组成。 比例（ P）调节作用：比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。 比例调节及时，有力，但有余差。 它用比例度来表示其作用的强弱，比例度越小，调节作用越强。 相反，比例度越大，调节作用就越弱；比例作用太强时，会引起震荡。 比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。 比例作用 大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分（ I）调节作用：积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时。 积分作用才会停止，其作用是消除余差。 但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。 它用积分时间 T 来表示其作用的强弱， T 越小，积分作用越强，但积分作用太强时，也会引起震荡。 积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。 因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。 积分作用的强弱取决与积分 时间常数 Ti， Ti 越小，积分作用就越强。 反之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。 微分（ D）调节作用：微分调节依据“偏差变化的速度”来动作。 它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象 (温度 )有很好的效果。 它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小 (但不能消除 )。 它用微分时间 T d 来表示其作用的强弱， T d 大，作用强，但 T d 太大，也会引起振 荡。 微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。 因此，可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。 此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD 或 PID 控制器。 6 PID 参数整定算法的温度控制系统研究 PID 控制中一个 至关重要的问题，就是控制器三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定。 整定的好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。 此外，现代工业控制系统中存在着名目繁多的不确定性，这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突变，使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作，这时就要求 PID 控制器具有在线修正参数的功能，这是自从使用 PID 控制以来人们始终关注的重要问题之一。 本章在介绍 PID 参数整定概念的基础上，介绍了 PID 参数整定的几种方法。 PID 参数整定的概念 PID 参数整 定概念中包括参数自动整定 (autotuning)和参数在线自校正 (self tuning online)两个概念。 具有自动整定功能的控制器，能通过一按键就由控制器自身来完成控制参数的整定，不需要人工干预，它既可用于简单系统投运，也可用于复杂系统预整定。 运用自动整定的方法与人工整定法相比，无论是在时间节省方面还是在整定精度上都得以大幅度提高，这同时也就增进了经济效益。 自校正控制则为解决控制器参数的在线实时校正提供了很有吸引力的技术方案。 自校正的基本观点是力争在系统全部运行期间保持优良的控制性能，使控制器 能够根据运行环境的变化，适时地改变其自身的参数整定值，以求达到预期的正常闭环运行，并有效地提高系统的鲁棒性。 具有自动整定功能和具有在线自校正功能的控制器被统称为自整定控制器。 一般而言，如果过程的动态特性是固定的，则可以选用固定参数的控制器，控制器参数的整定由自动整定完成。 对动态特性时变的过程，控制器的参数应具有在线自校正的能力，以补偿过程时变。 PID 控制器参数对控制性能的影响 (1)比例作用对控制性能的影响 比例增益 的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立 即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。 当比例增益凡大的时候， PID 控制器可以加快调节，但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量， 7 从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成系统不稳定。 (2)积分作用对控制性能的影响 积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。 从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无 PID 控制器参数自整定方法的研究与实现差，积分作用就停止，此时积分调节输出为一常值。 积分作用的强弱取决于积分时间常 数 Ti 的大小， Ti 越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。 积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。 实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成 PI 控制器或者 PD控制器。 (3)微分作用对控制性能的影响 微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。 微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。 直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就己经消除偏差。 因此，微分作用可以改善系统的动态性能。 微分作用的强弱取决于微分时间几的大小，几越大，微分作用越强，反之则越弱。 在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。 从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。 所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗千扰产生不利的影响。 此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。 PID 参数整定的方法 要实现 PID 参数的整定，首先要对被控制的对象有一个了解，然后选择相应的参数计算方法完成控制器参数的设计。 据此，可将 PID 参数自整定分成两大类：辨识 法和规则法。 基于辨识法的 PID 参数自整定，被控对象的特性通过对被控对象数学模型的分析来得到，在对象数学模型的基础上用基于模型的一类整定法计算 PID 参数。 基于规则的 PID 参数自整定，则是运用系统临界点信息或系统响应曲线上的一些特征值来表征对象特性，控制器参数由基于规则的整定法得到。 (1） 辨识法 此方法的本质是自适应控制理论与系统辨识的结合。 辨识法适用于模型结构已知，模型参数未知的对象，采用系统辨识的方法得到过程模型参数，并和依据参数估计值进 8 行参数调整的确定性等价控制规律结合。