基于PID控制的锅炉动态水温单回路控制系统.doc

摘要 本论建立了一个锅炉动态水温单回路控制系统。首先根据热力学定理建立了锅炉动态水温模型；其次运用MATLAB对积分分离PID控制算法和变速积分PID控制算法进行仿真。最后运用A3000过程控制实验系统建立了锅炉动态水温单回路控制系统，并完成实验。实验结果表明：实验所建立的锅炉动态水温单回路控制系统能够很好的满足控制性能指标，并且该系统有较好的动态跟随性能。 关键词：PID；单回路控制；分级控制目 录 摘要 I 引言 1 1、 锅炉动态水温系统模型 2 2、 温度PID控制器设计及仿真 2 2．1积分分离PID控制算法及仿真 2 2．2变速积分PID控制算法及仿真 4 3 过程控制实验及验证 5 3.1主程序 5 3.2PID参数初始化子程序 6 3.3子程序 6 3.4数据转换子程序 9 3.5中断子程序 10 4结论 11 参考文献 12 引言 PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中。据统计，在目前所有的控制系统中，PID算法约占80％～90％。在大型的DCS控制系统中，PID控制模块占据着主要地位。然而，实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型、应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场，由于受到参数整定方法繁杂等影响，因此，有必要对PID的控制机理进行全面的分析，并对在上述场合中的应用提出改进的办法。 问题一：PID控制器的参数整定。传统的整定方法是在获得被控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行PID参数值的整定。而实际的工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规的PID控制不能达到理想的控制效果。因此，在PID参数的整定及自整定方面还有待进一步深入研究。 问题二：PID控制器结构改进。PID控制器最简单，但并非最优，在克服较大扰动影响，提高系统动态品质等方面，光靠调整参数难以获得满意的控制效果。因此，还有必要在全面分析的基础上，对PID控制器进行结构上的改进。锅炉动态水温系统模型 锅炉如图l所示，对象的被控参数为锅炉的温度T，控制量为电热丝两端的电压U。 图1 锅炉模型 锅炉内温度变化量对控制电压变化量之间的传递函数为： （1-1） 一般将锅炉视为一个一阶惯性环节附加一个滞后环节的对象，其传递函数表示为 （1-2） 其中：T为电炉的时间常数，T=RC(C为电炉热容，R为热阻)，K为比例系数；f为纯滞后时间，单位为S，S为复频域f2。 温度PID控制器设计及仿真 2．1积分分离PID控制算法及仿真 积分分离控制基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。积分分离式PID阶跃跟踪如图2所示，采用普通PID阶跃跟踪如图3所示： 图2 积分分离式PID阶跃跟踪 图3 普通PID阶跃跟踪 由仿真结果可以看出，采用积分分离方法控制效果有很大改善。值得注意的是，为保证引入积分作用后系统的稳定性不变，在输入积分作用时比例系数KP可作相应变化。此外，13值应根据具体对象和要求而定，若p过大，则达不到积分分离的目的；若D过小，则会导致无法进入积分区。如果只进行PD控制，会使控制出现余差。 2．2变速积分PID控制算法及仿真 在普通的PID控制算法中，由于积分系数lI是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是：系统偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。变速积分PID可较好的解决这一问题。变速积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其于偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快。仿真如下： 图4 变速积分阶跃响应 图5 变速积分参数变化 由仿真结果可以看出，变速积分与积分分离两种控制方法很类似，但调节方式不同，前者对积分项采用的是缓慢变化，而后者则采用所谓“开关”控制。变速积分调节质量高。 3 过程控制实验及验证 本实验用到的器件有CPU222DC／DC／DC模块，EM235模块，EM277模块。但由于EM277模块只有一路模拟量输出，而实验中有一路输入，两路输出，所以必须在EM235模块的基础上再接一个模块EM232(模拟量输出模块)。 具体接线如下： 1)锅炉水温检测信号接PLC的模拟输入通道A10 2)加热器调压控制输入端接PLC的模拟输出通道A00l 3)变频器输入端接PLC的模拟输出通道A01I 4)冷