工业加热炉温度控制系统毕业设计

编号 字号 本科生毕业设计 论文 题目 工业加热炉温度控制系统 姓名 崔彭城学号 04061842 班级 自动化 06 10 二 一 年六月 中 国 矿 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 姓名 崔彭城崔彭城学号 0406184204061842 学院 信息与电气工程学院信息与电气工程学院 专业 工业自动化工业自动化 设计题目 工业加热炉温度控制系统设计工业加热炉温度控制系统设计 专题 指导教师 郭一楠郭一楠职 称 副教授副教授 2010 年6 月徐州 中国矿业大学毕业设计 任务书 学院 信息与电气工程学院专业年级 自动化 06 1学生姓名 崔彭城 任 务 下 达 日 期 任 务 下 达 日 期 2010 年年 3 3 月月 1 1 日日 毕业设计日期 毕业设计日期 20102010 年年 3 3 月月 1 1 日至日至 20102010年年 6 6 月月 1818 日日 毕业设计题目 工业加热炉温度控制系统毕业设计题目 工业加热炉温度控制系统 毕业设计专题题目 毕业设计专题题目 毕业设计主要内容和要求 毕业设计主要内容和要求 1 理解加热炉温度控制系统中温度所具有的一些重要特性 2 掌握加热炉温度指标的变化特点 并分析其原因 并提出相应的改进措施 3 掌握并熟悉加热炉温度控制的原理及实现方法 4 根据加热炉温度控制系统的原理及实现方法进行分析 提出实现工业加热 炉温度控制的方法 5 设计控制系统的硬件部分及软件部分 6 翻译本专业相关英文 3000 字以上 7 编写论文 院长签字 指导教师签字 中国矿业大学毕业设计 指导教师评阅书 指导教师评语 基础理论及基本技能的掌握 独立解决实际问题的能力 研究内容 的理论依据和技术方法 取得的主要成果及创新点 工作态度及工作量 总体评价 及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 指导教师签字 年月日 中国矿业大学毕业设计 评阅教师评阅书 评阅教师评语 选题的意义 基础理论及基本技能的掌握 综合运用所学知识解决 实际问题的能力 工作量的大小 取得的主要成果及创新点 写作的规范程度 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 评阅教师签字 年月日 中国矿业大学毕业设计 答辩及综合成绩 答答辩辩情情况况 提出问题 回答问题 正确 基本 正确 有一般性 错误 有原则 性错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩 答辩委员会主任签字 年月日 学院领导小组综合评定成绩 学院领导小组负责人 年月日 摘要 加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高 已经在冶金 化工 机械等各类 工业控制中得到广泛的应用并且在国民经济中占有举足轻重的地位 对于这样一个具有非 线性 大滞后 大惯性 时变性 升温单向性等特点的被控对象很难用数学方法建立精确 的数学模型 因此传统的控制理论和方法很难到达好的控制效果 基于本文的设计条件及 综合各种控制方法本论文控制系统采用 PLC 基于 PID 加热炉温度控制对系统进行设计 本文所设计的加热炉温度控制系统是由 PLC 控制系统实现的 基于 PLC 控制系统的设 计包括硬件和软件两部分 硬件部分由 PLC 数模及模数转换器 温度采集器 LED 显示 器 晶闸管模块 热电偶等组成 并采用数据滤波器进行信号处理使所得到的温度信号更 加精确和符合实际 软件部分包括一些软件的程序流程 控制算法以及 PID 参数的计算整 定等用来保证硬件部分的正常有序的工作 本文还引用了智能控制的算法对系统进行更加 精确的计算 且能实时得到更为精准的数据 通过硬件与软件的协调工作来实现对加热炉 温度控制系统的设计 完成对加热炉温度的实时准确的调控 关键词 PLC 控制系统 温度检测 数模及模数转换器 硬件设计 软件流程 ABSTRACT With the development of scientific technology and industrial production standards furnace have already played an important role in the national economy pivotal and even have a wide range of applications in metallurgical chemical machinery and other types of industrial control For such a non linear large delay high inertia the time varying based on unilateral and other characteristics of the charged object it is difficult to use mathematical techniques to establish precise mathematical model so the traditional control theory and method is very difficult to reach a good result Based on the design of this integrated control methods in this paper and the conditions this article uses PLC based PID Temperature control system to design the project This article designs the heating furnace temperature control system is realizes by the PLC control system The PLC based control system design including hardware and software components Hardware parts consist of PLC digital to analog and analog to digital converters temperature sensor led display thyristor module thermocouple etc And using data filters to signal processing so that the resulting temperature signals more accurate and realistic Software included some software program flow control algorithm and the calculation of PID parameters tuning and other hardware used to ensure the normal and orderly work This article also refers to an intelligent control algorithm for more accurate calculations and can have more accurate data Through the coordination of hardware and software work on the furnace temperature control system design completed the furnace temperature regulation of real time and accurate KeywordsKeywords The PLC control system Temperature detection A D and D A Converter Hardware Design Software process 目录 1 绪论 1 1 1 温度控制概论 1 1 1 1 温度控制的意义 1 1 1 2 温度控制发展现状及趋势 1 1 2 工业加热炉概论 2 1 2 1 加热炉在工业生产中的应用 2 1 2 2 加热炉的发展现状及优缺点 2 1 3 本章小结 4 2 PLC 简介及其特点 5 2 1 PLC 定义及简介 5 2 2 PLC 特点 5 2 3 PLC 应用领域 6 2 4 PLC 硬件结构简介 7 2 5 本章小结 8 3 PID 控制简介 10 3 1 PID 控制器概述 10 3 2 PID 控制算法 10 3 3 PID 控制的发展状况 11 3 4 智能 PID 的发展状况 12 3 5 控制方法简介 13 3 5 1 模糊 PID 控制 14 3 5 2 神经网络 PID 控制 15 3 5 3 遗传算法 PID 控制 15 3 5 4 智能 PID 控制器研究及应用展望 16 3 6 加热炉控制方式的选择 17 3 7 本章小结 18 4 PLC 温度控制装置硬件设计 19 4 1 PLC 温度控制系统的组成及设计 19 4 1 1 D A 转换器的简介 20 4 1 2 A D 转换器的简介 21 4 2 PLC 控制系统的硬件配置 23 4 3 模糊控制器的设计 24 4 3 1 温度数据滤波 25 4 3 2 晶闸管模块 26 4 4 本章小结 28 5 PLC 温度控制系统软件设计 29 5 1 PLC 流程设计 29 5 2 软件流程图 29 5 3 控制算法 30 5 4 基于辨识的 PID 参数整定 31 5 4 1 系统辨识概述 31 5 4 2 PID 初始参数的整定 32 5 5 本章小结 33 6 总结 35 6 1 全文总结 35 6 2 发展展望 35 参考文献 37 翻译 38 英文原文 38 中文译文 45 致谢 52 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 1页 1 绪论 1 1 温度控制概论 1 1 11 1 1 温度控制的意义温度控制的意义 温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用 在工农业生产 国防 科研以及日常生活等领域占有重要的地位 温度控制系统是人类供热 取暖的主 要设备的驱动来源 它的出现迄今已有两百余年的历史 期间 从低级到高级 从简单到复杂 随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高 温度控制 系统的控制技术得到迅速发展 目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活 工 业生产的各个领域 适用于家电 汽车 材料 电力电子等行业 成为发展国民 经济的重要热工设备之一 在现代化的建设中 能源的需求非常大 然而我国的 能源利用率极低 所以实现温度控制的智能化 有着极为重要的实际意义 在工业生产中 温度 压力 流量和液位是四种最常见的过程变量 其中 温度是一个非常重要的过程变量 温度是工业对象中一个主要的被控参数 1 它 是一种常见的过程变量 因为它直接影响燃烧 化学反应 发酵 烘烤 煅烧 蒸馏 浓度 挤压成形 结晶以及空气流动等物理和化学过程 温度控制不好就 可能引起生产安全 产品质量和产量等一系列问题 温度控制是许多机器的重要 的构成部分 它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内 然后进行工件的加 工与处理 不论是在生活中还是在工业生产过程中 温度的变化对生活 生产的 某些细节环节都会造成不同程度的影响 所以适时地对温度进行控制具有重要的 意义 例如 在冶金工业 化工工业 电力工业 机械加工和食品加工等许多领 域 都需要对各种加热炉 热处理炉 反应炉和锅炉的温度进行控制 然而 用 常规的控制方法 潜力是有限的 难以满足较高的性能要求 采用 PLC 来对它们 进行控制不仅具有控制方便 简单和灵活性大的优点 而且可以大幅度提高被测 温度的技术指标 从而能够大大提高产品的质量和数量 1 1 21 1 2 温度控制发展现状及趋势温度控制发展现状及趋势 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 但从生产的温度控 制器来讲 总体发展水平仍然不高 同日本 美国 德国等先进国家相比有着较 大差距 目前 我国在这方面总体技术水平处于2O世纪8O年代中后期水平 成熟 产品主要以 点位 控制及常规的PID控制器为主 它只能适应一般温度系统控 制 难于控制滞后 复杂 时变温度系统控制 而适应于较高控制场合的智能化 自适应控制仪表 国内技术还不十分成熟 形成商品化并在仪表控制参数的自整 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 2页 定方面 国外已有较多的成熟产品 但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后 还没有开发出性能可靠的自整定软件 控制参数大多靠人工经验及现场调试确 定 国外温度控制系统发展迅速 并在智能化 自适应 参数自整定等方面取得 成果 日本 美国 德国 瑞典等技术领先 都生产出了一批商品化的 性能优 异的温度控制器及仪器仪表 并在各行业广泛应用 它们主要具有如下的特点 一是适应于大惯性 大滞后等复杂温度控制系统的控制 二是能够适应于受控系 统数学模型难以建立的温度控制系统的控制 三是能够适应于受控系统过程复 杂 参数时变的温度控制系统的控制 四是温度控制系统普遍采用自适应控制 自校正控制 模糊控制 人工智能等理论及计算机技术 运用先进的算法 适应 的范围广泛 五是温控器普遍具有参数自整定功能 借助计算机软件技术 温控 器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能 有的还具有自学习功 能 能够根据历史经验及控制对象的变化情况 自动调整相关控制参数 以保证 控制效果的最优化 六是具有控制精度高 抗干扰力强 鲁棒性好的特点 目前 国外温度控制系统及仪表正朝着高精度 智能化 小型化等方面快速 发展 1 2 工业加热炉概论 1 2 11 2 1 加热炉在工业生产中的应用加热炉在工业生产中的应用 加热炉在冶金 化工等工业生产过程中广泛地使用 是进行锻压 化工生产 中不可缺少的重压设备 加热炉的温度 2 是生产工艺的一项重要指标 温度控制 的好坏将直接影响产品的质量 热处理加热炉是一种能改善金属材料及其制品 如机器零件 工具等 性能的工艺 根据不同的要求 将材料及其制品加热到 适宜的温度并保温 随后用不同方法冷却 改变其内部组织以获得所要求的性能 热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段之一 热处理加热炉具有大惯性 纯滞后等非线性以及时变的特点 3 开关炉门 加热材料 环境温度以及电网电压等都影响控制过程 基于精确数学模型的常规 控制例如 PID 控制 4 难以保证加热工艺曲线要求 作为非线性控制的一大分支 模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用 1 2 21 2 2 加热炉的发展加热炉的发展现状及优缺点现状及优缺点 目前国内已有数以百计的工业加热炉实现了计算机控制 取得了高产 优质 低耗和少污染的效果 工业加热炉进行计算控制的第一步 是实现给定炉温和给 定空气系数的燃烧控制 其核心是燃烧流量控制和空燃比例的控制 其手段是在 给定炉温的要求下 自动控制燃料的流量的多少和燃料流量与空气流量的比例的 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 3页 大小 其方法有 燃烧和空气流量测量法 烟气残氧分析反馈法 自寻优控制法 和专家系统 进一步提高是用数学模型进行优化控制 优化工业里的温热制度 即找到最佳的炉温控制和供热制度 数学模型可以用理论方法确立 也可以根据 实验数据或生产数据经过数学处理得到 工业生产对工业加热炉总的要求是 高产 优质 低消耗和少污染 阻碍工 业加热炉发展的原因是目前工业加热炉对上述要求存在着下列些矛盾新理论的 产生和建立就是要解决这些矛盾工业加热炉才能快速地发展 加热产量与质量的矛盾 要提高工业加热炉的产量就必须提高整个工业炉的 温度水平 重点是炉子的加热段 对连续式炉为加热段 对间歇式炉为加热期 的 温度水平 这就很容易产生质量问题 如氧化烧损增加 形成过热和过烧 甚 至烧化和烧毁而造成废品等 这就与加热质量产生矛盾 从另一方面来说 为了 提高加热质量减小表面和中心的温差和提高整个的温度均匀性 必需延长连续式 均热段的长度 对间歇炉为均热期的时间 也就减少了炉子的产量造成与产量的 矛盾 加热产量与低消耗的矛盾 在提高整个工业炉的温度水平 增加产量的同时 必然要增大热负荷 导致提高烟气的排出温度 增加烟气带走的热损失 提高整 个工业炉的温度水平后 也会使炉衬的蓄热和散热热损失的增加 这些结果都会 使燃耗增加 这就与低消耗产生了矛盾 加热质量与低消耗的矛盾 要提高工业加热炉产品的质量 减少加热材料的 断面温差和提高整体温度的均匀性 就必须延长连续式的均热段的长度 对间歇 炉为均热期的时间 这必然会增加工业加热炉的燃料消耗量和降低工业加热炉 的生产量 也就使加热质量和低消耗产生了矛盾 加热产量与污染的矛盾 提高工业加热炉的产量后 必然会过多的增加燃料 供给量 导致燃烧器的超负荷运行 燃烧更加不完全 排出的烟气含量也随之增 加 使温室气体二氧化碳 有毒气体一氧化碳 腐蚀性气体氧化氮 有害微粒碳 黑和粉尘等排放量都增加了 造成产量提高对环境污染增加的矛盾 这些矛盾都产生于目前工业加热炉采用的是 连续式加热炉的低温预热短 对间歇炉为低温预热期 实行慢速加热 或者用烟气的余热来慢速加热 连续 式加热炉 这是不合理的 因为低碳钢等材料 在低温时吸热能力很强 加热 的温差可以很大 不会导致产生裂纹和变形等缺陷 所以可以快速加热 而在高 温时 吸热能力很弱 加热的温差只能很小 如果采用过高的炉温很同意产生过 热 过烧和烧毁等次品 所以只能慢速加热 而合理的是 在连续式加热炉低温 预热段 对间歇炉为低温预热期 实行快速加热 或者将预热段也变成加热段 连 续式加热炉 或者用提高炉温来快速加热 间歇式加热炉 在连续式加热炉的 均热段 对间歇式炉为均热期 实行慢速加热 或者延长均热段长度来慢速加热 连续式加热炉 或者用降低热负荷来慢速加热 间歇式加热炉 这些原则就 是 高炉温 高烟温 高余热回收和低炉子惰性 三高一低理论 提出的根据 可以使工业加热炉实现 高产 优质 低消耗和少污染的要求 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 4页 1 3 本章小结 本章的主要内容简述了工业加热炉温度控制的意义及发展状况 首先介绍了 温度控制的意义 了解其在工业生产中的重要地位 并对温度控制的在工业生产 中的发展状况进行了简要介绍 以及其在国内外工业生产中的发展方向趋势进行 了分析了解 其次介绍了工业加热炉在工业生产中的应用 并详细说明了加热炉 的发展现状及其优缺点特点 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 5页 2 PLC 简介及其特点 2 1 PLC 定义及简介 PLC 即可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技 术为基础的新型工业控制装置 8 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控 制器 定义是 一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制 各种类型的机械或生产过程 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计 时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控 制各种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控 制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 9 2 2 PLC 特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠 性 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 一些使用 冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及开关接点已 减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有硬件故障自我 检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应用软件中 应用者还可以编入 外围器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊 断保护 这样 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用于各种 规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善的数据运 算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信能力的增 强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 6页 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程 语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路 图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路 的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工 业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设 计及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同一设备经 过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产场合 5 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗 仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理想控制设备 2 3 PLC 应用领域 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制 造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可归纳 为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻辑 控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水线等 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和 速度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直接 用于开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动控制 模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器人 电 梯等场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计算 机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般闭环 控制系统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 7页 也具有此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 5 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这 些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以利用 通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大型控制 系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食 品工业中的一些大型控制系统 2 4 PLC 硬件结构简介 图 2 1 PLC 硬件结构简化框图 其中 CPU 是 PLC 的控制中枢 完成所有的运算和控制任务 并能监视电源 存储器 I O 以及定时器的状态 诊断用户程序的语法错误 PLC 的存储空间一 般包括三个区域 系统程序存储区 系统 RAM 存储区和用户程序存储区 系统程 序存储区存放相当于计算机操作系统的系统程序 一般采用可擦除的只读存储器 EPROM 制造厂商将系统程序固化在 EPROM 中 用户不能直接存取 系统程序 与硬件一起决定了PLC的性能 系统RAM存储区包括I O映象区和各类软设备 逻 辑线圈 数据寄存器 计数器 计时器 变址寄存器 累加器等 辅助 CPU 完 成 I O 操作 运算 控制等任务 用户程序存储区存放用户编制的用户程序 一 般采用可擦写的 ROM 容量可根据需要进行扩展 PLC 的输入 输出电路可以进行 模拟量 开关量的进行处理编程 CPU 能够接受或处理的有效数字信号 同时可以 将 CPU 输出数字量转化为模拟电信号或者开关信号实现对外界的控制或通信 编 编程器 中央处理单元 CPU 输 入 电 路 输 出 电 路 系统程序存储器用户程序存储区 电源 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 8页 程器完成 PLC 梯形图的编写 然后通过专门的通信接口将程序下载到 PLC 的存储 器中 电源在 PLC 整个系统中起着非常重要的作用 它为 PLC 内部的所有器件提 供一个稳定可靠的直流电源 没有它 系统将无法工作 PLC 采用不同一般微型计算机的运行方式 扫描 当它投入运行后 工作 过程一般分为输入采样 用户程序执行 输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段 称为一个扫描周 在整个运行期间 PLC 的 CPU 就按照一定的扫描速度重复执行 上面三个动作 如图所示 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式一次读入所有输入 状态和数据 并将它们存入 I O 映象区相应的单元 用户程序执行阶段 PLC 的 CPU 按自上而下自左而右的顺序扫描用户梯形图程序 对由触点构成的控制线路 进行逻辑运算并刷新逻辑线圈对应位的状态 或执行梯形图中的特殊功能指令 输出刷新阶段 CPU 按 I O 映象区对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应的外设 第 N 1 个第 N 1 个 扫描周期N 个扫描周期扫描周期 输出刷新输入采样用户执行程序输出刷新输入采样 图 2 2 PLC 扫描运行方式 PLC 普遍采用梯形图与语句表 梯形图助记符 来编程 梯形图是一种采用 常开触点 常闭触点 线圈和功能块等构成的图形语言 类似继电器线路图 触 点 线圈用于逻辑运算 功能块用于执行功能指令和应用指令 在温度控制系统中 传统的指针式仪表和继电器式控制柜 结构复杂 体积 大 故障率高 通用性差 控制精度不高 采用 PLC 作为控制则可以克服这些缺 点 一般 PLC 温度控制系统有两种设计方案 一种是 PLC 扩展通用 A D 转换模块 构成 另一种是 PLC 扩展专用热电偶温度模块构成 前一种温度传感器采集到的 微弱信号不直接送到 PLC 的 A D 转换模块 须要由变送器将温度信号进行放大 冷端补偿和线性化处理 再送到 A D 转换模块的模拟输入通道转换 后一种则直 接用热电偶模块对温度信号进行采集和处理 不需要附加其它外部电路 PLC 的 输出用于驱动晶闸管模块 控制加热的电压或功率 另外 PLC 温度控制器还能通 过串行通信口与 PC 机连接 构成人机接口界面友好 控制功能完善的温控系统 2 5 本章小结 本章着重介绍了 PLC 控制器 其中包括 PLC 的定义简介 特点 应用领域以 及其硬件结构 PLC 控制器是本论文设计的核心部分 详细的了解 PLC 以及熟练 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 9页 的掌握其所包含的知识及应用是本课题论文设计的关键所在 因此本章通过以前 所学的课本知识以及查阅资料对 PLC 进行了详细的的介绍 PLC 具有许多优异的 特点如第二节所介绍 其优点决定了 PLC 能够在现代工业控制中得到广泛的应用 于各个领域 第四节着重介绍了 PLC 的基本结构特点并对其扫描方式进行了简单 介绍 可以更清楚的理解 PLC 的工作原理 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 10页 3 PID 控制简介 3 1 PID 控制器概述 PID 简介 PID 是比例 积分 微分控制的简称 PID 控制算法具有原理简 单 使用方便 适应性广和鲁棒性强等特点 因此在控制理论和技术飞跃发展的 今天 它在工业控制领域仍具有强大的生命力 在过去的 50 年 调节 PID 控制器参数的方法获得了极大的发展 其中有利 用开环阶跃响应信息 如 Coon Cohen 响应曲线法 还有使用 Nyquist 曲线法的 如 Ziegler Nichols 连续响应法 然而这些调节方法只识别了系统动态信息的 一小部分 不能理想的调节参数 随着计算机技术的发展 人们利用人工智能的 方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中 根据现场实际情况 计算机 能自动调整 PID 参数 这样能实现自动调整 短的整定时间 简便的操作 改 善响应特性而推动了自整定 PID 控制技术的发展 自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期 60 年代国外有人 设计了一种自动调节式的过程控制器 因其价格高 体积大 可靠性差而未能商 品化 80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用 才使得自整 定控制器得以开发 PID 控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现 加热炉温度控制技术发展日新月异 从模拟 PID 数字 PID 到最优控制 自适应控制 再发展到智能控制 每一步都使控制的性能得到了改善 在现有的 电加热炉温度控制方案中 PID 控制和模糊控制应用最多 也最具代表性 3 2 PID 控制算法 1 位置式控制算法 位置式 PID 控制算法描述为 1kekekkkekku DIP 3 1 式中的 k 0 1 2 为采样序号 u k 为第 k 次采集时刻的计算机输出 值 e k 为第 k 次采样时刻输入的偏差值 kp为比例系数 kI为积分系数 kD为 微分系数 该算法的优点是原理简单 易于实现 缺点是每次均与先前状态有关 要对 e k 进行累加 运算工作量大 而且输出的 u k 对应的电机控制的 PWM 的 值 2 增量式控制算法 增量式 PID 控制算法描述为 1kekekkkekku DIP 3 2 该算法的优点是 由于计算机输出增量 误动作时影响小 当计算机发生故 障时 由于输出通道或执行装置具有信号锁存作用 故仍能保持原值 控制增量 u k 的确定仅与最近 k 次的采样值有关 易通过加权而获得较好的控制效果 其不足之处为 积分截断效应大 有静态误差 溢出的影响大 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 11页 3 积分分离式控制算法 积分分离 PID 控制算法描述为 1kekekkkekku DIP 3 3 3 3 PID 控制的发展状况 PID 控制早在 1915 1940 年就已产生和发展起来 自四十年代维纳提出控 制论的半个多世纪以来 先进控制方法层出不穷 而 PID 控制以其结构简单 鲁 棒性好 控制直观等优点 仍被广泛应用于冶金 化工 电力 机械等工业过程 控制中 据调查 至今在全世界的过程控制中所用的控制器有 84 仍是纯 PID 调节器 加上改进型则超过了 90 PID 控制是按偏差的比例 P Proportion 积分 I Integral 和微分 D Derivative 线性组合进行控制的方式 它在模拟调节系统中 PID 控制算 法表达式为 t dp dt tde Tdtte T dtte 0 1 Ktu 3 4 用计算机实现 PID 控制 需要把式 3 4 离散化 变为 k i s d i s p keke T T ie T T keKt 0 1u 3 5 但上述位置式 PID 控制有时会出现问题 因为它是全量输出 每次输出都与 原来的位置有关 一旦计算机出现故障导致输出量剧烈变化 控制就难以恢复到 原来的状况 这对控制相当不利 所以常将式 3 5 变换成增量式 PID 控制 2121kekeke T T ke T T kekeKku s d i s p 3 6 式中 p K是比例系数 i T是积分时间常数 d T是微分时间常数 s T是采样周期 ku ku ke分别是 s kT时刻的控制量 控制量 误差 为了改善 PID 控制的动态特性 人们在实践中不断总结经验 从结构提出了 多种改进型数字 PID 控制算法 包括 积分分离型 PID 控制 带死区的 PID 控制 不完全微分 PID 控制 不完全微分 PID 控制等 而 PID 控制的效果好坏关键在于控制参数是否合适 所以自它被提出起 PID 控 制 器参数的整定方法就一直是人们研究的热点问题之一 1942 年 Ziegler Nichols 法被提出 在此之后有许多方法被用于 PID 控制器的手动或自 动整定 按研究方法可分为基于频域和基于时域的 PID 参数整定方法 而按发展 阶段可分为常规和智能 PID 参数整定方法 包括自整定和自适应 基于频域的解析整定方法又分为两类 第一类使用一阶惯性加纯滞后模型 FOPDT 第二类则基于积分加一阶惯性模型 主要方法有 Ziegler Nichols 法 Z N 改进 Z N 法 有超调规则 无超调规则 平方时间加权偏差的积分准 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 12页 则 ISTE Pessen 绝对偏差积分 PIAE 对称优化方法和非对称优化方法等 这些方法或者需要测知过程传递函数奈式曲线与负实轴的交点 从而得到系统临 界增益 u K 临界周期 u T 或者需要测知系统的相角裕度 u 和闭环谐振峰值 c M 基于时域的PID整定方法主要有 Ziegler Nichols阶跃响应法 Z N法 1942 年 基于一般被动系统提出的 Chien Hrones Reswick 整定算法 CHR 法 1952 年 在经典 Z N 法的基础上 提出了改进的 Cohen Coon 响应曲线法调节法 C C 法 1953 年 基于内模控制的 PID 参数整定方法 IMC 法 1990 年 以及不同 准则下的 PID 控制器最优整定的算法 OPT 法 1993 年 这些方法都依赖于系统 的阶跃响应特性 需要知道振荡周期 幅值或者系统静态增益 K 惯性时间常数 T 滞后时间常数 等先验知识 经过改进后的 PID 控制能够满足大量一般工程控制的需求 因而在工程中得 到广泛的应用 但它们却不太适合一些特殊的大滞后场合 比如 1 具有反向 特性的非最小相位系统 2 具有严重频繁干扰的过程对象 3 多变量强耦合 过程 4 带有约束的控制问题 因此为了克服这些问题 自适应控制 最优控 制 预测控制 鲁棒控制 智能控制等先进控制理论被引入了 PID 控制中 3 4 智能 PID 的发展状况 对于时变性和非线性较严重的控制对象 固定参数的 PID 控制器难以得到满 意的控制效果 于是人们将参数自调整技术引入到 PID 控制中 形成自适应 PID 控制 自适应 PID 控制器可分为两大类 一类基于被控过程参数辨识 称为参数 自适应 PID 控制器 其参数的估计依赖于被控过程微分方程数学模型的精度 且 算法复杂 故存在可实现性较差的问题 另一类基于被控过程的某些特征参数的 识别 称为非参数自适应 PID 控制器 这类自适应控制器的可实现性较好 特别 是把人工智能技术引入 PID 控制器后 所构成的智能自适应 PID 控制器 在理论 研究和实践应用中均取得了较大的发展 是一种在理论上有着丰富研究内容 在 复杂系统控制中有着广阔应用前景的控制器 国内外对智能 PID 控制的应用研究十分活跃 智能 PID 控制器的基本结构可 分为上下两层 上层利用智能技术 估计控制系统所处的状态或模态 并对下层 PID 控制器的参数做出相应的调整 下层的 PID 控制器依靠偏差进行控制 由于 智能 PID 控制器不需要确切知道系统精确的数学模型 具有良好的可实现性和鲁 棒性 根据智能技术的类别可将当前的智能 PID 控制分为四类 1 基于专家系 统的智能 PID 控制 2 基于模糊逻辑的 PID 控制器 3 基于神经网络的 PID 控制 4 基于仿人控制的 PID 控制 另外不同的智能控制技术通过整合往往还 可以构成更好的 PID 控制器 近些年 各种商品化智能自整定 PID 调节器控制仪表也进入市场 其中最有 代表性的有下列两种类型 一种是以日本东芝公司推出的 TOSDIC 211 8 型智能 自整定 PID 调节器为代表 它建立在对过程参数的在线辨识与 PID 调节器参数自 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 13页 整定的基础上 另一种是以 1983 年美国 FOXBORO 公司推出的 EXACT 专家自整定 调节器和日本富士公司推出的 FUJI MICREX 专家自整定调节器为代表 它是将专 家系统 模式识别的方法应用于智能自整定 PID 调节器 使 PID 调节能更有效 这些新型的智能仪表代表着当今智能 PID 自整定仪表的发展方向 3 5 控制方法简介 PID调节器及其改进型是在工业控制中最常见的控制器 PID控制中一个关键 的问题便是PID对参数的整定 使PID 控制系统达到所期望的控制性能 但是在实 际的应用中 许多被控过程机理复杂 具有高度非线性 时变不确定性和纯滞后等 特点 特别是在噪声 负载扰动等因素的影响下 过程参数甚至模型结构均会随时 间和工作环境的变化而变化 DES2BOROUGH和MILLER在2002年的一次统计报告中 指出 目前在美国有超过11600个具有PID控制器结构的调节器广泛应用于工业控 制领域中 有超过97 的反馈回路采用了PID控制算法 甚至在一些复杂的控制律 中 其基本控制层采用的仍然是PID 控制算法 然而 只有近1 3的PID控制器在实 际应用过程中取得了令人满意的控制效果 有2 3 的PID控制系统的控制性能达 不到用户所期望的要求 这给控制理论研究和应用带来了前所未有的机遇和挑 战 智能控制是控制理论 人工智能 信息论和运筹学等多方面综合而成的交叉 学科 主要用于处理两大类问题 难以用数学模型进行准确描述的大规模和复 杂非线性系统 需要引入人为因素才能进行有效控制 控制目标通常需要分解 成多个子任务的系统 能PID控制器吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点 首先 它具备自学习 自适应 自组织的能力 能够自动辨识被控过程参数 自动 整定控制参数 能够适应被控过程参数的变化 其次 它又具有常规PID控制器结 构简单 鲁棒性强 可靠性高 为现场工程设计人员所熟悉等特点 正是这两大 优势 使得智能PID控制成为众多过程控制中一种较理想的控制装置 因此 人们 开始较多地关注比较流行的几种智能PID控制器 考察它们的构成形式 各自特点 和未来发展趋势 模糊控制法是一种近年来发展和应用最普遍的新型控制方法 其优点是不要 求提供受控对象的数学模型 根据人工控制规则来设计控制决策表 模糊控制与 PID控制有着密切的联系 事实上 模糊控制在很多情况下被称作为非线性PID控 制 将模糊控制和PID控制两者结合起来 扬长避短 既具有模糊控制灵活 适应 性强的优点 又具有PID控制精度高的特点 模糊控制是智能控制的分支之一 他具有以下特点 1 是一种非线性控制方法 工作范围宽 适用范围广 特别适合于非线性 系统的控制 2 不依赖于对象的数学模型 对无法建模或很难建模的复杂对象 可以利 用人的经验知识来设计模糊控制器 从而完成控制任务 而传统的控制方法都要 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 14页 已知被控对象的数学模型才能设计控制器 3 他具有内在的并行处理机制 表现出极强的鲁棒性 对被控对象的特性 变化不敏感 模糊控制器的设计参数容易选择调整 算法简单 执行快 容易实现 不需 要很多的控制理论知识 3 5 13 5 1 模糊模糊 PIDPID 控制控制 模糊控制 10 的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L A Zaden 首先提出 的 经过 20 多年的发展 模糊控制取得了瞩目的成就 模糊控制适用于非线性 数学模型不确定的控制对象 对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应 能力 同时对噪声也有较强的抑制作用 即鲁棒性较好 但模糊控制器本身消除 系统稳态误差的性能比较差 难以达到较高的控制精度 而 PID 控制正好可以 弥补其不足 近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制 的先例 随着模糊控制器的发展已出现多种能提高 PID 控制精度的模糊 PID 混 合控制方案 例如 引入积分因子的模糊 PID 控制器 混合型模糊 PID 控制器 11 另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制 神经网络模 糊 PID 控制 12 等 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础 加上一个模糊控制规 则环节 利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统 它以误差 e 和误差变化 ec 作为输入 可以满足不同时刻的 e 和 ec 对参数自整定 的要求 它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来 扬长避短 既具有模糊控 制灵活而适应性强 调节速度快的优点 又具有 PID 控制 13 无静差 稳定性好 精度高的特点 对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果 根据线性控制理论 此类模糊控制器有可能获得良好的动态特性 但无法消 除静态误差 为了改善模糊控制的稳态性能 通常在模糊控制系统中引入模糊积 分环节 图3 1 所示的是BASSEV ILLEM提出的一种模糊控制器 误差的模糊值经 积分后与常规模糊控制器的输出进行叠加构成控制器的最终输出 这种对误差的 模糊值进行积分的PID模糊控制器可以消除大的系统静差 但是 要减小零点附近 的极限环振荡 必须增加控制规则 这样就增加了系统设计的复杂程度 图3 1 模糊PID控制器 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 15页 3 5 23 5 2 神经网络神经网络 PIDPID 控制控制 人工神经网络 ANN artificial neural network 是最近发展起来的十分 热门的交叉学科 它涉及生物 电子计算机 数学 和物理等学科 有着非常广 泛的应用背景 这门学科的发展对目前和未来的科学技术的发展将有着重要的影 响 以大规模并行处理为主要特征的神经网络具有学习 记忆 联想 容错 并 行处理等能