一种基于PID控制的锅炉动态水温单回路控制系统_图文

1、第32卷第1期2010-1 【87】一种基于PID 控制的锅炉动态水温单回路控制系统A single return route system of dynamic water temperature boiler based on pid control彭昕昀PENGXin-yun(韶关学院计算机系,韶关512026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

2、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;分级控制中图分类号:TP273+.5文献标识码:B文章编号:1009-0134(201001-0087-04收稿日期:2009-10-26作者简介:彭昕昀(1973-女,广东汕尾人,讲师,硕士,主要从事计算机应用研究。0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

3、、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,

4、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1。1锅炉动态水温系统模型锅炉如图1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(2其中:T 为电炉的时间常数,T=RC(C 为电炉 【88】第32卷第1期2010-1热容,R 为热阻;K 为比例系数;为纯滞后时间,单位为s;S 为复频域2。2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

5、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,值应根据具体对象和要求而定,若过大,则达不到积分分离的目的;若过小,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P

6、ID控制算法及仿真3在普通的PID控制算法中,由于积分系数KI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

7、。第32卷第1期2010-1 【89】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AI0;2加热器调压控制输入端接PLC 的模拟输出通道AO0;3变频器输入端接PLC的模拟输出通道AO1;4冷、热水回路的调节阀分别接24V电压信号;接线完成后,使PLC 与上位机通讯连接上,再写入程序。可以先在计算机上用软件模拟调试,直到没有逻辑错误后在写入

8、PLC 运行。PLC 程序如下:3.1主程序 3.2PID参数初始化子程序:1PID0参数初始化:2PID1参数初始化:3.3子程序程序中PID0_SP 表示锅炉内水的温度设定值,PID0_PV 表示检测到的锅炉内水的温度值,flag 是PID0_SP 减去PID0_PV 得到的值即为水的温度偏差。1变频器分级控制子程序:在实验中,AO1是PLC用来控制变频器的模拟输出口,根据锅炉内水的温度的偏差flag值的不同,而给变频器输出不同的值4当flag 大于2.0是,变频器赋值为0.0,这时只有加热电压起作用,变频器控制的水泵处于静止状态,这有利于锅炉内水温上升,减少上升时间。当flag 为其他值

9、时,为防止温度超调过大,开始适量的给变频器赋值。变频器赋值情况如下表所示: 【90】第32卷第1期2010-12加热电压控制器PID0 参数分配程序:3.4数据转换子程序:1把读入的数据6400-32000转换成 0-12把0-1转换成到 6400-32000 3.5中断子程序实验结果如下:实验中的曲线SP 即为锅炉内水的温度给定值曲线;PV 为温度检测值曲线;MV 为控制器输出值曲线;FC 为变频器输出值曲线。图6为锅炉动态水温单回路控制曲线图;图7为锅炉动态水温单回路控制系统在稳定后改变其温度给定值的控制曲线, 反映了该系统的跟随性能。图6锅炉动态水温单回路控制曲线第32卷第1期2010-

10、1 【91】4结论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,并以所得到的结果为参考确定了加热电压的PID控制算法,对于另一个控制变量-变频器采用分级控制;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。本文作者创新点:利用用分级控制方式得到控制器的最佳参数,即用分级控制法进行参数寻优.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。参考文献1赵磊,等.可分离式PID 控制器及其性能

11、仿真J.组合机床与自动化加工技术,2008.2徐峰,张嫣华.数字控制系统的PID 算法研究J.机床电器,2008,6,8-10.3曹顺安,等.火电厂锅炉水质调节IMC-PID 鲁棒自适应控制J.化工自动化及仪表,2008,6,30-33.4周先谱,石振华.基于继电反馈的模糊PID 控制器设计J. 机械工程与自动化,2008,6,137-139.图 7温度给定值改变后控制曲线图5仓库发料5结论本文主要针对某铁塔制造企业在生产管理、库存管理、优化下料等业务流程进行分析与研究,结合ERP 原理、计算机技术、数据库技术、以及快速下料算法等,提出了比较实用的系统方案,并在此基础上开发了铁塔下料软件系统,

12、为企业构建了高性能的下料使用环境,成功地实现了企业生产管理的科学化和信息化。系统所提供的优化下料算法具有多种方式的组合,包括诸多下料参数设定,实例中,对于8000吨角钢进行提料运算,在HP540(主频1.6G 内存1G上运算完毕只需30分钟,下料速度很让人满意,平均利用率在97%以上。使用该软件后不但材料利用率高,而且,换钢号问题也得到了很好的解决。本系统已经在某铁塔制造企业成功上线,大大减轻了管理人员的工作强度,减少了职能部门间和重复劳动,提高了材料利用率,取得了巨大的经济效益。该厂每年产量为6万吨,人工配料情况下,利用率不足95%,利用该系统,材料利用率提高到97%,则每年可节约1500吨角钢,经每吨节省2000元计算,每年可节约300万元,效益相当可观,在企业获得经济效益的同时,也为建设节约型社会作出了贡献,该系统对同行业有一定的启示作用。感谢香港大学电子商业科技研究所Dr.Luo(Dr.ZongweiLuo,TheUniveristyofHongKong,China提供