锅炉夹套水温PID控制讲义

1、过程参数检测及仪表课程设计（论文）报告锅炉夹套水温PID控制1、系统实验装置1.1 系统设计本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及自动电磁阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及自动电磁阀组成。1.2 被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个用接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成卜盘管和敷塑不锈钢管道等组成。1.1 .水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透

2、明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm,H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm,H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位用级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长X宽X高=68cmX52cmX43cm,完全能满足上、中、下水箱的实验供

3、水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2.2 .模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、用级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。3.3 .盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过阀门的切换既可以

4、流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。4.4 .管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的阀门均采用优质阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱侧面有一个进水阀和出水阀，当水箱需要更换水时，可把球阀打开将水直接接入或排出。4.1 检测仪表.压力传感器、变送器：三个液位传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP,精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，

5、输出：420mADC。.温度传感器：装置中采用了六个Pt100铝热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200+420C。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。.流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h;精度：1.0%;输出：420mADC。.锅炉防干烧保护装置：为保证

6、实验效果好、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。4.2 执行机构.电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V,控制彳9号为420mADC或15VDC,输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。.水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P,流量为30升/分，扬程为8

7、米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵，一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。.电磁阀：本套装置共有17支优质电磁阀配合控制器完成所有实验项目，其阀体为黄铜材质，磁力连接栓为不锈钢榜及弹簧、弹杆、橡皮膜片，以防止生锈，它具有体积小、流量大、耐高温、耐高压、动作快、寿命长等特点。4.3 控制屏组件.通讯线介绍“THJ-4型高级过程控制系统实验平台”可以挂智能仪表、远程数据采集和S7-200PLC挂件，并可控制对象系统完成相应的实验。屏中布有485通讯线线，从正面看控制屏时，从左边数的五个通讯口挂在一条485总线上，然后

8、引出来一根通讯线，通讯头上标有“1”的字样；最右边的通讯口单独从控制屏后引出一个通讯头，上面标有“6”的字样。485通讯线主要用于仪表和远程数据采集模块与计算机的通讯，485通讯方式与计算机建立通讯时需接一个转换器到计算机用口上。THJ-4-3面板是与对象系统通过2号42芯和3号19芯电缆线相连的接口板，可取来对象上的信号，也可将控制屏上的信号通过它送出；面板上有24V开关电源的输出端子，它不但控制着面板上三路24V直流输出，而且控制着对象系统所有变送器的电源。.SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC

9、,交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。变频器常用参数设置：P30=1;P53=1;P62=4;P79=0。.三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。4.4 实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图所示。控制系统流程图本实验控制系统中锅炉夹套温度信号和移项调压控制模块控制信号均为模拟量信号，信号的传输路径不涉及PROF旧US-PA总线，锅炉夹套温度信号TT2直接传送到SIEMENS的模拟量输

10、入模块SM331,模拟量输出模块SM332和模拟量输入模块SM331与分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），由于PROFIBUS-DP总线信号传输的双向性，这样既完成了现场测量信号到CPU的传送，又使得CPU发出的控制信号能传送到模拟量输出模块，模拟量输出模块输出的4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。4.5 控制原理框图（a）tb）图4,锅炉夹套水温定值控制系统干扰温度变送胃/（a）结构图（b）方框图本实验系统

11、结构图和方框图如图4所示。本实验以锅炉夹套作为被控对象，夹套的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉夹套的水温稳定至给定值，将柏电阻TT2检测到的锅炉夹套温度信号作为反馈信号，与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉夹套水温的目的。在锅炉夹套水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的热传导来实现的，所以夹套温度的加热过程容量时延非常大，其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。实验中用变频器支路以固定的小流量给锅炉内胆供循环水，以加快冷却。图4(b)为一个单回路

12、的锅炉夹套温度控制系统的结构框图.实验前先用丹麦泵给锅炉内胆打适量的水，而锅炉夹套为动态环水，变频器，齿轮泵，锅炉内胆组成循环供水系统。实验投入运行后，变频器以固定得频率使锅炉火套得水处于循环状态。在单回路的锅炉夹套温度控制系统中，若没有循环水加以快速热交换，散热过程相对比较缓慢，温度调节得效果受对象特性和环境的限制，在精确和稳定性上存在着一定的误差。当增加了循环水系统以后，有利于热交换并提高散热能力。相比与静态温度控制实验，在控制的精确性，快速性上有很大的提高。本系统控制的被控制量锅炉夹套水温，既控制任务是控制锅炉夹套水温等于给定值，并采取工业智能PID调节。(CPU315-2DP为PROF

13、IBUS-DP总线上的DP主站),由于PROFIBUS-DP总线信号传输的双向性，这样既完成了现场测量信号到CPU的传送，又使得CPU发出的控制信号能传送到模拟量输出模块，模拟量输出模块输出的4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。2.6实验内容与步骤本实验选择锅炉夹套水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将F2-6,F2-9,F2-8打开。将变频器A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵(220V),打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉内胆和夹套贮满水，然后关闭变频器、关闭F2-8,打开F2-9,为给锅炉内胆供冷水作好准备。1、比例调节器(P)控制(1)按图4(b)所示

14、方框图的要求接成实验系统。(2)打开储水箱到锅炉内胆和锅炉夹套水路相关阀门，启动丹麦甭既变频器与齿轮泵两条动力支路，分别往锅炉内胆和锅炉夹套进水，约进1-2分钟后，关闭两套动力系统。(3)启动工艺流程并开启相关仪器和计算机，把智能调节器置于“手动”输出，把温度设定于某给定值(如：水温控制在40。C)并设置相关参数，使调节器工作在比例度(n调节器状态，此时系统处于开环状态。(4)启动变频器，以15赫兹的频率启动循环水系统。(5)运行Wincc组态软件，进入相应的试验，观察实时或历史曲线，待水温(由智能调节器的温度显示器指示)基本稳定于给定值后，将调节器“手动”切换至“自动”位置，使系统变为闭环控

15、制运行。待基本不再变化时，加入阶跃扰动。通过改变智能调节器的设定值来实现，观察并记录在当前比例P余差和超调图5.锅炉夹套温度P控制不同P时的阶跃响应曲线表1不同比例P时的余差和超调量8大中小ess大中小(TP小中大量.每当改变值6后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同6时的ess和up60.0Il：Z41DD1Z：31：1FI12：39：I7（6）记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。（数据可在软件上获得）改变变频器的输出频率，观察并记录在当前比例度6余差和超调量。待系统稳定后，再改变输出频率，比较不同的输出频率时的ess和up。2、比例积分（PI）调节器控制（1）在比例调节器控制实验的基础上，

16、待被调量平稳后，加入积分（“I”）作用，观察被控制量能否回到原设定的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差。（2）固定比例度6值（中等大小），然后改变积分时间常数Ti值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录下不同Ti值时的超调量up。20.0001644:0018:0:2319:34:47图6,锅炉夹套温度PI控制不同I时的阶跃响应曲线Ti大中小超调里bP大中小表2不同Ti值时的超调量dp(3)固定Ti于某一中间值，然后改变比例度6的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量(TPo(4)选择合适的6和Ti值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。3、比例微分调节器(PD)

17、控制(1)在比例调节器试验的基础上，待系统被调量平稳后，引入微分作用“D”。固定比例度6值(中间值)，改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。(2)选择合适的6和Td值，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。4、比例积分微分(PID)调节器控制(1)在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分(“I”)作用，使被调量回复到原设定值。减小6,并同时增大Ti,观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。(2)在控制PI的基础上加上适量的微分“D”作用，然后再对系统加扰动(扰动幅值与前面的实验相同)，比较所得的动态曲线与用P

18、I控制时的不同处。(3)选择合适的6、Ti和Td,以获得一条较满意的动态曲线。5、PID参数自整定的连续温度控制当发现AI人工智能调节效果不佳时可启动自整定功能(具体操作参考人AI工智能工业调节器说明书)。当自整定结束后，以前设定的参数会被整定出来的参数所替代，并自动将CTRL参数设为3,这样就无法再次从面板上启动自整定功能，可以避免人为的误操作再次启动自整定。之后系统直接将整定出来的参数投入运行。根据自整定得出来的参数去控制被控对象，若此效果不是很满意，可根据输出特性，在自整定参数的基础上适当修改一下参数，可达到满意效果。一般通过自整定得出来的6、Ti、Td参数，效果都比较好。超调量小，过渡

19、过程时间短。但如果一开始，温控对象的温度不是最低，也就是说自整定寻求的最大斜率不一定是真正的。此时自整定得出的6、Ti、Td参数并不一定很理想。3.组态软件界面、逻辑、代码组态软件概述及功能组态软件是数据采集监控系统SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项日，使用方式灵活，功能强大。组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。OPC(OLEfor

20、ProcessControl)的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连，降低了开发I/O设备驱动软件的工作量。I/O驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。实时数据库的作用进一步加强。实时数据库是SCADA系统的核心技术。从软件技术上讲，SCADA系统的实时数据库，实质上就是一个可统一管理酌、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持(如OPC规范等)，对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持，等等。目前看到的所有组态软件都能实现类似的功能：几乎所有运行于32位windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并

21、对工业控制系统中的各种资源(设备、标签量、画面等)进行配置和编辑；处理数据报警及系统报警；提供多种数据驱动程序；各类报表的生成和打印输出；使用脚本语言提供二次开发的功能；存储历史数据并支持历史数据的查询，等等。WinCC简介西门子视窗控制中心SIMATICWinCC(WindowsControlCenter)是HMI/SCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国ControlEngnieering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。在设计思想上，SIMATICWinCC秉承西门子公司博

22、大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。Wincc是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统，如A-B,Modicon,GE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。通过OPE的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。WinCCV6.。采用标准MicrosoftSQLServer2000(WinCCV6.0以前版本采用Sybase)数据库进行生产数据的归档，同时具有web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES

23、和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成都分，WinCC确保与SIMATICS5,S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC还有对SIMATICPLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。WinCC具有以下性能特点：1）创新软件技术的使用。WinCC是基于最新发展的软件技术。西门子公司与Microsoft公司的密切合作保证了用户获得不断创新的技术。2）包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统。即使最基本的WinCC系统仍能够提供生成复杂可视化任务的组件和函数

24、，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的wincc系统组件建立。3）可灵活裁剪，由简单任务扩展到复杂任务。WinCC是一个模块化的自动化组件，既可以灵活地进行扩展，从简单的工程到复杂的多用户应用，又可以应用到工业和机械制造工艺的多服务器分布式系统中。4）众多的选件和附加件扩展了基本功能。已开发的、应用范围广泛的、不同的WinCC选件和附加件，均基于开放式编程接口，覆盖了不同工业分支的需求。5）使用MtcrosoftSQLServer2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库可以使用ODBC,DAO,OLEDB,WinCCOLEDB和ADO方便地访问归档数据。6）强大的标准接口（如

25、OLE,ActiveX和OPC）。WinCC提供了OLE,DDEActiveX服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据。7）使用方便的脚本语言。WinCC可编写ANSIC和VisualBasic脚本程序。8）开放API编程接口可以访问WinCC的模块。所有的winCC模块都有一个开放的C编程接口（C-APL）。这意味着可以在用户程序中集成WinCC的部分功能。9）具有向导的简易（在线）组态。WinCC提供了大量的向导来简化组态工作。在调试阶段还可进行在线修改。10）可选择语言的组态软件和在线语言切换。WinCC软件是基于多语言设计的。这意味着可以在英语、德语、法语以及其他

26、众多的亚洲语言之间进行选择，也可以在系统运行时选择所需要的话言。11）提供所有主要PLC系统的通讯通道。作为标准，WinCC支持所有连接SIMATCS5/S7、/505控制器的通讯通道，还包括PROFIBUSDP,DDE和OPC等非特定控制器的通讯通道。此外，更广泛的通讯通道可以由选件和附加件提供，12）与基于PC的控制器SIMATIcwinAc紧密接口，软/插槽式PLC和操作、监控系统在一台PC机上相结合无疑是一个面向未来的概念。在此前提下，WinCC和WinAC实现了西门子公司基于PC的、强大的自动化解决方案。13）全集成自动化TIA（TotallyIntegratedAutomation

27、）的部件。TIA集成了西门子公司的各种产品包括WinCCoWinCC是工程控制的窗口，是TIA的中心部件。TIA意味着在组态、编程、数据存储和通讯等方面的一致性。14）SIMATICPCS7过程控制系统中的SCADA部件，如SIMATICPCS7是TIA中的过程控制系统；PCS7是结合了基于控制器的制造业自动化优点和基于PC的过程工业自动化优点的过程处理系统（PC5）。基于控制器的PCS7对过程可视化使用标准的SIMATIC部件。WinCC作为PC57的操作员站。15）符合FDA21CFRPant11的要求。16）集成到MES和辽RP中。标准接口使SIMATICWinCC成为在全公司范围IT环

28、境下的一个完整部件。这超越了自动控制过程，将范围扩展到工厂监控级，为公司管理MES（制造执行系统）和ERP（企业资源管理）提供管理数据。3.3组态软件设计在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。本设计为盘管出水口水温与流量审级控制系统，目的是通过过程控制，使主控参数盘管出水口水温稳定为给定值，并对扰动具有一定的适应能力。因此，本系统应具备盘管水温与热水流量用级控制系统的仿真界面，也应有盘管出水口水温与流量参数设定、实时数据显示窗口，实时曲线与历史曲线显示窗口，计算机与工控机的通讯状态设定及显示窗口。由上述分析可知，本系统应具有7

29、个用户窗口：盘管水温与热水流量审级控制、实验指导、实时曲线、历史曲线、数据浏览、退出指示。图7,组态软件界面3.3代码源代码启动脚本k1=5ti1=10control=0q0=0q1=0q2=0ei=0ei1=0ei2=0ei3=0ei4=0mx=0op11=0电动阀输出=0变频器输出=0调压器输出=0循环脚本ifalarm231thendo3=1do10=1endifif主设定值20then主设定值=20endififcontrol=1thenei=(主设定值-下水箱液位)*2q0=k1*(ei-ei1)ifti1=0thenq1=0elseq1=k1*0.2*ei/ti1endifq2=k

30、1*td1*(ei-2*ei1+ei2)/0.2mx=q0+q1+q2op11=op11+mx+ei4ei4=0ifop11100thenop11=100endif电动阀输出=op11ei2=ei1ei1=eielseop11=电动阀输出endifei4=k3*（ei3-变频器支路流量）613=变频器支路流量退出脚本do3=0do10=0电动阀输出=0变频器输出=0调压器输出=0.数据采集硬件系统构件、连线数据采集硬件系统构件远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制（DDC）,它的特点是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行A/D、D/A转换，控制算法全部在计算机上实

31、现。在本装置中远程数据采集控制系统包括SA-21远程数据采集热电阻输入模块挂件、SA-22远程数据采集模拟量输入模块挂件、SA-23远程数据采集模拟量输出模块挂件。采用台湾鸿格ICP7000系列智能采集模块，其中I-7017是8路模拟量输入模块，I-7024是4路模拟量输出模块，I-7033是3路热电阻输入模块。ICP7000系列智能采集模块通过RS485等用行口通讯协议与PC相连，由PC中的算法及程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能。图8所示即为远程数据采集控制系统框图。图中输入输出通道即为ICP7000智能采集模块。图8.数据

32、采集系统框图硬件系统连线图9.硬件系统连线实图.控制算法代码PID控制器简介PID控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器），是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。1、比例（P）调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的

33、主要缺点是使系统存在静态误差。2、积分（I）调节积分调节器的突出特点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但是，单纯的积分调节动作过于缓慢，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间内延长，甚至造成系统不稳定。因此在实际生产中，总是把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来，组成比例积分调节器(简称PI调节器)，其传递函数为Gc(S)=Kp(1+1/TiS)式(1)3、微分(D)调节微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变

34、化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽可能地消除在萌芽状态之中。但是单纯的微分调节对静态偏差毫无抑制作用，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，称为PD调节器和PID调节器。PD调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增加能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。PD调节器的传递函数为：Gc(S)=Kp(1+TdS)式(2)PID是常规调节器中性能最好的一处调节器。它将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。它的传递函数为Gc(S)=Kp(1

35、+1/T1S+TdS)式(3)PID控制系统图10.PID控制系统结构图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t),即e(t)=r(t)-c(t)将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为PID控制器。控制规律为：u(t)-Kpe(t)e(t)dtTd_deTi0dt或以传递函数形式表示：G(s)=U(4=kP(1+Tds)E(s)Tis其中Kp比例系数，Ti积分时间常数Td微分时间常数PID控制参数的整定及方法PID控制参数的整定简介过程控制器采用的控制器通常都有一个或多个需要调整的参数和调整这

36、些参数的相应机构(如旋钮、开关)或相应设备。通过调整这些参数使控制器特性与被控过程特性配合好，获得满意的系统静态与动态特性称为控制器参数整定。由于人们在参数调整中，总是力图达到最佳的控制效果，所以常称“最佳整定”，相应的控制器参数称为“最佳参数整定”。衡量控制器参数是否最佳，需要规定一个明确的反应控制系统质量的性能指标，一般分为稳态指标和动态指标。需要指出的是，不同生产过程对于控制过程的品质要求不完全一样，因而对系统整定性能指标的选择有较大的灵活性。作为系统整定的性能指标，它应能综合反映系统控制质量，同时又便于分析与计算。PID控制参数整定方法控制器参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，理

37、论计算整定法与工程整定法。顾名思义，理论计算整定法是在已知过程的数学模型基础上，依据控制理论，通过理论计算来求取“最佳整定参数”；而工程整定法是根据工程经验，直接在过程控制系统中进行的控制器参数整定方法。由于无论是用解析法或实验法求取的过程数学模型都只能近似反映过程的动态特性，因而理论计算所得到的整定参数值可靠性不够高，在现场使用中还需进行反复调整。相反工程整定法虽未必得到“最佳整定参数”，但由于其不需知道过程的完整数学模型，使用者不需要具备理论计算所必须的控制理论知识，因而简便、实用，易于被工程技术人员所接受并优先使用。下面将介绍本次设计中在现场调试调节器参数时所采用的一种整定方法，现场经验

38、整定法。这种方法是人们在长期的工程实践中，从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析中总结出来的一种行之有效，并且得到广泛运用的工程整定方法。(1)经验法若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表3为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按T户(1/31/4)Td计算表3经验法整定参数系统参数6(%T1(min)TD(min)温度20603100.53401000.11压力30700.43液位2080(2)临界比例度法这种整定方法是在闭环情况

39、下进行的。设Tl=8,Td=0,使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图11所示。根据临界比例度6s和振荡周期Ts,按表二所列的经验版式，求取调节器的参考参数数值，这种整定方法是以得到4:1衰减为目标。表4临界比例度法整定调节器参数调节器参数调节器名称6(%sTi(S)Td(S)P26sPI2.266sTs/1.2PID1.66s0.5Ts0.125Ts(3)阻尼振荡法(衰减曲线法)在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶路扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图10所示的4:1衰减过程为止。这时的比例度称为4:1衰减比

40、例度，用也表示之。相邻两波峰间的距离称4:1衰减周期Tso和Ts,运用表三所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。CT图12.4:1衰减曲线法图在实验过程中发现，温度控制不容易稳定，无论采用哪种控制规律，都有一定的微小振荡，加入微分控制规律后，虽然提高了系统的响应速度，但是也降低了系统的稳定性。如果采用PD控制规律，不能消除系统的稳态余差，采用PID控制规律，系统的稳定性不好，所以在温度控制系统中，为什么用PD和PID控制,系统的性能并不比用PI控制有明显的改善。表5阻尼振荡法计算公式数调节器名称S(%)TI(min)To(min)P6SPI1.26s0.5TsLPID0.86s匚0.

41、3Ts10.1Ts口6.实验结果曲线及分析本实验选择锅炉夹套水温作为被控对象，实验之前先将储水箱贮足水量，将阀门F1-1、F1-2、F1-5、F1-13全开，手动调节阀门F1-3至适当开度，其余阀门关闭。启动380伏交流磁力泵，给锅炉内胆贮一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13,打开阀F1-12,给锅炉夹套注一定的水量。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的PC机，进入的实验主界面。2、在实验主界面中选择本实验项即“锅炉夹套水温PID控制实验”，系统进入正常的测试状态。3、在上位机监控界面中点击“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入。4、合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少输出量，使锅炉内胆的水温稳定于设定值。5、按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。6、待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温稳定后，突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的5%15%为宜），锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值。点击实验界面下边的切换按钮，观察实