工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

編號(hào) 字號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng) 姓名 崔彭城學(xué)號(hào) 04061842 班級(jí) 自動(dòng)化 06 10 二 一 年六月 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 姓名 崔彭城崔彭城學(xué)號(hào) 0406184204061842 學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè) 工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)自動(dòng)化 設(shè)計(jì)題目 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專題 指導(dǎo)教師 郭一楠郭一楠職 稱 副教授副教授 2010 年6 月徐州 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 任務(wù)書 學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)年級(jí) 自動(dòng)化 06 1學(xué)生姓名 崔彭城 任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 2010 年年 3 3 月月 1 1 日日 畢業(yè)設(shè)計(jì)日期 畢業(yè)設(shè)計(jì)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 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目 畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求 1 理解加熱爐溫度控制系統(tǒng)中溫度所具有的一些重要特性 2 掌握加熱爐溫度指標(biāo)的變化特點(diǎn) 并分析其原因 并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施 3 掌握并熟悉加熱爐溫度控制的原理及實(shí)現(xiàn)方法 4 根據(jù)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析 提出實(shí)現(xiàn)工業(yè)加熱 爐溫度控制的方法 5 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件部分及軟件部分 6 翻譯本專業(yè)相關(guān)英文 3000 字以上 7 編寫論文 院長(zhǎng)簽字 指導(dǎo)教師簽字 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)閱書 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握 獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力 研究?jī)?nèi)容 的理論依據(jù)和技術(shù)方法 取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn) 工作態(tài)度及工作量 總體評(píng)價(jià) 及建議成績(jī) 存在問(wèn)題 是否同意答辯等 成 績(jī) 指導(dǎo)教師簽字 年月日 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 評(píng)閱教師評(píng)閱書 評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ) 選題的意義 基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握 綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決 實(shí)際問(wèn)題的能力 工作量的大小 取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn) 寫作的規(guī)范程度 總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī) 存在問(wèn)題 是否同意答辯等 成 績(jī) 評(píng)閱教師簽字 年月日 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 答辯及綜合成績(jī) 答答辯辯情情況況 提出問(wèn)題 回答問(wèn)題 正確 基本 正確 有一般性 錯(cuò)誤 有原則 性錯(cuò)誤 沒(méi)有 回答 答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī) 答辯委員會(huì)主任簽字 年月日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī) 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人 年月日 摘要 加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高 已經(jīng)在冶金 化工 機(jī)械等各類 工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位 對(duì)于這樣一個(gè)具有非 線性 大滯后 大慣性 時(shí)變性 升溫單向性等特點(diǎn)的被控對(duì)象很難用數(shù)學(xué)方法建立精確 的數(shù)學(xué)模型 因此傳統(tǒng)的控制理論和方法很難到達(dá)好的控制效果 基于本文的設(shè)計(jì)條件及 綜合各種控制方法本論文控制系統(tǒng)采用 PLC 基于 PID 加熱爐溫度控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)是由 PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的 基于 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)包括硬件和軟件兩部分 硬件部分由 PLC 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器 溫度采集器 LED 顯示 器 晶閘管模塊 熱電偶等組成 并采用數(shù)據(jù)濾波器進(jìn)行信號(hào)處理使所得到的溫度信號(hào)更 加精確和符合實(shí)際 軟件部分包括一些軟件的程序流程 控制算法以及 PID 參數(shù)的計(jì)算整 定等用來(lái)保證硬件部分的正常有序的工作 本文還引用了智能控制的算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加 精確的計(jì)算 且能實(shí)時(shí)得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù) 通過(guò)硬件與軟件的協(xié)調(diào)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 完成對(duì)加熱爐溫度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)控 關(guān)鍵詞 PLC 控制系統(tǒng) 溫度檢測(cè) 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器 硬件設(shè)計(jì) 軟件流程 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 目錄 1 緒論 1 1 1 溫度控制概論 1 1 1 1 溫度控制的意義 1 1 1 2 溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 1 1 2 工業(yè)加熱爐概論 2 1 2 1 加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 2 1 2 2 加熱爐的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn) 2 1 3 本章小結(jié) 4 2 PLC 簡(jiǎn)介及其特點(diǎn) 5 2 1 PLC 定義及簡(jiǎn)介 5 2 2 PLC 特點(diǎn) 5 2 3 PLC 應(yīng)用領(lǐng)域 6 2 4 PLC 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 7 2 5 本章小結(jié) 8 3 PID 控制簡(jiǎn)介 10 3 1 PID 控制器概述 10 3 2 PID 控制算法 10 3 3 PID 控制的發(fā)展?fàn)顩r 11 3 4 智能 PID 的發(fā)展?fàn)顩r 12 3 5 控制方法簡(jiǎn)介 13 3 5 1 模糊 PID 控制 14 3 5 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制 15 3 5 3 遺傳算法 PID 控制 15 3 5 4 智能 PID 控制器研究及應(yīng)用展望 16 3 6 加熱爐控制方式的選擇 17 3 7 本章小結(jié) 18 4 PLC 溫度控制裝置硬件設(shè)計(jì) 19 4 1 PLC 溫度控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì) 19 4 1 1 D A 轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介 20 4 1 2 A D 轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介 21 4 2 PLC 控制系統(tǒng)的硬件配置 23 4 3 模糊控制器的設(shè)計(jì) 24 4 3 1 溫度數(shù)據(jù)濾波 25 4 3 2 晶閘管模塊 26 4 4 本章小結(jié) 28 5 PLC 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 29 5 1 PLC 流程設(shè)計(jì) 29 5 2 軟件流程圖 29 5 3 控制算法 30 5 4 基于辨識(shí)的 PID 參數(shù)整定 31 5 4 1 系統(tǒng)辨識(shí)概述 31 5 4 2 PID 初始參數(shù)的整定 32 5 5 本章小結(jié) 33 6 總結(jié) 35 6 1 全文總結(jié) 35 6 2 發(fā)展展望 35 參考文獻(xiàn) 37 翻譯 38 英文原文 38 中文譯文 45 致謝 52 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 1頁(yè) 1 緒論 1 1 溫度控制概論 1 1 11 1 1 溫度控制的意義溫度控制的意義 溫度的測(cè)量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 國(guó)防 科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位 溫度控制系統(tǒng)是人類供熱 取暖的主 要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)源 它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史 期間 從低級(jí)到高級(jí) 從簡(jiǎn)單到復(fù)雜 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)溫度控制精度要求的不斷提高 溫度控制 系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展 目前智能溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活 工 業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域 適用于家電 汽車 材料 電力電子等行業(yè) 成為發(fā)展國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一 在現(xiàn)代化的建設(shè)中 能源的需求非常大 然而我國(guó)的 能源利用率極低 所以實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能化 有著極為重要的實(shí)際意義 在工業(yè)生產(chǎn)中 溫度 壓力 流量和液位是四種最常見(jiàn)的過(guò)程變量 其中 溫度是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量 溫度是工業(yè)對(duì)象中一個(gè)主要的被控參數(shù) 1 它 是一種常見(jiàn)的過(guò)程變量 因?yàn)樗苯佑绊懭紵?化學(xué)反應(yīng) 發(fā)酵 烘烤 煅燒 蒸餾 濃度 擠壓成形 結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)程 溫度控制不好就 可能引起生產(chǎn)安全 產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問(wèn)題 溫度控制是許多機(jī)器的重要 的構(gòu)成部分 它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi) 然后進(jìn)行工件的加 工與處理 不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中 溫度的變化對(duì)生活 生產(chǎn)的 某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會(huì)造成不同程度的影響 所以適時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行控制具有重要的 意義 例如 在冶金工業(yè) 化工工業(yè) 電力工業(yè) 機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng) 域 都需要對(duì)各種加熱爐 熱處理爐 反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制 然而 用 常規(guī)的控制方法 潛力是有限的 難以滿足較高的性能要求 采用 PLC 來(lái)對(duì)它們 進(jìn)行控制不僅具有控制方便 簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn) 而且可以大幅度提高被測(cè) 溫度的技術(shù)指標(biāo) 從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量 1 1 21 1 2 溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛 但從生產(chǎn)的溫度控 制器來(lái)講 總體發(fā)展水平仍然不高 同日本 美國(guó) 德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較 大差距 目前 我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于2O世紀(jì)8O年代中后期水平 成熟 產(chǎn)品主要以 點(diǎn)位 控制及常規(guī)的PID控制器為主 它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控 制 難于控制滯后 復(fù)雜 時(shí)變溫度系統(tǒng)控制 而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化 自適應(yīng)控制儀表 國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟 形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 2頁(yè) 定方面 國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品 但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后 還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件 控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確 定 國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速 并在智能化 自適應(yīng) 參數(shù)自整定等方面取得 成果 日本 美國(guó) 德國(guó) 瑞典等技術(shù)領(lǐng)先 都生產(chǎn)出了一批商品化的 性能優(yōu) 異的溫度控制器及儀器儀表 并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用 它們主要具有如下的特點(diǎn) 一是適應(yīng)于大慣性 大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制 二是能夠適應(yīng)于受控系 統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制 三是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù) 雜 參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制 四是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制 自校正控制 模糊控制 人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù) 運(yùn)用先進(jìn)的算法 適應(yīng) 的范圍廣泛 五是溫控器普遍具有參數(shù)自整定功能 借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù) 溫控 器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能 有的還具有自學(xué)習(xí)功 能 能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況 自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù) 以保證 控制效果的最優(yōu)化 六是具有控制精度高 抗干擾力強(qiáng) 魯棒性好的特點(diǎn) 目前 國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度 智能化 小型化等方面快速 發(fā)展 1 2 工業(yè)加熱爐概論 1 2 11 2 1 加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 加熱爐在冶金 化工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛地使用 是進(jìn)行鍛壓 化工生產(chǎn) 中不可缺少的重壓設(shè)備 加熱爐的溫度 2 是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo) 溫度控制 的好壞將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量 熱處理加熱爐是一種能改善金屬材料及其制品 如機(jī)器零件 工具等 性能的工藝 根據(jù)不同的要求 將材料及其制品加熱到 適宜的溫度并保溫 隨后用不同方法冷卻 改變其內(nèi)部組織以獲得所要求的性能 熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段之一 熱處理加熱爐具有大慣性 純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn) 3 開(kāi)關(guān)爐門 加熱材料 環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程 基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī) 控制例如 PID 控制 4 難以保證加熱工藝曲線要求 作為非線性控制的一大分支 模糊控制在上述溫度控制系統(tǒng)中可以得到較好的應(yīng)用 1 2 21 2 2 加熱爐的發(fā)展加熱爐的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn) 目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)以百計(jì)的工業(yè)加熱爐實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制 取得了高產(chǎn) 優(yōu)質(zhì) 低耗和少污染的效果 工業(yè)加熱爐進(jìn)行計(jì)算控制的第一步 是實(shí)現(xiàn)給定爐溫和給 定空氣系數(shù)的燃燒控制 其核心是燃燒流量控制和空燃比例的控制 其手段是在 給定爐溫的要求下 自動(dòng)控制燃料的流量的多少和燃料流量與空氣流量的比例的 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 3頁(yè) 大小 其方法有 燃燒和空氣流量測(cè)量法 煙氣殘氧分析反饋法 自尋優(yōu)控制法 和專家系統(tǒng) 進(jìn)一步提高是用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化控制 優(yōu)化工業(yè)里的溫?zé)嶂贫?即找到最佳的爐溫控制和供熱制度 數(shù)學(xué)模型可以用理論方法確立 也可以根據(jù) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理得到 工業(yè)生產(chǎn)對(duì)工業(yè)加熱爐總的要求是 高產(chǎn) 優(yōu)質(zhì) 低消耗和少污染 阻礙工 業(yè)加熱爐發(fā)展的原因是目前工業(yè)加熱爐對(duì)上述要求存在著下列些矛盾新理論的 產(chǎn)生和建立就是要解決這些矛盾工業(yè)加熱爐才能快速地發(fā)展 加熱產(chǎn)量與質(zhì)量的矛盾 要提高工業(yè)加熱爐的產(chǎn)量就必須提高整個(gè)工業(yè)爐的 溫度水平 重點(diǎn)是爐子的加熱段 對(duì)連續(xù)式爐為加熱段 對(duì)間歇式爐為加熱期 的 溫度水平 這就很容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題 如氧化燒損增加 形成過(guò)熱和過(guò)燒 甚 至燒化和燒毀而造成廢品等 這就與加熱質(zhì)量產(chǎn)生矛盾 從另一方面來(lái)說(shuō) 為了 提高加熱質(zhì)量減小表面和中心的溫差和提高整個(gè)的溫度均勻性 必需延長(zhǎng)連續(xù)式 均熱段的長(zhǎng)度 對(duì)間歇爐為均熱期的時(shí)間 也就減少了爐子的產(chǎn)量造成與產(chǎn)量的 矛盾 加熱產(chǎn)量與低消耗的矛盾 在提高整個(gè)工業(yè)爐的溫度水平 增加產(chǎn)量的同時(shí) 必然要增大熱負(fù)荷 導(dǎo)致提高煙氣的排出溫度 增加煙氣帶走的熱損失 提高整 個(gè)工業(yè)爐的溫度水平后 也會(huì)使?fàn)t襯的蓄熱和散熱熱損失的增加 這些結(jié)果都會(huì) 使燃耗增加 這就與低消耗產(chǎn)生了矛盾 加熱質(zhì)量與低消耗的矛盾 要提高工業(yè)加熱爐產(chǎn)品的質(zhì)量 減少加熱材料的 斷面溫差和提高整體溫度的均勻性 就必須延長(zhǎng)連續(xù)式的均熱段的長(zhǎng)度 對(duì)間歇 爐為均熱期的時(shí)間 這必然會(huì)增加工業(yè)加熱爐的燃料消耗量和降低工業(yè)加熱爐 的生產(chǎn)量 也就使加熱質(zhì)量和低消耗產(chǎn)生了矛盾 加熱產(chǎn)量與污染的矛盾 提高工業(yè)加熱爐的產(chǎn)量后 必然會(huì)過(guò)多的增加燃料 供給量 導(dǎo)致燃燒器的超負(fù)荷運(yùn)行 燃燒更加不完全 排出的煙氣含量也隨之增 加 使溫室氣體二氧化碳 有毒氣體一氧化碳 腐蝕性氣體氧化氮 有害微粒碳 黑和粉塵等排放量都增加了 造成產(chǎn)量提高對(duì)環(huán)境污染增加的矛盾 這些矛盾都產(chǎn)生于目前工業(yè)加熱爐采用的是 連續(xù)式加熱爐的低溫預(yù)熱短 對(duì)間歇爐為低溫預(yù)熱期 實(shí)行慢速加熱 或者用煙氣的余熱來(lái)慢速加熱 連續(xù) 式加熱爐 這是不合理的 因?yàn)榈吞间摰炔牧?在低溫時(shí)吸熱能力很強(qiáng) 加熱 的溫差可以很大 不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋和變形等缺陷 所以可以快速加熱 而在高 溫時(shí) 吸熱能力很弱 加熱的溫差只能很小 如果采用過(guò)高的爐溫很同意產(chǎn)生過(guò) 熱 過(guò)燒和燒毀等次品 所以只能慢速加熱 而合理的是 在連續(xù)式加熱爐低溫 預(yù)熱段 對(duì)間歇爐為低溫預(yù)熱期 實(shí)行快速加熱 或者將預(yù)熱段也變成加熱段 連 續(xù)式加熱爐 或者用提高爐溫來(lái)快速加熱 間歇式加熱爐 在連續(xù)式加熱爐的 均熱段 對(duì)間歇式爐為均熱期 實(shí)行慢速加熱 或者延長(zhǎng)均熱段長(zhǎng)度來(lái)慢速加熱 連續(xù)式加熱爐 或者用降低熱負(fù)荷來(lái)慢速加熱 間歇式加熱爐 這些原則就 是 高爐溫 高煙溫 高余熱回收和低爐子惰性 三高一低理論 提出的根據(jù) 可以使工業(yè)加熱爐實(shí)現(xiàn) 高產(chǎn) 優(yōu)質(zhì) 低消耗和少污染的要求 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 4頁(yè) 1 3 本章小結(jié) 本章的主要內(nèi)容簡(jiǎn)述了工業(yè)加熱爐溫度控制的意義及發(fā)展?fàn)顩r 首先介紹了 溫度控制的意義 了解其在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位 并對(duì)溫度控制的在工業(yè)生產(chǎn) 中的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹 以及其在國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展方向趨勢(shì)進(jìn)行 了分析了解 其次介紹了工業(yè)加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 并詳細(xì)說(shuō)明了加熱爐 的發(fā)展現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)特點(diǎn) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 5頁(yè) 2 PLC 簡(jiǎn)介及其特點(diǎn) 2 1 PLC 定義及簡(jiǎn)介 PLC 即可編程控制器 Programmable logic Controller 是指以計(jì)算機(jī)技 術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置 8 在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì) International Electrical Committee 頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義 PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller 中文全稱為可編程邏輯控 制器 定義是 一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng) 專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 它采用一類可編程的存儲(chǔ)器 用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序 執(zhí)行邏輯運(yùn)算 順序控制 定時(shí) 計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令 并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入 輸出控制 各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程 PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置 它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器 用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算 順序運(yùn)算 計(jì) 時(shí) 計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令 并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出 控 制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控 制系統(tǒng)形成一個(gè)整體 易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì) 9 2 2 PLC 特點(diǎn) 1 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù) 采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造 內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù) 具有很高的可靠 性 例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá) 30 萬(wàn)小時(shí) 一些使用 冗余 CPU 的 PLC 的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng) 從 PLC 的機(jī)外電路來(lái)說(shuō) 使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng) 和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比 電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已 減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 帶有硬件故障自我 檢測(cè)功能 出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息 在應(yīng)用軟件中 應(yīng)用者還可以編入 外圍器件的故障自診斷程序 使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診 斷保護(hù) 這樣 整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了 2 配套齊全 功能完善 適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天 已經(jīng)形成了大 中 小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品 可以用于各種 規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合 除了邏輯處理功能以外 現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn) 算能力 可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域 近年來(lái) PLC 的功能單元大量涌現(xiàn) 使 PLC 滲透到了位置控制 溫度控制 CNC 等各種工業(yè)控制中 加上 PLC 通信能力的增 強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展 使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 6頁(yè) 3 易學(xué)易用 深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備 它接口容易 編程 語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受 梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路 圖相當(dāng)接近 只用 PLC 的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路 的功能 為不熟悉電子電路 不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工 業(yè)控制打開(kāi)了方便之門 4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 建造工作量小 維護(hù)方便 容易改造 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯 大大減少了控制設(shè)備外部的接線 使控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)及建造的周期大為縮短 同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái) 更重要的是使同一設(shè)備經(jīng) 過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能 這很適合多品種 小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合 5 體積小 重量輕 能耗低 以超小型 PLC 為例 新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗 僅數(shù)瓦 由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部 是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 2 3 PLC 應(yīng)用領(lǐng)域 目前 PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵 石油 化工 電力 建材 機(jī)械制 造 汽車 輕紡 交通運(yùn)輸 環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè) 使用情況大致可歸納 為如下幾類 1 開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本 最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 它取代傳統(tǒng)的繼電器電路 實(shí)現(xiàn)邏輯 控制 順序控制 既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制 也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線 如注塑機(jī) 印刷機(jī) 訂書機(jī)械 組合機(jī)床 磨床 包裝生產(chǎn)線 電鍍流水線等 2 模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中 有許多連續(xù)變化的量 如溫度 壓力 流量 液位和 速度等都是模擬量 為了使可編程控制器處理模擬量 必須實(shí)現(xiàn)模擬量 Analog 和數(shù)字量 Digital 之間的 A D 轉(zhuǎn)換及 D A 轉(zhuǎn)換 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A D 和 D A 轉(zhuǎn)換模塊 使可編程控制器用于模擬量控制 3 運(yùn)動(dòng)控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制 從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō) 早期直接 用于開(kāi)關(guān)量 I O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制 模塊 如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊 世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能 廣泛用于各種機(jī)械 機(jī)床 機(jī)器人 電 梯等場(chǎng)合 4 過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度 壓力 流量等模擬量的閉環(huán)控制 作為工業(yè)控制計(jì)算 機(jī) PLC 能編制各種各樣的控制算法程序 完成閉環(huán)控制 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán) 控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法 大中型 PLC 都有 PID 模塊 目前許多小型 PLC 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 7頁(yè) 也具有此功能模塊 PID 處理一般是運(yùn)行專用的 PID 子程序 過(guò)程控制在冶金 化工 熱處理 鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用 5 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算 含矩陣運(yùn)算 函數(shù)運(yùn)算 邏輯運(yùn)算 數(shù)據(jù)傳送 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 排序 查表 位操作等功能 可以完成數(shù)據(jù)的采集 分析及處理 這 些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較 完成一定的控制操作 也可以利用 通信功能傳送到別的智能裝置 或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制 系統(tǒng) 如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng) 也可用于過(guò)程控制系統(tǒng) 如造紙 冶金 食 品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng) 2 4 PLC 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 圖 2 1 PLC 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖 其中 CPU 是 PLC 的控制中樞 完成所有的運(yùn)算和控制任務(wù) 并能監(jiān)視電源 存儲(chǔ)器 I O 以及定時(shí)器的狀態(tài) 診斷用戶程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤 PLC 的存儲(chǔ)空間一 般包括三個(gè)區(qū)域 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū) 系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)和用戶程序存儲(chǔ)區(qū) 系統(tǒng)程 序存儲(chǔ)區(qū)存放相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序 一般采用可擦除的只讀存儲(chǔ)器 EPROM 制造廠商將系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中 用戶不能直接存取 系統(tǒng)程序 與硬件一起決定了PLC的性能 系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I O映象區(qū)和各類軟設(shè)備 邏 輯線圈 數(shù)據(jù)寄存器 計(jì)數(shù)器 計(jì)時(shí)器 變址寄存器 累加器等 輔助 CPU 完 成 I O 操作 運(yùn)算 控制等任務(wù) 用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序 一 般采用可擦寫的 ROM 容量可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展 PLC 的輸入 輸出電路可以進(jìn)行 模擬量 開(kāi)關(guān)量的進(jìn)行處理編程 CPU 能夠接受或處理的有效數(shù)字信號(hào) 同時(shí)可以 將 CPU 輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)或者開(kāi)關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的控制或通信 編 編程器 中央處理單元 CPU 輸 入 電 路 輸 出 電 路 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)區(qū) 電源 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 8頁(yè) 程器完成 PLC 梯形圖的編寫 然后通過(guò)專門的通信接口將程序下載到 PLC 的存儲(chǔ) 器中 電源在 PLC 整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用 它為 PLC 內(nèi)部的所有器件提 供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源 沒(méi)有它 系統(tǒng)將無(wú)法工作 PLC 采用不同一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式 掃描 當(dāng)它投入運(yùn)行后 工作 過(guò)程一般分為輸入采樣 用戶程序執(zhí)行 輸出刷新三個(gè)階段 完成上述三個(gè)階段 稱為一個(gè)掃描周 在整個(gè)運(yùn)行期間 PLC 的 CPU 就按照一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行 上面三個(gè)動(dòng)作 如圖所示 在輸入采樣階段 PLC 以掃描方式一次讀入所有輸入 狀態(tài)和數(shù)據(jù) 并將它們存入 I O 映象區(qū)相應(yīng)的單元 用戶程序執(zhí)行階段 PLC 的 CPU 按自上而下自左而右的順序掃描用戶梯形圖程序 對(duì)由觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路 進(jìn)行邏輯運(yùn)算并刷新邏輯線圈對(duì)應(yīng)位的狀態(tài) 或執(zhí)行梯形圖中的特殊功能指令 輸出刷新階段 CPU 按 I O 映象區(qū)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路 再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè) 第 N 1 個(gè)第 N 1 個(gè) 掃描周期N 個(gè)掃描周期掃描周期 輸出刷新輸入采樣用戶執(zhí)行程序輸出刷新輸入采樣 圖 2 2 PLC 掃描運(yùn)行方式 PLC 普遍采用梯形圖與語(yǔ)句表 梯形圖助記符 來(lái)編程 梯形圖是一種采用 常開(kāi)觸點(diǎn) 常閉觸點(diǎn) 線圈和功能塊等構(gòu)成的圖形語(yǔ)言 類似繼電器線路圖 觸 點(diǎn) 線圈用于邏輯運(yùn)算 功能塊用于執(zhí)行功能指令和應(yīng)用指令 在溫度控制系統(tǒng)中 傳統(tǒng)的指針式儀表和繼電器式控制柜 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 體積 大 故障率高 通用性差 控制精度不高 采用 PLC 作為控制則可以克服這些缺 點(diǎn) 一般 PLC 溫度控制系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方案 一種是 PLC 擴(kuò)展通用 A D 轉(zhuǎn)換模塊 構(gòu)成 另一種是 PLC 擴(kuò)展專用熱電偶溫度模塊構(gòu)成 前一種溫度傳感器采集到的 微弱信號(hào)不直接送到 PLC 的 A D 轉(zhuǎn)換模塊 須要由變送器將溫度信號(hào)進(jìn)行放大 冷端補(bǔ)償和線性化處理 再送到 A D 轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入通道轉(zhuǎn)換 后一種則直 接用熱電偶模塊對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集和處理 不需要附加其它外部電路 PLC 的 輸出用于驅(qū)動(dòng)晶閘管模塊 控制加熱的電壓或功率 另外 PLC 溫度控制器還能通 過(guò)串行通信口與 PC 機(jī)連接 構(gòu)成人機(jī)接口界面友好 控制功能完善的溫控系統(tǒng) 2 5 本章小結(jié) 本章著重介紹了 PLC 控制器 其中包括 PLC 的定義簡(jiǎn)介 特點(diǎn) 應(yīng)用領(lǐng)域以 及其硬件結(jié)構(gòu) PLC 控制器是本論文設(shè)計(jì)的核心部分 詳細(xì)的了解 PLC 以及熟練 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 9頁(yè) 的掌握其所包含的知識(shí)及應(yīng)用是本課題論文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在 因此本章通過(guò)以前 所學(xué)的課本知識(shí)以及查閱資料對(duì) PLC 進(jìn)行了詳細(xì)的的介紹 PLC 具有許多優(yōu)異的 特點(diǎn)如第二節(jié)所介紹 其優(yōu)點(diǎn)決定了 PLC 能夠在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用 于各個(gè)領(lǐng)域 第四節(jié)著重介紹了 PLC 的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并對(duì)其掃描方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單 介紹 可以更清楚的理解 PLC 的工作原理 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 10頁(yè) 3 PID 控制簡(jiǎn)介 3 1 PID 控制器概述 PID 簡(jiǎn)介 PID 是比例 積分 微分控制的簡(jiǎn)稱 PID 控制算法具有原理簡(jiǎn) 單 使用方便 適應(yīng)性廣和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn) 因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的 今天 它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力 在過(guò)去的 50 年 調(diào)節(jié) PID 控制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展 其中有利 用開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)信息 如 Coon Cohen 響應(yīng)曲線法 還有使用 Nyquist 曲線法的 如 Ziegler Nichols 連續(xù)響應(yīng)法 然而這些調(diào)節(jié)方法只識(shí)別了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息的 一小部分 不能理想的調(diào)節(jié)參數(shù) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 人們利用人工智能的 方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況 計(jì)算機(jī) 能自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù) 這樣能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整 短的整定時(shí)間 簡(jiǎn)便的操作 改 善響應(yīng)特性而推動(dòng)了自整定 PID 控制技術(shù)的發(fā)展 自整定技術(shù)可追溯到 50 年代自適應(yīng)控制處于萌芽時(shí)期 60 年代國(guó)外有人 設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)式的過(guò)程控制器 因其價(jià)格高 體積大 可靠性差而未能商 品化 80 年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機(jī)的使用 才使得自整 定控制器得以開(kāi)發(fā) PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)設(shè)想已慢慢實(shí)現(xiàn) 加熱爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異 從模擬 PID 數(shù)字 PID 到最優(yōu)控制 自適應(yīng)控制 再發(fā)展到智能控制 每一步都使控制的性能得到了改善 在現(xiàn)有的 電加熱爐溫度控制方案中 PID 控制和模糊控制應(yīng)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 控制算法描述為 1kekekkkekku DIP 3 1 式中的 k 0 1 2 為采樣序號(hào) u k 為第 k 次采集時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出 值 e k 為第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值 kp為比例系數(shù) kI為積分系數(shù) kD為 微分系數(shù) 該算法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單 易于實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn)是每次均與先前狀態(tài)有關(guān) 要對(duì) e k 進(jìn)行累加 運(yùn)算工作量大 而且輸出的 u k 對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制的 PWM 的 值 2 增量式控制算法 增量式 PID 控制算法描述為 1kekekkkekku DIP 3 2 該算法的優(yōu)點(diǎn)是 由于計(jì)算機(jī)輸出增量 誤動(dòng)作時(shí)影響小 當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故 障時(shí) 由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)鎖存作用 故仍能保持原值 控制增量 u k 的確定僅與最近 k 次的采樣值有關(guān) 易通過(guò)加權(quán)而獲得較好的控制效果 其不足之處為 積分截?cái)嘈?yīng)大 有靜態(tài)誤差 溢出的影響大 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 11頁(yè) 3 積分分離式控制算法 積分分離 PID 控制算法描述為 1kekekkkekku DIP 3 3 3 3 PID 控制的發(fā)展?fàn)顩r PID 控制早在 1915 1940 年就已產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái) 自四十年代維納提出控 制論的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái) 先進(jìn)控制方法層出不窮 而 PID 控制以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 魯 棒性好 控制直觀等優(yōu)點(diǎn) 仍被廣泛應(yīng)用于冶金 化工 電力 機(jī)械等工業(yè)過(guò)程 控制中 據(jù)調(diào)查 至今在全世界的過(guò)程控制中所用的控制器有 84 仍是純 PID 調(diào)節(jié)器 加上改進(jìn)型則超過(guò)了 90 PID 控制是按偏差的比例 P Proportion 積分 I Integral 和微分 D Derivative 線性組合進(jìn)行控制的方式 它在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 PID 控制算 法表達(dá)式為 t dp dt tde Tdtte T dtte 0 1 Ktu 3 4 用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 控制 需要把式 3 4 離散化 變?yōu)?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 控制有時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題 因?yàn)樗侨枯敵?每次輸出都與 原來(lái)的位置有關(guān) 一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障導(dǎo)致輸出量劇烈變化 控制就難以恢復(fù)到 原來(lái)的狀況 這對(duì)控制相當(dāng)不利 所以常將式 3 5 變換成增量式 PID 控制 2121kekeke T T ke T T kekeKku s d i s p 3 6 式中 p K是比例系數(shù) i T是積分時(shí)間常數(shù) d T是微分時(shí)間常數(shù) s T是采樣周期 ku ku ke分別是 s kT時(shí)刻的控制量 控制量 誤差 為了改善 PID 控制的動(dòng)態(tài)特性 人們?cè)趯?shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn) 從結(jié)構(gòu)提出了 多種改進(jìn)型數(shù)字 PID 控制算法 包括 積分分離型 PID 控制 帶死區(qū)的 PID 控制 不完全微分 PID 控制 不完全微分 PID 控制等 而 PID 控制的效果好壞關(guān)鍵在于控制參數(shù)是否合適 所以自它被提出起 PID 控 制 器參數(shù)的整定方法就一直是人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一 1942 年 Ziegler Nichols 法被提出 在此之后有許多方法被用于 PID 控制器的手動(dòng)或自 動(dòng)整定 按研究方法可分為基于頻域和基于時(shí)域的 PID 參數(shù)整定方法 而按發(fā)展 階段可分為常規(guī)和智能 PID 參數(shù)整定方法 包括自整定和自適應(yīng) 基于頻域的解析整定方法又分為兩類 第一類使用一階慣性加純滯后模型 FOPDT 第二類則基于積分加一階慣性模型 主要方法有 Ziegler Nichols 法 Z N 改進(jìn) Z N 法 有超調(diào)規(guī)則 無(wú)超調(diào)規(guī)則 平方時(shí)間加權(quán)偏差的積分準(zhǔn) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 12頁(yè) 則 ISTE Pessen 絕對(duì)偏差積分 PIAE 對(duì)稱優(yōu)化方法和非對(duì)稱優(yōu)化方法等 這些方法或者需要測(cè)知過(guò)程傳遞函數(shù)奈式曲線與負(fù)實(shí)軸的交點(diǎn) 從而得到系統(tǒng)臨 界增益 u K 臨界周期 u T 或者需要測(cè)知系統(tǒng)的相角裕度 u 和閉環(huán)諧振峰值 c M 基于時(shí)域的PID整定方法主要有 Ziegler Nichols階躍響應(yīng)法 Z N法 1942 年 基于一般被動(dòng)系統(tǒng)提出的 Chien Hrones Reswick 整定算法 CHR 法 1952 年 在經(jīng)典 Z N 法的基礎(chǔ)上 提出了改進(jìn)的 Cohen Coon 響應(yīng)曲線法調(diào)節(jié)法 C C 法 1953 年 基于內(nèi)模控制的 PID 參數(shù)整定方法 IMC 法 1990 年 以及不同 準(zhǔn)則下的 PID 控制器最優(yōu)整定的算法 OPT 法 1993 年 這些方法都依賴于系統(tǒng) 的階躍響應(yīng)特性 需要知道振蕩周期 幅值或者系統(tǒng)靜態(tài)增益 K 慣性時(shí)間常數(shù) T 滯后時(shí)間常數(shù) 等先驗(yàn)知識(shí) 經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的 PID 控制能夠滿足大量一般工程控制的需求 因而在工程中得 到廣泛的應(yīng)用 但它們卻不太適合一些特殊的大滯后場(chǎng)合 比如 1 具有反向 特性的非最小相位系統(tǒng) 2 具有嚴(yán)重頻繁干擾的過(guò)程對(duì)象 3 多變量強(qiáng)耦合 過(guò)程 4 帶有約束的控制問(wèn)題 因此為了克服這些問(wèn)題 自適應(yīng)控制 最優(yōu)控 制 預(yù)測(cè)控制 魯棒控制 智能控制等先進(jìn)控制理論被引入了 PID 控制中 3 4 智能 PID 的發(fā)展?fàn)顩r 對(duì)于時(shí)變性和非線性較嚴(yán)重的控制對(duì)象 固定參數(shù)的 PID 控制器難以得到滿 意的控制效果 于是人們將參數(shù)自調(diào)整技術(shù)引入到 PID 控制中 形成自適應(yīng) PID 控制 自適應(yīng) PID 控制器可分為兩大類 一類基于被控過(guò)程參數(shù)辨識(shí) 稱為參數(shù) 自適應(yīng) PID 控制器 其參數(shù)的估計(jì)依賴于被控過(guò)程微分方程數(shù)學(xué)模型的精度 且 算法復(fù)雜 故存在可實(shí)現(xiàn)性較差的問(wèn)題 另一類基于被控過(guò)程的某些特征參數(shù)的 識(shí)別 稱為非參數(shù)自適應(yīng) PID 控制器 這類自適應(yīng)控制器的可實(shí)現(xiàn)性較好 特別 是把人工智能技術(shù)引入 PID 控制器后 所構(gòu)成的智能自適應(yīng) PID 控制器 在理論 研究和實(shí)踐應(yīng)用中均取得了較大的發(fā)展 是一種在理論上有著豐富研究?jī)?nèi)容 在 復(fù)雜系統(tǒng)控制中有著廣闊應(yīng)用前景的控制器 國(guó)內(nèi)外對(duì)智能 PID 控制的應(yīng)用研究十分活躍 智能 PID 控制器的基本結(jié)構(gòu)可 分為上下兩層 上層利用智能技術(shù) 估計(jì)控制系統(tǒng)所處的狀態(tài)或模態(tài) 并對(duì)下層 PID 控制器的參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整 下層的 PID 控制器依靠偏差進(jìn)行控制 由于 智能 PID 控制器不需要確切知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型 具有良好的可實(shí)現(xiàn)性和魯 棒性 根據(jù)智能技術(shù)的類別可將當(dāng)前的智能 PID 控制分為四類 1 基于專家系 統(tǒng)的智能 PID 控制 2 基于模糊邏輯的 PID 控制器 3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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術(shù)通過(guò)整合往往還 可以構(gòu)成更好的 PID 控制器 近些年 各種商品化智能自整定 PID 調(diào)節(jié)器控制儀表也進(jìn)入市場(chǎng) 其中最有 代表性的有下列兩種類型 一種是以日本東芝公司推出的 TOSDIC 211 8 型智能 自整定 PID 調(diào)節(jié)器為代表 它建立在對(duì)過(guò)程參數(shù)的在線辨識(shí)與 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)自 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 13頁(yè) 整定的基礎(chǔ)上 另一種是以 1983 年美國(guó) FOXBORO 公司推出的 EXACT 專家自整定 調(diào)節(jié)器和日本富士公司推出的 FUJI MICREX 專家自整定調(diào)節(jié)器為代表 它是將專 家系統(tǒng) 模式識(shí)別的方法應(yīng)用于智能自整定 PID 調(diào)節(jié)器 使 PID 調(diào)節(jié)能更有效 這些新型的智能儀表代表著當(dāng)今智能 PID 自整定儀表的發(fā)展方向 3 5 控制方法簡(jiǎn)介 PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)控制中最常見(jiàn)的控制器 PID控制中一個(gè)關(guān)鍵 的問(wèn)題便是PID對(duì)參數(shù)的整定 使PID 控制系統(tǒng)達(dá)到所期望的控制性能 但是在實(shí) 際的應(yīng)用中 許多被控過(guò)程機(jī)理復(fù)雜 具有高度非線性 時(shí)變不確定性和純滯后等 特點(diǎn) 特別是在噪聲 負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響下 過(guò)程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會(huì)隨時(shí) 間和工作環(huán)境的變化而變化 DES2BOROUGH和MILLER在2002年的一次統(tǒng)計(jì)報(bào)告中 指出 目前在美國(guó)有超過(guò)11600個(gè)具有PID控制器結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控 制領(lǐng)域中 有超過(guò)97 的反饋回路采用了PID控制算法 甚至在一些復(fù)雜的控制律 中 其基本控制層采用的仍然是PID 控制算法 然而 只有近1 3的PID控制器在實(shí) 際應(yīng)用過(guò)程中取得了令人滿意的控制效果 有2 3 的PID控制系統(tǒng)的控制性能達(dá) 不到用戶所期望的要求 這給控制理論研究和應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑 戰(zhàn) 智能控制是控制理論 人工智能 信息論和運(yùn)籌學(xué)等多方面綜合而成的交叉 學(xué)科 主要用于處理兩大類問(wèn)題 難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述的大規(guī)模和復(fù) 雜非線性系統(tǒng) 需要引入人為因素才能進(jìn)行有效控制 控制目標(biāo)通常需要分解 成多個(gè)子任務(wù)的系統(tǒng) 能PID控制器吸收了智能控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn) 首先 它具備自學(xué)習(xí) 自適應(yīng) 自組織的能力 能夠自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù) 自動(dòng) 整定控制參數(shù) 能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化 其次 它又具有常規(guī)PID控制器結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單 魯棒性強(qiáng) 可靠性高 為現(xiàn)場(chǎng)工程設(shè)計(jì)人員所熟悉等特點(diǎn) 正是這兩大 優(yōu)勢(shì) 使得智能PID控制成為眾多過(guò)程控制中一種較理想的控制裝置 因此 人們 開(kāi)始較多地關(guān)注比較流行的幾種智能PID控制器 考察它們的構(gòu)成形式 各自特點(diǎn) 和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 模糊控制法是一種近年來(lái)發(fā)展和應(yīng)用最普遍的新型控制方法 其優(yōu)點(diǎn)是不要 求提供受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)人工控制規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)控制決策表 模糊控制與 PID控制有著密切的聯(lián)系 事實(shí)上 模糊控制在很多情況下被稱作為非線性PID控 制 將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái) 揚(yáng)長(zhǎng)避短 既具有模糊控制靈活 適應(yīng) 性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) 又具有PID控制精度高的特點(diǎn) 模糊控制是智能控制的分支之一 他具有以下特點(diǎn) 1 是一種非線性控制方法 工作范圍寬 適用范圍廣 特別適合于非線性 系統(tǒng)的控制 2 不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 對(duì)無(wú)法建模或很難建模的復(fù)雜對(duì)象 可以利 用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器 從而完成控制任務(wù) 而傳統(tǒng)的控制方法都要 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 14頁(yè) 已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型才能設(shè)計(jì)控制器 3 他具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制 表現(xiàn)出極強(qiáng)的魯棒性 對(duì)被控對(duì)象的特性 變化不敏感 模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整 算法簡(jiǎn)單 執(zhí)行快 容易實(shí)現(xiàn) 不需 要很多的控制理論知識(shí) 3 5 13 5 1 模糊模糊 PIDPID 控制控制 模糊控制 10 的概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授 L A Zaden 首先提出 的 經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展 模糊控制取得了矚目的成就 模糊控制適用于非線性 數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象 對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng) 能力 同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制作用 即魯棒性較好 但模糊控制器本身消除 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差 難以達(dá)到較高的控制精度 而 PID 控制正好可以 彌補(bǔ)其不足 近年來(lái)已有不少將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)模糊邏輯控制 的先例 隨著模糊控制器的發(fā)展已出現(xiàn)多種能提高 PID 控制精度的模糊 PID 混 合控制方案 例如 引入積分因子的模糊 PID 控制器 混合型模糊 PID 控制器 11 另外將其與其它先進(jìn)控制技術(shù)結(jié)合又有模糊自適應(yīng) PID 控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 糊 PID 控制 12 等 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 加上一個(gè)模糊控制規(guī) 則環(huán)節(jié) 利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng) 它以誤差 e 和誤差變化 ec 作為輸入 可以滿足不同時(shí)刻的 e 和 ec 對(duì)參數(shù)自整定 的要求 它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來(lái) 揚(yáng)長(zhǎng)避短 既具有模糊控 制靈活而適應(yīng)性強(qiáng) 調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn) 又具有 PID 控制 13 無(wú)靜差 穩(wěn)定性好 精度高的特點(diǎn) 對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果 根據(jù)線性控制理論 此類模糊控制器有可能獲得良好的動(dòng)態(tài)特性 但無(wú)法消 除靜態(tài)誤差 為了改善模糊控制的穩(wěn)態(tài)性能 通常在模糊控制系統(tǒng)中引入模糊積 分環(huán)節(jié) 圖3 1 所示的是BASSEV ILLEM提出的一種模糊控制器 誤差的模糊值經(jīng) 積分后與常規(guī)模糊控制器的輸出進(jìn)行疊加構(gòu)成控制器的最終輸出 這種對(duì)誤差的 模糊值進(jìn)行積分的PID模糊控制器可以消除大的系統(tǒng)靜差 但是 要減小零點(diǎn)附近 的極限環(huán)振蕩 必須增加控制規(guī)則 這樣就增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度 圖3 1 模糊PID控制器 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第 15頁(yè) 3 5 23 5 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PIDPID 控制控制 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ANN artificial neural network 是最近發(fā)展起來(lái)的十分 熱門的交叉學(xué)科 它涉及生物 電子計(jì)算機(jī) 數(shù)學(xué) 和物理等學(xué)科 有著非常廣 泛的應(yīng)用背景 這門學(xué)科的發(fā)展對(duì)目前和未來(lái)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將有著重要的影 響 以大規(guī)模并行處理為主要特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí) 記憶 聯(lián)想 容錯(cuò) 并 行處理等能