反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)的積分分離PID算法及仿真

計算機控制技術(shù)課程設(shè)計評語考勤10分守紀10分過程30分設(shè)計報告30分答辯20分總成績（100分）專業(yè)：自動化班級：動201302姓名：鄧笛學(xué)號：2指導(dǎo)教師：姜香菊蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院2016年07月15日化工車間反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計目的反應(yīng)釜內(nèi)的溫度控制是化工生產(chǎn)過程的中心環(huán)節(jié)，目的是保證反應(yīng)過程的產(chǎn)物達到一定質(zhì)量和控制要求。由于溫度能較好地測量與分析，并且能夠一定程度上反映出釜內(nèi)反應(yīng)過程，所以選用溫度為間接參數(shù)是最有效的方法。針對本次設(shè)計要求，是以實現(xiàn)小型實用反應(yīng)釜的控制系統(tǒng)為目標，主要目的就是要實現(xiàn)溫度的智能控制。設(shè)計方案及原理反應(yīng)釜溫度控制原理反應(yīng)釜主要是在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進行化學(xué)反應(yīng)。為了測量釜內(nèi)的溫度，在罐內(nèi)裝有鋼制的溫度計套管，可將溫度計或溫度傳感器放入其中。在進行化學(xué)之前，先將反應(yīng)物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi)，在反應(yīng)釜底部通過電阻絲加熱，進而提高反應(yīng)釜內(nèi)的溫度（升溫階段），通過攪拌使物料溫度均勻，當釜內(nèi)溫度達到預(yù)定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學(xué)反應(yīng)正常進行（恒溫階段）?？傮w方案設(shè)計本次設(shè)計的要求是系統(tǒng)的測溫范圍為0~100°C,升溫結(jié)束階段向恒溫階段切換時的超調(diào)量不超過5C。恒溫階段的控制精度要求絕對誤差不超過±2C。通過研究反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和工作原理,選用溫度作為控制參量,在工業(yè)生產(chǎn)過程中,為了保證生產(chǎn)正常進行,工藝要求釜底溫度維持在給定值上下,或在某一小范圍內(nèi)變化,所以直接選取釜底溫度為被控參數(shù)。單回路控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：圖1單回路控制系統(tǒng)原理框圖單閉環(huán)基本控制原理為:傳感器將實時測量的反應(yīng)釜的溫度值傳送到控制器的中央控制單元,采樣值與溫度設(shè)定值同時送入算法子程序進行運算得到輸出控制量,輸出控制量通過固態(tài)繼電器（執(zhí)行器）作用到加熱電阻絲上,通過控制一個時間段內(nèi)加熱電阻絲的通斷時間來控制加熱功率。對于工業(yè)生產(chǎn)中的溫度控制有較大的時間延遲,采用常規(guī)的PID算法控制往往不能得到理想的控制效果,通常系統(tǒng)伴有較大的超調(diào)以及較長的調(diào)整時間,所以本次設(shè)計采用積分分離式PID控制算法對系統(tǒng)進行控制,它除了具有常規(guī)PID控制的優(yōu)點外,還能克服對象的容量滯后,減小動態(tài)偏差,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并顯著降低被調(diào)量的超調(diào)量和調(diào)整時間,使調(diào)節(jié)過程性能得以改善。系統(tǒng)硬件設(shè)計本次設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件電路主要由主控制器、溫度傳感器、鍵盤、顯示電路、電

源、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、固態(tài)繼電器及加熱電阻絲等組成。其中主控制器采用STC89C52單片機最小系統(tǒng)；溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換電路，其測溫速度快，精度高；鍵盤采用普通3X4矩陣鍵盤用來輸入給定參數(shù)；顯示電路選用LCD1602液晶顯示，進行數(shù)據(jù)的實時顯示；D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用8位數(shù)字量輸入和2通道模擬量輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832。電源模塊功能為把220V交流電轉(zhuǎn)為5V直流電，選擇AMS1117電源芯片，其具有完善的保護電路，包括過流、過壓、電壓反接保護，它具有更低的工作壓降和更小的靜態(tài)工作電流，可以使電源獲得相對更長的使用時間，可以為單片機及片外D/A等模塊提供很穩(wěn)定的工作電壓；加熱元件選擇功率為2000W，額定電壓為220V的加熱電阻絲；繼電器選用交流固態(tài)繼電器，是一種無觸點通斷電子開關(guān)，它利用電子元件的開關(guān)特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示：鍵盤電源溫度傳感器圖2鍵盤電源溫度傳感器圖2硬件結(jié)構(gòu)原理圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計主程序工作流程同方案設(shè)計，不過多贅述，這里主要討論控制算法子程序，控制算法采用的是積分分離的PID控制算法，基本思路是：根據(jù)實際情況，設(shè)定一閾值0;當偏差|e(k)|時，也就是當|e(k)|比較大時，切除積分環(huán)節(jié)，改用PD控制，這樣可以避免過大的超調(diào)，又能使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當|e(k)|時，也就是當|e(k)|比較小時，加入積分環(huán)節(jié)，成為PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

根據(jù)設(shè)計要求及所選硬件，軟件主程序流程圖如圖3所示：機初始化傳感器測雖實時溫度調(diào)用控制算法子程序根據(jù)設(shè)計要求及所選硬件，軟件主程序流程圖如圖3所示：機初始化傳感器測雖實時溫度調(diào)用控制算法子程序?qū)崟r溫度顯示給定控制參數(shù)—NY反應(yīng)完成?圖3軟件程序流程圖控制系統(tǒng)工作之前都需要給出相應(yīng)的給定溫度和閾值?？刂扑惴鞒虉D如圖4所示5系統(tǒng)仿真及實際調(diào)試單回路控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)是使用MATLAB中的Simulink仿真工具來實現(xiàn)，由模擬PID控制器和被控對象組成，被控對象的仿真?zhèn)鬟f函數(shù)為：

Gp1(s)-80s60SGp1(s)-80s60S1本次仿真用先采用常規(guī)的PID控制，在相同PID的參數(shù)下使用積分分離的PID控制搭建仿真模型，仿真得到兩種算法的優(yōu)劣比較。使用積分分離的PID控制比常規(guī)的PID控制效果要好很多。常規(guī)PID采用臨界比例度法對控制器進行參數(shù)整定：首先設(shè)定比例增益Kp1.0，置積分時間為無窮，微分時間為0。將增益Kp從1.0開始以1.0為增量逐漸增大，每變化一次增益觀察一次響應(yīng)曲線，若系統(tǒng)變?yōu)榘l(fā)散，則適量減小Kp的值，直到產(chǎn)生等幅振蕩為止，測量并記錄此時的臨界增益Kc和等幅振蕩周期Tc,根據(jù)PID整定經(jīng)驗公式：Kp0.6Kc；Ti0.5Tc；Td0.25Tc,KiKp/Ti，KdKpTd,計算出PID的傳遞函數(shù)，本次設(shè)計得到的常規(guī)PID控制器的傳遞函數(shù)為：0.0094G(s)1.14G(s)1.1431.35s。由于積分分離的PID控制器在常規(guī)的PID整定后的參數(shù)下的響應(yīng)曲線并不能滿足系統(tǒng)控制的要求，然而積分分離的PID使用常規(guī)PID控制下的參數(shù)只是作為兩個系統(tǒng)的優(yōu)劣比較，在此參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用湊試法再進行積分分離PID的參數(shù)整定，它的一般規(guī)律是：增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有靜差時有利于減小靜差，過大的比例系數(shù)會有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞；增大積分時間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢；增大微分時間亦有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，減小振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對干擾的抑制能力減弱過大的微分系數(shù)也將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。參考以上的一般規(guī)律，按照先比例，后積分，再微分的整定步驟。并且得到設(shè)定的閾值和溫度之間存在函數(shù)關(guān)系式為：0.8c，最后得出滿足設(shè)計要求的控制器。仿真模型及仿真曲線見附錄。6總結(jié)本次設(shè)計把理論知識與實際聯(lián)系起來，在實踐中檢驗了自己對知識的掌握程度,增強了自己的動手能力，提高了自身的分析和解決問題的能力，通過查閱相關(guān)的資料得知對于類似的系統(tǒng)還有更好的控制方法，由于知識貯備量的限制，雖然最終達到了自己的期望效果，但還是要在今后的不斷學(xué)習(xí)中去改進其中的不足。最后在此衷心地感謝給予幫助的老師和同學(xué)們。參考文獻李華，候濤，范多旺等.計算機控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.滕青芳，范多旺，董海鷹等.自動控制原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.⑶張濤■反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的研究[D]■山東：青島大學(xué)，2009.陶永華?新型PID控制及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.姜香菊.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.[7]薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計-MATLAB語言及應(yīng)用[M]?北京：清華大學(xué)出版社,1996.附錄Inwgntor采用常規(guī)PID控制搭建的Simulink系統(tǒng)仿真模型如圖5所示:——Tnr*ipo<tIs/Trs^Efe^Fcr'AjoT-^rTnnsp<xt

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D*l*y1Ssc'pe!圖5常規(guī)PID控制系統(tǒng)仿真模型采用積分分離的PID控制搭建的Simuhnk系統(tǒng)仿真模型如圖6所示：LCer\=ti.=圖6積分分離的PID控制系統(tǒng)仿真模型比例增益Kp=置積分時間最大Ti=99999，微分時間為Td=O,此時即不使用任何一種PID控制的單位階躍響應(yīng)，系統(tǒng)單位階躍曲線仿真圖如圖7所示：21!0D208震蕩時的響應(yīng)曲線如圖8所示1.S,!不斷增加Kp的值，當這個值等于時出現(xiàn)等幅震蕩，即Kc=，由仿真曲線得到出此時的震蕩周期Tc=220,從而由經(jīng)驗公式可以計算出相應(yīng)的整定參數(shù)，得到21!0D208震蕩時的響應(yīng)曲線如圖8所示1.S,!圖8系統(tǒng)等幅震蕩曲線將在常規(guī)PID控制器整定好三個參數(shù)分別輸入到常規(guī)PID控制仿真模型中，仿真后得到系統(tǒng)在此控制器下的單位階躍響應(yīng)曲線，由曲線可知控制曲線雖然最終穩(wěn)定在期望值，但是系統(tǒng)在過渡過程中產(chǎn)生了較大的超調(diào)量，調(diào)整時間也很長，這樣的控制效果是達不到控制要求的。將在常規(guī)PID控制器整定好三個參數(shù)分別輸入到采用積分分離PID控制仿真模型中，即與常的規(guī)PID控制在同樣的參數(shù)下針對本次設(shè)計中的被控對象進行控由仿真后得到的系響應(yīng)曲線可知在采用積分分離的PID控制的系統(tǒng)明顯優(yōu)于采用常規(guī)統(tǒng)ID控制的系統(tǒng)，在采用積分分離的PID控制作用下，系統(tǒng)的超調(diào)量明顯相比之前降低了很多，而且調(diào)整時間也減小了，在過渡過程中也沒有明顯的震蕩以得到平穩(wěn)狀定參數(shù)此單輸階躍下的響應(yīng)曲言號，可線如圖系統(tǒng)在輸入控制參數(shù)'的……-f0?8c0?8。使用積分分離的PID控制算法在常規(guī)PID-10所示：00100100圖10積分分離控制在常規(guī)控制整定參數(shù)下響應(yīng)曲線由于積分分離的PID控制器在常規(guī)的PID整定后的參數(shù)下的響應(yīng)曲線并不能滿足系統(tǒng)控制的要求，因為超調(diào)還是在10%左右，然而積分分離的PID是能夠達到控制要求的，使用常規(guī)PID控制