基于pid控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的仿真畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 可由式(21)表示: (21)式(21)中 K對象的靜態(tài)增益T對象的時間常數(shù) 。 對象的純滯后時間。對象中的特性參數(shù)對其輸出的影響: 大 系 數(shù)K 放大系數(shù)K也就是傳遞系數(shù)，它與被控量的變化過程無關，其值表示輸入對輸出穩(wěn)態(tài)值的影響程度。K值越大，表示被控對象的自平衡力小。K值小，對象自平衡能力大。 間 常 數(shù)T 時間常數(shù)T的大小反映了對象受到階躍干擾后，被控量達到新的穩(wěn)定值的快慢程度，即時間常數(shù)T是表示對象慣性大小的物理量。 膨脹水箱 （必須與大氣相通） 電鍋爐 供暖出水口 排污口 供暖回水口 散熱片 電 鍋 爐 安 裝 圖目前國內(nèi)電熱鍋爐控制大都采用的是開關式控制，甚至是人工控制方法。 以預控制的溫度為標稱值，據(jù)此設定一個控制上限，一個控制下限。當溫度不在此范圍內(nèi)時，電熱鍋加熱，否則停止加熱。這種方法主要存在以下幾個問題:① 在實際工程中達不到理想的控制效果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好.② 由于系統(tǒng)只是采用簡單的開關量啟動或關閉，使系統(tǒng)出現(xiàn)反復振蕩，且對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，運行成本很高。 人工控制方法是通過工作人員的操作經(jīng)驗，很難提高系統(tǒng)的控制精度和實現(xiàn)低成本運行。針對市面上電鍋爐的粗獷式控制方法，要提高系統(tǒng)控制精度和實現(xiàn)低成本運行，必須尋找一種新的解決方案。通過對電鍋爐的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)研究確定出可采用的研究方案，首選采的控制方案是PID控制，它是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強，容易實現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求。PID控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設定三個參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，PID調(diào)節(jié)儀表也是工業(yè)控制中最常用的儀表之一，PID 適用于需要進行高精度測量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對象自動演算出最佳PID控制參數(shù)。比例積分r(t) e(t) + u(t)被控對象 + c(t) + + 微分 基本PID控制系統(tǒng)原理圖理想的PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差e(t)e(t )= r(t)c(t ) (22)將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。 (23)式中 u(t)——控制器的輸出。e(t)—— 控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號；e(t)——比例控制項，Kp為比例系數(shù)。—— 積分控制項，為積分時間常數(shù)。—— 微分控制項，為微分時間常數(shù)。——積分系數(shù)，——微分系數(shù)，: 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數(shù)凡的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調(diào)量增大。比例控制是一種最簡單的控制方式。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。 積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，則此控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強。隨著積分時間常數(shù)不的減小，靜差在減小:但過小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3. 微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應速度，它可以預測將來，能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加速系統(tǒng)的動態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時間。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計算機PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。進入計算機的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進入計算機的存儲器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。通過改變控制單元參數(shù)，如比例度δ、積分時間Ti、微分時間Td等，改善系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性，以求取較佳的控制效果的過程。工程上，對簡單控制系統(tǒng)，整定參數(shù)的方法有臨界比例度法、反應曲線法、衰減曲線法、經(jīng)驗法等PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。她主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所的到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定法，它主要是依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定法，主要有臨界比例法，反應曲線和衰減。三種方法各有其特點，其共同特點是通過實驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用臨界比例法。利用該方法進行PID控制參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預選一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。PID參數(shù)的設置的大小，一方面是要根據(jù)控制對象的具體情況而定，另一方面是經(jīng)驗。P是解決幅值振蕩，P大了會出現(xiàn)幅值振蕩的幅度大，但振蕩頻率小，系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間長。I是解決動作響應的速度快慢的，I大了，響應速度慢，反之則快。D是消除靜態(tài)誤差的，一般D設置都比較小，而且對系統(tǒng)的影響比較小。ZieglerNichols 整定方法ZieglerNichols法是一種基于頻域設計PID控制器的方法。基于頻域的參數(shù)整定是需要參考模型的，首先需要辨識出一個能較好反應被控對象頻域特性的二階模型。根據(jù)這個模型，結(jié)合給定的性能指標可推出公式，而后用于PID參數(shù)的整定。基于頻域的設計在一定程度上回避了精確的系統(tǒng)建模，而且有較為明顯確的物理意義，比常規(guī)的PID控制可適應的場合更多。目前已經(jīng)有一些基于頻域設計PID控制器的方法，如ZieglerNichols法，ZieglerNichols是最常用的整定PID參數(shù)的方法。ZieglerNichols法是根據(jù)給定對象的瞬態(tài)響應特點來確定PID控制器的參數(shù)。ZieglerNichols法首先通過實驗，獲取控制對象的單位階躍響應，如果單位階躍響應曲線看起來是一條S形狀的曲線，則可以用這個方法，否則不能用。 在使用模擬控制器時，由于各行各業(yè)應用對象的特性是不相同的，如對象很敏感，或被控流量常是脈動狀態(tài)時，就不應再用微分功能了，否則會使脈動信號變化加劇。再就是間歇或斷續(xù)生產(chǎn)的控制過程中有其特殊性，通常問題要求按照被控對象的特性來選擇控制器。對于有經(jīng)驗的儀表工大多是按照自己的實踐經(jīng)驗來確定控制器的選擇。而且PID控制器是最多的，以為它可以解決大部分的問題按照被控對象的特性選擇控制器 采用標準PID位置式算法，在實現(xiàn)控制的過程中，只要系統(tǒng)的偏差沒有消除，積分作用就會繼續(xù)增加或減小，最后使控制量達到上限或者下限，系統(tǒng)進入飽和范圍。而對時間常數(shù)較大的被控對象，在階躍響應作用下，偏差通常不會在幾個采樣周期內(nèi)消除掉，積分項的作用就可能使輸出值超過正常范圍，造成較大的超調(diào)。為了克服這種現(xiàn)象，可以采用過限消弱積分法和積分分離法。 過限消弱積分法就是在控制變量進入飽和區(qū)后，程序只執(zhí)行削弱積分項的運算，而停止增大積分項的運算。 積分分離法的基本思想是:當誤差大于某個規(guī)定的門限值時，刪去積分作用，從而使積分項不至于過大，只有當誤差較小時，才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。 數(shù)字PID控制器的輸入量是系統(tǒng)的給定值r和系統(tǒng)實際輸出y的偏差值e。在進入正常調(diào)節(jié)過程后，由于e值不大，此時相對而言，干擾對控制器的影響也就很大。為了消除干擾的影響，除了在硬件采取相應的措施以外，在