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

　 　

【正文】 而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和應(yīng)用的發(fā)展，為系統(tǒng)辨識(shí)開辟了一條新的有效途徑。工業(yè)過程中，辨識(shí)的方法可分為兩類：一類是對(duì)非參數(shù)模型的辨識(shí)；一類是參數(shù)模型的辨識(shí)。系統(tǒng)辨識(shí)是控制理論研究的一個(gè)重要分支，它是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 基于辨識(shí)的PID參數(shù)整定 系統(tǒng)辨識(shí)概述系統(tǒng)本身的特性決定了它能被控制的好壞程度，同時(shí)也決定了取得最佳效果所需的調(diào)節(jié)器整定值。（2）由公式 （52） （53）計(jì)數(shù)出與（3）寫出正規(guī)方程（4）解正規(guī)方程組 求出a0，a1，…，an（5）寫出擬合公式多項(xiàng)式次多項(xiàng)式也叫作線性擬合。當(dāng) 加熱爐剛啟動(dòng)加熱時(shí)，由于測(cè)到的爐溫為常溫，sppv＝△U為正值且較大，△U為PID調(diào)節(jié)器的輸入，此時(shí)PID調(diào)節(jié)器中P起主要作用，使SCR為最大 電壓給加熱爐加熱。 軟件流程圖 初始化 溫度設(shè)計(jì)sp 啟動(dòng)加熱系統(tǒng)測(cè)爐溫并與sp比較 即（sppv） PID調(diào)節(jié) SCR 加熱爐測(cè)加熱爐溫度pv 判斷模塊是否正常 N Y圖51 加熱爐控制流程圖 控制算法由于溫度控制本身有一定的滯后性和慣性，這使系統(tǒng)控制出現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差。(2)在受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不明確的情況下,可以使用模型識(shí)別法,通過對(duì)系統(tǒng)發(fā)射階躍信號(hào),同時(shí)觀察系統(tǒng)輸出端信號(hào)的變化情況,從而識(shí)別出系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用PID參數(shù)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子程序首先開中斷,之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣以及采樣值的累加,在采樣環(huán)中設(shè)置累加次數(shù)并用計(jì)數(shù)器不斷判斷采樣次數(shù)是否達(dá)到設(shè)置值,若采樣次數(shù)達(dá)到設(shè)置值,則跳出循環(huán)返回其平均值,若采樣次數(shù)未達(dá)到設(shè)定值,則繼續(xù)完成采樣,直到返回平均,關(guān)中斷。首先給出了加熱爐溫度控制裝置的基本構(gòu)成圖，并分別介紹了各個(gè)硬件部分的作用原理。移相觸發(fā)方式中需要調(diào)節(jié)的是觸發(fā)角α或者導(dǎo)通角θ（晶閘管導(dǎo)通到過零關(guān)斷之間的角度，θ=πα）來改變負(fù)載電壓的有效值，觸發(fā)角越小，負(fù)載上的電壓有效值越大，反之，則越小。通常，由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的途徑有兩條：一是改變控制周期內(nèi)電壓波形的觸發(fā)角（從晶閘管開始承受電壓到開始導(dǎo)通之間的角度），稱為調(diào)相；另一種是波形不變而改變其電壓波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，稱為脈沖調(diào)功。為了消除這些因素的影響，使采樣的精度更高，算法中采用了滑動(dòng)平均濾波和限速濾波相結(jié)合的方式，實(shí)踐表明經(jīng)過處理后的采樣溫度值變化更加平滑，且不會(huì)出現(xiàn)大幅度跳變，℃℃ 晶閘管模塊晶閘管本質(zhì)上是一種直流電力元件，在用于交流控制時(shí)，需要用一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管或者雙向晶閘管元件，其結(jié)構(gòu)如圖：圖49 晶閘管模塊欲使晶閘管中通過交流電流，必須在每半個(gè)周期對(duì)元件進(jìn)行一次觸發(fā)。其中是由被控對(duì)象實(shí)際情況決定的兩次采樣允許的最大差值。若用最小二乘法求加權(quán)系數(shù)，則成為數(shù)值平滑濾波，它能使濾波后的數(shù)據(jù)按最小均方差逼近原始數(shù)據(jù)，對(duì)隨機(jī)干擾特別有效。其形式為： （44）其中為濾波系數(shù)，為濾波時(shí)間常數(shù)。其算式為： （42）其中，y(k)為第k次的濾波器輸出值，為第k次濾波輸入值，n為采樣值個(gè)數(shù)。模型中的控制器就是廣義的加載到計(jì)算機(jī)或微處理器上的控制算法，晶閘管模塊、電加熱爐、加熱對(duì)象一起歸為控制對(duì)象，而A/D轉(zhuǎn)換器、熱電偶[6]則構(gòu)成反饋回路。圖47 與外部設(shè)備鏈接圖表41 PLC I/O地址分配表IN編號(hào)OUT編號(hào)系統(tǒng)開X10高溫指示燈Y1系統(tǒng)關(guān)X15數(shù)據(jù)顯示Y2~Y5數(shù)據(jù)顯示片選Y6~Y9其中XX15分別為控制PLC系統(tǒng)的開關(guān)，Y1為高溫顯示燈用來顯示溫度是否過高，Y2~Y5用來接溫度數(shù)據(jù)顯示，及時(shí)傳遞溫度的信息情況，Y6~Y9接數(shù)據(jù)顯示片選。圖46示出了一個(gè)用三位二進(jìn)制數(shù)來量化編碼模擬信號(hào)的示意圖。電路中的A是用運(yùn)放構(gòu)成的緩沖放大器。由于每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次采樣后必須將所采得的電壓保持一段時(shí)間，完成這種功能的便是采樣保持電路，圖45示出了采樣保持電路的原理電路。圖43倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)連接圖 A\D轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，我們都知道，模擬信號(hào)在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)變化的，而數(shù)字信號(hào)則在時(shí)間和幅度上都是離散的，所以要將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)一般可通過圖44所示的四個(gè)部分來完成。D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差，稱為絕對(duì)精度，通常用最小分辨電壓的倍數(shù)表示，如1/2ULSB就表示輸出值與理論值的誤差為最小可分辨電壓的一半。因此，D/A轉(zhuǎn)換器的核心部分是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)按權(quán)轉(zhuǎn)換的電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，此外，還有基準(zhǔn)電壓、電子開類、求和電路、數(shù)碼寄存等部分，如圖42數(shù)碼寄存電子開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路基準(zhǔn)電壓 D u圖42 D\A轉(zhuǎn)換器框圖主要性能指標(biāo)如下：(1)分辨率 分辨率是指對(duì)輸出電壓的分辨能力，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入相鄰兩個(gè)數(shù)碼時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓之差為最小可分辨電壓，分辨率的定義為最小可分辨電壓與最大輸出電壓之比。如圖41為加熱爐溫度控制裝置基本構(gòu)成圖41 加熱爐控制裝置基本構(gòu)成它由PLC主控系統(tǒng)、移相觸發(fā)模塊、整流器SCR、加熱爐、傳感器等5個(gè)部分組成。依靠PT100鉑電阻的阻值和溫度正比例特性將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。并確定PID參數(shù)模糊自整定控制在本論文設(shè)計(jì)中有較好的效果。這些方法是我們所熟悉并經(jīng)常運(yùn)用比較實(shí)用的方法。隨著PID控制控制器的發(fā)展，其很多優(yōu)異的特點(diǎn)使其對(duì)工業(yè)控制中很多復(fù)雜難以控制的指標(biāo)的控制具有很優(yōu)秀的效果。大量的理論研究和實(shí)踐也充分證明了用模糊自整定 PID 控制電爐溫度是一非常好的解決方法。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)[14]。這一狀況需要廣大理論工作者和工程技術(shù)人員共同努力,盡快轉(zhuǎn)變這一局面。③ 在理論研究特別在應(yīng)用方面,國(guó)內(nèi)與國(guó)外差距明顯。國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物Control Engineering Practice和IEEE Control SystemsMagazine分別于2001 和2006 年出版了PID 控制特輯。縱觀近年來智能PID控制的發(fā)展,可以大致歸納出以下特點(diǎn):① 智能復(fù)合控制成為提供和改善智能控制性能的有效途徑,并成為研究的重點(diǎn)。圖33 基于遺傳算法的PID控制基于遺傳算法的PID具有以下特點(diǎn):①把時(shí)域指標(biāo)同頻域指標(biāo)做了緊密結(jié)合,魯棒性和時(shí)域性都能得到良好保證；②采用了新型自適應(yīng)遺傳算法,收斂速度和全局優(yōu)化能力大大提高；③具有較強(qiáng)的直觀性和適應(yīng)性；④較為科學(xué)地解決了確定參數(shù)搜索空間的問題,克服了人為主觀設(shè)定的盲目性。 ④結(jié)束進(jìn)化過程。其思想就是將控制器參數(shù)構(gòu)成基因型,將性能指標(biāo)構(gòu)成相應(yīng)的適應(yīng)度,便可利用遺傳算法來整定控制器的最佳參數(shù),并且不要求系統(tǒng)是否為連續(xù)可微的,能否以顯式表示。圖32 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器 遺傳算法PID控制20世紀(jì)90年代末,即在遺傳算法GA等進(jìn)化計(jì)算思想提出20年后,在生物醫(yī)學(xué)界和自動(dòng)控制界出現(xiàn)了研究進(jìn)化控制的苗頭。從圖32可以看出,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過向傳統(tǒng)控制器的輸出進(jìn)行學(xué)習(xí),在線調(diào)整自己,目標(biāo)是使反饋誤差e或μ1 趨近于零,從而使自己逐漸在控制作用中占據(jù)主導(dǎo)地位,以便最終取消反饋控制器的作用。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制,其結(jié)構(gòu)方式有兩類:一類是單神經(jīng)元控制,即神經(jīng)元輸入權(quán)值一一對(duì)應(yīng)PID參數(shù),神經(jīng)元輸入值為經(jīng)過比例、積分、微分處理的偏差值,其主要局限性在于單神經(jīng)元結(jié)構(gòu)無任意函數(shù)逼近能力。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。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,但無法消除靜態(tài)誤差。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PID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 首先提出的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。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。因此,人們開始較多地關(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)和未來發(fā)展趨勢(shì)。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)。然而,只有近1/3的PID控制器在實(shí)際應(yīng)用過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。 控制方法簡(jiǎn)介PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)控制中最常見的控制器。另外不同的智能控制技術(shù)通過整合往往還可以構(gòu)成更好的PID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。基于時(shí)域的PID整定方法主要有：ZieglerNichols階躍響應(yīng)法(ZN法，1942年)；基于一般被動(dòng)系統(tǒng)提出的ChienHronesReswick整定算法(CHR法，1952年)；在經(jīng)典ZN法的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的CohenCoon響應(yīng)曲線法調(diào)節(jié)法(CC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)。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)）。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： （34）用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，需要把式（34）離散化，變?yōu)椋? （35）但上述位置式PID控制有時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)樗侨枯敵觯看屋敵龆寂c原來的位置有關(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)到原來的狀況，這對(duì)控制相當(dāng)不利，所以常將式（35）變換成增量式PID控制： （36）式中：是比例系數(shù)，是積分時(shí)間常數(shù)，是微分時(shí)間常數(shù)，是采樣周期，、分別是時(shí)刻的控制量、控制量、誤差。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。位置式PID控制算法描述為： （31）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)。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)。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)。3 PID控制簡(jiǎn)介 PID 控制器概述PID簡(jiǎn)介：PID是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。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。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。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。 PLC硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介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)電源圖 21 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。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。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。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(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。 (2)模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(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。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。 (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。 (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。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。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。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。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。并