单回路温度定值控制系统.docx
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单回路温度定值控制系统
第1章绪论
1.1设计要求
1.1.1设计题目和设计指标
设计题目:
智能温控系统设计
设计指标:
1)设计组成单回路控制系统的各部分,画出总体框图;
2)能根据单回路温度定值控制系统的特点,确定控制方案;
3)根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选择、执行器选择;
4)合理选择PID参数。
5)撰写设计说明书及注意事项。
1.1.2设计功能
设计一个单回路温度控制系统,实现温度定值控制;确定设计方案,选择检测变送器、控制器、执行器,确定控制器算法,并进行参数整定,以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动手能力。
第2章系统总体设计方案
2.1工艺流程图
图1:
工艺流程图
2.2方框图工作流程介绍
系统开始后,水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行比较,e是否为0,如果为0直接输出,如果不为0,控制器进行PID计算,参数整定后,进行调节,然后传给执行器执行命令,从而达到温度稳定。
第3章硬件设计和器件选择
3.1电气接线图
图3:
调节器与温度模块接线图
3.2器件选择
3.2.1控制器
用于调节PID算法的控制器选择AI818
3.2.2温度传感器
测量水温的传感器采用热电阻Cu50。
热电阻Cu50在—50~150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系,温度系数越大,测量精度越高,热补偿性好,在过程控制领域使用广泛。
系统采用三线制Cu50,温度信号经过变送单元转换成4~20mADC电流信号,便于采集。
3.2.3加热器
采用电阻丝作为加热器件,采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率,输入控制信号为4—20mA标准电流信号,其移相触发与输入控制电流成正比。
输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压,从而控制加热罐的温度。
输入4mA电流时,加热器电阻丝的两端电压为0V,输入为20mA电流时,加热器电阻丝的两端电压为220V。
第4章控制算法选择及参数整定
4.1控制算法选择
根据温度单回路控制系统的原理,实现PID控制算法。
由于采用AI-818人工智能温控器/调节器,所以采用增量式PID算法。
所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δuk。
当执行机构需要的控制量是增量,而不是位置量的绝对数值时,可以使用增量式PID控制算法进行控制,其公式如下:
如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T,一旦确定A、B、C,只要使用前后三次测量的偏差值,就可以由上式求出控制量。
增量式PID控制算法与位置式PID算法相比,计算量小的多,因此在实际中得到广泛的应用。
4.2参数整定
控制器参数整定:
指决定调节器的比例系数、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts具体数值。
整定的实质是通过改变调节器的参数,使其特性和过程特性相匹配,以改善系统的动态和静态指标,取得最佳的控制效果。
整定调节器参数的方法很多,归纳起来可分为两大类,即理论计算整定法和工程整定法。
理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等;工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。
工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型,直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。
4.2.1凑试法
按照先比例(P)、再积分(I)、最后微分(D)的顺序。
置调节器积分时间Ti=∞,微分时间Td=0,在比例系数按经验设置的初值条件下,将系统投入运行,由小到大整定比例系数。
求得满意的1/4衰减度过渡过程曲线。
引入积分作用(此时应将上述比例系数Kp设置为5/6Kp)。
将Ti由大到小进行整定。
若需引入微分作用时,则将Td按经验值或按Td=(1/3~1/4)设置,并由小到大加入。
4.2.2临界比例法
在闭环控制系统里,将调节器置于纯比例作用下,从小到大逐渐改变调节器的比例系数,得到等幅振荡的过渡过程。
此时的比例系数称为临界比例系数,相邻两个波峰间的时间间隔,称为临界振荡周期Tu。
Ku
临界比例度法步骤:
1、将调节器的积分时间Ti置于最大(Ti=∞),微分时间置零(Td=0),比例系数Kp适当,平衡操作一段时间,把系统投入自动运行。
2、将比例系数Kp逐渐增大,得到等幅振荡过程,记下临界比例系数Ku和临界振荡周期Tu值。
3、根据Ku和Tu值,采用经验公式,计算出调节器各个参数,即Kp、Ti和Td的值。
按“先P再I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。
若还不够满意,可再作进一步调整。
临界比例度法整定注意事项:
有的过程控制系统,临界比例系数很大,使系统接近两式控制,调节阀不是全关就是全开,对工业生产不利。
有的过程控制系统,当调节器比例系数Kp调到最大刻度值时,系统仍不产生等幅振荡,对此,就把最大刻度的比例度Ku作为临界比例度进行调节器参数整定。
4.2.3经验法
用凑试法确定PID参数需要经过多次反复的实验,为了减少凑试次数,提高工作效率,可以借鉴他人的经验,并根据一定的要求,事先作少量的实验,以得到若干基准参数,然后按照经验公式,用这些基准参数导出PID控制参数,这就是经验法。
临界比例法就是一种经验法。
这种方法首先将控制器选为纯比例控制器,并形成闭环,改变比例系数,使系统对阶跃输入的响应达到临界状态,这时记下比例系数Ku、临界振荡周期为Tu,根据Z-N提供的经验公式,就可以由这两个基准参数得到不同类型控制器的参数,如表所示。
控制器类型
Kp
Ti
Td
P
0.5Ku
PI
0.45Ku
0.85Tu
PID
0.6Ku
0.5Tu
0.12Tu
这种临界比例法使针对模拟PID控制器,对于数字PID控制器,只要采样周期取的较小,原则上也同样使用。
在电动机的控制中,可以先采用临界比例法,然后在采用临界比例法求得结果的基础上,用凑试法进一步完善。
表中的控制参数,实际上是按衰减度为1/4时得到的。
通常认为1/4的衰减度能兼顾到稳定性和快速性。
如果要求更大的衰减,则必须用凑试法对参数作进一步的调整。
4.3MATLAB仿真
在PID未整定前得:
整定后:
使用MATLAB软件将上图画图,根据PID算法和参数整定后得到的PID数值输入PID控制器,
进行仿真,得到下图所示的结果
第5章系统软件设计
5.1控制器介绍
AI-818人工智能温控器/调节器
除支持标准电流(电压)信号输入外,还支持各种热电偶、热电阻、电阻及辐射(红外)温度计等,并具备扩充输入插座安装特殊输入规格,并可自定义特殊输入的非线性校正表格,可外接Cu50铜电阻作热电偶冷端补偿,0.1级测量精度,温漂小于30PPm/℃。
除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能,可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。
模块化输出支持SSR电压、线性电流(电压)、继电器触点开关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发输出及位置比例输出(直接驱动阀门电机正/反转)等。
除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能,可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。
具备MPT、AI人工智能调节APID等多种调节方式,具有自整定、自学习功能,无超调及无欠调的优良控制特性,亦可使用位式控制(ON-OFF)功能;双组独立参数PID可支持加热/冷却双输出功能。
先进的AIBUS通讯协议:
支持RS485或RS232C通讯接口,配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制系统,亦可组成AI系列触摸屏控制系统/分体式无纸记录仪。
支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能,并可自由定义4个报警输出端口,支持多个报警信号从同一位置输出。
具备上电免除报警等功能,避免上电报警误动作。
可选用的面板尺寸:
A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。
5.2控制器面板说明
PV:
测量值显示窗;
SV:
给定值显示窗
OUT:
调节输出指示灯;
AL1:
报警1指示灯;
AL2:
报警2指示灯;
AUX:
AUX辅助接口工作指示灯;
图1调节器面板
A/M键:
数据移位
:
显示转换(兼参数设置进入);
:
数据减少键(兼程序运行/暂停操作);
:
数据增加键(兼程序停止操作)。
5.3调节器参数设置:
Sn输入规格:
Sn=34,0-5V电压输入;
Ctrl控制方式:
Ctrl=2,启动自整定,Ctrl=3,整定结束;
dip小数位数:
dip=0,小数点位数为0;
op1输出方式:
op1=2,0~20mA线性电流输出;
CF系统功能选择:
单回路控制CF=2;
Run运行状态选择:
run=2,自动调节状态。
结论
本设计研究了智能温度控制,系统AI818为控制器,运用了PID算法对水温度进行控制。
本设计的系统虽说成功的实现了锅炉内部的恒温控制,但在系统的设计中也存在一些问题,如:
PID参数的整定,对PID参数进行整定的时候,并不是每次都会得到理想的参数,并且参数的自整定需要花很长的时间,但在组员的共同努力下,最终调出比较好的PID值,完成设计。
心得和体会
为期两周的课程设计结束了,经过这次课程设计,使我的理论知识得到加强,动手能力也得到了提升,可以得到相应的结合,在课设过程中我们也遇到了许多问题,这需要我们努力地思考和认真的对待并解决问题,这是一个很好的学习过程,可以更加清晰地记住相关知识,起到了积累的作用,更重要的是团队协作完成了课程设计。
致谢
在这次毕业设计中,感谢刘洋老师的悉心指导,感谢组员的讨论得出方案,感谢同学们的帮助我们解决相关问题,使得我们组完成设计。
参考文献
邵裕森主编、过程控制工程(第二版)、机械工业出版社
梅晓榕主编、自动控制原理(第二版)、科学出版社
附录一元件清单
控制器:
AI818;
变送器:
热电阻Cu50;
执行器:
电阻丝
目录
第1章绪论-1-
1.1设计要求-1-
1.1.1设计题目和设计指标-1-
1.1.2设计功能-1-
第2章系统总体设计方案-2-
2.1工艺流程图-2-
2.2方框图工作流程介绍-2-
第3章硬件设计和器件选择-3-
3.1电气接线图-3-
3.2器件选择-3-
3.2.1控制器-3-
3.2.2温度传感器-3-
3.2.3加热器-4-
第4章控制算法选择及参数整定-5-
4.1控制算法选择-5-
4.2参数整定-5-
4.2.1凑试法-6-
4.2.2临界比例法-6-
4.2.3经验法-7-
4.3MATLAB仿真-8-
第5章系统软件设计-11-
5.1控制器介绍-11-
5.2控制器面板说明-12-
5.3调节器参数设置:
-12-
结论-12-
心得和体会-13-
致谢-13-
参考文献-13-
附录一元件清单-13-
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 回路 温度 控制系统