锅炉内胆水温控制系统建模和控制器设计.docx
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锅炉内胆水温控制系统建模和控制器设计
中国矿业大学
课程设计
姓名:
陈寇忠学号:
04071702
学院:
信息与电气工程学院
专业:
电气工程与自动化2010-10
设计题目:
锅炉内胆水温控制系统建模和控制器设计
指导教师:
郭西进职称:
教授
2010年6月徐州
1绪论1
1.1课题简介1
1.2温度控制方式研究现状1
1.2.1传统控制方法—PID控制算法1
1.2.2模糊控制2
1.2.3神经网络控制2
1.2.4自适应控制3
1.2.5PID控制方法和其他控制方法的结合使用4
1.3本文所做的工作6
2温度控制系统的概述7
2.1实验装置简述7
2.2温度控制系统概述13
2.2.1温度控制系统的结构框图13
2.2.2调节器及其基本调节规律13
2.2.3执行器14
2.2.4被控对象14
2.2.5检测元件14
3温箱系统建模15
3.1数学模型概述15
3.2温箱数学模型的建立16
3.3系统建模18
4PID控制方案18
4.1PID控制概述18
4.2PID控制原理19
4.2.1模拟PID控制器19
4.2.2数字PID控制器20
4.2.3S7-300控制PID实现23
4.3PID控制整定方法25
4.3.1Ziegler—Nichols整定公式25
4.3.2最优PID控制器26
4.3.3自整定PID控制器28
4.4PID控制仿真28
4.4.1建模28
4.4.2系统仿真31
4.4.3分析比较35
5结论36
6体会37
7参考文献38
1绪论
1.1课题简介
这学期我们学习了《过程控制系统与自动化仪表》,它是自动化专业比较重要的一门专业课。
过程控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
温度是国际单位制中七个基本量之一,在科学研究和生产实践的诸多领域都占有极为重要的地位,因此,对温度进行测量和控制也是科学实验和工业生产中经常需要解决的重要问题。
本文结合实验台——THJFCS-1型现场总线过程控制系统实验装置,对温度控制进行进一步的研究。
THJFCS-1型现场总线过程控制系统实验装置包括温度、压力、流量、液位等多种被控参数;同时也包括位式控制、模拟PID控制、智能仪表控制、单片机控制、PLC控制、计算机控制等多种控制方式。
本文主要对温度控制方式中的几种方式进行深一步的探讨、研究。
1.2温度控制方式研究现状
1.2.1传统控制方法—PID控制算法
目前大部分温度控制器还是采用PID控制算法,PID控制是比例—积分—微分控制,PID控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然广泛的控制策略之一。
它是基于对象数学模型的方法,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。
这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的,一般都得到比较满意的控制效果。
其调节品质取决于PID控制器各个参数的整定,但是对不同的温度控制对象要用不同的PID参数,而且参数整定比较麻烦。
PID控制系统的原理框图如图1—1所示。
图1—1PID控制系统原理框图
PID控制的优点是算法简单、鲁棒性好和可靠性高。
尽管如此,由于实际工业生产过程往往具有非线性和时变不确定性,难以确定精确的数学模型,常规的PID控制器不能达到理想的控制效果。
另外,在实际生产现场中,由于受到参数整定方法烦杂的困扰,常规PID参数往往整定不良,性能欠佳,对运行工况的适应性很差。
故实际的控制系统设计仍然采用试凑的办法对之加以解决,因此,控制精度必然受到制约。
1.2.2模糊控制
自从1974年E.H.Majndani等人研制成功第一台Fuzzy控制器以来,Fuzzy控制理论和方法引起了许多专家学者的极大兴趣,模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制,从线性控制与非线性控制的角度分类,模糊控制是一种非线性控制。
从控制器的智能型看,模糊控制属于智能控制的范畴,而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式,尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新学科的互0相融合,模糊逻辑控制技术作为一种新的控制技术,可以模仿人的思维方法,运用不确定不精确的模糊信息来决策实现成功的控制。
用模糊逻辑实现控制,只需要关心功能目标而不是系统的数学模型,研究的重点是控制器本身而不是被控对象。
所以这种控制系统对被控对象的参数变化不敏感,具有很强的鲁棒性,模糊控制因为有较快的响应,能够克服非线性因素的影响等优点,在工业过程控制中得到了广泛的应用。
模糊控制系统的原理框图如图1—2所示。
图1—2模糊控制原理框图
1.2.3神经网络控制
神经网络控制是基于神经网络的控制或简称神经控制,是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模,或充当控制器,或优化计算,或进行推理,或故障诊断等,以及同时兼有上述某些功能的组合,将这样的系统统称为基于神经网络的控制系统,称这种控制方式为神经网络控制。
神经网络控制的原理框图如图1—3所示。
图1—3神经网络控制原理框图
神经网络在控制中的作用分为以下几种:
(l)在基于精确模型的各种控制结构中充当对象的模型,
(2)在反馈控制系统中直接充当控制器的作用;
(3)在传统控制中起优化计算的作用;
(4)在与其他智能控制方法和优化算法,如模糊控制、专家控制及遗传算法等相融合中,为其提供非参数化对象模型、优化参数、推理模型及故障诊断等。
1.2.4自适应控制
对于自适应控制的定义人们尚未给出一个广泛采纳的概念,因为自适应控制是一种针对非线性系统的控制方法,其特性十分复杂。
暂且定义为自适应控制是一类特定的非线性反馈控制,具有一定的适应能力,能够认识环境条件的变化,并自动校正控制动作,使系统达到最优或者次优的控制。
自适应系统与其他系统的显著区别在于它包含性能指标闭环。
具有“辨识、决策、修改”的功能,从而使系统在不同的环境中能达到最优或次优的控制效果。
虽然没有一个明确的定义,但没有阻挡住人们对自适应控制的研究。
人们主要致力于自适应控制和其他理论的结合,并研究出了多种控制方法。
人们在自适应控制系统的稳定性、收敛性、鲁棒性方面作了大量的工作,但自适应控制的理论进展比较缓慢,许多研究工作在理论上仍未达到合理和完整的程度。
自适应控制的原理框图如图1—4所示。
图1—4自适应控制原理框图
1.2.5PID控制和其他控制方法的结合使用
PID控制由于算法简单、稳定性好、可靠性高等优点,被广泛应用于工业和控制领域,尤其使用于可建立精确数学模型的线性定常参数系统,但实际工业过程往往具有非线性、时变性等不确定因素,难以建立精确的数学模型,所以常规PID控制器难以实现有效控制;在实际作业现场中,由于受到参数整定方法烦杂的因扰,常规PID控制器参数往往整定不良,性能欠佳,对运行工况的适应性很差。
长期以来,人们一直寻求PID控制器参数的自动整定技术,以适应复杂的工况和高指标的控制要求。
随着智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术研究和应用的深入于发展,出现了许多新型智能型PID自整定控制器。
(1)Fuzzy—PID控制算法
Fuzzy—PID控制实际上是针对PID控制及模糊控制的优缺点,提出一种分段式模糊PID控制方法,把两者有效地结合起来,Fuzzy—PID复合控制器具有以下特点:
使系统具有较好的动态特性,不仅上升时间快,而且超调量小;
系统具有比较理想的稳态品质,稳态过程没有振荡,控制精度高;
使系统的抗干扰能力增强,对作业现场的各种噪声和干扰具有较好的抑制作用;
当被控过程参数发生变化时,控制系统仍能保持较好的适应能力和鲁棒性。
模糊PID控制的原理框图如图1—5所示:
图1—5模糊PID控制原理框图
(2)Adaptive—PID控制算法
Adaptive—PID控制是结合自适应控制和PID控制的优点而形成的一种控制算法。
按照控制器的参数设计原理来分,自适应PID控制器可分为五大类,极点配置自适应PID控制器,相消原理自适应PID控制器,基于经验规则的自适应PID控制器,基于二次型性能指标的自适应PID控制器和智能或专家自适应PID控制器。
自适应PID控制的优点是简单有效,易于实施且鲁棒性强。
但Adaptive—PID也有许多弱点,有些甚至是致命的:
在一定的假设条件下,控制器具有全局收敛性和最优性,但由于系统不确定的存在,将破坏这些假设条件,导致系统失稳。
由于自适应控制系统都是本质非线性的,因此系统运行的初值不仅会影响估计的精度,亦会影响收敛性。
在自适应PID控制实施时系统参数的确定也会影响控制性能。
(3)模糊自适应PID控制
将模糊控制理论与自适应控制理论应用与PID控制器的参数整定,使PID控制器的参数调节自动适应控制对象数学模型大参数变化。
模糊自适应PID控制系统的原理框图如图1—6所示。
图1—6模糊自适应PID控制系统的原理框图
模糊自适应PID控制具有以以下特点:
(1)这种控制充分利用了模糊控制规则较少、系统简单而透明和自适应理论较强的自学习能力、自适应能力的优势。
因此模糊自适应PID控制器在改善被控过程的稳定性、响应速度和超调量等动态性能以及对参数时变的适应方面均优于常规PID控制。
(2)模糊自适应PID控制的控制模型只用几个简单的解析式便可完全描述,故用于在线确定控制作用的时间很短,实时性很强。
(3)针对不同性质的被控对象,可通过对模糊控制规则表、过程控制阶段性切换式、参数整定算法等对应的参数变量作适当的修改,即可使系统满足一定的灵活性与稳定性的要求。
1.3本文所做的工作
本文研究了THJFCS-1型现场总线过程控制系统实验装置的温度控制系统。
系统的被控对象是锅炉内胆,根据响应曲线和实验数据,求出锅炉内胆的数学模型。
用PLCS7-300PID控制方案、PID、模糊PID复合控制、对温度控制系统进行控制。
用MATLAB对温度控制系统进行仿真,得出系统的响应曲线。
分析响应曲线特性,比较控制方案的优缺点。
2温度控制系统概述
2.1实验装置简述
本课题使用的实验装置是THJFCS-1型现场总线过程控制系统实验装置,它根据自动化及相关专业的教学特点,学习了国内外同类实验装置的优点,并经过了多次实验论证和精心设计。
2.1.1一、系统简介
本现场总线控制系统是基于PROFIBUS通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。
整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分,现场总线控制系统结构图如图1-1所示:
图2-1现场总线控制系统结构图
控制对象总貌图如图2-2所示。
图2-2控制对象总貌图
二、系统组成
本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。
系统动力支路分两路:
一路由三相(380V交流)磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及手动调节阀组成;另一路由变频器、三相磁力驱动泵(220V变频)、涡轮流量计及手动调节阀组成。
被控对象
被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢内胆和夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。
水箱:
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃,不但坚实耐用,而且透明度高,便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为:
d=25cm,h=20cm; 下水箱尺寸为:
d=35cm,h=20cm。
每个水箱有三个槽,分别是缓冲槽,工作槽,出水槽。
储水箱尺寸为:
长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩,防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。
模拟锅炉:
此锅炉采用不锈钢制成,由加热层(内胆)和冷却层(夹套)组成。
做温度实验时,冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发,使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。
盘管:
长37米(43圈),可做温度纯滞后实验,在盘管上有两个不同的温度检测点,因而有两个不同的滞后时间。
在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。
盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆,也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。
管道:
整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成,所有的水阀采用优质球阀,彻底避免了管道系统生锈的可能性。
有效提高了实验装置的使用年限。
其中储水箱底有一个出水阀,当水箱需要更换水时,将球阀打开让水直接排出。
2、检测装置
压力传感器、变送器:
采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器,扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿。
压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测,其精度为0.5级,因为为二线制,故工作时需串接24V直流电源。
温度传感器:
本装置采用六个Pt100传感器,分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。
Pt100传感器精度高,热补偿性能较好。
流量传感器、转换器:
流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。
涡轮流量计型号:
LWGY-10,流量范围:
0~1.2m3/h,精度:
1.0%。
输出:
4~20mA标准信号。
3.执行机构
1.调节阀:
采用智能直行程电动调节阀,用来对控制回路的流量进行调节。
电动调节阀型号为:
QSTP-16K。
具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点,电源为单相220V,控制信号为4~20mADC或1~5VDC,输出为4~20mADC的阀位信号,使用和校正非常方便。
2.水泵:
本装置采用磁力驱动泵,型号为16CQ-8P,流量为30升/分,扬程为8米,功率为180W。
泵体完全采用不锈钢材料,以防止生锈,使用寿命长。
本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动,另一只为三相变频220V输出驱动。
3.可移相SCR调压装置:
采用可控硅移相触发装置,输入控制信号为4~20mA标准电流信号。
输出电压用来控制加热器加热,从而控制锅炉的温度。
4.控制器
控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU,型号为315-2DP,本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口,又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。
三、总线控制柜
总线控制柜有以下几部分构成:
1、直流电源:
采用直流稳压电源,给主控单元和DP从站供电。
2、控制站:
控制站主要包含CPU、DP/PA耦合器、分布式I/ODP从站构成。
四、系统特点
被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。
本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。
真实性、直观性、综合性强,控制对象组件全部来源于工业现场。
执行器中既有电动调节阀,又有变频器、可控硅移相调压装置,调节系统除了有设定值阶跃扰动外,还可以通过对象中手动操作阀制造各种扰动。
一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路,以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。
系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合,二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定,或进行解耦实验,以符合工业实际的性能要求。
能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。
各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。
五、系统软件
系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分,下位机软件采用SIEMENS的STEP7,上位机软件采用SIEMENS的WINCC,上、下位机软件在后面的实验中将分别叙述。
六、装置的安全保护体系
三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和不同的单相支路,每一支路给各自的负载供电。
总电源设有通电指示灯和三相指示表。
2.1.2下位机软件中的硬件配置和程序结构
一、STEP7简介
STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件,可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。
它是SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。
STEP7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统,总体说来,它有如下功能特性:
Ø可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
Ø为功能摸板和通讯处理器赋参数值
Ø强制和多处理器模式
Ø全局数据通讯
Ø使用通讯功能块的事件驱动数据传送
Ø组态连接
二、STEP7的硬件配置和程序结构
一般来说,要在STEP7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计,要经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件,生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤,其结构流程图如图1-3所示。
图1-3程序设计结构流程图
从其流程图来看,设计自动化任务解决方案是首要的,它是根据实际项目的要求进行设计,本实验指导书对此不做过多地阐述。
在生成项目和传送程序到CPU并调试步骤之间,有先组态硬件后生成程序和先生成程序后组态硬件两种方案可供选择,两种方案本质都是一样的,可根据具体情况和习惯来选择其中一种。
2.1.3上位机组态软件简介
WINCC概述
WINCC指的是WindowsControlCenter,它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统,它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。
高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的,在WindowsNT或Windows2000标准环境中,WINCC具有控制自动化过程的强大功能,它是基于个人计算机,同时具有极高性价比的操作监视系统。
WINCC的显著特性就是全面开放,它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面,精确的满足控制系统的要求。
不仅如此,WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口,因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。
2.2温度控制系统概述
2.2.1温度控制系统的结构框图
干扰
图2—2温度控制系统的框图
2.2.2调节器及其基本调节规律
在自动化控制系统中,调节器的作用就是将来自测量变送元件的测量值与系统的给定值去比较,产生一定的偏差信号,对该偏差按照某种规律进行数学运算,输出统一标准信号,然后去控制执行机构的动作,以实现对调节对象的温度、液位、压力、流量等的自动控制。
自动控制系统能否实现对被控变量的自动控制,以及控制过程的品质如何,不仅与对象特性有关,还与调节器的调节规律有密切的关系。
所谓调节器的调节规律,就是调节器的输出信号和输入信号之间的函数关系。
温度控制系统有两种基本的调节规律:
(1)位式调节
位式调节中最常用的是双位调节。
当测量值大于给定值时,调节器的输出为最大(或最小);当测量值小于给定值时,调节器的输出为最小(或最大)。
调节器只有两个输出值,相应的执行机构只有开和关两个极限位置,因此又称开关控制。
在实际的双位调节系统中,由于执行机构开关动作非常频繁,通常系统中的运动部件因此而损坏,使得实际系统的双位调节具有一个中间区。
偏差大于零的时候,输出在某一个数值e范围内保持不变,知道大于e后,输出才变为最大,执行机构处于全开的位置;偏差小于零时,在某一个数值-e范围内保持不变,直到小于-e后,输出才变为最小,执行机构处于全关位置。
(2)PID调节
理想PID调节器的调节规律可用下
式表示:
(2.1)
式中,第一项为比例(P)部分,第二项为积分(I)部分,第二项为微分(D)部分,各参数意义如下:
Kp——控制器的比例系数
Ti——控制器的积分时间
Td——控制器的微分时间
P、I、D参数设置
“P比例调节”——比例系数KC(即放大系数)的调节。
它是比例度δ的倒数,即KC=1/δ。
“I积分调节”——指积分时间常数Ti的调节,调节范围“0.01至2.5分”和“0.1至25分”。
“D微分调节器”——指微分时间常数Td的调节,调节范围“0.01至10分”。
2.2.3执行器
执行器由执行机构和调节机构组成。
它接受来自调节器的调节信号,并将该调节信号转换成相应的角位移或者直线位移,去操纵调节机构,从而改变被控介质的流量,使被调节参数符合工艺要求。
本系统使用的执行元件:
可移相SCR调压装置。
可移相SCR调压装置:
采用可控硅移相触发装置,输入控制信号为4~20mA标准电流信号。
输出电压用来控制加热器加热,从而控制锅炉的温度。
2.2.4被控对象
本系统的被控对象是锅炉内胆,此锅炉采用不锈钢制成,由加热层(内胆)和冷却层(夹套)组成,我们可移相SCR调压装置给锅炉加热,当温度超过目标值之后,执行器动作,给定电压为0,停止加热,内胆在自然状态下冷却。
当温度降到低于目标值时,执行器动作,继续给水箱加热,超过目标值时再停止加热,如此反复。
做温度实验时,冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发,使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。
2.2.5检测元件
过程控制系统对检测仪表有以下三条要求:
(1)测量值要正确地反映被测变量的大小,误差不超过规定的范围;
(2)测量值必须迅速反映被测变量的变化,即动态响应比较迅速;
(3)检测仪表在工作环境条件下,应能长期正常的工作,以保证测量值的可靠性。
本装置使用的检测元件是温度传感器中的铂电阻元件PT100,并通过温度变送器(测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器)将电阻值的变化转换为电压信号。
在0~650℃的温度范围内,铂电阻与温度的关系为
Rt=Rt0(1+At+Bt2+Ct3)(2.3)式中:
Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值;
Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值;
A、B、C是常数,一般
A=3.90802*10-31/℃,
B=-5.802*10-71/℃,
C=-4.2735*10-121/℃。
Rt-t的关系称为分度表,用分度号来表示。
3内胆温度系统建模
3.1数学模型概述
要分析一个系统的动态特性,首要的工作就是建立合理、适用的数学模型,这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。
数学模型是所研究系统的动态特性的数学表达式,或者更具体地说,是系统输入作用与输出作用之间的数学关系。
控制系统中需要建立数学模型的,不局限于被控对象,系统中的每一个部分都需要建立数学模型。
对相对来说,被控对象之外部分的数学模型很多是控制仪表及装置的模型,它们的特性已经研究得比较多,而且变化很少。
被控对象则比较复杂,不同的控制系统,被控对象的差异很大。
因此,建模的重点是对象的建模。
系统的建模方法分为两大类:
机理建模和实验建模。
通常人们倾向于机理建模,认为这样的模型有基本的理论保证,物理意义明确。
但对于叫复杂的系统,做了许多简化与理想化之后,才能建立起机理建模。
实验室建模似乎是迫不得已的办法,但在数据处理能力大大提高的今天,它也有较强的生命力。
机理建模就像是“开环控制”,理论上可以
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