毕业设计（论文）-基于语句表编程的温度控制程序设计.doc

基于语句表的温度控制极性温控提供全套毕业论文，各专业都有南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 指导教师： 完成日期 2013 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于语句表编程的温度控制程序设计design of temperature control program based on instruction list programming总 计 ： 31 页表 格 ： 4 个插 图 ： 27 幅基于语句表的温度控制极性温控南阳理工学院本科毕业设计（论文）基于语句表编程的温度控制程序设计design of temperature control program based on instruction list programming 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师（职称）： 评阅教师： 完成日期： 南阳理工学院nanyang institute of technology基于语句表编程的温度控制程序设计基于语句表编程的温度控制程序设计电气工程及其自动化专业 谢志强摘 要本课题在s7-300 plc中用语句表编程调用fb41 pid模块和fb43 pwm模块对模拟工业对象电加热锅炉的水温进行控制。设计过程分别进行了定值控温设计和对升温曲线跟踪的程序控温设计。分别使用p、pi、pd、pid等规律进行控制测试，在对监控曲线对比分析的基础上，得到加入控制带和输出死区辅助算法的定值控温pid调节规律，以及加入变参数的拐点控制的程序控温pid调节规律。这两种规律有效地克服了传统pid控制器在温控过程中因温控惯性和积分饱和而出现的滞后与超调现象并使系统调节时间变短。采用语句表编程，大大提高了编程效率，和梯形图编程相比，源程序短，程序执行效率高。关键词语句表；温度控制；控制带；输出死区；钝角拐点design of temperature control program based on instruction list programmingelectrical engineering and automation specialty xie zhi-qiangabstract: the design use the instruction list programming of siemens s7-300 plc, calling fb41 pid modules and fb43 pwm modules to control the simulated industrial object about electric heating boiler water temperature. the design process includes the design of constant value temperature control and the heating curve tracking program temperature control. with the control study using the law of p pi pd and pid, and based on the comparative analysis of monitoring curves, we can get the rules of constant value control pid regulation which added the control-zone and output dead-zone auxiliary algorithm, and program temperature control pid regulation which added the obtuse angle inflection point control of variable parameters. when the traditional pid controller in the process of temperature control, both of these laws effectively overcome the lag and overshooting phenomenon arising from the temperature inert and integral saturation. and in heat temperature overshoot, it achieved the obtuse angle control effect of inflection point which is non-overshotting and no less temperature and make the system adjusting time shorter. we can greatly improve the efficiency using the statements list programming. compared with the the ladder diagram programming, the instruction list program is short, the program execution is efficient. key words: instruction list; temperature control; control-zone; output dead-zone; obtuse angle inflection point i目录1 引言11.1课题的意义11.2本课题包含的主要工作12 锅炉温控系统硬件设计22.1硬件介绍22.1.1传感器22.1.2变送器22.1.3 s7-300 plc22.2控制电路设计32.2.1控制回路设计32.2.2加热主回路的设计33 软件设计和组态43.1 simatic step 743.2 simatic wincc54控制程序的设计64.1功能块简介64.1.1 fb41“cont_c”连续控制器64.1.2 fb43“pulsegen”脉冲发生器84.2控温程序的编写94.2.1主程序ob1 的编写94.2.2中断服务程序ob35的编写124.2.3初始化程序ob100的编写125温度对象数学模型测试和控制规律测试135.1温度对象的数学模型测试135.2温度控制规律的测试155.2.1 p调节控制规律155.2.2 pd调节控制规律155.2.3 pi调节控制规律165.2.4 pid调节控制规律175.2.4改进的pid调节控制规律185.3本章总结18结束语22参考文献23附录24致谢31iii1 引言1.1课题的意义温度是工业对象中主要的被控对象之一。任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等。如果温度控制系统有控制精度低、超调量大等缺点，就很难生产出高质量的产品，但是对于积分温度对象，由于它的积分特点，使得它的控制易出现欠条或超调，且超调后难以消除稳态误差1。国内还没有一套较好的针对积分温度对象的控制规律和参数整定技术。一般的参数整定技术如临界比例度和继电反馈法适合于惯性对象，而不适合积分对象。语句表(instruction list，il)是用助记符来表达plc的各种操作功能的，类似于计算机的汇编语言的文本语言，指令通过语句表程序使用plc内存的累加器来执行，多条指令组成一个程序段，一个复杂的控制功能是用较长的语句表来描述，这种语言比较抽象，不如梯形图和功能块图那样形象、直观，但可以编写梯形图和功能块图无法实现的程序，语句表比较适合经验丰富的程序员使用，其中acc累加器和标志位操作的存在提高了工作效率但却使编程变得较困难2。所以语句表编程是一个自动化工程师应该掌握的一门设计技术。1.2本课题包含的主要工作 本课题以过程控制实验室自制过程控制实验装置为平台，设计了锅炉温度加热控制系统。本课题介绍了控制系统的主要硬件以及控制电路的设计，介绍了fb41 “cont_c”连续控制模块、fb43 “pulsegen” 脉冲输出模块的工作原理，以及实现基于语句表编程的温控程序的编写。并对温度对象进行数学模型的测试，并对传统p、pi、pd、pid的控制规律和本设改进后的pid控制规律进行控制。结果表明改进后的pid 的控制有效的克服了传统pid控制器在温控过程中因温控惯性和积分饱和而出现的滞后与超调现象。程序控温过程的中穿越幅度小，在温变拐点处实现了既无超调又无欠温的钝角拐点的控制效果。本课题共分五章，内容组织如下：第1章主要介绍了课题研究的背景和意义。第2章介绍了控制系统的主要硬件，控制系统的结构和配置，以及传感变送和加热回路的设计。第3章介绍了项目软件simatic step 7和simatic wincc及其组态。第4章介绍了fb41“cont_c”连续控制器和fb43“pulsegen”脉冲发生器的工作原理、介绍了主程序、中断服务和初始化程序的编写，其中主程序编写又包含程序控温算法的设计。第5章介绍了温度对象数学模型以及对控制规律进行测试和总结。2 锅炉温控系统硬件设计2.1硬件介绍2.1.1传感器 控制系统的传感器是j型热电偶，型号为wrf-120/250，它是铁-铜镍热电偶，它的正极(jp)的化学成分为纯铁，负极(jn)的化学成分为铜镍合金。它具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，j型热电偶的参数如表1所示。表1 j 型热电偶的参数表温度范围安装方式接线盒精度等级插入深度保护套直径防护套材料0-750无固定方式防溅式250mm16mm不锈钢2.1.2变送器 ai-818是常用又很普遍的智能仪表，可以处理温度、压力、流量、液位、湿度。本课题中被用作变送器，它把接收热电偶0-20mv的电势信号转变为标准电流信号送给sm33模拟量输入模块。在仪表参数设置方面，控制方式 ctrl=0，采用位式调节（on/off），表示适用于要求不高的场合进行控制时采用。输出周期ctl=3，采用ssr、可控硅、电流输出时的建议设置。输入规格sn=5，表示仪表接收的是j型热电偶0-20mv电压信号。小数点位置dip=1，线性输入时，定义的小数点位置，表示温度显示分钱率为0.1。输入下线显示值dil=0.0，对外给定、变送输出均有效，用于定义线性输入信号下限刻度。输入上线显示值dih=100.0，用于定义线性输入信号上限刻度，与dil配合使用。输出方式opt=4，表示4-20ma 线性限流输出，主输出模块上安装线性电流输出模块3。 2.1.3 s7-300 plc simatic s7-300是模块化小型plc系统，大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间也可进行广泛组合以用于扩展。由于s7-300简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活4。（1）中央处理单元(cpu) cpu模块为cpu314，订货号为6es7314-1ae04-0ab0。技术数据如表2所示： 表2 cup314 的技术数据表额定电压输入电流功率损失工作存储器装载存储器缓冲带电池dc24v 1000ma 8w 24kb 40kb(集成)存在 是 （2）信号模块(sm)信号模块是数字量输入、输出模块和模拟量输入、输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与pl内部的信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块sm321和数字量输出模块sm322，模拟量输入模块sm331和模拟量输出模块sm332。其中模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、dc 4-20ma和dc 0-10v等多种不同类型和不同量程的模拟信号。本次设计的控制系统选用的有以下两种sm模块：数字量输出模块sm322，16点输出，点订货号：6es7 322-1bh01-0aa0。模拟量输入模块sm331，订货号为：6es7 331-7kf02-0ab0，是具有8个模拟量输入通道，12位a/d转换精度。2.2控制电路设计2.2.1控制回路设计本课题实现的是对模拟工业对象电加热锅炉水温的控制。其过程如图1所示，控制系统回路的反馈通道中使用j型热电偶检测现场电加热锅炉水温得到电压0-20mv 信号，送入ai-818智能仪表，然后变送4-20ma标准直流电流信号，sm331模拟量输入通道检测变送的标准直流电流信号，经a/d转换成对应的数字量（0-27648）送入s7-300 cpu参与fb41“cont_c”连续控制器进行pid运算，输出0.0-100.0的浮点数据，送入fb43“pulsegen”脉冲发生器进行单极性二级控制，得到脉冲信号来控制继电器的通断，实现对电加热锅炉的水温的控制。 图1 锅炉水温控制系统的框图2.2.2加热主回路的设计 加热主回路的设计主要是在控制系统硬件已经确定的基础上，对加热回路线径进行选用。其中回路电流i 的计算公式为 (1) 式1中，i为负载电流(a)，p为功率(w)，u为相电压(v），cos为功率因数。（1）加热回路电流i 估算由于锅炉为功率为1.5kw的加热丝进行电加热，为纯阻性负载，所以功率因数cos 为1，所以加热回路电流i为 (2)（2）导线的选用表3 铜导线载流量与截面积之间的关系表导线截面积（）11.52.546101625载流是截面倍数987654载流量（a）9142332426080100220v电功率（w）1.5kw2.5kw4.0kw6.0kw7.0kw11.0kw15.0kw18.0kw380v电功率（w）2.0kw3.5kw6.0kw8.5kw11.0kw15.5kw21.0kw26.0kw由表3 铜导线载流量与截面积之间的关系可知道，加热回路导线选用bvv2*1 (载流量为a )铜芯聚氯已烯绝缘聚氯已烯护套两芯每芯截面积为1；则锅炉水温控制系统的制回路接线图如图2所示。图2 锅炉水温控制系统的制回路接线图3 软件设计和组态3.1 simatic step 7习惯上将step 7称为编程软件，西门子称之为标准工具。实际上step 7的功能已经远远地超过了编程软件的范畴。step 7对于整个控制系统（包括 plc、远程i/o、hmi、驱动装置和通信网络等）进行组态、编程和监控。在本次设计中的参数设置：cpu接口类型为mpi，地址为2，传输率为18.7kbps；sm33模块测量类型为4dmu，测量范围为4-20ma；硬件组态如图3所示。图3 plc硬件组态画面3.2 simatic wincc在设计思想上，simatic wincc秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的hmi/scada 软件是wincc开发者的追求。wincc 是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造生产商生产的控制系统，如a-b，modicon，ge等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。通过opc的方式，wincc还可以与更多的第三方控制器进行通讯5。wincc的变量系统是变量管理器。wincc使用变量管理器来组态变量。变量管理器对项目所使用的变量和通讯驱动程序进行管理。wincc与自动化控制系统间的通讯依靠通讯驱动程序来实现。本次设计所建立的变量组（部分变量截图）如图4所示。 图4 变量管理器建立的变量组图变量记录也称为变量归档或者过程值归档，主要是用于获取，处理和记录工业设备的过程数据。变量记录可以降低危险，对错误状态进行早期检查，从而提高生产力和产品质量，优化维护周期等。组态的过程值归档如图5所示。图5 过程值归档组态图 在wincc中，通过构建与实际生产过程相关联的过程画面，可以实时而形象地反映出当前的生产状态，从而可以更加直观地对产品的生产流程进行监控和管理，而这一过程中的画面组态主要是通过图形编辑器来实现的6。图形编辑器是用于创建过程画面并使其动态的编辑器，图6为wincc组态的过程画面，包括趋势画面、过程值归档、i/o域和控制按钮的组态。图6 wincc过程画面的组态4控制程序的设计4.1功能块简介4.1.1 fb41“cont_c”连续控制器（1）pid控制器的数字化 pid 调节器的传递函数为 (3)模拟量pid 控制器的输出表达式为 (4)式4中，控制器的输入量（误差信号）ev(t)=sp(t)-pv(t)；sp(t)为设定值；pv(t)为过程变量（反馈值）；mv(t)是控制器的输出信号；为比例系数；和分别为积分时间常数和微分时间常数；m是积分部分的初始值。等号右边的3项分别是比例、积分、微分部分。如果取其中的一项、两项或三项，可以组成p、pi、pd或pid调节器。需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用pi控制方式；若控制对象的惯性滞后较大时，应选择pid控制方式7。 对积分部分的近似处理，执行pid控制功能块的时间间隔(pid控制的采样周期)为，第n次pid运算时的时间为，因为pid程序运行时为常数，可以将时pid控制器的输入量简写为ev(n)，输出量简写为mv(n)。式子(4)中的积分对应与图7中曲线与坐标轴包围的面积，一般用矩形积分来近似精确积分，每块矩形的面积为。为了书写方便将简写为ev(j)，各块矩形面积为。当较小时，积分的误差不大。图7 积分的近似运算式（4）中的微分用差分方程来近似，即令 (5)式5中，ev(n-1)是第n-1次采样的误差值，将积分和微分的近似表达式带入表达式中，第n次采样控制器的输出为 (6)（2）fb41“cont_c”连续控制模块s7-300/400为用户提供了功能强大、使用简单方便的模拟量闭环控制功能。除了专用的闭环控制模块，s7-300/400也可以用pid控制功能块来实现pid控制。其中fb41“cont_c”连续控制器的输出为连续变量。可以用其作为独立的pid恒值控制器，其功能基于模拟信号采样控制器的pid控制算法，若需要的话，可以用脉冲发生器进行扩展，产生脉冲宽度调制的输出信号，来控制比例执行机构的二级或三级控制器。pid控制的系统功能块的参数很多，可以通过功能块的框图(见图8)学习和理解这些参数。fb41“cont_c”是采用位置式pid算法思想设计的控制软件模块。fb4的算法设计完善，使用灵活。它的比例运算、积分运算（int）和微商运算（dif）是并行连接的，可以单独激活或取消。这就允许组态成p、pi、pd 和pid 调节器。它的积分分量可以清零、保持，这就方便实现抗积分饱和或积分分离。微分分量可以直接输出，也可以延迟衰减输出8。图8 fb41“cont_c”方框图4.1.2 fb43“pulsegen”脉冲发生器图9 plc模拟量闭环控制系统框图 fb43“pulsegen”脉冲发生器与pid调节器配合使用(见图9)，用脉冲输出来控制比例执行机构。该功能一般与连续控制器“cont_c”一起使用，用fb43可以构建脉冲宽度调制的二级(two step)或三级(three step)pid控制器。plc模拟量闭环控制系统框图。fb 43通过调制脉冲宽度，将输入变量inv(即pid控制器的输出量lmn)转换为具有恒定周期的脉冲列，该恒定周期用周期时间per_tm来设置，per_tm应与“cont_c”的采样周期cycle相同。每个周期输出的脉冲宽度与输入变量inv成正比，per_tm 与fb43的处理周期是不同的，“per_tm”是fb43处理周期的若干倍(见图10)。每个per_tm周期调用fb43的次数反映了脉冲宽度的精度。 图10 脉宽调制波形图脉冲宽度调制简称为脉宽调制，设每个per_tm周期调用10次fb43，如果输入变量为最大值的30%，则前3次调用(10次调用的30%)时脉冲输出qpos_p为1状态。其余7次调用(10次调用的70%)时脉冲输出qpos_p为0状态。在这个例子中，“采样比率”(调用fb41 与fb43 次数之比)为1:10，因此控制值得精度为10%，即输入值inv 只能映射为以10% 为量化单位的脉冲输出qpos_p的占空比。在调用fb41的一个周期内增加调用fb43的次数，可以提高精度。例如调用fb43的次数增加为100次时，控制值的分辨率将达到1%，一般分辨率不大于5%为佳。本课题控制值的分辨率为1%。4.2控温程序的编写4.2.1主程序ob1 的编写语句表写的控制程序中，在ob1编写的程序中加入使控制系统既可以进行定值控温又可以进行温度跟随曲线动态产生的恒温、升温、恒温的程序控温过程，同时又可以进行定值控温与程序控温的自由切换，同时加入拐点控制作用的触发条件。 对于程序控温来说，step 7中并无相应可用的功能块，所以在温度控制程序中编写一个来实现温度曲线随时间动态产生的的功能块。图11为温度-时间曲线设置格式，由图可以看出，x轴即时间轴，根据设定曲线的段数将x轴划分为不同时间长度的时间段。系统功能sfc1(read_clk)可以读出cpu 的系统时间，所以在编写程序时调用一次sfc1(read_clk)读取系统时间作为程序控温程序运行时的起始时刻(格式dt)，同时再调用一个sfc1(read_clk)读取系统当前的时刻(格式dt)，而功能fc34 可以将两个格式dt为时间值相减得到time格式的时间，可以把这个初值为零的连续的时间作为x轴的时间t。这样则对于ab段方程的求解，设定点 和设定点 的坐标便是已知的，根据方程两点式求法，可计算ab段的一线方程为 (7)而直线段bc、cd的方程同样方法得出。图11 设定值曲线示意图编写曲线控温程序时，由于功能fc没有一个永久的数据块来存放数据，只在运行期间会被分配一个临时的数据区，又由于ab、bc、cd段计算公式相同，为了简化设计过程、增加程序的可读性，计算公式在功能fc中编写，在fb中进行多次调用功能fc1，来实现对ab、bc、cd段控温曲线的计算。程序控温算法流程图如图12所示。 图12 程序控温算法流程图如图13所示为语句表下调用的程序控温算法功能块fb1和功能fc1，fb1输入参数包括start、tm1、tm2、tm3、t1、t2、t3、t4，分别表示启动该块、各段的运行时间（以ms为时间单位）和温度设定点（浮点格式）。本算法同样适用于任何其他相关控制系统，若如控制要求中有更多段升温、恒温或降温过程，只需要在fb1在进行多次调用fc1即可。同时为了增加该块的可利用性，在该块的输出参数中除了有对各段进行线性计算所的结果的输出参数t_sp 外，还有系统运行时间输出参数t_time(分钟格式)和各控温段运行时间结束标志输出参数x1、x2、x3，可以分别用来在上位机上显示程序控温运行的时间长度和实现在任意段运行结束时温控程序的结束。 图13 程序控温功能块fb1和功能fc1主程序ob1的流程图如图14。图14 主程序ob1流程图4.2.2中断服务程序ob35的编写在通过脉宽调制来控制执行机构的通断时，需要通过中断组织块ob35周期性中断过程来实现pid算法模块和pwm算法模块的时序配合9。 对于pid算法和pwm算法，可以直接调用siemens step 7平台中有专用的pwm算法模块fb43“pulsegen”脉冲发生器和pid算法模块fb41“cont_c”连续控制器，但是对于fb41“cont_c”连续控制器来说，并加入对其pid控制规律的改进过程。 中断服务程序ob35的流程如图15 所示。 图15 中断服务程序流程图4.2.3初始化程序ob100的编写 ob100称为暖启动，主要是来执行初始化程序的，当系统上电后初始化一些参数和状态，使系统达到一个想要的就绪状态。如图16为暖启动ob100的初始化程序流程图，主要复位各个开关和输出。图16 初始化程序流程图5温度对象数学模型测试和控制规律测试5.1温度对象的数学模型测试电加热锅炉水温散热较慢，为开环非自衡环节，并且温度对象有较大的滞后，所以把温度对象等效为一阶积分加纯滞后环节，故传递函数为 (8) 式8中为一阶积分环节的传递函数，为纯滞后环节，输入的阶跃信号为 (9) 故开环阶跃响应为 (10)拉氏反变换为时域函数为 (11)其中为脉冲函数，会使阶跃响应延迟一段时间。对响应曲线的斜率没有影响，所以就是实验截取的响应曲线的斜率10。如图17 所示为开环控制原理图，锅炉内水位高度为165mm，加热丝功率为1.5kw，fb43 “pulsegen”脉冲输出模块周期时间为5s，把fb41 “cont_c” 连续控制模块切换到手动模式，手动设定一个值送给fb43 “pulsegen” 脉冲输出模块来控制输出脉冲，控制加热丝的加热与否。输入量为锅炉吸收的热量，输出量为锅炉内水的温度，即测量温度与锅炉吸收热量的关系，观察对应于不同的脉冲占空比对应温度曲线的斜率。图17 温度开环系统原理图温度对象在不同的温度区间具有不同的对象特性，本实验测试的为28 - 51温度区间的温度对象特性，如图18所示是观察加热10分钟时，继电器同开度分别为40%、60%、80%、100%的响应曲线（不含滞后时间）。 40%开度60%开度 80%开度100%开度 图18 继电器不同开度下的响应曲线图如表4所示，时间为10分钟下的继电器不同开度的温度响应曲线数据。综合四组结果得：滞后时间为63.5s，为27.60s/。温度对象的传递函数模型为 (12)表4 对不同继电器开度下测得曲线参数表继电器输出开度升温范围滞后时间温度曲线斜率ti40%30.81638.54176s0.01474227.1360%30.092 41.883 66s0.02208027.1780%28.35643.89458s0.02866827.91100%30.72950.40554s0.03279327.745.2温度控制规律的测试随着工业的发展，在某些热处理工业要求中，需要温度控制过程对升温斜率有要求，即按照一定的恒温、升温、恒温的曲线控制温度，即程序控温过程。同时为了总结温度对象的pid控制规律，分别用p、pi、pd、pid和改进后的pid控制规律同时对锅炉水温进行升高10的定值控温控制和程序控温的控制过程。5.2.1 p调节控制规律单独的比例作用p控制结果如图19所示。图19 比例作用p调节控制曲线图（1）定值温控比例作用p=12，系统超调小于0.2，稳态误差小于0.30，调节时间11min左右。（2）程序温控比例作用p=115，系统的最大穿越幅度0.45，超调量小于0.25，稳态误差小于0.30。在第一温变拐点系统有一小段滞后时间，约60s左右，但是在系统惯性作用下第二温变拐点超调似乎很小，是由于被小幅度的曲线穿越抵消了系统惯性所致。两次温控整体控制效果比较好，满足控制要求，但程序控温超调量存在偶然性。5.2.2 pd调节控制规律当控制器接通pd作用时，由于微分作用的是阻碍被控量的变化，所以在参数整定时，加入微弱的微分作用的同时要放大比例作用p11，控制结果如图20所示。（1） 定值温控比例作用p=12，微分作用d=7，系统的超调小于0.2，稳态误差0.20，调节时间10min左右。图20 比例微分作用pd调节控制曲线图（2）程序温控比例作用p=119，微分作用d=3，系统的最大穿越幅度0.42，超调量小于0.12，稳态误差小于0.15。第一温变拐点系统有小段滞后时间，约60s 左右，在系统惯性作用下第二温变拐点超调似乎很小，是由于被小幅度的曲线穿越抵消了系统惯性所致。整体调节效果好于单独的比例作用，并且缩短了调节时间。但程序控温超调量存在偶然性。5.2.3 pi调节控制规律当控制器接通pi作用时，由于积分部分与误差对时间的积分成正比，微弱的积分作用经过长时间累加，积分分量会维持在较大的输出值，如果调节时间足够长的话，积分分量输出可能会达到100，淹没p作用，所以在pi参数整定时，要把比例作用p变弱的同时加微弱的积分作用，控制结果如图21所示。（1）定值控温比例作用p=5，积分作用i=830，系统的超调小于0.23，稳态误差0.20，调节时间14min。由于p作用减小的同时，调节时间变长，最后积分作用累加输出值较大，以致系统受到干扰影响较大，同一组整定的参数，上午调节效果较好，下午便不合适。（2）程序控温比例作用p=105，积分作用i=350，开始时系统的穿越幅度为0.41，紧接着系统穿越幅度减小，但随后最大穿越幅度却达到0.9。系统的超调量小于0.3，稳态误差小于0.15，由于第一温变点约60s左右的滞后时间，使系统产生偏差，积分作用不断累加为较大值输出系统后偏差、输出较小，这样加热便产生滞后，以至于进一步产生较大偏差，积分进一步累加为较大值，使系统产生较大的穿越幅度。对比以上两组可知，曲线小幅度穿越抵消了系统惯性，在本次pi规律调节下第二温变拐点处体现尤为明显。图21 比例积分作用pi调节控制曲线图虽然积分有消除余差的作用，但从整体的控制效果和抗干扰程度来看，曲线的跟踪效果并没有比单独的比例作用p或比例为分作用pd调节更好。第二温变拐点的控制存在偶然性。5.2.4 pid调节控制规律当控制器接通pid作用时，稍微放大p作用，同减小i作用，但却得加入较强的微分作用。控制结果如图22 所示。图22 比例积分微分作用pid调节控制曲线图（1） 定值控温比例作用p=5，积分作用i=930，微分作用d=50，系统超调小于0.23，稳态误差小于0.15，调节时间12min左右。（2） 程序控温 比例作用p=108，积分作用i=380，微分作用d=8，刚开始系统的穿越幅度为0.30，接下来穿越幅度逐渐减小，但最后却达到0.38。系统超调较大，完全超过了系统的控制要求，主要是由于程序控温段由升温惯性所致。同理于pi调节规律，但是由于微分作用的加入，抑制了被控量的变化，在第一温变拐点有一小段滞后时间60s左右。第一段定值控温效果要好于比例积分作用pi的调节效果，但是程序控温超调量却远远超出了控制要求。5.2.4改进的pid调节控制规律改进后的pid调节规律的控制效果如图23所示。图23 特殊比例积分微分作用pid调节控制曲线图（1） 定值控温比例作用p=10，积分作用i=180，微分作用d=10，输出死区为0.05。系统超调量小于0.15，稳态误差小于0.15，调节时间为9min左右。超调量很稳态误差小，调节时间较短。（2） 程序控温比例作用p=50，积分作用i=120，微分作用d=10，穿越幅度小于0.2。系统超调量0.18，稳态误差小于0.17，曲线穿越幅度明显减小，在温变的拐点几乎没有超调。5.3本章总结为克服了传统pid控制器在定值控温过程中因系统惯性和积分饱和而出现的超调现象和调节时间较长现象，在程序控温中因系统惯性而出现的不能与设定曲线良好拟合的现象，对传统的pid控制进行了改进，并得到了如图22的良好控制效果，其改进如下：（1）应用控制带（conzne）在定值控温pid运算中，由于开始阶段当前值和设定值相差较大，偏差ev(n)=sp(n)-pv(n) 为正值且数值较大。随着当前值逐渐接近设定值，偏差ev(n)越来越小，但是偏差ev(n)对时间的积分累加值却在不断增加，如图24所示，积分饱和产生正是由于这个原因。当产生超调后偏差ev(n)变为负值，负偏差的累积量相对较小，与正偏差累积量抵消后差值仍较大，致使积分分量在输出值中所占分量较大。在控制时，为消除余差，在应用积分项的同时减小比例输出或加大微分输出，以至于系统的调节时间变长。图24 定值控温积分量累积 为了解决引入积分作用所带来的问题，引入控制带，控制带是一种遇限消弱积分项的pid控制，对消除系统超调和缩短调节时间非常有效12。其控制方法如下：如图25所示，根据实际调试情况，人为设定一阈值(0)；当偏差值|ev(n)| 时，使系统输出其上限(lmn=lmn_hlm)或下线(lmn=lmn_llm)。当偏差值|ev(n)| 时，采用正常的pid控制来实现系统的精度控制，是一个可调参数，大小要大于控制系统最大惯量，其值可以根据实际现场控制对象特点，根据调试效果而确定，本控制系统中=5.0。必须确保控制带范围不能太窄。如果控制带范围太小，则可调节变量和过程变量可能会发生振荡。图25控制带方框图则控制器第n 此采样时的的输出为 (13)当过程值进入控制带时，微分作用可造成可调节变量快速减小。这意味着，只有在激活了微分作用时控制带才有用。如果没有控制带，基本上只有通过减小比例作用才能减小可调节变量。如果最大或最小可调节变量输出远没有达到新工作点所要求的可调节变量，则控制带会导致在不过调或欠调的情况下，使调节尽快稳定。（2）应用输出死区在定值控温过程中，为抵消温控对象的惯性所带来的超调量，引入了带死区输出的pid控制，其控制框图如图26所示，当死区非线性环节的输入量(即误差ev(n)的绝对值小于值时，这时pid调节器的输出为零，pid调节器不起调节作用，系统处于开环。当误差的绝对值超过设定值时，开始正常的pid控制。图26 带死区输出的pid控制框图其控制算式为 (14)式14中，值是一个可调参数，具体值可以根据实际控制对象由实验确定。值太小，是调节过于频繁，达不到稳定被调节对象的目的；如果取的太大，则系统将产生很大的滞后。在该温控系统中=0.05。区别于fb41“cont_c”中的死区宽度deadb_w，当偏差进入死区后，调节器仍在进行运算，当系统再次运行到死区外时，使输出能快速响应偏差。同时系统的采样周期为50ms，对系统应用输出死区也可以避免执行器过于频繁动作而引起的振荡和机械磨损。（3） 变参数的钝角拐点pid控制 如图27所示为程序控温拐点图。在进行程序控温时，当系统进行程序控过程时，为保证控制效果无超调、滞后，在温变点形成钝角的拐点，在第一温变拐点b提前滞后时间(e点的时间)就使控制器有值输出，以抵消滞后时间13。在第二温变拐点c提前一定时间(在f点的时间)消弱调节器的积分项输出来抵消系统的惯性。其e点调节器的输出值的大小和f点积分清零的条件以及e、f两点的时间需在要在具体调试中进一步确定确定。另一方面由于定值控温过程和程序控温过程的系统达到稳定时，热丝输出的率完全不同，使系统惯性不同，为保证控制精确，所以在pid控制中相应的比例参数、积分参数、微分参数也应随之相应变动。图27程序控温拐点图 另外，为了保证第二温变拐点温超调量，主要为消弱积分作用来弱化调节器的输出，以抵消系统惯性作用，所以拐点控制的前提是在进行温控时，系统的积分作用较强，这又产生另外一个问题是积分作用不可以从初值进行累加，因为长时间的累加会给系统带来振荡，这又会使积分项累加过强，所以要对积分进项进行限幅输出。综上所述图18、19、20、21为传统pid控制下的运行结果图，图22为改进后的pid的控制结果图，从各种调节规律的监控曲线可知，得到加入控制带和输出死区辅助算法的定值控温pid调节规律和加入变参数的拐点控制的程序控温pid调节规律，这两种改进的pid控制规律，有效地克服了传统pid 控制器在温控过程中因温控惯性和积分饱和而出现的滞后与超调现象并使系统的调节时间变短，系统完全依靠温控工艺曲线运行，采用程序控温pid 调节规律的穿越幅度小于0.2，在温变点处实现了即无超调又无欠温的钝角拐点的控制效果。结束语本课题以锅炉温度为研究对象，经过三个多月的研究与设计，取得理想控制效果，现总结如下：（1）对锅炉水控制系统进行设计，采用西门子s7-300 plc，通过语句表编写程序实现现场数据的采集、处理以及对现场设备的控制。采用语句表编程，大大提高了编程效率，和梯形图编程相比，源程序短，程序执行效率高。对累加器和标志位的直接操作，提高了程序调试效率。（2）在wincc进行了变量组和io域组态，设计了锅炉温度的监控画面。实现了启动停止、程序控温过程与定值控温过程的自由切换，并在线修改整定参数并监控温控曲线的变化。（3）加入控制带和输出死区辅助算法的定值控温pid调节规律，以及加入变参数的拐点控制的程序控温pid调节规律。这两种规律有效地克服了传统pid控制器在温控过程中因温控惯性和积分饱和而出现的滞后与超调现象并系统的调节时间变短。现代控制理论中，在经典pid控制理论的基础上衍生的控制理论层出不穷，但若要在生产实践中选取理想的控制算法，就必须通过工程实践进行反复地调整和修改，根据工程经验直接在控制系统中进行筛选组合出适合实际的控制规律