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94工业仪表与自动化装置2011 年第 5 期基于 PID 参数自整定的炉温模糊串级控制系统设计吴兴纯a ，赵金燕a ，杨秀莲a ，杨燕云b( 云南农业大学 a. 基础与信息工程学院; b. 国资处，昆明 650201)摘要: 为解决煤气加热炉由于燃料压力变化和进出料时引起的炉温波动，将模糊串级控制应用到炉温控制系统中。该文分析了加热炉的对象特点和引起炉温波动的因素，介绍了参数自整定模糊 PID 调节原理，设计了基于组态软件、串级控制和智能仪表的炉温模糊控制系统。实验结果表明: 串级控制是解决这类问题的有力工具。该控制系统具有静态精度高、自适应能力强、可靠性好、抗扰动性强的特点，大大提高了炉温的控制质量。关键词: 温度控制; 串级技术; 参数自整定; 模糊 PID; 智能仪表; 组态软件中图分类号: TP273文献标志码: A文章编号: 1000 0682( 2011) 05 0094 05The design of temperature fuzzy cascade control systembased on self-adjusting PID parametersWU Xingchuna ，ZHAO Jinyana ，YANG Xiuliana ，YANG Yanyunb( a. College of Foundation and Information; b. Assets Management Department，Yunnan Agriculture University，Kunming 650201，China)Abstract: In order to solve the problems of furnaces varieties caused by gas pressure，the string fuzzed-PID controller was investigated in the temperature control system. After the analysis of the furnaces characteristics and the factors causing temperature variation，the fuzzy controller of self-adjusting PID pa-rameters was presented and the fuzzy cascade control system based on configuration software，intelligence measuring appliance and cascade control was investigated in gas furnaces. The results showed that the good effects were achieved by the cascade controller and this temperature control system has the charac-teristics of static accuracy，adaptability，reliability，and anti-interference.Key words: temperature control; cascade control; self-adjusting PID parameters; fuzzed-PID; intel-ligence measuring appliance; configuration software0 引言在工业生产中，广泛存在采用煤气作为燃料、同一煤气总管道给多台加热炉加热的生产过程。加热炉借助于总管道煤气的燃烧来保持其出料温度( 即炉温) 的恒定。煤气压力的变化、进出料的多少等对受控制温度的影响很大，系统中存在着严重的一次扰动和二次扰动。当煤气压力发生变化或者是系统进出料时，加热炉需要相应地调整其煤气流量调节阀门的开度来控制流量的恒定以保证炉温的恒定，由于系统不仅惯性大而且滞后时间长，所以传统PID 单回路控制难于满足控制要求。该文针对这类收稿日期: 2011 06 28作者简介: 吴兴纯( 1972) ，男，云南省宣威市人，硕士研究生，讲师，研究方向为自动检测，计算机控制。工业加热炉温度控制系统的设计和技术改造的现状1，采用主控回路与副控回路相配合，设计了一个炉温控制系统。实验和经验表明，该系统有效地解决了大惯性环节的时间滞后问题，减小了系统的超调量，加速了系统的调节过程，使炉温控制的静态、动态性能指标均达到了控制要求。1 对象分析和控制方案设计1. 1 对象分析加热炉温度场是一个梯度场，其温度的上升或2，下降随时间缓慢变化 加热炉对象可近似为一个纯滞后环节和一个惯性环节组成，其传递函数为:G( s) =Ke s( 1)Ts + 1式中: 为纯滞后时间，K 为放大倍数，T 为惯性时间。2011 年第 5 期工业仪表与自动化装置95当煤气总管道的压力不保持恒定时，阀位与煤气流量也就不保持一定的比例，即一定的阀位也不对应于一定的流量，加热炉也就不对应于一定的温度。如果采用传统的 PID 控制，煤气压力的变化导致流量的变化，流量的变化随之而引起炉温的变化，炉温变化以后才来调节煤气阀门的开度位置改变其煤气的供给量，产生了过程上的滞后问题，使对象的等效纯滞后时间 很长，从而达不到预期的控制效果。而串级模糊控制技术是解决上述问题的有力工具。1. 2控制方案设计串级控制的基本思想是主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据，副控回路的输出作为真3 4。根据工艺要求，正的控制量作用于被控对象为了保证控制精度，系统以加热炉温度为主调节参数，煤气流量为副调节参数，构成炉温串联控制系统，其系统的原理结构如图 1 所示。图 1炉温串级控制系统原理图当温度发生变化时，由主调节器进行调节，其输出作为副调节器的给定值，经副调节器的副调节作用最终调节煤气阀门的开度以调节出料温度。温度一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度，较快地克服了煤气流量的变化对出料温度的影响。二次扰动为该系统的主要扰动，副控回路能有效而快速地克服二次扰动的影响。当扰动发生在副回路，由于有副控回路的存在，煤气流量调节器能及时地调节，快速消除了扰动的影响; 当扰动发生在主控回路时，串级模糊控制能及时地改变温度调节器的输出信号，由副控回路去改变煤气流量，克服了扰动影响。炉温串级模糊 PID 控制系统的结构如图 2 所示。主调节器采用参数自适应的模糊 PID 调节规律，副调节器采用传统 PI 调节规律。图 2模糊串级结构控制原理系统2 炉温模糊调节器设计2. 1 模糊 PID 控制算法理想模拟 PID 调节器的控制规律为:u( t) = K e( t) +1e( t) dt + Tde( t)( 2)DPTIdt在计算机测控系统，一般采用恒定的采样周期T。令 t = kT，于是 u( t) u( kT) ，e( t) e( kT) ，tkde( t)e( kT) e( kT T)，e( t) dt Te( jt) ，0j = 0dtT代入到式( 2) 得:Tku( kT) = KP e( kT) +e( jT) +TI( 3)j = 0TDe( kT) e( kT T) T3就是根据式 ( 3 ) 计算出PID 的增量算式u( kT T) ，通过计算u( kT)= u( kT) u( kT T) 得到 PID 增量算式u( kT) ，即第 k 次采样输出算式为:u( kT) = KPe( kT) e( kT T) +TTDKPe( kT) + KPe( kT) 2e( kT T) +TITe( kT 2T) ( 4)T Td令 KI = KP TI ，KD = KP T ，式( 4) 变为:u( kT) = KPe( kT) e( kT T) +KD e( kT) + KIe( kT) 2e( kT T) +e( kT 2T) ( 5)4为:模糊 PID 控制器调整 PID 参数计算KP = KP + KP( 6)KI = KI + KI( 7)KD = KD + KD( 8)其中: KP 、KI 、KD 为初始设定的 PID 参数;KP 、KI 、KD 为模糊控制器的 3 个输出。这样，根据被控对象的状态特性自动在线调整 PID 三个控制参数的值。2. 2输入变量论域的离散化在模糊控制器中，基本论域要变换到模糊论域，首先确定连续变量的变化范围，然后确定离散论域，得到离散论域上的输入变量 E 和 EC。在该系统中，出料温度偏差 E 的基本论域取值为 100，100，偏差变化率 EC 的基本论域取值为 0. 4，0. 4。将基本论域区间值按四舍五入原则量化为模糊论域区间 6，6的论域元素，即 6， 5， 4， 3，96工业仪表与自动化装置2011 年第 5 期 2， 1，0，1，2，3，4，5，6 。 KP 、 KI 、 KD 离散论权平均法。根据 E 和 EC 在规则表中实时地查出域区间 4，4的论域元素，即 4， 3， 2， 1，KP 、KI 、KD ，利用公式( 6) 、( 7) 、( 8) 便可以得到0，1，2，3，4 。E 和 EC 的模糊子集均为 NB，NM，PID 调节器的控制参数 KP 、KI 、KD 。NS，Z0，PS，PM，PB 。 KP 、 KI 、 KD 的模糊子集均表 1KP 的模糊控制规则表为 NB，NS，ZO，PS，PB ，其中 NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB 分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、E输NBNMNSZOPSPMPB正大。隶属度函数形状采用三角形，如图 3 所示。EC 出NBNBNSNSNSZOZOZONMNSNSZONSZOZOPSNSNSNSZOZOPSPSPSZOZOZOZOZOPSPBPBPSNSNSZOZOPSPSPSPMNSNSNSNSZOPSPSPBNBNSNSNSZOZOZOa 偏差 E 和偏差变化率 EC 的隶属度函数b KP 、 KI 、KD 的隶属度函数图 3 模糊变量的隶属度函数图2. 3 模糊控制规则的建立在系统起跳段，E 0，EC 0，由于偏差 E 很大，为使系统输出趋向稳态值的速度应越快越好，即以消除偏差为主，取较大的 KI 、较小的 KP 和较大的 KD ; 当偏差 E 较小时，为了使系统的超调量减小和保证一定的响应速度，应取较小的 KI 、KP 和 KD 。当系统响应接近稳态值时，E 很小，为使系统具有较小的超调量，比例值要增大，积分值要减小，而微分量要适中; 当系统离开稳态值时，E 0，系统偏差向增大的方向变化，比例值要减小，积分值要增大，而微分量要适中。当 E 接近于零且 EC 较小时，为使系统有良好的稳态性能，比例值和积分值要取中等大小。同时为了避免系统在设定点出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，则微分值的大小应视偏差变化率 EC 的值而定。结合上述控制规律，根据专家及工程技术人员的经验，可建立合适的 KP 、KI 、KD 模糊控制规则表，如表 1 表 3 所示。2. 4解模糊控制表根据 KP 、KI 、KD 模糊控制规则表，模糊推理合成规则采用最大最小合成法，清晰化计算采用加表 2KI 的模糊控制规则表E输NBNMNSZOPSPMPBEC出NBPBPBPBPSPSPSZONMPSPSPSPSPSZONSNSPSPSPSPSZONSNBZONSNSNSZOPSPSNSPSNBNSZOPSPSPSPSPMNSZOPSPSSPPSPSPBZOPSPSPSPBPBPB表 3KD 的模糊控制规则表E输NBNMNSZOPSPMPBEC出NBNBNSNSNBNBNSNSNMNMNSNSNBNSNSZONSNSZONSNSNSNSZOZOZOZONSNSNSNSZOPSPSZOZOZOZOZOZOPMPMPBPSPSPSPSPBPBPBPBPSPSPSPSPB3 系统的软硬件设计3. 1 硬件设计根据工艺要求，考虑到系统中处理的主要是温度、流量等模拟量信号，系统选用宇光智能系列仪表AI808，用来实现对信号的处理和整个系统的控制，选用北京昆仑公司的组态软件 MCGS5. 5 实现显示和监控，其硬件原理结构如图 4 所示。2011 年第 5 期工业仪表与自动化装置97图 4串级炉温控制系统硬件结构图系统以出料温度和煤气流量为主、副控制回路的测量值，选用 2 个工控专用的扩散硅变送器对炉温和煤气流量进行测量、补偿、变送，均采用二线6，制 接法。煤气加热炉温度选用镍铬热电偶检测测量范围在 400 1 000 ，热电偶输出电压为4，16. 4 41. 32 mV 该信号经变送器变换 0 5 VDC 的标准模拟电压信号送主调节器。执行器( 煤气流量调节阀) 选用智能电动调节阀 QSVP 16K，控制信号为 1 5 VDC、阀位输出为 4 20 mADC。由于组态软件 MCGS5. 5 版本可在 Windows 98 /NT /2000 /XP 上运行7，硬件环境要求宽松，上位计算机选用普通的 P4 PC 机。系统工作原理: 煤气加热炉温度信号经变送器变换 0 5 VDC 的标准信号送主调节器 AI808( 1) 与给定值比较得出偏差，主调节器根据偏差的大小与变化率、控制参数的设置情况，执行模糊 PID 运算，其输出作为副调节器 AI808( 2) 的给定值; 由流量压力变送器输入的煤气流量信号微分先行后与主调节器的输出值比较，副调节器 AI808( 2) 执行 PI 运算，输出 4 20 mA 的电流控制信号，电动调节阀接收到该信号后调节其开度，从而调节煤气流量，最终达到稳定炉温的控制目的。智能仪表 AI808 与上位机之间通过 RS232 /485 转换器实现串口通信，通过MCGS 组态软件实现过程监控。3. 2软件组态系统采用北京昆仑公司的 MCGS5. 5 工业控制组态软件，通过 RS232 /RS485 转换器使 PC 机与智能仪表 AI808 进行通信。MCGS5. 5 组态软件能够根据现场采集的数据，进行实时数据处理，完成监控、报警和趋势曲线显示等功能。该温度控制系统的软件界面设计及控制流程的编写都是使用 MCGS5. 5 组态软件完成的。4 控制参数的设置与系统调试该系统在昆明市某化工厂的一台上海齐鑫 QX-LPC II 型煤气加热炉，温度 600 25 的恒温调试过程中，控制参数的设置如表 4 所示。表 4控制仪表参数设置仪表参数AI808( 1)AI808( 2)上限报警( HIAL)1000下限报警( LOAL)501正偏差报警( DHAL)800负偏差报警( DLAL)301比例度( P)10020积分时间( I)7015输入规格( SN)53运行状态( RUN)6005输入上限( DIH)1000功能选择( CF)28输出方式( OPI)44通讯地址( ADDR)12为了满足控制系统的精度要求，参数采用 2 步整定法。先整定副环，按 41 衰减曲线法得到 K2S= 86，T2S = 40 s; 再用同样的方法整定主环，得到 K1S= 7. 1，T1S = 30 s。从而得到主调节器的参数和副调节器的参数。现选用 K1 = 120，T1 = 20 s，K2 = 6，T2= 10 s，T2d = 3 s 和 K1 = 80，T1 = 40 s，K2 = 6，T2 = 10 s，T2d = 3 s 将它们投入系统运行，可得到如图 5 所示的 2 组实时温度曲线。图 5a 上升时间短，超调量约为 3. 85% ，图 5b上升时间稍长，但超调量明显减小，约为 1. 32% 。实验和经验表明，通过控制参数的在线整定，可以获得很好的控制效果，各项动、静态性能指标均能达到控制要求。a K1 = 120，T1 = 20 s，K2 = 6，T2 = 10 s，T2d = 3 s98工业仪表与自动化装置2011 年第 5 期b K1 = 80，T1 = 40 s，K2 = 6，T2 = 10 s，T2d = 3 s图 5 加热炉的升温和流量控制曲线图5 结束语煤气加热炉温度控制系统受管道煤气压力和