温度控制系统的经典控制研究(DOC毕业设计论文).doc

摘要目前温度控制在工业生产中和实验室里的运用非常广泛，其控制过程中存在着很大的时滞性和很强的干扰性。能否成功地将温度控制在所需的范围内关系到整个活动的成败。由于控制对象的多样性和复杂性, 导致采用的温控手段的多样性。在诸多温度控制中，电加热炉是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数情况下可以满足系统性能要求，但其性能取决于参数的整定情况。且快速性和超调量之间存在矛盾，使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势，但其理论并不完善，算法复杂，控制过程会存在稳态误差。 将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制。本文主要探讨常规PID温度控制理论研究，把理论基础、实验数据和数学模型结合起来，通过系统建模、参数校正、参数整定和仿真方案的分析，并通过系统的软硬件方法的实现设计出一套行之有效的PID温度控制算法。关键词：温度控制;PID 控制规律;PID 算法;校正;整定;仿真。ABSTRACTNowadays temperature control has been widely used in the industrial processes and the labs，with large time lag and big disturb in its control processes. Whether we can successfully control temperature or not in needed area has a big impact on our whole design. As the diversity and complexity of the controlled object, which results in the diversity of the way of the temperature control. Among many temperature controls, electric heating furnace is a typical model in the industrial process controls, its temperature control has heat unidirectional, big inertia, pure lag and time varying denaturalization and so on, we can hardly create accurate patterns and parameters with mathematics methods. Moreover, the PID control being mature that can be easily carried out, has the merit of wiping out a steady state error, can satisfy a system performance request under the majority of condition, but its performance is decided by tuning parameters. Having the conflict between rapidness and super adjust cant make it necessary to satisfy the technique request of quickly heat and a small super adjust. The fuzzy control has its advantages of rapidness and keeping a small super adjust, but its theory is imperfect and arithmetic complex, control process will exist a steady state error. Leading the fuzzy control algorithm into the traditional heating furnace control system composes the intelligent fuzzy control.This text is mainly discussed about routine PID temperature control theory research, putting theoretical basis, experiment data and mathematical models together. According to the modeled system 、corrected parameter 、settled parameter and simulation project, we can design a set of effective PID temperature control algorithms through the realize of software and hardware systems.Keyword: temperature control; the rule of PID control; PID algorithm; corrected; tuning; simulation. 目录摘要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1 引言11.2 温度控制技术的状况11.3 炉温控制技术的概况21.4 炉温控制技术的方式31.4.1 PID 控制算法在温度控制中的应用及发展31.4.2 智能 PID 温度控制的应用及发展41.5 炉温控制的要求与品质指标51.6 课题研究的内容72 PID 控制原理及参数整定82.1 PID 控制原理理论82.1.1 PID 控制算法对温度的影响82.1.2 PID 控制算法的介绍82.1.3 PID 控制算法规律122.2 PID 控制算法的参数整定133 PID 炉温控制器的设计153.1 系统的总体描述153.2 硬件系统设计163.3 控制系统设计213.4 系统软件设计253.5 电阻炉温度控制系统仿真263.6 系统实际控制效果283.7 本章小结324 PID 控制算法在温度控制系统中的改善334.1 常规 PID 算法控制334.2 数字 PID 算法控制364.2.1 控制算法364.2.2 PID 控制算法的数字实现364.2.3 数字 PID 调节中存在的问题374.2.4 数字 PID 的改进374.3 改进型 PID 控制算法384.4 预测 PID 控制395 课题设计总结与展望415.1 课题设计工作总结415.2 工作改进方案41参考文献42结束语43致谢441 绪论1.1 引言在电子技术飞速发展的今天，测量控制技术已经涉及到军事和工业的各个环节中，并且其越来越多的受到人们的重视与关注。温度控制技术的出现，使得人们生产生活的方式发生了重大变化，使得科学实验和应用工程的自动化程度发生了巨大改变。 温度控制是工业生产科学研究等行业中相当重要的参数之一，温度控制在各个行业中都是相当重要的一个环节,对人们生活生产起着重大作用。温度控制的关键在于测温和控制两个方面,温度测量是温度控制的基础。而在温度控制中，PID 控制器以其算法简单、计算量小、恒温效果稳定等优点而得到广泛应用。我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效地测量手段获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。本论文主要以热处理工艺中应用最多的加热设备电阻炉为例，研究电阻炉温度控制方法。目前，电阻炉温度控制方法有常规的温控仪表控制、模拟控制和计算机智能控制。温控仪表不能满足热处理工艺的要求，温控仪表依赖实验者的调节，不能精确地按照给定的温度要求来控制。在模拟控制系统中，PID调节是技术最成熟的、应用最广泛的一种控制方法。但PID算法对大惯性、纯滞后、非线性、时变性大的电阻炉温度控制系统存在一定的缺陷，反映在控制曲线的超调量过大、动态性能不稳定。例如，其升温单向性是由于电阻炉的升温,保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调就很难用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，无法达到温度智能调节控制的理想效果。以电阻炉温度为研究对象，采用数字PID控制器对电阻炉温度进行控制，通过实验调节比例系数及积分系数来调节控制效果，同时针对不同温度段所表现出来的不同热性能，采用全功率或比例控制加快升温过程，再进行PID算法结合积分分离或积分削弱算法控制稳定过程的方案。使电阻炉温度控制达到超调量小、稳定精度高的优良控制效果，很好地满足了热处理工艺的要求。1.2 温度控制技术的状况在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等许多领域中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。人们需要对各种环境中的温度进行检测和控制，温度控制对于大型工业和日常生活用品等工程都具有广阔的应用前景。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。温度测量与控制系统是自动控制技术、计算机技术、电子技术和通信技术的有机结合、综合发展的产物。其内容十分丰富，它包括各种数据的采集和处理系统、自动测量系统、生产过程自动控制系统等，广泛应用于工厂自动化、商业自动化、实验室自动化等人类活动的各个领域。随着工业的发展，人们对温度控制提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。温度控制是一种具有纯滞后的系统，加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，目前的温度控制系统大多建立在一定的数学模型基础上，对被控对象中的非线性、时变性及随机干扰无能为力，因此，提高系统的抗干扰能力成为关键性的技术。首先，控温精度要高；其次，当环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。最后，由于生产中的实际情况，控制设备要求操作方便，易于维护，成本较低等等。我国电温度的控制设备的现状不容乐观，主要有以下特点：小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，整体上，我国的温度控制系统比国外发达国家要落后，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益。由于微机控制系统性能的优越性，市场的需求量很大。控制系统对微机的性能需求不是很高，同时由于计算机 CPU 及外围功能卡的不断升级和价格的不断下降，使得用高档微机进行控制的成本大为降低，而且也使得大批 PC 机闲置不用。因此，用高档微机甚至闲置不用的 PC 机构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，中小型的控制系统很少见。这方面的缺口较大，市场前景看好。1.3 炉温控制技术的概况近年来随着热处理工艺广泛应用于加工过程，热处理中温度的控制精度和控制规律的优劣直接影响到热处理工艺的好坏。电阻炉是热处理工艺中应用最多的加热设备，研究电阻炉温度控制方法具有重要意义。目前，电阻炉温度控制方法有常规的温控仪表控制、模拟控制和计算机智能控制。温控仪表不能满足热处理工艺的要求，温控仪表依赖实验者的调节，不能精确地按照给定的温度要求来控制。在模拟控制系统中，PID调节是技术最成熟的、应用最广泛的一种控制方法。但PID算法对大惯性、纯滞后、非线性、时变性大的电阻炉温度控制系统存在一定的缺陷，反映在控制曲线的超调量过大、动态性能不稳定。例如，其升温单向性是由于电阻炉的升温，保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调就很难用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，无法达到温度智能调节控制的理想效果。以电阻炉温度为研究对象，采用数字PID控制器对电阻炉温度进行控制，通过实验调节比例系数及积分系数来调节控制效果，同时针对不同温度段所表现出来的不同热性能，采用全功率或比例控制加快升温过程，再进行PID算法结合积分分离或积分削弱算法控制稳定过程的方案。使电阻炉温度控制达到超调量小、稳定精度高的优良控制效果，很好地满足了热处理工艺的要求。1.4 炉温控制技术的方式常用的温度自控方式有位式控制，时间比例控制和温度比例积分微分控制（PID 控制）三种方式。此外还有用微型计算机控制的温度控制系统，由于位式控制和时间比例控制的结构简单，成本低，使用维修方便，温度的微机控制系统比较复杂，故本文只研究在工业中应用最广泛的 PID 温度控制系统。11.4.1 PID 控制算法在温度控制中的应用及发展PID控制即比例、积分、微分控制。自19世纪40年代开始以来，广泛应用在工业生产中，长期以来，由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为PID功能块的输入。PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，是很普通的调节方法。其缺点是现场PID参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态。2PID控制早在1915-1940年就已经产生和发展起来，自四十年代控制理论创始人维纳提出控制论的半个多世纪以来，先进控制算法层出不穷，而PID控制以其结构简单、鲁棒性好，控制直观等优点，仍被广泛应用于冶金、化工电力机械等工业过程控制中。据调查，至今在全世界的过程控制中所用的控制器有84%仍是纯PID控制器，加上改进型则超过了90%。3为了改善PID控制的动态特性，人们在实践中不断总结经验，从结构提出了多种改进型数字PID控制算法，包括：积分分离型PID控制，带死区的PID控制，不完全微分PID控制不完全积分PID控制等。而PID控制的效果好坏关键在于控制参数是否合适，所以自它被提出起，PID控制参数的整定方法一直是人们研究的热点问题之一。1942年Ziegler-Nichols法被提出，在此之后又很多方法被用于PID控制器的手动或自动整定。按研究方法可分为基于频域和基于时域的PID参数整定方法；而按发展阶段可分为常规和智能PID参数整定（包括自整定和自适应）。经过改进后的 PID 控制能够满足大量一般工程控制的要求，因而在工程中得到广泛的应用，但它们却不太适合一些特殊的大滞后场合，比如：（1）具有反向特性的非最小相位系统；（2）具有严重频繁干扰的过程对象；（3）多变量强耦合过程；（4）带有约束的控制问题。因而为了克服这些问题，自适应控制、最优控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制等先进控制理论被引入 PID 控制中。1.4.2 智能 PID 温度控制的应用及发展对于时变性和非线性较严重的控制对象，固定参数的 PID 控制器难以得到满足的控制效果。于是人们将参数自调整技术引入到 PID 控制器中，形成自适应 PID 控制。4国内外对智能控制的应用研究十分活跃。智能 PID 控制器的基本结构可以分为上下层：上层利用智能技术，估计控制系统所处的状态或模态，并对下层 PID 控制器的参数做出相应的调整；下层的 PID 控制器依靠偏差进行控制。由于智能 PID 控制器不需要确切知道系统精确的数学模型，具有良好的可实现性和鲁棒性。根据智能技术的类别可将当前的智能 PID 控制分为四类：（1）基于专家系统的智能 PID 控制；（2）基于模糊逻辑的 PID 控制器；（3）基于神经网络的 PID 控制；（4）基于仿人控制的 PID 控制。另外不同的智能技术通过整合往往还可以构成更好的 PID 控制器。这些年各种商品化智能自整定 PID 调节器控制仪表也进入市场。其中最有代表性的有下列两种类型：一种是以日本东芝公司推出的 TOSDIC-211-8 型智能自整定 PID 调节器为代表，它建立在对过程参数的在线辨识与 PID 调节器参数自整定的基础上；另一种是以 1983 年美国 FOXBORO 公司推出的 EXACT 专家自整定调节器5和日本富士公司推出的 FUJI MICREX 专家自整定调节器为代表，它是将专家系统、模式识别的方法应用于智能自整定 PID 调节器，是 PID 调节器更有效。这些新型的智能仪表代表着当今智能 PID自整定仪表的发展方向。 传统的PID控制及改进型PID控制原理简单、工作稳定、可靠性高、鲁棒性强，曾在电阻炉温度控制系统中得到了普遍的采用，其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型，因而其对于一些大滞后、多输入、时变性电阻炉系统，控制效果难以满意。自智能控制理论发展以来，智能控制技术开始逐渐应用于工业控制。1.5 炉温控制的要求与品质指标 电加热炉是按时间加热的设备，不同炉子的加热功率、所处状况、加热对象、传热介质等各不相同，对它们进行温度控制的要求也不尽相同，但总的来说，控制仪表要实现的功能是按工艺要求使加热对象的温度按照既定的控制规律变化，做到准确、快速、稳定。对于一般的加热过程，要求控制对象工作在某一设定值，这样就需要设计温度控制算法：首先使温度迅速达到设定值，同时不产生超调或者是超调量尽可能小，一般超调量不应大于设定值的 3%；然后要让温度稳定在设定值的附近，不同的工作情况对稳态精度要求是不同的，通常稳态误差应在3范围内；另外系统还应具有一定的抗干扰能力，在初始条件发生变化或者负荷变动时，控制能迅速起作用，使温度恢复到设定工作点。在控制过程中有许多控制指标，一个受控系统的被控过程一般是一个衰减振荡的过渡过程，该过程可用曲线描述如下：给定值ABCty衡量系统控制质量的品质指标主要有：1最大偏差偏差是指被调参数与给定值之差。对于一个衰减振荡过渡过程，其最大偏差是第一个波的峰值，见图中用 A 表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度，若偏离越大，偏离时间越长，系统离开规定的平衡状态越远，这是不希望出现的情况，一般要对最大偏差加以限制。2超调量超调量是振荡的第一个峰值与新稳定值之差，用 B 表示。超调量也可以用来表征被调参数的偏离程度。3静差静差是过渡过程终了时的残余偏差，也就是被调参数的稳定值与给定值之间的差值，在图中用 C 表示。静差可正可负，被调参数越接近给定值越好，亦即静差绝对值越小越好。4衰减比衰减比是前后两个峰值的比，是表示衰减程度的指标。图中衰减比为，习惯上:B B用 n：1 来表示。假若 n 只比 1 稍大一点，过渡过程的衰减程度很小，它与等幅振荡过程接近，振荡过程过于频繁不够安全，一般不采用；如果 n 很大则又太接近于非振荡过程，通常也是不希望的。一般取 n=104 为宜。因为衰减比在 4：1 到 10:1 之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被调参数在受到干扰的影响和调节作用的影响后，能比较快地达到一个峰值，然后马上下降，又较快地达到一个低峰值。5稳定时间从干扰开始作用起至被调参数又建立新的平衡状态为止，这段时间称为稳定时间。严格地讲，被调参数完全达到新的稳定状态需要无限长的时间。实际上，由于测量仪表的灵敏度限制，当被调参数靠近稳定值时，指示值就基本不再改变了。所以有必要时，在可以测量的区域内，在稳定值上下规定一个小的范围，当指示值进入这一范围而不再越出时，就认为被调参数已达到稳定值。稳定时间短，说明过渡过程进行得比较迅速，这时即使干扰频繁出现，系统也能适应，系统质量就高。6振荡周期振荡周期是指过渡过程中两个同向波峰之间的间隔时间，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的条件下，振荡周期与稳定时间成正比。一般希望周期短些为好。7振荡次数稳定时间内被调参数振荡的次数称为振荡次数。较为理想的过渡过程，振荡两次就能达到稳定状态。8上升时间从干扰变化时间起至第一个波峰时所需要的时间为振荡的上升时间。上升时间以短些为宜。1.6 课题研究的内容本设计以 PID 温度控制算法为研究对象，针对环境温度，在比较、研究不同控制策略的基础上，根据实际情况通过 MATLAB 电路仿真实现电阻炉温度控制的研究。本文主要做了以下几个方面工作：1.对温度控制技术的发展作简单的介绍；2.介绍 PID 控制原理及参数整定方法；3.介绍 PID 温度控制系统的结构、电路、组成及控制规律；4.PID 控制器的设计；5.利用 MATLAB 仿真，并给出分析结果；6.PID 控制算法的改善。在本论文中，主要解决就1.如何提高温度控制精度；2.怎样解决温度控制系统的校正问题；3.提出具有先进性的 PID 温度控制设计方法；4.设计具有适应环境性控制温度功能，重点部位利用 PID 算法控制温度；5.PID 算法有何改进；6.整个系统全部技术领先，可靠性高，设计出的 PID 控制器使用简便，经久耐用，配套性好，具有一定的自我防护能力。的问题一一探讨。2 PID 控制原理及参数整定2.1 PID 控制原理理论 自动控制理论的产生可以追溯到18世纪中叶英国的第一次技术革命，到19世纪科学界和工程界陆续发表了用控制理论来讨论系统稳定性的文章，19世纪末控制理论中的经典时域分析法以得到总结和发展。随着科学技术的发展，控制理论也在不断地发展。 在控制理论的发展过程中尤其 PID 控制算法控制理论得到了充分的发挥与应用，PID控制是在连续生产过程控制中，将偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)通过线形组合构成控制量，对控制对象进行控制。在常规 PID 的应用中，P、I、D参数往往根据现场设备情况或调试经验人工设定的，通过调试实验改变参数以改变控制性能。PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、易于实现和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确立性，难以建立精确的数学模型，应用常规 PID 控制器不能达到理想的控制效果；而实际在实际现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规 PID 控制参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性较差。鉴于此情况，人们一直在研究 PID 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。2.1.1 PID 控制算法对温度的影响在控制过程中，由于来自外界的各种干扰不断产生，为了达到现场控制对象保持恒定的目的，就必须不断的进行控制。如果干扰使得控制对象发生变化，现场检测元件会将这种变化采集后，经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值进行比较得到偏差值，调节器会按此偏差并以预先设定的整定参数规律发出控制信号，去控制调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋于给定值，达到控制目的。2.1.2 PID 控制算法的介绍1. 比例、积分、微分环节常规的 PID 控制系统原理框图如下图 2.1 所示，系统由 PID 控制器和被控对象组成。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差： r t c t e tr tc t+_+_RiCfRf_+_K图 2.1（a） 比例积分微分（PID）电路CiUiUo微分（D）积分（I）比例（P）被控对象P+ e t r t c t图 2.1（b） PID 控制系统原理框图将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。PID 控制器各校正环节的作用如下： （1）比例环节： 比例调节的方程为： （2.1） pyKe t其中，为比例调节器的输出量，为比例系数，为调节器的输入或偏差值。 ypK e t而可表示成： e t 0e tVV t这里为设定的目标值，为 时刻的采样值。 0V V tt比例调节器的输出变化与输入偏差成比例。比例调节作用的大小除了与偏差有关 e t外，主要取决于比例系数的大小。越大，比例调节作用越强，反之则越弱。但对于pKpK大多数系统来说，太大时，会引起系统自激振荡。pK比例调节的优点是调节及时，只要偏差一出现，就能及时产生与之成比例的调节 e t作用。缺点是存在振荡，而且如果单纯采用比例调节，那么系统一定会存在静差。这是因为比例调节的输出正比于偏差值，若偏差为零，则输出也为零，此时系统不可能达到平衡。比例系数越小，过渡过程越平稳，但静差越大。比例系数越大，则过渡过程曲线振荡越厉害，当比例系数过大时，甚至可能出现发散振荡的情况。因此，对于扰动较大，惯性也较大的系统，若采用单纯的比例调节，就难以兼顾动态和静态的特性。 （2）积分环节： 积分调节的方程为： （2.2） 1iye t dtT其中，为积分时间。iT积分调节的主要特点是调节器的输出不仅取决于偏差信号的大小，而且还主要与偏差存在时间有关。只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除后，调节器的输出才不会变化。因此，积分作用能消除静差，这是它的主要优点。但它的主要缺点是动作缓慢，而且在偏差刚一出现时，积分作用很弱，不能及时克服扰动的影响，使被调参数的动态 偏差增大，调节过程变长。 （3） 微分环节： 微分调节的方程如下： （2.3） dde tyTdt其中，为微分时间。dT微分调节的主要特点是输出可以反映偏差的变化速度。因此，对于一个固定不变的偏差，不管其数值有多大，也不会有微分作用输出。所以微分作用不能消除静差，而只能在偏差发生变化时，产生调节作用。 2. 基本PID控制算法 对实际系统进行控制时，常将比例、积分和微分三种方法进行线性组合，构成PID控制，以达到较好的控制效果。一般模拟系统的PID方程为： （2.4） 1Pdide tPKe te t dtTTdt其中，为比例增益，为积分时间，为微分时间，为控制量，为测量值与给PKiTdTP e t定值的偏差。为了便于算法的实现，需将上面的微分方程做如下处理： 00ktjede j T 1de te ne ndtT其中，为采样周期，为采样序号，和分别为第和第次采样所Tn1e n e n1nn得的偏差。由此，式（2.1）可写成： （2.5） 01ndPjiTTP nKe ne je ne nTT为便于编程，可将（2.5）式改写成增量形式，即： 1P nP nP n 1212PidP nKe ne nK e nKe ne ne n（2.6） 其中，为积分系数， iPiTKKT为微分系数。 ddPTKKT整理后可得： 01212P nq e nq e nq e n（2.7）其中， 01dPiTTqKTT ， 121dPTqKT 。 2dPTqKT由上式（2.7）可以看出，控制量的大小除了与偏差、和有关外， e n1e n2e n还与比例增益、积分时间、微分时间和采样时间有关。因此，如何确定这些参PKiTdTT数是实现PID控制的关键所在。 2.1.3 PID 控制算法规律具有比例积分微分（PID）控制规律的控制器，称 PID 调节器。这种组合具有三种控制规律各自的特点，其运动方程为： （2.8） 0tpppiKde tm tK e te t dtKTdt相应的传递函数是： （2.9） 2111piicpiiKT sTsGsKsTsTs 11piKsTs E s R s C s M s图 2.2 PID 控制器PID 控制器如图 2.2 所示。 若 ，式（2.9）还可以写成： 4 /1iT （2.10） 1211pciKssGsTs式中： 114112iiTT214112iiTT由式（2.10）可见，当利用 PID 控制器进行串联校正时，除了可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负实零点。与 PI 控制器相比，PID 控制器除了同样具有提高系统的稳态性能优点外，还多提供一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。因此在工业控制过程中，广泛应用 PID 控制器。PID 控制器各参数的选择，在系统现场调试中最后确定。通常，应使 I 部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而使 D 部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统的动态特性。62.2 PID 控制算法的参数整定对于一个被控系统一般要求过程超调量小、调整时间短、没有静差，要达到这样的一个效果，合理的选择 PID 调节器的各个参数是十分重要的。在 PID 调节器中，需要整定的参数有比例系数、积分系数和微分系数。如PKiKdK何合理的选择采样周期 T，也是影响系统性能的重要因素。 PID 参数的整定有很多方法，这里就凑试法做简单介绍。凑试法是通过模拟或闭环运行，观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应。PID 各参数对系统的影响可概括如下：1.增大比例系数一般讲加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过PK大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定变坏；2.减小积分系数由利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除iK将随之减慢；3.增大微分系数也有利于将加快系统的响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统dK对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在了解 PID 各参数对控制过程的影响趋势之后，采用凑试法对参数进行整定时，一般遵照如下步骤：1.首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大并观察响应的系统响应，知道得到反应快、超调量小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线以属满意，那么只需用比例调理器即可，比例系数可由此确定。2.如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分环节系数为一较小值，并经第一步整定得到的比例系数略为缩小（一般为iK原来的 0.8 倍） ，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。一般应调整，使响应曲线的衰减比为 4:1。iK3.若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程反复调整仍不能满意，则可加入微分环节。调整时可先置微分系数为零，在第二步整定的基础上，增大，同时响应的改dKdK变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。 在整定中观察到曲线振荡很频繁，需把比例系数减小以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期，需把比例系数增大。当曲线波动较大时，应增大积分时间即减小积分系数；曲线偏离给定值后，长时间回不来，则需减小积分时间即增大积分系数。如果曲线振荡得厉害，则需把微分作用减到最小，或者暂时不加微分作用，以免更加加剧振荡；曲线最大偏差大而衰减慢，需把微分时间加长，一直调到过度过程两个周期基本达到稳定，品质指标达到工艺要求为止。 3 PID 炉温控制器的设计3.1 系统的总体描述电阻炉温度控制系统包括单回路温度控制系统和双回路温度控制系统。本章就单回路温度控制系统作介绍。单回路电阻炉温度控制系统主要由计算机、采集板卡、控制箱和加热炉体组成。由计算机和采集板卡实现温度采集、控制算法计算、输出控制、监控画面等主要功能。控制箱装有温度显示与变送仪表、控制执行机构、控制量显示、手控电路等。加热炉体有民用烤箱改装，较为美观，适合实验室应用。单回路电阻炉温度控制系统主要性能指标如下：1. 计算机采集控制板卡 PCI-1711： A/D 12 位 输入电压 05V D/A 12 位 输出电压 05V2. 控制及加热箱： 控制电压 0220V 控制温度 20250 测温元件 PT-100 热电阻（输出：直流 05V，或 420mA） 执行元件 固态继电器（输入：直流 05V，输出：交流 0220V） 单回路温度控制系统是一个典型的计算机控制系统，其硬件结构图如图 3.1 所示外部设备计算机PCI 总线接口A/D 转换器电阻炉D/A 转换器测量变送执行机构模拟量输出通道模拟量输入通道输入输出通道PCI1711 数据采集板固态继电器PT100 热电阻过程装置计算机系统3.2 硬件系统设计图 3.1 电阻炉温度控制系统硬件结构图系统的硬件设计包括传感器、执行器、A/D 和 D/A 的设计，而 PCI 总线接口属于计算机的系统总线，下面分别加以介绍。1. 传感器设计温度传感器有热电阻和热电偶，热电阻的最大特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。系统中电炉的温度被控制在 0250，为了留有余地，我们要将温度的范围选在 0400，它为中低温区，所以本系统选用的是热电阻 PT100 作为温度检测元件，实物如图 3.2 所示。热电阻集成了温度变送器，将热电阻信号转化为 05V 的标准电压信号或 420mA的标准电流信号输出，供计算机进行数据采集。热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性制成的温度传感器。热电阻传感器按其制造材料来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类；按其结构来分，有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻；按其用途来分，有工业用热电阻、精密的和标准的热电阻。热电阻传感器主要用于对温度和温度有关的参数进行测量。下面分析一下热电阻的测温原理。金属体热电阻传感器通常使用电桥测量电路，如图 3.3 所示。 R2R1R4R3RCEUo图 3.2 PT100 热电阻 图 3.3 电桥测量原理图 测量电路原理分析如下：对于铂电阻，在 0850范围内有非线性关系，试中为201tRRAtBt0R0时铂电阻值，为 t铂电阻值，纯度时，tR1000/1.1391RR 33.96847 10A。写成增量形式为：55.847 10B （3.1）200ttRRRRAtBt或者 （3.2）204/2tAAB RRtB图中所在的桥臂为工作桥臂，其中为 PT100，R 和 C 为低通滤波器。电桥输出的电tRtR压为 （3.3）30234ttRRUERRRR由于，代入式（3.3）则可以得到0324,RR RRR （3.4）000ttR RUERRRRR或者 （3.5） 20000tURRRERURR对热电阻信号进行变送处理，变成适应于计算机采样的标准信号 05V 或420mA。一种典型的采集变送电路如图 3.4 所示。图中为美国模拟电子公司（AD）4U生产的集成仪用放大器 AD620，其原理和引脚图如图 3.5 所示。其增益和外接电阻ADK的关系如下：GR （3.6） 149.4/ADGKkR 失调电压为 125，频带宽度为 120kHZ。V设高精度仪用放大器构成的放大电路放大倍数为，则放大器的输出为1K （3.7） 210UKUAD 转换输出量为 （3.8）20REFUNNV 32647851U4R2R3R4RtPT100VCC-5VCCRgR5C3AINO图 3.4 热电阻采集变送原理图 12348765AD620Rg-IN+IN-VsRg+VsOUTPUTREFAD620AREFERENCERg0.449KTOP VIEW图 3.5 AD620 原理图和引脚图AD620 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。最大输入偏置电流为 20mA，这一参数反映了它的高输入阻抗。AD620 在外接电阻时可实现GR11000 范围内的任意增益，其工作电源范围为，最大电源电流为 1.3mA，2.318V最大输入对于 12 位的 AD 采集器，有为参考电压。将式（3.7）和式（3.8）带入式04096,REFNV（3.5）和式（3.2） ，可以得到 （3.9）20120tN RRRK K ERN RR （3.10）12112ANtCBCN 式中:， ， 02REFNKU01204B RRCA R1220K K ERCRR对于特定的铂热电阻，其纯度为时可准确测量，对应的 A、B 系数可1000/1.1391RR 以查有关的手册获得；为 AD 转换系数，与和有关，可以准确标定；R 为电桥2K0NREFV电阻可以选用精密电阻，保证其精度。E 为电桥供电电源，为电压放大器的倍数，这1K些参数是已知的。只要测量 N 的值就可以精确计算被测温度值。2. 执行器设计执行器选用交流固态继电器，它是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两个端子为输出控制端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离（浮空） 。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态） ，从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触电，可实现相当常用的机械式电磁继电器一样的功能。固态继电器实物如图 3.6 所示 图 3.6 固态继电器固态继电器（solid state relays） ，简写成“SSR”是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关” ，它问世于 20 世纪 70 年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多工作领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。SSR 按其使用场合可以分为交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关。3. A/D、D/A 模块设计A/D 和 D/A 选用 PCI-1711 数据采集集成板卡，该板卡是一款功能强大的低成本多功能 PCI 总线数据采集卡，具有 16 路单端模拟量输入；12 位 A/D 转换器，采样速率可达100kHZ；每个输入通道的增益可编程；自动通道/增益扫描；卡上 1KB 采样 FIFO 缓冲器；2 路 12 位模拟量输出；16 路数字量输入及 16 路数字量输出；可编程触发器/定时器。4. PCI 系统总线PCI（peripheral component interconnect）总线是一种高性能局部总线，是为了满足外部设备间及外部设备与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传速率要求较高的应用中，采用 PCI 总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。从 1992 年创立规范到如今，PCI 总线已成为了计算机的一种标准总线。总线构成的PCIPCIBridgeCPUVGANBSBSuper IOSCSIBIOSLANUSBIDNDIMMKB.MS.FDD.COM.PRT.PCI Bus 32bit/33MHzAGPISA Bus到 CPU 的高宽带数据网络高宽带的 DMA 通路图 3.9 典型 PCI 总线构成标准系统结构如图 3.9 所示，其特点如下。（1） 数据总线 32 位，可扩充到 64 位。（2） 可进行突发（burst）式传输。（3） 总线操作与处理器-存储器子系统操作并行。（4） 总线时钟频率 33MHz 或 66MHz，最高传输速率可达 528Mbit/s。（5） 中央集中式总线仲裁。（6） 全自动配置资源分配：PCI 卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息，可实现即插即用（PNP） 。（7） PCI 总线规范独立于微处理器，通用性好。（8） PCI 设备可以完全作为主控设备控制总线。（9） PCI 总线引线：高密度接插件，分基本插座（32 位）及扩充插座（64 位） 。3.3 控制系统设计如前所述，单回路温度控制系统是一个典型的计算机控制系统，其控制系统结构可以化为图 3.10 所示。()()0() R z()()T Y s()图 3.10 电阻炉温度控制系统结构图 3.10 中为电阻炉传递函数模型，为零阶保持器，为数字控制器传()0()()递函数模型。电阻炉一个典型的纯滞后一阶惯性环节，其传递函数模型为 （3.11） 11sKW seTs模型参数为放大系数，滞后时间，时间常数（变送器、固态继电器及电阻炉K1T的比例系数乘积） 。这三个模型参数可以通过参数估计的方法得到。利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数的方法如下:将被控对象电阻炉进行开环控制，开环控制系统结构图如图 3.11 所示，在电阻炉对象输入阶跃信号，得到 0r t对象的阶跃响应曲线如图 3.12 所示，由阶跃响应曲线求解出、和三个参数的值，K1T进而得到被控对象电阻炉的传递函数模型。 W s电阻炉热电阻变送器A/D 板计算机图 3.11 开环控制系统结构AC(0)()T1B2P00.63()0.28()()tt10图 3.12 对象开环阶跃响应曲线（a）（b）参数求解方法如下：（1）过程的静态放大系数 （3.12） 00yyKr 式中为稳态误差，为初始温度，为给定阶跃信号。 y 0y0r（2）过程时间常数和滞后时间的求法1T过图 3.12（a）响应曲线的拐点 P 作切线，交与时间轴与 B 点，交其稳态值的渐近线于 A 点，A 点在时间轴上的投影为 C 点，怎 0B 为过程容量滞后时间，BC 为过程 y 的时间常数。1T图 3.12（b）是当阶跃响应曲线上的拐点不易确定时，直接取阶跃响应曲线稳态值的 28%和 63%所对应的时间 和，再按下式计算滞后时间和时间常数： y 1t2t1T （3.13）11/3tT （3.14）21tT求解这两个方程，可得到和的值。1T通过实验可得一组数据 ，40136040320T 0185r 180y 042y从而得到 00180421380.746185185yyKr 于是电阻炉的传递函数模型如下： （3.15） 400.7463201seW ss控制器采用位置式 PID 控制算法： D z （3.16） 111212pidu ku ku ku kKe ke kK e kKe ke ke k在整个控制过程中，控制量的值有控制量，误差量、 u k1u k e k1e k ，以及控制参数、来决定。PID 实时控制算法流程如图 3.13 所示。2e k pKiKdK算法中的“标度变换系数”指实际物理量与检测量（或控制量）之间的转换倍数。如本系统中温度范围为 0400，而热电阻 PT100 在经过变送器变换后得到 05V 的输出电压，所以实际温度与控制电压有 80 倍的转换关系，即标度变换系数。一般来说，若被测参数与 A/D 转换结果之间呈线性关系，即 （3.17）0000mmyyxxyyxx式中:为实际工程测量值的转换结果；为倍测量参数量的最大值；为被测参数量的ymy0y选择 PID 参数调整参数，；输入给定()采样()()*标度变换系数1()() - ()()()= ( - 1)+ ()- ( - 1)+ *()+ ()- 2*( - 1)+ ( - 2)( - 1)( - 2)，()( - 1)，()( - 1)()*标度变换系数2()；输出()绘制炉温实时曲线；，() + 1停止开始运行结束NNYY图 3.13 PID 算法流程最小值；为实际采样测量的数字量；为采样测量的量程上限对应的数字量；为采xmx0 x样测量的量程下限对应的数字量。则在、和、均已知的情况下，可计算出0 x