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电气电子毕业设计论文
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毕业设计166球磨机给矿控制策略研究,电气电子毕业设计论文
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第 i 页 球磨机给矿控制策略研究 摘 要 本 文研究课题为球磨机给矿控制系统策略研究 。本文介绍了酒钢选矿厂磨球机给矿控制，主要从控制原理，工艺过程，磨矿分级过程，特别是对于磨球机给矿 PID 控制策略 ,控制系统组态 ,PLC软件等方面做了详细的叙述。 磨矿是粉碎过程的最后一阶段，在此阶段，颗粒是靠冲击 和摩擦两者联合作用而破碎的； 或是干磨， 或是水悬浮液中湿磨。 系统的总体设计：整个设计采用了集散控制系统对整个系统进行控制，上位机采用组态软件进行实时监控，下位机采用可编程控制器 PLC 进行现场数据采集 . 关键词 ： 组态王 ， 可 编程控制器 ， PID 控制器，系统仿真 nts 第 ii 页 Ball mill to the mine control strategy study Abstract The research topics is the ball mill to the mine control systems strategy study. This introduced Jiugang plants ball mill plane to the mine control, Mainly , the control theory, processes, milling classification process, especially for the plane to the mine ball mill PID control strategy, King View control systems, PLC software done a detailed description. Milling process is the final stage smash, at this stage, particles rely on the joint role of both the impact and friction broken; Or dry mill or water suspended in liquid Shimo. Systems design : the design adopted distribution control system for control of the entire system, King View software higher plane used for real-time monitoring, members of the PLC controller using a field programmable data collection. Keyword: King View, PLC, PID, System simulation nts 第 I 页 目录 1 绪论 . 1 1.1 课题来源与背景 . 1 2 球磨生产及工艺 . 2 2.1 球磨机简介 . 2 2.1.1 球磨机 . 2 2.1.2 工作原理 . 2 2.1.3 结构特点 . 3 2.1.4 用途和适 用范围 . 3 2.1.5 技术指标 . 3 2.2 磨矿工艺简介 . 3 2.2.1 工艺介绍 . 3 2.2.2 球磨控制系统： . 4 2.3 球磨系统各个部分选定 . 5 2.3.1 球磨系统输出 /输入参数选择 . 5 2.3.2 控制器的选择 . 5 2.3.3 执行机构的选择 . 6 2.3.4 检测装置 . 6 2.3.5 回路选择 . 6 3 球磨给矿控制设计 . 8 3.1球磨机浓度自动控制 . 8 3.2 PID控制概况 . 9 3.2.1 PID 控制的原理 . 9 3.2.2 PID 控制的特点 . 10 3.3 PID控制的理论分析 . 11 3.4 PID控制器的参数整定 . 13 3.4.1 PID 控制器的参数整定方法 . 13 3.4.2 本次设计用的整定方法 . 14 4 系统仿真 . 15 4.1电振系统仿真 . 16 4.1.1 系统数学模型的建立 . 16 4.1.2 控制算法的确立及初步整定 . 17 nts 第 II 页 4.1.3 该环节的系统仿真及参数修正 . 20 4.1.4 本节小结 . 27 5 组态 . 28 5.1 组态软件产生的背景 . 28 5.2 组态王组态软件的应用现状及发展前景 . 29 5.3 组态王的优点 . 29 5.4组态王的工作原理 . 31 5.5 认识组态王程序组成员 . 32 5.6组态王监控画面制作 . 33 5.6.1 创建应用程序 . 33 5.6.2 进入开发环境 . 34 5.6.3 创建窗口 . 34 5.6.4 创建图形对象 . 34 5.6.5 制作动画链接 . 35 5.6.6 脚本语言 . 36 5.6.7主操作画面 . 37 6 可编程序控制器 PLC . 39 6.1 PLC的简介 . 39 6.1.1 可编程控制器的产生 . 39 6.1.2 可编程控制器的发展与展望 . 40 6.1.3 可编程控制器的特点 . 42 6.1.4 PLC 的构成 . 43 6.2 控制系统 PLC程序设计 . 45 6.2.1 PLC 的工作原理 . 45 6.2.2 PLC 的编程语言 . 48 6.2.3 PLC 控制系统设计的设计原则 . 48 6.2.4 PLC 控制器设计的基本步骤 . 48 6.2.5 程序设计 . 50 6.3 PID指令编程 . 54 7 总结 . 57 参 考 文 献 . 58 致 谢 . 59 nts 第 1 页 1 绪论 球磨系统是粉碎工艺中的一个重要的环节，它广泛的应用于现代生产中，在现代工业和科学技术等方面起着重要作用。 进入 20世纪以来，球磨系统这一学科得到了突飞猛进的发展，随着检测手段的进步，人们应用定量技术，电子显微技术和 x 射线等揭示出更加精密的检测技术，对球磨以及给矿的一些基础理论的研究发挥了巨大的 作用。为了适应现代技术的要求，对控制策略提出了更高的要求。计算机及电子技术的发展，也带动了球磨设备及监测仪器的智能化，使得球磨的工艺的参数的控制更精确更合理。现代球磨新技术广泛得到应用。 磨矿自动控制系统主要用于冶金、水泥、电力等行业球磨机的自动控制，它能提高选厂球磨设备自动化程度，提高球磨机处理量，减少胀肚恢复时间，保证磨矿浓度、溢流浓度和粒度的合格率。 磨矿作业投资大，生产成本高，它决定着选矿厂的生产技术指标和经济指标。磨矿自动控制系统开发可以稳定生产，提高选矿过程作业指标，节能降耗。因此，在选矿生产作 业中，磨矿分级居首要地位 ,是选矿厂最重要的生产环节。 1.1 课题来源与背景 酒钢选矿厂现有 22座 100立方米竖炉、 8个磨矿系列、 10台 SHP 3200型强磁选机、 5台 50 米浓缩机， 18台过滤机及配套的矿石输送和动力供应系统，形成块矿还原焙烧磁选和粉矿强磁选两大生产工艺流程，设计年处理原矿 500万吨， 2005年预计处理铁矿石 511万吨、生产铁精矿 266万吨。 本次扩能改造方案设计处理铁矿石为 650万吨，年生产铁精矿为 333万吨。增加的主要设备有： 4 台 100 立方米的双层燃烧室竖炉； 4 台直径为 3235 的球磨机； 9台 SLON2000 型高梯度强磁选机； 6台旋流器机组； 2座 25米高效浓缩大井等。 根据酒钢选矿扩建自动化系统的要求，设计系统稳定可靠的硬软件。 我小组负责球磨机给矿控制策略。 nts 第 2 页 2 球磨生产及工艺 2.1 球磨机简介 2.1.1 球磨机 磨矿工艺使用最广泛的是园筒型磨矿机，在园筒内装入一定数量的不同形状和大小的研磨体 (或磨矿介质 )，例如 :球，棒，短园柱，或较大的矿石 ,砾石等；被磨的物料 (矿石 )装入园筒后 ,筒体以一定的速度旋转，使研磨体被带动而产生冲击和研磨作用，达到把物料磨碎的目的。如图 2.1所示。 图 2.1 球磨机 2.1.2 工作原理 球磨机的工作原理是在起转动的内部装有一定数量的研磨 介质 -钢球，当转动部转动时，钢球在离心力和摩擦力的作用下，被转动着的筒体提升到一定高度，由于自身重力的作用而下落，进入筒体的矿石或各种适磨物料在下落的钢球的冲击和研磨作用下形成粉末。 卧式筒形旋转装置，外沿齿轮传动，物料由进料装置经入料中空轴螺旋 均匀地进入磨机第一仓，该仓内有阶梯衬板或波纹衬板，内装不同规格钢球，筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用。物料在第一仓达到粗磨后，经单层隔仓板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，内有钢球，将物料进一步研磨。粉状物通过卸料板排出，完成粉磨作业。 nts 第 3 页 2.1.3 结构特点 由给料部、出料部、回转部、传动部（减速机，小传动齿轮，电机，电控）等主要部分组成。中空轴采用铸钢件，内衬可拆换，回转大齿轮采用铸件滚齿加工，筒体内镶有耐磨衬板，具有良好的耐磨性。本机运转平稳，工作可靠 。 2.1.4 用途 和适用范围 磨矿是粉碎过程的最后一阶段，球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。 在此阶段，颗粒是靠冲击和摩擦两者联合作用而破碎的；或是干磨，或是水悬浮液中湿磨。 球磨机适用于粉磨各种矿石及其它物料 。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑色与有色金属选矿以及玻璃陶瓷、 选矿 、 建材及化工 等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行加工。 可分为干和湿式两种磨矿方式。根据排矿方式同，可分格子型和溢流型两种 。 2.1.5 技术指标 球磨机的主要技术指标是：台时处理量，磨矿浓度，溢流浓度和粒 度。这些指标除了受原矿的矿质，粒度影响以外，排矿水量，返砂水量，球荷球比，球磨机充填率是影响球磨机技术指标的主要参数。它们之间是彼此制约，互相联系的。返砂水量和排矿水量的配比直接影响球磨机的台时处理量，磨矿粒度，溢流浓度和粒度的大小，而水量的大小是受原矿的矿质及矿量的大小影响的，矿质不同，排矿水量与返砂水量不同。 2.2 磨矿工艺简介 2.2.1 工艺介绍 球磨是冶金行业选矿过程中一个复杂而又重要的生产环节，矿石在球磨机内受钢球的作用被研磨成粒度在几十 m 左右的细矿。生产过程中，要实时监控给矿量、给水量以 及加球量等诸多因素，才能达到最佳的磨机生产率，而影nts 第 4 页 响磨机生产率的主要操作因素是球磨机的磨矿浓度。 磨矿工艺中，矿石经破碎（一般在十几毫米以下）经过竖炉焙烧系统后被送到圆筒料仓，再送入球磨机进行研磨。 球磨过程中需要补加水和钢球，研磨后的矿浆给入分级机进行分级。 分级返矿（粗矿）返回球磨机进行再磨，合格矿浆（细矿）溢流送入下道作业工序。整个工艺流程如图 2.2 所示。 图 2.2 球磨工艺流程图 2.2.2 球磨控制系统： 球磨控制系统：实现球磨机给矿量及磨矿浓度的闭环控制，达到控制 磨矿粒度的目的。 整个工程如图 2.3所示。 nts 第 5 页 图 2.3 球磨给矿系统图 2.3 球磨系统各个部分选定 一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。 2.3.1 球磨系统输出 /输入参数选择 工艺要求按一般工作能力在一个小时要求下矿 60 吨（考虑最大工 作能力要求下矿 100 吨）磨矿需要加有一定比例的水，以保证 75%的浓度。因此此系统是通过实现对给料量，给水量的控制从而实现对球磨浓度的控制。以保证磨矿的浓度，从而满足工艺要求。由此可确定被控量是给矿量，给水量。输入给定是 75%的浓度值，输出是满足要求的矿。 2.3.2 控制器的选择 目前， PID控制及其控制器或智能 PID控制器（仪表）已经很多，产品已在nts 第 6 页 工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其 中 PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器 (PLC)，还有可实现 PID控制的 PC系统等等。 可编程控制器 (PLC) 是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制功能。 PID 控制器原理易懂，操作易实现PID控制具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点，在工业生产中得到广泛应用 ，故选 PID控制。 2.3.3 执行机构的选择 控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系 统执行机构是不一样的。 在球磨系统中，由储料仓下料通过电振均匀下料，为使下料均匀选用电振作执行机构。 2.3.4 检测装置 选用核子秤，电磁流量计。 核子秤测出给矿量，电磁流量计测水量。 皮带核子秤信号要进入控制系统中来，用于检测磨机给矿量的瞬时值和累计处理量。 2.3.5 回路选择 自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。 （ 1）开环控制系统 开环控制系统 (open-loop control system)是指被控对象的输出 (被控制量 )对控制器 (controller)的输出没 有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量返送回来以形成任何闭环回路。 （ 2）闭环控制系统 闭环控制系统 (closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输nts 第 7 页 出 (被控制量 )会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统 ，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。 闭环回路能够测量反馈给输入，进行调节达到良好的控制效果。因此选用闭环。 得到控制框图 2.4 图 2.4 控制框图（ 1） 图 2.4 控制框图（ 2） nts 第 8 页 3 球磨给矿控制设计 此次毕业设计是针对球磨机给矿控制系统，即按一般工作能力在一个小时要求下矿 60吨（考虑最大工作能力要求下矿 100吨）加一定比例的水，以保证75%的浓度。因此此系统是通过实现对给料量，给水 量的控制从而实现对球磨浓度的实现。以保证 75%的浓度，从而满足工艺要求。 控制思想：上位机使用组态王，实现实时监控。下位机采用智能模块 PLC。 3.1 球磨机浓度自动控制 磨矿浓度以球磨机中矿石的重量占整个矿浆重量的百分数表示。矿浆愈浓，它的粘性愈大，流动性较小，通过球磨机较慢。在浓矿浆中，钢球受到的浮力较大，它的有效比重较小，打击效果也较差，但浓矿浆中含的固体矿粒较多，被钢球打着的物料也较多。稀矿浆的情况恰好相反。只有磨矿浓度适当时，磨机生产率才会最高。 所以，在磨矿过程中需严格控制加水量，保证球磨 机内合适的磨矿浓度。对给水量的实时控制，成为磨矿浓度控制的关键所在。 一般而言，若矿量已基本稳定，系统按比例进行给水控制，可以初步稳定球磨机内的浓度。但在生产过程中，除给矿外，分级机还有返矿。目前国内大多数选矿厂受原工艺条件限制，无法安装流量计和浓度计对分级返矿量进行检测。若仅以固定比值进行给水控制，难以保证球磨机浓度，甚至会造成磨机“胀肚”，影响设备正常运行。 磨矿系统要求矿和水两种物料流量的比值要随浓度的变化而变化，决定采用变比值控制方案。系统工作时，按当前给矿量比例控制给水。在给水管路上安装电动阀和 流量计，构成给水闭环控制。 当浓度发生变化时，浓度控制器的输出将修改比例系数 K，从而修改了给水闭环的给定值，给水闭环及时调节给水量，保证浓度相对稳定。 控制框图 3.1 如下： nts 第 9 页 控 制 器1 # 2 # 3 # 4 # 电 振 给 矿 机核 子 称K电 子阀电 磁 流 量 计球 磨 机给 定水水控 制 器图 3.1 球磨系统控制框图 3.2 PID 控制概况 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 依据对系统偏差的比例 (P-Proportional)、积分 (I-Integral)和微 分(D-Derivatation)的线性组合来对被控对象进行控制，就是著名的 PID控制。 PID控制自 1922 年出现以来，至今己得到很大发展，其改进形式层出不穷，多种多样。首先，就工程实现的方法而言， PID 调节器可分为模拟 PID调节器和数字 PID 调节器。模拟 PID 调节器主要应用于早期的 PID 调节回路中，随着科技的发展，这种模拟调节器己经很少再使用。数字 PID 调节器随着大规模集成电路 (LSIC)和超大规模集成电路 (VHSIC)的出现，数字计算机越来越小型化，价格愈来愈便宜，其极高的运算速度、强大的记忆能力和灵 活的逻辑判断功能，使它不仅在数据处理、科学计算等方面得到广泛应用，而且在工业自动控制中也发挥越来越重要的作用。因此，现在的数字 PID调节器均采用了计算机芯片，用软件实现 PID 控制规律的数字化，灵活多样的控制方式能满足工业生产过程各式各样的要求。 3.2.1 PID 控制的原理 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，nts 第 10 页 简称 PID控制，又称 PID调节。 当前， PID控制仍为工业过程的主流控制算法。增量型 PID控制算法表达式为： )(u k PK e(k) e(k )IKe(k) DK e(k) 2e(k ) e(k2) （ 3.1） 式中 k为采样序列号 ,k=1,2, (k)为第 k 次采样时刻的计算机输出值 ; 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括 三个部分： 测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，才能更好地纠正系统。 模拟 PID调节器：在工业控制系统中，常常采用如图 3.2 所示的 PID控制，其控制规律为 01 ( )( ) ( ) ( )t d e tu t K p e t e t d t T dT i d t （ 3.2） 对应的模拟 PID调节器的传递函数为： )11()( )()( T d sT isKpsE sUsD （ 3.3） 其中 Kp 为比例增益， Kp 与比例 成倒数关系即 Kp=1/ ， Ti 为积分时间常数， Td为微分时间常数， u(t)为控制量， e(t)为偏差。 r(s) e(s) u(s) y(s) 图 3.2 PID 控制系统 3.2.2 PID 控制的特点 PID控制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不D(s) 被控对象 nts 第 11 页 能完全掌握，或得不到精确的数 学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有PI和 PD控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 3.3 PID 控制的理论分析 在“现代控制理论”兴旺发达的六七十年代，曾有不少学者预言 :终会有那么一天，“现代控制理论”给出的新型控制器将会取代经典调节理论给出的 PID 控制器。然而三十多年来的控制工程实践并没有应验那些学者们的预言， PID控制器仍顽固地坚守着自己的阵地，相反“现代控制理论”提供的控制器却遇到了难题而处于控制工程中的劣势地位，至今在过程控制中 80 %-90%用的仍是PID控制器。严酷的现实不能不使人们对“现代控制理论”和“经典调节理论”予以重新评价。不能不使人们对数十年来经久不衰的 PID控制器进行重新认识。 现在，对常规 PID控制分析如下 : A. 比例控制 比例（ P）控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出 存在稳态误差（ Steady-state error）。 比例控制是对偏差进行控制，误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 PK 。但单纯的比例控制存在静差不能消除的缺点。增强比例控制作用可减小静差，提高对象响应的快速性，但 PK 过大会导致被控对象动态特性变差，甚至可能会使系统不稳定。 B. 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一 个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随nts 第 12 页 着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 积分控制实质上是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。积分控制的缺点是它具有滞后特性，并使系统阶次增加，作用太强还会使被控量动态特性恶化。 C. 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑 制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 微分控制能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微 分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应用中，应慎用微分控制。 从上述对常规 PID控制规律的剖析可见，比例、积分和微分三种控制作用各有特点。对于一般系统，由于能通过比例和微分作用抑制积分作用带来的滞后特性，通过比例和积分作用保证其响应的准确性以及通过微分作用改善比例和积分作用带来的稳定性恶化问题，故可在对比例、积分和微分三种控制作用折中处理后进行控制。但是，不难看出，三种控制作用存在着严重的相互抵消的现象。因此，常规 PID控制不能兼顾被控对象的动态品质和静态特 性。换言nts 第 13 页 之，常规 PID控制不能使被控对象响应即“快”又“准”且“稳”地跟踪参考输入。 3.4 PID 控制器的参数整定 3.4.1 PID 控制器的参数整定方法 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖 工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时 的比例放大系数和临界振荡周期 (3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID控制器的参数。 在 PID 参数进行整定时如果能够有理论的方法确定 PID 参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定 PID 的参数。 增大比例系数 P 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间 I 有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 增大微分时间 D 有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定 性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。 在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。 nts 第 14 页 首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小 (一般缩小为原值的 0.8)，然后减小积 分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。 如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间 D 设置为 0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。 3.4.2 本次设计用的整定方法 PID 控制器三参数的整定：参数的整定方法也有许多，有理论整定方法和工程整定方法。在该设计中，我们选择理论 整定方法中的 Ziegler-Nichols 方法。该方法是 Ziegler 与 Nichols 共同发展的，该方法基于简单的稳定性分析方法。首先，置 Kd=Ki=0，然后增加比例系数直至开始振荡（即闭环系统极点在 jw 轴上）。再将该比例系数乘 0.6，而其他参数按下式计算得出 K p W mKiWmKpKdKpKp ,4,6.0式中： Km 为系统开始振荡时的 K 值； Wm 为振荡频率。尽管该设计方法在设计过程中没有考虑任何特性要求，但是实践证明， Ziegler-Nichols 方法得到的参数，使过程控制器具有良好的工作性能。 利用根轨迹 方法可以确定 Km 和 Wm。例如，对于给定的被控对象的传递函数，可以得到一根轨迹图。对应穿越 jw 轴时的增益 Km，而此点的 w 值即为Wm。在系统仿真一章中就是利用此方法来求 PID 的三参数的，通过 Matlab 编程来求的。得到 PID 三参数之后，通过 simulink 仿真的到较为理想的参数值。 nts 第 15 页 4 系统仿真 所谓控制系统计算机仿真就是以控制系统的数学模型为基础，借助计算机对控制系统的动静态过程进行实验研究，是借助数字计算机实现对控制系统的仿真分析。这种实验研究的特点是：将实际系统的运行规律用数学表达式加以描述，它通常是一组 常微分方程或差分方程，然后利用计算机来求解这一数学模型，以达到对系统进行分析研究的目的。所以，为了满足 系统 性能要求，需要建立相应的数学模型，对系统进行仿真分析。 过程控制系统设计时选择控制通道，确定控制方案 ,分析质量指标，探索最优工作状况以及调节器参数的最优控制都是以被控过程的数学模型为重要依据的。尤其是要实现工业生产过程的最优控制，更需要充分掌握过程的数学模型。因为设计最优控制的基本内容是根据被控过程的数学模型和预定的性能指标，在一定的约束条件下选择最优的控制作用，使被控过程的运行情况对预定的性能指标来说 是最优的。所以建立数学模型是实现最优控制的前提。通过对生产工艺设备数学模型的分析和仿真，可以确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。通过仿真对过程数学模型进行实验研究，尤其是一些复杂的生产操作过程，如大型电站机组的运行，不需要建立小的物理模型，只要根据过程的数学模型，通过计算机进行仿真试验研究。 对控制系统进行计算机仿真的基本过程包括：首先建立系统的数学模型，因为数学模型是系统仿真的基本依据，所以数学模型极为重要，一般而言，数学模型不仅包括控制对象的模型，而且还包 括控制器以及组成系统其他部分的数学模型；然后根据系统的数学模型建立相应的仿真模型，一般需要通过一定的算法或数值积分方法对原系统的数学模型进行离散化处理，从而建立起相应的仿真模型，这是进行控制系统仿真分析的关键步骤；最后根据系统的仿真模型编制相应的仿真程序，在计算机上进行仿真实验研究并对仿真结果加以分析。以达到系统的性能要求。 nts 第 16 页 4.1 电振系统仿真 4.1.1 系统数学模型的建立 过程控制系统的品质，是有组成系统的过程和过程检测控制仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型，对于实现生产过程自动化有着十分重要的意义。可以这样说，一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。 被控过程的数学模型，是指过程在各输入量 (包括控制量和扰动量 )作用下，其相应输出量 (被控量 )变化函数关系的数学表达式。 数学模型的建立的方法很多，既可以用系统辩识来确定系统的参数，从而建立系统的数学模型；也可以用过程控制理论中的一些方法来建立系统的数学模型，用实验的方法来建立系统的数学模型，如：飞升曲线通过实验的方法即给该环节输入 单位阶跃，通过输出找到该环节的时间延迟。 若有实际对象，我们可以直接用上述一些方法来建立该对象的数学模型。但在该设计中，球磨机给矿控制系统工艺流程总画面中的电振环节，我们没有实际对象进行建模，只有通过对实际对象的要求来模拟系统，建立系统的数学模型。系统要求在一小时内积累矿量 60 吨，由于皮带传输需要一定时间因此需要时间延迟，一般此系统选取滞后时间常数 3 秒。根据这一特点此系统属于积分环节。因此，我假定该环节对象的数学模型为： seTsK 3。 参数的确定： 给水量与给矿量按 75%的比例混合，因此 水量矿量矿量 =75%，由此得到水量和矿量按照 3： 1的比例混合。 本系统工艺要求：在一小时下料 60吨， 根据工艺要求球磨系统给矿量的控制是一个积分环节 nts 第 17 页 设余量 100吨，设比例系数为 K 因此： K 10036000dt 103 ； K 3600 =100 103 ； 所以， K 778.27 ，令 K=1； 则： 即 D/A 送出 010MA的电流，对应电振每秒钟输出矿料 27.778kg。因此得到模型 seS 378.27 如 图 . 图 4.1 模型图 4.1.2 控制算法的确立及初步整定 对于一个系统对象来说，若不用控制器对其进行调节，一般来说，该系统的性能指标是达不到用户或该系统的设计制造单位所提出的性能要求。所 以，在设计系统时，一般情况下都必须设计控制器对设计对象进行控制。 MATLAB求三参数：以下是程序：。 T=10; tol=3; num=2.778; 778.27nts 第 18 页 den=1 0; g=tf(num,den,inputdelay,tol); G=c2d(g,T,zoh); rlocus(G); km,pole=rlocfind(G); %取邻接增益 wm=imag(pole(1); %取临界频率 kp=0.6*km kd=kp*pi/(4*wm) ki=kp*wm/pi Td=kd/kp Ti=kp/ki nk=kp,kd,ki; dk=1 0; Gc=tf(nk,dk) %求 PID 传递函 Select a point in the graphics window 选择一个点 selected_point = 0.0089 + 0.6677i 计算结果 nts 第 19 页 kp = 0.0308 kd = 0.0370 ki = 0.0064 Td = 1.1999 Ti = 4.7996 传递函数： Transfer function: 0.03085 s2 + 0.03701 s + 0.006427 - s 根轨迹图 .如下： nts 第 20 页 图 4.2 根轨迹图 一个系统不进行参数整定 ，该系统的性能是永远也达不到系统性能要求的。因此，在该环节中必须加控制器对其进行控制。 通过上述方法求出 PID 控制器的三参数为 Kp=0.0308， Kd=0.0370，Ki=0.0064。 4.1.3 该环节的系统仿真 及参数修正 通过求得的 PID 三参数作为系统控制器的初步参数，按下图的形式对该系统进行初步的仿真，看该参数是否能够使系统的性能达到性能要求。 系统仿真的流程图如图 4.3所示： nts 第 21 页 图 4.3 仿真流程图 对 MATLAB设计出的 PID三参数进行 Simulink仿真，整定三参数： 系统给出的 PID 三参数值： Kp=0.0308;kd=0.0370;ki=0.0064;时仿真图如图 4.4 图 4.4 由图 4.4 可看出 PID 控制器中三项控制作用是相互独立的。比例控制的作用是通过 加大 Kp可以增加系统动态响应速度；积分控制的作用是消除系统的稳态偏差；微分控制作用与偏差变化速度成比例，能够预测偏差的变化，产生超nts 第 22 页 前控制的作用，以阻止偏差的变化，因而能够改善系统动态性能。由参数初步整定的系统仿真曲线图 .可以发现系统的超调过大，因而需要对该参数再次进行调整，从而减少超调，使系统趋于稳定。超调过大可说明调节器的积分时间太小，需要加大调节器的积分时间，即可以通过减少积分系数来减少超调。通过以上述参数为基础，在此基础上不断的进行系统仿真和修改控制器的三参数，不断的观察仿真曲线的变化情况，依据三 参数的控制作用，对三参数进行调节而最终得到比较满意的效果，满足系统的性能指标。 减小比例系数， Kp=0.03;kd=0.037 ;ki=0.01 时仿真图 . 图 4.5 由上图 4.5看出 减小比例系数，增加积分系数得到的图象变成了等幅震荡，因此要减小积分系数。 取 Kp=0.03;ki=0.008 仿真如图 4.6 nts 第 23 页 图 4.6 当 Kp=0.03;ki=0.006； kd不 变时： 图 4.7 震荡已明显减小，只是幅度不够，因此继续减小。 当 Kp=0.028;ki=0.
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