毕业设计（论文）基于PID控制器的中频烧结机温度控制系统设计

1、毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）基于基于 pidpid 控制器的中频烧结机控制器的中频烧结机温度控制系统设计温度控制系统设计学生姓名： 学 号：0615013114所在系部：电气信息系专业班级：06 自动化（1）指导教师：日 期：二一年六月毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书学 院工程技术学院指导教师职 称副教授学生姓名专业班级06 自动化（1）学 号0615013114论文题目基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统设计论文内容目标及进度要求一、设计内容：一、设计内容：针对中频烧结机的工作特性和控制要求，使用 pid 控制器，设计一中频烧结机的控制系统。包括系统硬件设计；

2、软件流程设计；写出设计说明书（论文） 。二、目标和要求：二、目标和要求：1、掌握 pid 控制技术的结构原理及设计方法，掌握数据采集、数据处理、数据传递等功能实现的设计方法，提高实际设计和查阅相关资料的能力。2、根据设计规范和要求，采用 pid 控制技术，完成烧结过程温度控制设计；设计重点内容为：烧结机温度检测及控制等功能实现的原理及方法。3、画出系统硬件结构图，确定所用硬件的规格型号，阐明各部分的功能和原理；4、编写相关应用程序的流程图，并作说明；5、阐述设计应用远景；给出设计实验结果。完成设计论文工作。三、设计进度安排：三、设计进度安排：1 4 周：收集相关资料，调查研究国内外 pid 控

3、制技术的发展和应用情况，了解中频烧结机的运行方法，进一步的学习相关理论知识；完成开题报告；5 7 周：初步方案的确定与设计；画出系统整体框架图；7 10 周：选择并确定系统硬件规格型号；确定设计参数；1013 周：编写应用程序流程；分析软硬件，编写设计说明书；1314 周：修改并完善毕业设计，编写设计说明书；1415 周：完成系统总体设计（论文） 。答辩指导教师签名：赵熙临 2010 年 1 月 15 日系 部审 核此表由指导教师填写 由所在系部审核毕业设计（论文）学生开题报告毕业设计（论文）学生开题报告课题名称基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统设计课题类型实践应用类指导教师赵熙临学

4、生姓名姜晓曦学 号0615013114专业班级06 自动化（1）本课题的研究现状、研究目的及意义烧结机适用于大型黑色冶金 烧结厂的烧结作业， 烧结就是将含铁原料、燃料、溶剂等，按比例配在一起，经过混均制粒，加水润湿后铺在烧结设备上，从上向下进行点火烧结，点火的同时烧结机下边开始抽风，混合矿中的燃料从上到下的进行燃烧的同时，将易融物质融化润湿难融物质，液体逐渐冷却将难融物质粘在一起，这个过程直到烧结机宣告结束。得到的块状物体叫烧结矿，也叫人造富矿。中频炉是一种将工频 50hz 交流电转变为中频（ 300hz 以上至 20k hz）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调

5、节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。例如，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。如果圆柱体放在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也没有产生有害气体、强光污染环境。 我们所要设计的中频烧结机就是使用中频炉的加热原理，

6、由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在铁矿石内自身产生，用中频烧结机进行烧结工作能更有效的利用能量，节约电能，在能源危机越发严重的今天，烧结机设备能量的利用率将对该设备的前景有着深远的影响。另外，该加热方式还有众多有点，比如熔化升温快、炉温容易控制、生产效率高 、炉子周围温度低、烟尘少、作业环境好。本课题所设计的温度控制系统是使用pid 控制器对中频烧结机的工作过程中温度变化做到精确控制， pid（比例积分微分）英文全称为proportion integration differentiation，pid 控制及其控制器或智能 pid 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的

7、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，成熟的 pid 控制仪表为我们温度控制系统的设计带来了很多方便。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。近日，中国金属学会组织科技成果评价会，对首自信公司与首钢京唐公司合作完成的“550烧结机智能闭环控制系统 ”项目给予了 “国际领先”的高度评价 。成功的设计出 基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统将具有深远意义，不仅能给予烧结机炉专业工人舒适的工作

8、环境，烧结本身也是个高耗能、高污染的生产过程，更先进的温度控制系统在节能环保方面也当大有作为，另外，烧结机对烧结过程的优化也将促进钢铁产能的提升。本课题的研究内容烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备，中频烧结机使用中频电磁感应原理加热，电磁感应过程中电流的大小将决定电磁感应产生热量的多少，对电磁感应过程中电流进行pid控制可以对中频烧结机的工作过程中温度变化进行控制。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

9、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。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）。在积分（i）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

10、的或简称有差系统（system with steady-state error） 。在微分（d）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。使用温度传感器，将烧结机中的温度作为控制参数传递给pid 控制器，然后由 pid 控制器使用正确的算法进行精确的控制，这样，烧结机的每一点温度变化都能得到准确及时的测量及控制。本课题研究的实施方案、进度安排1 4 周：收集相关资料，调查研究国内外 pid 控制技

11、术的发展和应用情况，了解中频烧结机的运行方法，进一步的学习相关理论知识；完成开题报告；5 7 周：初步方案的确定与设计；画出系统整体框架图；7 10 周：选择并确定系统硬件规格型号；确定设计参数；1013 周：编写应用程序流程；分析软硬件，编写设计说明书；1314 周：修改并完善毕业设计，编写设计说明书；1415 周：完成系统总体设计（论文） 。答辩。已查阅的主要参考文献1张惠宁，烧结设计手册m.北京：冶金工业出版社，1990.2贾艳，李文兴，铁矿石烧结生产m. 北京：冶金工业出版社，2006.3傅菊英,姜涛.烧结球团学m.长沙：中南工业大学出版社 1996.4黄友锐，曲立国. pid 控制器

12、参数整定与实现m.北京：科学出版社，2008.5陶永华，尹怡欣，葛芦生编著.新型 pid 控制及其应用m.北京:机械工业出版社,1998.6田淑珍，s7-200 plc 原理及应用m.北京：机械工业出版社，2009.7高鸿斌、赫孟合. 西门子 plc 与工业控制网络应用m,电子工业出版社，2006.8王永华，现代电气控制及 plc 应用技术m.北京：北京航空航天大学出版社，2008.9黄柱深，黄超麟.基于 plc 的高精度温度控制系统m.广州:广东省机械研究所,2006.10张扬.s7-200plc 原理与应用系统设计m.北京：机械工业出版社，2007.11肖宝兴.西门子 s7-200plc

13、的使用经验和技巧m.北京：机械工业出版社，2008.12张伟林.电气控制与 plc 综合应用技术m. 北京：人民邮电出版社，2009.13郑凤翼，郑丹丹. plc 控制系统梯形图和语句表m. 北京：人民邮电出版社，2006.14赵继文,何玉森.传感器与应用电路设计m.北京:科学出版社,2002. 15王家祯.调节器与执行器m.北京:清华大学出版社，2001.16徐学峰.传感器变送器测控仪表大全m.北京:机械工业出版社，1998.指导教师意见指导教师签名： 年 月 日毕毕业业设设计计（论论文文）学学生生申申请请答答辩辩表表课 题 名 称基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统设计指导教师(职

14、称)赵熙临（副教授）申 请 理 由本人已修完本科四年各专业课程的学习，并完成毕业论文，特申请本科毕业答辩学生所在系部电气信息系专业班级06 自动化（1）学号0615013114 学生签名： 日期：毕业设计（论文）指导教师评审表毕业设计（论文）指导教师评审表序号评分项目（理工类）满分评分1工作量152文献阅读与外文翻译103技术水平与实际能力254研究成果基础理论与专业知识255文字表达106学习态度与规范要求15总 分100评语 （是否同意参加答辩）是否同意参加答辩） 指导教师签名： 另附毕业设计（论文）指导记录册 年 月 日毕业设计（论文）评阅人评审表毕业设计（论文）评阅人评审表学生姓名姜晓

15、曦专业班级06 自动化（1）学号0615013114设计(论文)题目基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统设计评阅人评阅人职称序号评分项目（理工类）满分评分1工作量152文献阅读与外文翻译103技术水平与实际能力254研究成果基础理论与专业知识255文字表达106学习态度与规范要求15总 分100评语 评阅人签名： 年 月 日毕业设计（论文）答辩表毕业设计（论文）答辩表学生姓名姜晓曦专业班级06 自动化（1）学号0615013114设计(论文)题目基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统设计序号评审项目指 标满分评分1报告内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，

16、分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分,时间符合要求。103创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答 辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。40总 分100答辩组评语答辩组组长（签字）： 年 月 日 答辩委员会意见答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日毕业设计（论文）答辩记录表毕业设计（论文）答辩记录表学生姓名姜晓曦专业班级06 自动化（1）学号0615013114设计(论文)题目基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统设计答辩时间答辩地点答辩委员会名单问题：问题 1提问人： 回答（要点）：问题：问题 2提问人： 回答（要点）：问题：问题

17、 3提问人： 回答（要点）：记录人签名问题：问题 4提问人： 回答（要点）：问题：问题 5提问人： 回答（要点）：问题：问题 6提问人： 回答（要点）：问题：问题 7提问人： 回答（要点）：问题：问题 8提问人： 回答（要点）：记录人签名毕业设计（论文）成绩评定总表毕业设计（论文）成绩评定总表学生姓名：姜晓曦 专业班级：06 自动化（1）毕业设计（论文）题目：基于 pid 控制器的中频烧结机温度控制系统设计注：成绩评定由指导教师、评阅人和答辩组分别给分(以百分记)，最后按“优(90-100)” 、 “良(80-89)” 、 “中(70-79)” 、 “及格(60-69)” 、 “不及格(60

18、以下)”评定等级。其中，指导教师评定成绩占 40%，评阅人评定成绩占 20%，答辩组评定成绩占 40%。成绩类别成绩评定指导教师评定成绩评阅人评定成绩答辩组评定成绩总评成绩40%+20%+40%评定等级学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论

19、文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密 ，在 年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）楼宇空调监控系统设计楼宇空调监控系统设计学生姓名： 姜晓曦学 号：0615013114所在系部：电气信息系专业班级：06 自动化（1）指导教师：赵熙临 副教授日 期：二一年六月based on pid

20、controller if sintering temperature control system designbyjiang xiaoxijune 2010i摘摘 要要烧结机适用于大型黑色冶金烧结厂的烧结作业，可将不同成份，不同粒度的精矿粉，富矿粉烧结成块，并部分消除矿石中所含的硫，磷等有害杂质。利用中频炉加热技术的中频烧结机与传统的冷矿带式烧结机相比,前者具有加热速度快、生产效率高、无污染、低耗能等做多有点。可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的

21、要求。本文主要介绍了基于西门子公司 s7-200 系列的可编程控制器的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件 step 7 -micro win 中自带的 pid 控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。关键词： 中频烧结机 温度控制 pid 控制器 可编程控制器iiabstractabstractsintering machine is suitable for large-scale black metallurgy sintering plant, it is the main equipment of the sintering process that could sin

22、ter different ingredients and different particle size of ore or rich ore into pieces, and partially remove sulfur contained in ore, phosphorus and other harmful impurities. comparing the if sintering machine with the technology of if furnace heating and the traditional cold belt-type sintering machi

23、ne, the former has a fast heating, high efficiency, no pollution, low energy consumption and so do many advantages.programmable controller is a very wide application of automatic control device, it combines traditional relay control technology, computer technology and communication technology togeth

24、er. with the characteristics of control capability, flexible and convenient operation, high reliability, suitable for long-term continuous work, it is ideal for temperature control requirements.this paper mainly introduces the design plan of the furnace temperature control system of the programmable

25、 controller based on siemens company s7-200 series. during the programming when has transferred the pid control module which is contented in the programming software step 7 - micro win, it makes the procedure even more succinct and the running speed even more ideal.keywords: if sintering machine tem

26、perature control pid controller plciii目目 录录摘摘 要要 .iabstractabstract .ii1 1 引言引言 .11.1 项目背景和意义.11.2 国内外研究现状.11.3 项目研究内容.41.4 整体方案设计.52 2 烧结机及烧结机及 pidpid 控制器基础控制器基础 .62.1 中频烧结机和烧结工艺流程.62.1.1 中频烧结机介绍 .62.1.2 烧结工艺流程 .62.2 pid 控制器选择 .82.2.1 pid 控制器介绍.82.2.2 使用 plc 进行 pid 控制 .93 3 plcplc 控制系统硬件设计控制系统硬件设计.

27、113.1 plc 选型 .123.1.1 plc 型号的选择.123.1.2 s7-200 cpu 的选择.123.2 plc 的控制系统硬件配置 .123.2.1 em231 模拟量输入模块.123.2.2 热电式传感器 .143.3 i/o 点分配及电气连接图 .153.4 控制系统数学模型的建立.163.5 pid 控制及参数整定 .174 4 plcplc 控制系统软件设计控制系统软件设计.194.1 plc 程序设计方法 .194.2 编程软件 step7-micro/win 概述.204.2.1 step7-micro/win 简单介绍.204.2.2 梯形图语言特点 .214.

28、2.3 step7-micro/win 参数设置（通讯设置）.224.3 程序设计.244.3.1 设计思路 .244.3.2 控制程序流程图 .24iv4.3.3 梯形图程序 .254.3.4 pid 指令向导的运用.284.3.5 语句表（stl）程序 .32总总 结结 .34致致 谢谢 .35参考文献参考文献 .3611 1 引言引言1.1 项目背景和意义烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备，目前，随着市场竞争的加剧，钢铁工业设备向大型化发展，对高炉炼铁生产技术指标要求日益提高的提高，主要依靠入炉原料性质的改善，烧结矿是我国高炉的主要入炉料，因此，保证和提高烧结矿的质量，是保证钢铁工业稳定

29、发展的重要手段。目前国内外通用的烧结设备冷矿带式烧结机，冷矿带式烧结机存在着实收率低、能耗大、原料浪费严重、运行效率低等缺点。总的来说，普遍有下列原因:冷却风机尾气温度高，带走大量的热量;烧结不完全，热损失大;鼓风量大，烟气含氧量大;操作水平不高，负荷变化大，温度变化不稳定。实践表明，温度的波动会影响烧结矿的还原性和强度，导致焦比升高，生铁产量下降。因此，对烧结机的温度控制技术的提高就意味着生产技术的提高。然而，由于烧结机温度受到复杂的工况、多变的参数的影响，以及运行惯性大、控制滞后，它对控制调节器要求极高。铁矿石烧结本身是一个复杂的工业过程，涉及温度、速度、压力等众多物理参数，包括物理、化学

30、、液相等反应。烧结过程具有非线性、强藕合、大时滞的特点，精确的数学模型难以建立，采用传统的控制方式，无法达到良好的控制效果。目前，大量采用的是智能控制的方式。近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，如:职能化 pid、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。在恒温控制中，由于 pid 技术的成熟以及控制结构的简单，参数容易调整而受到众多工程技术人员的青睐。而本文也将采用成熟的 pid 控制器可编程逻辑控制器 plc对中频烧结机温度

31、进行控制。1.2 国内外研究现状目前，学术界所研究出的控制算法很多，但其中许多算法仍只停留在计算机仿真或实验验证上，能有效地应用在工业过程中的仍为数不多。工业过程控制中常采用的方法2主要有:以古典控制理论为主要基础的 pid 控制方法，以现代控制理论为主要基础的自适应控制和预测控制等方法以及神经网络控制、模糊控制等智能控制方法。下面介绍几种有效应用于工业过程中己得到工程界认可的控制算法。（1）pid 控制pid 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于具有原理简单，适应性强，鲁棒性强，易于操作等优点，而被广泛应用于工业过程控制中。常规 pid 控制器作为一种线性控制器，按照偏差的比例(p-pro

32、portional)、积分(i-integral)和微分(d-derivative)的线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。对于不同的被控对象只要适当地整定 pid 的三个参数，就可以获得满意的控制效果，实际上是对比例、积分和微分三部分控制作用的折衷。大量的事实证明，传统的 pid 控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的控制结果。但是在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，pid 控制器的参数往往整定不良而使其控制效果欠佳，并且当对象特性变化较大时，需重新整定参数，以保证系统的性能。传统 pid控制一般只适用于线性时不变空间，对难以建模且无法取得传递函数的系统难以适用。

33、现代控制理论、智能控制的研究和应用的发展为控制复杂过程系统开辟了新途径。近年来，为适应复杂的工况和高指标的控制要求，采用改进的 pid 算法或将 pid 算法与其它算法进行有机结合，出现了 pid 控制器参数的自整定技术以及许多新型的 pid 控制方式，如:预测控制、自适应控制、神经网络控制等多种技术结合的 pid 控制方式，具有传统 pid 及现代控制理论、智能控制理论技术的多重特点，对于复杂对象的控制效果远远超过常规的 pid 控制。（2）预侧控制预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以及学术界

34、的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略，体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。目前多变量预测控制获得了成功的应用，dcs 厂家及软件公司己有专用软件问世。预测控制仍在不断的发展中，将预测控制思想和方法推广到广义控制问题是重要的研究方向之一。(3)自适应控制3在实际工业过程中，很多被控对象的数学模型会随着工况和环境条件的改变而改变，变化规律事先往往并不知道。如采用参数与结构固定不变的控制器，控制系统的性能会不断恶化，为此设计一种特殊的控制系统，能自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化，这就是自适应控

35、制系统。采用自适应控制系统来适应时变的过程，是辨识与控制的结合，通过不断地测量系统的状态、性能或参数，从而“认识”或“掌握”系统当前的运行指标并与期望的指标相比较，进而作出决策以改变控制器的结构、参数或根据自适应律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或接近最优状态。从理论研究的角度看，比较成熟的自适应控制系统分三类: a、自整定调节器及其它简单自适应控制器;b、模型参考自适应控制系统。c、自校正控制系统。从实际应用的角度看，自适应控制己经遍及到航天航空、冶金、机械及机器人等各种领域，在生活和生产中发挥了巨大作用。自适应控制系统本质是一种非线性的系统，常常兼有随机和时变等多种特征，内

36、部机理也相当复杂，分析十分困难。至今仍然有许多待进一步解决的问题，系统的稳定性、鲁棒性和算法的收敛性等重要问题特别在参数估计方面的研究成果与人们的期望还相差甚远。对于对象特性或扰动特性变化范围很大，又要求保持高性能指标的系统，采用自适应控制是合适的。但自适应控制比常规控制复杂，成本也高，只在常规反馈控制达不到期望的性能时，才考虑采用自适应控制，其广泛应用仍将遇到许多困难。(4)神经网络控制人工神经网络,主要是从结构和实现机理方面或从功能上对生物神经网络的一种模拟和近似，使其具有学习、识别、控制等生物神经网络的某些功能。基本的工作原理为:由结点、有向并加权的链组成的神经网络构成知识表达方式，通过

37、输入激活神经网络的初始结点，网络中各连接权的权值决定了后续结点的激活，进而逐步传播到最外层的结点，并把它作为输出。这种方法的本质在于提供了一种非线性静态映射，能以任意精度逼近任意给定的非线性关系，在对象或环境变化时，通过自动修改权值，使其输出接近或达到期望值。一个神经网络的特性及能力主要取决于网络的拓扑结构及学习方法。常用于控制系统中的两种网络结构为前馈网络和反馈网络。前馈网络如单层、多层感知网络和 bp 网络等，主要用于分类、拟合、预测等问题。反馈网络如离散或连续的 hopfield 网络、4boltzmann 机等，主要用于实现联想记忆和优化计算。学习方法是修正神经元之间连接强度或加权系数

38、的算法，使获得的知识结构适应周围环境的变化。可分为有监督学习和无监督学习。神经网络在控制系统中的应用多种多样，典型的主要有:神经网络监督控制、神经网络自适应控制、神经网络直接逆控制、神经网络内模控制以及神经网络预测控制等。(5)模糊控制模糊控制是智能控制的一个重要分支，其主要思想是把现场操作人员的经验知识等逻辑规则的语言表达转化为相关的控制量，在建立专家“知识”的基础上，模仿人的思维过程，通过对模糊信息采用“不精确推理” ，可有效地处理控制系统中的不精确和不确定性，解决许多复杂而无法建立精确数学模型系统的控制问题。模糊控制的研究发展经历了“理论-应用-理论”的交替热潮过程。自 1965 年 z

39、adeh 教授创建模糊集合论和1974 年 mamdani 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制器被广泛应用于热交换过程控制、污水处理过程控制、交通路口控制以及汽车速度控制等多种典型场合，取得了良好的控制效果，生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机，充分展示了模糊控制技术的应用前景。近几十年来，模糊控制研究及技术产品已经在经济、医学尤其是工业应用及民用方面取得了巨大的发展。然而，不同于传统控制技术，模糊控制理论的发展似乎落后于模糊控制应用的发展，缺乏常规控制理论指导是阻碍模糊控制理论发展的一个重要因素，如模糊控制器的系统化设计方法、稳定性分析及其非线性逼近能力等问题都有待于进一步深

40、入探索和研究。另外，为解决模糊控制对信息的简单模糊处理而导致的系统控制精度降低和动态品质变差问题，目前混合模糊控制的思想已引起广泛重视，如模糊 pid 控制、自校正模糊控制器、模糊专家系统、模糊神经网络控制等。1.3 项目研究内容烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备，中频烧结机使用中频电磁感应原理加热，电磁感应过程中电流的大小将决定电磁感应产生热量的多少，对电磁感应过程中电流进行 pid 控制可以对中频烧结机的工作过程中温度变化进行控制。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能完全掌握，或得不

41、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5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。 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） 。在积分（i）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

42、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） 。在微分（d）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。使用温度传感器，将烧结机中的温度作为控制参数传递给 pid 控制器，然后由 pid控制器使用正确的算法进行精确的控制，这样，烧结机的每一点温度变化都能得到准确及时的测量及控制。1.4 整

43、体方案设计烧结机温度控制系统是以西门子公司的 s7-200 系列 plc 控制器为控制核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、a/d 转换、plc、控制执行系统等。温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到 plc 中进行 pid 调节，pid 控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制中频烧结机加热的通断来实现对中频烧结机温度的控制。整个系统分为两个部分：（1）控制系统硬件设计。在掌握了可编程控制器（plc）的组成、工作原理以及充分了解被控对象的基础上，选择了西门子 s7-200 系列 plc cpu226 为控制器，热电式传感器作为温度检测传感器

44、，再加上固态继电器和烤炉组成了温度控制系统。根据硬件连接图完成控制系统实际的硬件连接。（2）控制系统软件设计。认真学习 plc 的功能指令，在掌握系统硬件工作过程的基础上画出控制程序流程图，然后利用编程软件 step7-micro/win 编写了梯形图程序。编程时应用了编程软件自带6的 pid 指令向导模块，使得程序结构简单，更容易理解。72 2 烧结机及烧结机及 pidpid 控制器基础控制器基础2.1 中频烧结机和烧结工艺流程2.1.1 中频烧结机介绍中频烧结机就是利用中频加热原理，对贫矿石进行加热烧结，制造烧结矿的设备。烧结机适用于大型黑色冶金 烧结厂的烧结作业，它是抽风烧结过程中的主体

45、设备，可将不同成份，不同粒度的精矿粉，富矿粉烧结成块，并部分消除矿石中所含的硫，磷等有害杂质。烧结机按烧结面积划分为不同长度不同宽度几种规格，烧结面积越大，产量就越高 。中频炉是一种将工频 50hz 交流电转变为中频（ 300hz 以上至 20khz）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金 属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即 金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。例如，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感

46、应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。如果圆柱体放在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也没有产生有害气体、强光污染环境。中频炉加热装置具有体积小，重量轻、效率高、热加工质量优及有利环境等优点正迅速淘汰燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉，是新一代的金属加热设备。2.1.2 烧结工艺流程烧结生产工艺流程由原料的接受，贮存和中和，溶剂、燃料的破碎、筛分，配料，混合料的制备，烧结，烧结产成品的处理以及烧结过程的除尘等环节。原料厂按贫矿粉、富精粉、溶剂按不

47、比例混合，然后送混料机进行二次混匀和造球，由皮带运输机送到烧结机混料仓，完成供料工艺。铺底料装置先把底料（原块矿，粒度为10-20mm）均匀的铺在台车的篦条上，混好的料由布料器对 底料进行点火烧结，从8台车上的烧结矿翻到单辊破碎机进行破碎。通过漏斗溜到设在下层平台的热振动筛中进行筛分， 5mm 的合格烧结矿通过溜槽溜到储矿槽，供 高炉使用。5mm 的粉矿，通过配料皮带机进行重新配料，烧结过程产生的废气，除尘器除尘后，经风机抽入烟囱，排入大气。系统功能： 1. 配料系统：配料系统由配料仓、圆盘给矿机、配料皮带机等组成。用装载机将精矿粉、富矿粉、燃料、熔剂、返矿等物料装入配料室料仓内，通过圆盘给矿

48、机将以上物料按要求比例，送到配料皮带机上，由皮带机将物料运至圆筒混料机进行混匀造球。 2. 混料制粒系统：混料系统一般由二次混合完成，一次混合主要是将从配料室来的各种物料混合均匀，再用皮带机送至二次混合造球，二次混合的目的主要是为了提球团质量提高烧结过程中的透气性，将混合料制成3-8mm 占 75%的小球形混合料，再由皮带机送到布料仓进行布料，圆筒混料机具有混料范围广，能适应原料的变动，构造简单，生产可靠及生产能力大等优点。 3. 铺底料装置：该装置是为了提高台车以及篦条使用寿命，提高料层在烧结过程中的透气性，减少烧结烟气的含尘量。在台车上铺上30-50mm 厚度，粒度为 10-20mm 的铺

49、底料，通过调节扇形闸门的开启度控制排料速度，铺底料来自粒度为10-20mm 原矿石，原矿石经过培烧后可直接入高炉，以抽高烧结机利用系数。 4. 混合料布料系统：混合料布料系统主要由圆辊给料机、反射板、扇型闸门等组成，按照工艺要求通过调节扇型闸门的开启度和圆辊给料机的转速将混合料供到反射板上进行偏析布料，通过调速反射板的角度来得到不同的布料效果。 5. 煤气点火系统：煤气点火系统由煤气及空气调节系统、烧咀、助燃风机、点火室等组成。煤气点火系统采用高炉煤气。点火器采用自身预热装置对助燃空气进行预热。可提高助燃空气温度 100-150 摄氐度，可取得良好的节能效果。 6. 烧结主机：烧结机主系统主要

50、由传动装置、头尾端部密封、台车、吸风装置、机架、尾部调节装置和干油集中润滑系统等所组成。主传动机构设在机头部位，由调速电机、减速机、开式齿轮等组成。头部星轮主要负责将台车从下部水平轨道转运到上部水平转道，同时完成台车卸料，头尾的异型弯道主要是将台车从上部或下部平稳的过渡到反向的水平轨道上，主机架分为头、中尾三部分采用分体式现场组装后焊9接，尾部调节架由尾部星轮装置、重锤平衡装置、移动灰箱、固定灰箱及支撑轮等组成，其主要作用是吸收系统热伸长，它的调极限由行程开关来控制干油集中润滑系统其主要润滑部位有：台车密封滑道、头尾星轮轴承、尾部摆架支撑轮、单辊破碎机轴承等，润滑系统能够自动向各润滑点周期性供

51、油，可保证设备的正常运转，通过调整给油器的微调来控制各点的给油量的大小。 7结矿的破碎、筛分系统： 单齿辊破碎机设备在烧结机的尾部，它主要负责将台车卸下在大块结矿破碎成小块，经单辊破碎机破碎后的烧结矿进行热筛分，目的是将成品和返矿分开（对热矿生产流程）；或者为了提高冷却效果（对冷却矿生产流程）。5mm 的烧结矿通过溜槽到磷板输送机再由皮带机运到储矿槽内，供高炉使用。 simatic step 7 micro/win 4.0菜单命令。如图4-1所示，step 7-micro/win项目窗口将提供用于创建控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示或隐藏工具栏的任

52、何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问step 7-micro/win的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换。step 7-micro/win提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图（lad）、语句表（stl）和功能块图（fbd）。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行

53、浏览和编辑。用的比较多的是梯形图（lad）编程语言。下面详细介绍梯形图的特点。23图 4-1 编程软件 step7-micro/win 主界面4.2.2 梯形图语言特点 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为 plc 的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，

54、描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；24（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（power flow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制

55、技术的有关概念区别对待；（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。4.2.3 step7-micro/win 参数设置（通讯设置） 本项目中 plc 要与电脑正确通信，安装完 step7-micro/win 编程软件且设置好硬件后，可以按下列步骤进行通讯设置。 （1）在 step7-micro/win 运行时单击通讯图标，或从“视图”菜单中选择选项“通信”，则会出现一个通信对话框（如图 4-2 所示）。 图 4-2 通信参数设置（2）在对话框中双击 pc/ppi 电缆的图标，将出现 pg/pc 接口对话框或者直接单击“检视”栏中单击“设置 pg/pc 接口”也行

56、。如图 4-3 所示。25图 4-3 pg/pc 接口对话框（3）单击 properties 按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否正确，其中通信波特率默认值为 9.6kbps（如图 4-4 所示） 。图 4-4 通信参数设置264.3 程序设计4.3.1 设计思路plc 运行时，通过特殊继电器 sm0.0 产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，pid 参数值等，存入有关的数据寄存器，使定时器复位；按启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为 10 秒；k 型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换（0-41 毫伏） ；模拟量输入通道 aiw0 通过读入 0-41 毫伏的模拟电压量送入

57、 plc；经过程序计算后得出实际测量的温度 t,将 t 和温度设定值比较，根据偏差计算调整量，发出调节命令。4.3.2 控制程序流程图图 4-5 程序流程图启动绿灯亮，系统运行调用 pid 模块pid 输出转换成占空比定时器控制加热时间温度当前值和设定值等显示开始274.3.3 梯形图程序 启动，绿灯亮停止，红灯亮上述程序中，i0.1 和 i0.2 分别是启动和停止按钮，q0.0 和 q0.1 分别是系统运行指示灯（绿灯）和系统停止指示灯（红灯） ，m0.0 和 m0.1 是中间继电器。 调用 pid 模块28这里用 sm0.0 直接调用了编程软件自带的 pid 子程序，即就是用 pid 指令

58、向导编程。上面的指令中，pv_i 为反馈值，也就是热电偶将检测到的当前温度值送入温度模块后输出的模拟电压值 aiw0；setpoint_r 为设定值。每个 pid 回路都有两个输入变量，给定值 sp 和过程变量 pv。执行 pid 指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数。即先把整数值转换成浮点型实数值，再把实数值进行归一化处理，使其为 0.0-1.0 之间的实数。归一化的公式为r1=(r/s+ m) （3-1）式中，r1 为标准化的实数值；r 为未标准化的实数值；m 为偏置，单极性为 0.0，双极性为 0.5；s 为值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为 32000，双极性为64000

59、17。 在本项目中，r=100,即就是设定温度 100 度；s=32000,m=0.0,所以按照归一化公式r1=100/32000+0.0=0.03125，即 setpoint_r 为 0.03125.29该网络的程序功能是把 pid 回路输出转换成占空比。因 pid 回路的输出pid0_output 为 0.0-1.0 之间的实数值，又因我们设置了采样时间为 10 秒，所以第一个指令 mul_r 中 int2 为 100.0。round 是将实数转换成双整数，di_i 是将双整数转换成整数。vw2 和 vw4 分别是采样周期内的加热时间和非加热时间。上述程序用了两个 100ms 的定时器 t241 和 t242 来控制加热时间，其中 q0.3 为连接固态继电器的输出端子。30该网络的程序是为了在电脑上通过 step7-micro/win 编程软件显示当前温度和设定温度值而写的，其实也就是归一化的逆过程。若无该网络，则显示的温度值都是归一化的实数值，不便于记录和观察。4.3.4 pid 指令向导的运用step7-micro/win 提供了 pid wi