本科毕业设计模糊控制理论在炉温控制中的应用

1、第一章 引言1.1 课题设计的背景及来源电加热炉在冶金、化工等工业领域有着广泛的应用，在企业的能耗中占有较大的比重，是主要的耗能设备。在能源危机日益严重的今天，如何在保证质量的前提下，能够尽量的降低能耗，提高加热炉的热利用率，已经变得越来越重要。从生产和节能的角度，要解决以上问题大致有两个方向，一是改进加热炉的结构设计，二是改进控制算法。本篇论文所探讨的就是基本PID控制在电加热炉温度控制中的应用。电加热炉，因其具有纯滞后、大惯性和时变等特性，所以是比较难于控制的一类被控对象。而很多工业控制过程都具有与电加热炉相似的特点，都是较为缓慢、惯性较大的过程，所以研究这类被控对象，选择一种好的控制策略

2、无疑对于节能产品质量等方面都有着实际的意义。目前，应用于民用工业、国防行业和大型实验室的各种试验箱设备越来越多，如温度试验箱、压力试验箱、湿度试验箱及各种温度压力湿度混合试验箱。这些环境试验设备的主要作用是为某些相应的产品做特定的环境试验，以达到检测和鉴定的目的。本设计是以工业中的电加热炉为背景，以实验室中的电加热炉模型为实际的被控对象，设计了一种由PC机和工控模块构成的温度控制系统。在控制算法上采用了增量型算式的PID控制。 电加热炉温控技术发展概况随着控制理论和控制技术的发展，电加热炉温度研究与应用也经历了几个阶段: 模拟PID控制方案采用这种方案，每个炉子要用PID仪表构成闭环控制，如果

3、炉子比较多，所需PID仪表的数量也成倍数的增长，相应的成本也将随之增加，并且这种仪表调节不方便，升温过程缓慢，且难以保证温度控制精度。目前国内的电加热炉控制，有些仍沿用此方法。 数字PID控制方案使用PID算法，具有算法简单、参数调整方便，并有一定的控制精度的特点，是当前最为普遍采用的控制算法。但这种方法也有其局限性:PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当一个调好参数的PID控制器被应用到模型参数时变的系统时，系统的性能会变差。针对这些不足，有人提出了直接数字化DDC)控制，非线性PID控制算法，在实际应用中取得了一定的成果。 最优控制和自适应方案电加热炉本身具有非

4、线性特性，因此建模时人们常假设它在工作点附近为线性来逼近实际系统，最优化控制和自适应控制就是以此为基础来设计控制器的而对此类系统进行非线性控制，我国还停留在仿真研究阶段。 智能控制方案以模糊控制、专家系统控制、神经网络控制等为代表的智能控制技术被广泛应用于工业控制领域，并取得了良好的效果。它的技术特点是把人工智能的方法引进控制系统，利用人的实践经验、逻辑推理和自学习能力，从定性和定量相结合的方法入手，对那些因结构复杂、参数时变而难以用精确数学模型来描述的被控对象给出灵活的控制策略。是因为智能控制具备这些优点，人们想到了用它来解决电加热炉的控制问题。但智能控制术较为复杂，我国在这方面起步较晚，很

5、多研究成果还停留在理论上，真正在实际上应用并取得成功的不多。正本次设计考虑诸多因素，在温度控制中，控制算法采用了数字PID控制方案。通过威达无线通信工控模块SST900EXT和I/O量模块（7012、7021）组成的无线通信控制网络系统、利用温度自动控制实验箱和上位微机的组太王应用软件，设计一个温度控制系统，对加热炉的温度进行控制。在温度控制中，控制算法采用了增量型算式的PID控制调节方式。1.4 课题设计的研究意义电加热炉温度控制在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中都得到了广泛应用。随着计算机控制技术的飞跃发展，在电加热炉的温控技术方面，占统治地位的仍然是经典的PID控制调节器，其比例达到

6、了90%以上。但是，这种PID控制技术在处理一些非线性、时滞性大又不便建立数学模型的控制对象时，如本设计中的电加热炉，存在着参数调节困难的固有缺陷，所以采用经典的PID控制算法中，在参数的整定和调节方面，具有重要的意义。由于电加热炉这类被控对象具有相似性，我们希望能够从对实验室中电加热炉控制算法的研究中得到一些有用的结论和启迪，为实际中的电加热炉控制提供一些有益的参考，这也不失为一项有意义的工作。1.5 论文结构论文分为五章:第一章 引言:主要介绍了电加热炉在工业中的应用及温控技术的发展概况和本次设计的主要内容与意义。第二章 系统简介:简要的介绍了系统的软、硬件结构与组成。软件部分的编程工具、

7、编程方法及软件所具有的功能。第三章 PID控制:这一部分首先解决了滤波采样周期T的选择和冷端补偿问题，并且建立了电加热炉的数学模型。这些问题可以说是能够取得良好控制效果的前提和基础。然后讨论了PID控制算法及几种改进措施。根据实际控制效果分析了这些算法的性能。第四章 模糊控制理论基础及其在炉温控制中的应用:本章首先介绍了模糊控制的产生与发展，模糊控制系统的结构与设计。然后结合实际的被控对象(电加热炉)将基本的模糊控制算法及其改进策略进行了实际的应用。总结了基本模糊控制器的参数调整规则。根据实际控制效果分析了这些算法的性能。讨论了这些控制算法的优点及其存在的问题。第五章 总结与展望:这一部分在总

8、结第三章和第四章的控制算法的控制效果的基础上，针对存在的问题介绍了一些改进的策略和目前模糊控制的新进展及其发展方向。第二章 系统简介2.1 系统的硬件结构2 无线通信控制网络平台无线通讯控制网络由于其特有的非界线通信方式的优点，广泛应用于特定地理位置（如山区、油田和水利设施等）的现场遥测遥控领域。尤其在分布距离较远且数据传输量不大时，无线通讯控制网络的优势更为明显。目前，采用无线通信技术的工控产品很多，有的采用RF调频通讯原理；有的采用扩频通信原理。根据发射功率的不同，无线通讯的距离也各不相同。也有很多公司开发出了应用于不同场合的无线数传模块，大大方便了无线通信测控系统的设计。考虑到实验系统的

9、要求及实际应用情况，本次设计选用了台湾威达（ICP）的牛顿无线通信模块和工控模块开发无线通信控制网络实验平台。台湾威达（ICP）公司是著名的工控产品研发和生产公司，其公司生产的工业控制计算机、数据采集卡和工控模块都是目前工控行业的主要产品。尤其是工控模块产品，由于性价比高、组合使用方便，深受用户好评。典型无线通讯网络分布式控制系统结构图如图.1所示：图中采用台湾威达（ICP）无线通信模块SST900EXT，通信距离1Km；波特率最大19200；232/485通信接口无线通信控制网络系统是由牛顿工控模块构成，系统原理图如下所示： PCCOM口测控对象1测控对象n无线通信模块+控制模块无线通信模块

10、+控制模块典型无线通信控制网络图232无线通信模块 组太王COM口实验箱232SST900EXT无线通信模块SST900EXT无线通信模块70127021系统各部件说明如下：（1） SST900EXT：无线接收/发送模块，232/485接口；速率最高19.2Kbps;距离200米，加放大天线可达1Km,本实验系统速率设为9.6Kbps.（2） 7012：模拟量输入模块，16位隔离；485接口；地址设为2：电压输入0-10V对应0-10（3） 7021：模拟输出模块，12位隔离；485接口；地址设为1电压输出：0-10对应0-10V。2.1.2 温度控制实验箱本设计的温度控制实验箱由全隔离单相交

11、流调压一体化模块TY-H380D15P-220（双向硅控制电压）、直流电源HF10W-D、温度控制仪表XMT602、数显表HB5135B组成。其电路示意图如下所示。温度控制实验箱主要部件说明如下：(1)全隔离单相交流调压一体化模块TY-H380D15P-220：全隔离单相交流一体化调压模块是集随机型固态继电器、随机型SSR移项触发器和同步变压器（兼作模块内部电源变压器）于一体而成，其工作原理是：在同步变压器的电压作用下（此同步电压在模块内部经整流后还作为模块工作电源）模块内部的移相触发器会根据控制电压的大小于输出端产生与电网电压同步的双倍电网频率的180°-0°范围内移相的

12、宽脉冲，从而驱动随机型SSR，以达到移相调压的目的。它的型号为TY-380D25P-220，其中TY表示单相调压模块，中间部分表示模块内部相应的随机型固态继电器型号即输出触点是增强型或普通型，电压、电流等级等，后面部分表示同步变压器初级电压。该产品广泛运用于温度的自动控制，电机调速等场合。本模块具有输入端与输出端光隔离，以利于实现弱电对强电的控制，由于输入端电压(0-5V)的高低变化实现对输出端负载功率的控制，输入阻抗高，可直接通过数模转换器与计算机，数字程控电路接口，不必再外配电源同步电路，十分方便地实现了对输出端负载电压功率的无级调节，广泛用于照明设备，控温设备交流电机软启动，交流串波调速

13、等功率自动调节场合。其技术指标如下：>> 输出额定电压 220VAC >> 输出额定电流 10A-240A >> 输入控制信号 0-5VDC>> 输出电压变化范围 0-220VAC>> 输出端与底板间、输入与输出电路间介质耐压 2500VAC min/50Hz其内部电路如所示：(2)温度控制仪表XMT602： 电加热炉 温度传感器我们采用的是PT100作为温度传感器。铂电阻温度传感器的特点是：精度高，稳定性好性能可靠。铂电阻在氧化性环境中，甚至在高温下的物理和化学性质都非常稳定。因此铂电阻被公认为是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要

14、作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，还被广泛地应用于温度的基准和标准的传递。铂电阻温度计是目前测温重复性最好的一种，其信号采集方式采用电桥。由于热电阻安装的地方距离测量模块比较远，当环境的温度变化时其连接导线电阻也要变化。因为它与热电阻Rt是串联的，也就是电桥臂的一部分，所以回造成测量误差。采用三线制接线方法就可以避免这种误差的产生铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。 系统软件结构 开发工具简介本次设计中控制算法及监控界面均由北京亚控公司研制的组太软件组太王6.01编制而成。今天，随着对

15、工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要，“监控和数据采集系统”越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用。组态王是运行在Windows98/NT/2000上的一种组态软件。使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在全厂范围内的畅通。组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。组态王易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，

16、既可以节省您的大量时间，又能提高系统性能。 组态软件的构成：组态王”软件包由工程管理器（组态王）、工程浏览器（TouchExplorer）、画面运行系统（TouchVew）、信息窗口等四部分组成。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程浏览器内嵌画面开发系统，即组态王开发系统。 工程浏览器（TouchExplorer）和，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须画面运行系统（TouchVew）是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用；两者又相互依存在画面运行系统（TouchVew）运行环境中才能运行。(1)工程管理器工程管理器主要用于组态王工程的管理，如新建工程、搜

17、索工程、工程的备份、工程的恢复、变量的导入导出、定义工程的属性等。其界面如下图(2-1)所示。图2-1 工程管理器(2)工程浏览器：工程浏览器是组态王的一个重要组成部分，它将图形画面、命令语言、设备驱动程序、配方、报警、报表等工程元素集中管理，工程人员可以一目了然地查看工程的各个组成部分。工程浏览器简便易学，操作界面和Windows中的资源管理器非常类似，为工程的管理提供了方便高效的手段。 组态王工程浏览器的结构如下图所示。工程浏览器左侧是" 工程目录显示区"，主要展示工程的各个组成部分；主要包括"系统"，"变量"和"站点&

18、quot;三部分，这三部分的切换是通过工程浏览器最左侧的Tab标签实现的。"系统"部分共有"网络"、"文件"、"数据库"、"设备"、"系统配置"和"SQL访问管理器"等六大项。 工程浏览器是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，它将画面制作系统中已设计的图形画面、命令语言、设备驱动程序管理、配方管理、数据报告等工程资源进行集中管理，工程人员可以一目了然地查看工程的各个组成部分。工程浏览器简便易学，操作界面和Windows中的资源管理器非常类似，为工程的管

19、理提供了方便高效的手段。并在一个窗口中进行树形结构排列，这种功能与Windows98操作系统中的资源管理器的功能相似。组态王工程浏览器的结构如下图(2-2)所示： 图2-2 工程浏览器工程浏览器左侧是" 工程目录显示区"，主要展示工程的各个组成部分；主要包括"系统"，"变量"和"站点"三部分，这三部分的切换是通过工程浏览器最左侧的Tab标签实现的。(3)组态王画面开发系统组态王画面开发系统是应用程序的集成开发环境。工程人员在这个环境中完成界面的设计、动画连接的定义等。画面开发系统具有先进完善的图形生成功能；数据库中

20、有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能有简单的操作办法。利用组态王丰富的图库，用户可以大大减少设计界面的时间，从整体上提高工控软件的质量。 选择"切换到Make"启动工程浏览器内嵌的画面，其开发环境如下图(2-3)所示： 图2-3 组态界面开发系统(4)画面运行系统TOUCHVEWTOUCHVEW是组态王软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序（数据采集组件）的数据交换。它通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，

21、同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。启动"组态王"的画面运行系统TouchVew，其运行环境如下图(2-4)所示： 图2-4 画面运行系统(5)信息窗口“组态王信息窗口”是一个独立的Windows应用程序，用来记录、显示组态王开发和运行系统在运行时的状态信息。信息窗口中显示的信息可以作为一个文件存于指定的目录中或是用打印机打印出来，供用户查阅。当工程浏览器、TouchVew、I/O设备等启动时，一般会自动启动信息窗口。如图(2-5) 图2-5 组态软件运行信息窗口第三章PID控制根据偏差的比例(P)积分(I)微分(D)进行控制简称(PID),

22、是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律实际运行的经验和理论的分析都表明运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时都能得到满意的效果不过用计算机实现PID控制不是简单地把模拟PID 控制规律数字化而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合使PID 控制更加灵活更能满足生产过程提出的要求.PID控制器是一种由比例、积分和微分环节组成的控制装置，控制器的各参数在实际的设定时既可以依靠具体的数学模型以数学解析的方法确定，也可以由工程人员凭经验来确定，但当对被控对象数学模型不很清楚时，用通常的方法是难于找到合适的校正装置时。一般是在现场经调试时，人工整定其结构和参数，这对于低阶系统的校正是一个简便而有效的好方法

23、。由于它不仅结构简单，而且还综合被控系统的现在(P)、过去(I)和未来(D)三方面信息，对动态过程无需太多的预先知识，鲁棒性强，控制效果一般令人满意，因此即便在控制理论和技术飞跃发展的今天，它在工业控制领域仍具有强大的生命力。据有关资料表明，至今在全世界过程控制中用的84%是纯PID控制器，如果包含改进型PID控制器在内，则有超过90%的应用。因此，本次设计的温度控制算法是基于PID控制器之上展开研究的。由于 PID 控制器结构简单，对很多工业控制对象能够取得令人满意的控制效果，其原理与性能为技术人员所了解，因此在智能技术飞速发展的今天，PID控制器在工业控制领域仍有着广泛的应用。PID调节是

24、连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。PID调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制。 3.1 基本PID控制算法介绍由于PID 控制器结构简单，对很多工业控制对象能够取得令人满意的控制效果，其原理与性能为技术人员所了解，因此在智能技术飞速发展的今天，PID控制器在工业控制领域仍有着广泛的应用。PID控制器结构图如图所示：积分比例微分被控对象e(t)u(t)+_ +c(t)图 P ID 控 制 器 结构 图r(t) +该系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其

25、中PID控制器是一种线性控制器。它是将设定值r(t)与实际输出值c(t)之间偏差的比例(P)、积分(I)微分(D)以线性组合的方式构成实际控制量，然后再控制被控对象. 在模拟系统中PID控制规律可表达如下:e(t)=r(t)-c(t) (3一1) （32）若以传递函数的形式表示: （33）式中 u(t)PID调节器的输出量； e(t)调节器的输入量；比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数；积分时间常数；微分时间常数；从图可知，常规PID控制器实际上是一个模拟控制器。由于对于模拟控制器用微计算机来实现控制很不方便，而且在许多实际的温度控制系统中，由于温度控制系统时间常数相对比较大，将常规PID

26、控制器进行数字化，实现数字PID控制是行之有效的，这一控制过程通常采用的是计算机控制。数字控制器(控制算法)的设计方法通常是将模拟控制器进行数字化，也就是将用连续系统理论所描述的模拟控制器的微分方程进行离散化，其中包括对时间t、导数、积分等的离散化，但这种方法必须满足所选采样周期T小于系统中模拟环节的最小时间常数一个数量级或更多。因为只有当T趋于零时，离散系统才能逼近连续系统。也就是，常规PID控制器中的积分项和微分项应该没有被直接使用，而是进行了离散化处理。数字PID控制算法通常分为位置式PID算法、增量式PID算法和速度式位置式PID算法如下：将上而3式代入(3-2)式，得: (37）或

27、(38)其中： K 采样序号；u(k) 第k次采样时刻的计算机输出温度值；e(k) 一 第k次采样时刻输入的温度偏差值；e(k-1) 一 第k-I次采样时刻输入的温度偏差值；位置式PID算法的输出由计算机输出u(k)是全量输出，是执行机构所应达到的位置，它根过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，会造成计算机的工作量增大。而且，u(k)对应的是可控硅的实际控制百分比，如果计算机出现故障，会造成控制量的大幅变化。 增量式PID算法如下：增量式 PID算法是在位置式PID算法的基础上发展起来的，在式3-8中，根据递推原理可得: (39)(38）、(39)两式相减得： （3-10）由式 (310

28、)可知，u只与e(k),e(k-1)和e(k-2)有关，它的输出只对应执行机构的增量，故称为增量式PID。位置式PID也可以由增量式表示为u(k )= u (k一1)+ e(k)一e(k一I)+e(k)+e(k)一2e(k一1)+e(k一2) (311)显然，这样做易于用计算机实现PID算法。本次设计中就采用了式(311)所示的PID算法。采用增量式算法时，输出量u(k)是可控硅通断百分比的增量。就控制算法的本质而言,增量式算法和位置式算法是一致的，但虽然增量式算法只是算法上的一点的改动，给控制系统带来不少的优点:(1) 调节器只输出增量，计算机误动作时所造成的影响比较小;(2) 不需要累加，

29、增量只跟最近的儿次采样值有关，容易获得比较好的控制效果。由于式中无累加，也消除了当偏差存在时发生饱和的危险。(3) 手动一自动切换的冲击小增量式控制也有其不足之处:积分的截断效应大，有静态误差。速度度式PD 算法如下:速度式算法和增量式算法一样没有偏差的积分项，消除了当偏差存在时发生积分饱和的危险。但采用速度式PID算法时，执行器必须有积分特性，如电磁阀等。综合上述 ，对于以可控硅作为执行器的温控系统，对比上述三种控制算法的优缺点，本论文所设计的温控控制系统采用增量式控制算法。 数字PID参数的作用及整定的方法 数字PID参数的作用在数字控制系统中，参数整定十分重要，调节系统参数整定的好坏直接

30、影响调节品质。自从有了PID控制，回路整定就一直是人们研究的问题之一，许多整定方法及公式己经开发出来。最早提出PID参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols的简称为ZN的整定公式，尽管时间己过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。对于 具 体 的温控对象而言有它的特殊性。例如，对机械系统或机电系统，可以用一个线性定常集中参数的动力学微分方程来描述，通常不会带来过大的误差。然而，用同样的方法来处理温度过程，显然不能令人满意。因为热能的传递是以场的方式进行，它具有明显的非线性、时变性、分布性以及时间滞后性。若用解析的方法为它建模，其结果不是过于复杂、难于实现控制，就是在

31、模型简化过程中，失去了某些最本质的因素，使模型和对象间产生过大的偏差。因此，对于温度控制来说是难于建立准确的数学模型的，用纯理论的方法设计校正网络，往往得不到良好的调节指标。对此，通常采用理论分析与经验相结合的工程整定法来实现PID控制参数Kp, Ki, Kd在线自整定 (1) , 对系统性能的影响比例系数的作用：比例调节是一种最简单的控制方式。是按比例反映系统的误差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用，用以减少误差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分系数的作用：积分调节是使消除系统稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分

32、调节就进行，直至无误差。积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越小，积分作用就越强。反之但大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节和PID调节。其中太大不利于减小超调，减小震荡。使系统不稳定，系统静差的消除反而减慢。微分系数的作用：微分作用反映系统偏差的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分作用调节消除。因此可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节对系

33、统抗干扰不利。因此，微分反映的是变化率，而输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用。需要与另外两种调节规律相结合，组成PD控制和PID控制。对偏差量的变化作出响应，对偏差量的趋向进行控制，使超调减小，稳定性增加，但对扰动的抑制减弱。 数字PID参数整定的方法(1) 采样周期的选定数字PID控制算法与一般的采样控制不同，它是一种准连续过程控制，建立在计算机对连续PID控制进行数字仿真的基础上。这种控制方式要求采样周期与系统的时间常数比很小。采样周期越小，数字仿真越精确，控制效果也就越接近于连续控制。但采样周期的选择受到多方面因素影响。 从执行机构的特性要求来看，需要输出信号保持一定

34、的宽度，以满足控制要求。从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短，这样，给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致于在随动控制中产生大的延迟。此外短的采样周期可以使扰动迅速地得到校正并产生较小的最大误差。从微机的工作量和调节回路的控制算法来看，使其有足够的执行时间，一般要求采样周期大些。从以上分析可以看出，各方面因素对采样周期的要求是不相同的，甚至是相互矛盾的。因此必须根据具体情况和主要要求做出折中选择。在温控系统中，采样周期T的经验值取为15-20s(2) 基本PID参数的整定由上面的控制算法可以知道，PID参数的设定对控制效果的影响较大。系统的采样周期，相对于系统的时间常数来

35、说是很短的，其调节参数的整定可以用理论方法，也可通过实验。用理论方法设计调节器的前提是要有被控对象的准确数学模型，这在工业过程中一般较难做到。由于系统的参数随着时间变化，即使花了很大代价进行系统辨识，所得的模型也只是近似的。在近似模型基础上设计的最优控制器在实际应用的过程中就很难说是最优的。因此，在工程上，PID调节器的参数常常通过实验、凑试法及经验公式来确定。 凑试法确定PID调节参数凑试法是通过模拟或实际的闭环运行(如果允许的话)，观察系统的响应曲线(例如阶跃响应)，然后根据各调节参数Kp, K,及KD对系统的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数, ,及。增大比

36、例系数，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。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏。增大积分时间K;亦有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统的静差的消除将随之减慢。增大微分时间亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减小，对扰动有较敏感的响应。在用凑试法调整PID参数时，可参考各参数对控制过程的影响趋势。对参数进行调整的顺序是先比例，后积分，再微分的整定步骤。首先只整定比例部分。将比例系数从小变大，并观察相应的系统响应，直到获得反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或辞差已小到允许范围内，并且响应曲线己

37、属满意，那么只须用比例调节就可获得确定最优系数的依据。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。整定时首先置积分时间为较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，使在保持系统良好的动态性能的情况下，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和，以期得到满意的控制过程与整定参数。若使用PI调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成PID调节。在整定时，可先置微分时间为零。在第二步整定的基础上，增大，同时相应改变比例系数Kp和,逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。归一参数整定法：由于该方法只需整

38、定一个参数故称为归一参数整定法。已知增量型PID控制算式为：如令T ； ； 式中为纯比例作用下的临界振荡周期则有 Du(k) = 2.45 e(k ) - 3.5 e(k -1) + 1.25 e(k - 2) 这样整个问题便简化为只要整定一个参数P K 改变P K 观察控制效果。直到满意为止该方法为简易的自整定控制带来了方便。在PID 控制算法的参数整定中参数的选择不是唯一的方法也不是唯一的比例积分微分三部分所产生的控制作用通常也是相互耦合的因此某部分参数的减小可以通过其它部分的增大来补偿不同的整定参数也就完全有可能得到同样的控制效果同时可以结合各种策略来综合整定参数以期尽快获得满意的控制过

39、程和控制参数。第四章 基于windows平台监控软件的设计随着现代信息技术的发展以及计算机网络的应用，计算机通信技术已经日臻成熟，在工业生产实践中，人们更愿意坐在控制房内用PC机对各种仪表仪器进行实时设置或监控，这样通常要求PC机能在用户界面上具有数据采集、数据处理以及控制信号的产生与传输等功能，在这种特定的环境下，PC机要与过程控制的实时信号相联系。北京亚控公司推出的组太王6.01组抬软件，它是数据采集与过程控制的专用软件，它是属于控制系统中监控层一级的软件平台和开发环境，以灵活多样的组太方式提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，可以非常容易的实现和完成监控层的各项功能。本设计应用了组太王

40、软件，利用无线通信控制网络系统、温度自动控制实验箱，设计了一个温度控制系统，对加热炉的温度进行控制。本章主要介绍通过用组太王软件制作的温度控制界面，它可以实现系统的数据采集及显示，系统的实时监控，温度的在线控制，温度的动态分析以及温度的实时温度曲线，最后通过温度的PID控制算法实现系统的温度控制要求。4.1 温度控制界面的制作建立工程启动组太望工程管理器，选择菜单“文件”中的“新建工程”，出现“新建工程向导之一” 对话框，如下图：单击 按钮，弹出“新建工程向导之二”对话框。单击下一步，在对话框中输入工程名“温度控制”再单击完成，弹出对话框 选择“是”按钮，将新建工程设为组态王当前工程。组态王将

41、在“新建工程向导之二”对话框中所设置的路径下生成新的文件夹“温度控制”，并生成文件ProjManager.dat，保存新工程的基本信息。在菜单项中选择“工具/切换到开发系统”，或者退出工程管理器，直接打开组态王工程浏览器，则进入工程浏览器画面，新的工程已经建立。建立画面在工程浏览器中左侧的树形结构中选择“画面”，在右侧视图中双击“新建”工程浏览器将弹出“新画面”对话框。 在新画面对话框中设置如下图在对话框中单击“确定”TouchExploer按照您指定的风格产生一幅名为“温度控制”的画面。进入工程浏览器，打开图形工具箱和图库管理器。最后制作的“温度控制画面”按照同样的方法，本设计共又做了五个画

42、面，这里就不详细介绍，最后系统运行的画面如下：定义设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。本设计中使用牛顿模块（7012、7021）和组态王通信。提供数据。连接在计算机的COM1口。在组态王工程浏览器的左侧选中“COM1”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。选择“Nudam”的“串口”项，单击“下一步”；为外部设备取一个名称，输入PLC1 ，单击“下一步”；为设备选择连接串口，本设计设为COM1，单击“下一步”；填写设备地址，假设为1，单击“下一步”；设置通信故障恢复参数(一般情况下使