【《基于PID的燃烧器温度控制分析案例》5700字】

基于PID的燃烧器温度控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23662基于PID的燃烧器温度控制分析案例 157531.1PID控制原理 332011.2基于PID的温度控制系统设计 459841.3基于PID的燃烧器温度控制仿真 6254801.4基于PID的燃烧器温度控制程序设计 8239881.4.1PID整定算法 893351.4.2PID参数自整定 9现在的几乎所有的自动化控制技术都是以反馈为基础的。反馈理论的元素有三个方面：测量、对比及执行。它由于合适应用的范围广、使用灵活，己经逐步发展为成为了一个系列化的专业产品，使用中仅仅因为设计时需要特别注意确定三个主要基本参数(Kp,Ti和Td)。在很多的应用场景下，并不一定能够完全要求一个控制器系统需要同时完成三个控制单元，可以选择自由地采取其中一至两个控制单元，但是比例式控制单元也是必不可少的[21]。PID的优点有以下几点：（1）PID的应用范围较广，现在的大多数工业系统都是时变的，或者是非线性的，但是可以对他的过程进行简化，然后得到基本时不变或者线性的系统，从而PID就可对其进行控制。（2）PID的参数比较容易进行整定，他的三个参数Kp，Ti和Td能依据系统的动态特性进行及时的整定，而且三个参数还可以重新进行整定，如果系统的动态特性发生改变。（3）随着技术的不断进步，PID控制器也在理论与实践中不断进步。在大型工程机械产品加工厂，总是我们可以清楚地能够看到机械回路很多处于手动工作状态，其主要原因之一也就是很难正确使得机械过程系统能够在“自动”的工作模式下平稳地进行工作。由于这些主要缺点，所以如果采用基于PID的新型工业质量控制仪器系统始终可能会容易遭遇考虑到一些诸如提高产品质量、安全、生产率和使用能源上的浪费等诸多复杂问题。PID这个参数的自动调整值设定即是为了用来解决如何正确处理关于PID这个参数的非自整定这个问题。现在，自动化的整体制定或者者说是自身自动化的PID驱动控制器，已经逐渐成为许多商业上的单向多回路驱动控制器及分散控制器等系统的重要标准。PID控制器对于一些过程的控制效果较好，然而PID控制器还有一些问题：如果自整定模型需要以模型分析为理论基础，为了能够实现针对PID两个参数的重新进行整合调定而需要进行网上模型搜索而要寻找并且使用能够长期保持良好的工作过程整定模型则很困难[22]。当闭环模式运行系统工作时，要求每个检测电路都可能需要同时插入一个可能检测到的信号。这个参数方法使用可能很少会直接造成扰动，所以基于该参数模型的PID两种参数在工业上的实际应用并不是很优秀[23]。如果自整定的工作原理主要是基于动态控制律，经常很难将由一个负载扰动直接导致的动态影响与一个控制器在正常工作时所直接受到的系统动态超调特征参数变化所直接引起的动态影响效果进行准确区别区分开来，因此对于接受到负载干扰的一个控制器就可能会自动使其系统产生一个动态超调，产生不必要的自整定适应动态转换[24]。自动调节一般意义上来说就是指对一个基于开环运行状态确定的简易流程模型进行自动地计算PID参数。如果一个PID控制器并且不可能控制一个复杂的过程，无论怎么调控这个参数也都没有多大的意义。PID控制器尽管有许多不足，但是在有些情况下，依旧可以很好得对系统进行控制。模糊控制就是一种运用模糊化数学的根据基础和理论来进行控制，在我们这个传统的控制应用领域里，控制系统中各种动态模型的精确与否一直都是决定整个控制系统性能好坏最主要的因素和关键，系统中各种动态模型的信息越详实，则愈有可能够真正地起到准确的控制作用[25]。但是，当对象是一个比较复杂的控制对象时，由于其中变量和数据过多，对系统的运行状态进行分析，或者对系统进行描述是比较困难的，于是设计者和工程师们便采取了各种措施手段和技术方法将其简化成为一个复杂系统的实际运行动态[25]以期实现控制的目标，但却并不尽合乎理想。所以我们就开始尝试用模糊的系统数学方法论来去帮助解决这些我们可以完全控制的数学问题。模糊控制系统技术在我国智能城市控制系统中的技术应用领域范围广泛，由于其基础理论和技术实践应用研究较为成熟，其主要实现控制方式相对简单，且技术适应应用范围宽。不管说它是对复杂大型水泥窑的返工和砖窑的模糊控制，还是对各种智能化家用家庭电器的广泛应用，模糊控制均一直扮演着重要的主导角色。本毕业设计的对象是一个固定的沥青搅拌站燃烧器温度控制系统，分别用了传统的PID控制和模糊PID控制的方法对燃烧器温度控制系统进行了设计与控制，并且对两种方法的仿真结果进行了对照与比较，并分析了控制优劣。1.1PID控制原理PID控制器在工程领域中有着广泛的应用，主要有比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，其输出u(t)和输入e(t)的关系为[26]：u(t)=Kp∙输入函数e(t)表示为系统的偏差，它指示的是设置值与反馈函数之间的偏差，是指所有控制器向被控对象输送的一个控制测量。一个控制器的三个主要的参数分别为：Kp、Ki和Kd，这三个参数共同影响着控制器的控制质量，并且他们是存在内在联系的。PID控制器PID控制器KpKdSKi/SKpKdSKi/S控制对象rey图3-1PID控制原理图其中Kp为比例增益；Ki为积分增益；Kd为微分增益。通过调整改变PID的三个参数，以保证能够满足系统的要求，从而使系统的动态响应和静态响应得到改善。比例控制环节：比例控制环节按照与测量偏差和测量相关的比例来调整一个系统中所有被控制测量参数，以此产生一个可以控制的功能，减少测量过程中发生的偏差[27]。比例系数的作用和其功能是为了提升对系统进行动态的响应频率和速度，比例系数越高，系统的动态响应就越快，但是由于系统很容易发生超调，比例系数过小，会导致系统响应速度降低，对整个系统的准确性也会有一定的负面影响。积分控制环节：主要的作用于尽量减少和有效消除积分系统的时间静差，提高了系统的工作可靠性和无差异化程度，积分的时间常数也就直接决定了系统积分各个环节能够发挥作用的时间频率和作用强度，但是如果使用积分的环节作用太强就很有可能会直接严重影响和达到积分系统的平衡和稳定。微分控制环节：根据偏差测量的变化趋势和频率等因素来对其进行调整，这些控制参数是为了导致偏差测量中的信号产生较大变化之前，提早引入一个校正的偏差测量信号，起到加快系统运行动作的速度，减少调节时间的作用[27]，而且对于这些偏差测量参数的选择和调整也有着非常重要而且需要我们特别注意。参数作用太强，很有可能就会直接导致整个系统产生振荡。1.2基于PID的温度控制系统设计因为系统控制输入的燃料的量的不同，要我们对此进行控制，使燃烧器的温度不同，采用温度传感器来检测被选样者所需要测量的温度数值。一般可以在控制核心电动机所控制的燃油量输出和实际送入炉膛的燃油之间构成一个控制燃油量的控制电机系统，这个电机系统可以通过改变驱动电机转速等来使得实际送入炉膛的燃油量与控制电动机核心所发出的燃油量指令所要求的实际燃油量完全匹配。以控制沥青搅拌站燃烧器温度，维持燃烧器内的温度稳定，满足沥青搅拌站工艺要求为目的，由温度给定值setT和温度传感器检测得到的燃烧室温度传递给控制器[28]，经过温度传递控制器自动确认了燃油输送量的温度给定值setR，结合燃油输送量的检测传感器自动检测得到的实际燃油输送量，通过PID控制燃油输送阀门（范围0-100%），确认输送进入燃烧室中的燃油量R，最终取得一个稳定的真正燃烧温度数值t。此温度控制系统的结构图如下图3-2所示。温度控制器温度控制器温度控制器温度控制器温度检测阀门燃烧器PIDSetTSetRR图3-2温度系统结构图整个温度控制系统是作为一个串级控制系统，温度控制器与PID控制器共同作为温度校正器的主要工具，使在不同的负载下，燃烧器的温度和燃油容量始终保持在一个给定的值[28]，由PID控制器与阀门组成了一个快速反馈的内部回路。由于燃料本身的品质及其在燃烧时间中所导致的电磁波干扰，可以用来通过对燃烧控制电子系统的温度信号进行调整，提高该系统的温度调节性能。骨料与沥青的搅拌后的出料温度150~165℃，骨料烘干加热后需要输送到沥青搅拌装置中，有一定的热量散失，因此需要燃烧器加热到190℃。故需要设计系统输出温度稳定在190℃。1.3基于PID的燃烧器温度控制仿真因手动控制需人工进行控制，不安全且不准确，并且稳定时间比较长，不满足工业沥青搅拌站要求，故采用PID进行控制。采用试凑法设计PID控制器。三个参数的作用（1）比例系统参数设计Kp的主要作用之一就是为了能够加快对系统结构进行功能反馈和结构调整的工作效率，提高对系统结构进行反馈调整的准确性[29]。随着Kp的不断提高，系统对温度的调整和控制也就越精确，系统的反馈速度也会提升，但是由于系统容易随时出现超调，系统的正常运行性和稳定性就可能会逐渐出现变的不好，至有些时候还可能直接影响到导致系统不稳定。Kp取的过小，控制精度的效率就可能会有所下降，响应的速度就可能会有所减慢,调节时间的持续也可能延长,使得控制系统中的各种动和静态时控制的性能都可能发生变坏。（2）积分作用参数Ti的作用是：只要系统存在稳态误差，参数Ti就会发挥作用消除误差[29]，Ti越大，那么整个系统稳态误差就会被去除得越快，然而Ti也不可能太大，否则会在响应时间开始的初期就会出现积分饱和；若Ti过小，系统的稳态误差将很难得到完全消除，影响了系统的可靠性和调整精度。再次在控制系统前向通路中只要设置了有积分的环节都能够做到稳态而不是静差。从相位的观测角度出发，一个积分的环节即使有90°的相位延时，可能还是严重地破坏了系统的稳定。（3）微分作用参数Td的主要功效之一是改善系统的动态性能，其主要功效之一就是抑制偏差向任意方向发生变化，对这些偏差所发生的变化情况及时进行准确而提前地预测。但Td不能太大，否则很有可能就是直接引起响应的过程中提前制动，长或者是调整到一定的制动时间，并且还很有可能在一定的幅度内严重降低了制动系统的抗干扰性。

2、参数的整定思想：（1）先调比例，再调积分，最后调微分；（2）若曲线震荡频繁，则调大比例系数；若曲线漂浮，则将比例系数调小一点；（3）若曲线回复慢，则将积分系数调大，波动周期长，将积分系数调小[30]；（4）如果若曲线振荡的频率较快，将微分减小，动差较大、波动缓慢，将使得微分的时间增加。根据从上规律调整参数图3-4PID控制系统Simulink仿真示意图根据上述整定参数思想中的规律，在模型中改变Kp，Ki，Kd，三个参数，使输出的波形达到性能要求，在实验后可得出当Kp=0.25，Ki=0.062，Kd=0.375时，可使性能达到要求。所得结果图如下图3-5。图3-5PID单位阶跃响应曲线1.4基于PID的燃烧器温度控制程序设计1.4.1PID整定算法（1）试凑法[31]，试凑法就是通过人工地选择PID的参数，使得控制单元的响应能够达到设计中所规定的要求。（2）临界比例度法[31]，临界比例度法就是仅在P作用下，调整比例度使系统等幅振荡，然后根据公式算出PID值。（3）衰减曲线法[31]，使用衰减比率曲线法，衰减比率曲线计算法的工作原理其实就是只有在p的作用下，调整一个衰减比例的幅度之后才能将系统的两个响应衰减曲线按4：1或10：1的衰减比率分别进行一次衰减，然后作为依据这个衰减公式进行计算可以得到关系PID的响应数值。（4）反应曲线法，反应曲线法的目标是在一个开环的状态下，加入一个阶跃的信号，然后通过一阶加纯滞后的系统来逼近原有的系统，然后依次根据由Z-N或C-C的公式计算得到PID的数值。本文主要采用位置式PID控制方法作为例。将连续的PID控制转换为一个数字式时，微分环节被用累计差分方法代替，积分环节被累计差分取代，比例环节则保持不变；差分的实现只需要使用e(k+1)−e(k)即e(k)−e1等效即可；积分的实现在每一次运算的后面都累加原来的误差，即Ee=Ee+e_1;即可[31]。PID的控制器输出：u(k)=Kp∙PID控制器构造完毕，需要通过r(k)和y(k)得到e(k)，再通过e(k)得出u(k)，进而再求解出y(k)，再结合r(k)求解出e(k),…以此循环，求解出离散的响应点[31]。运用试凑法，Kp=0.2Ki=0.0047Kd=0.5，得输出响应如下图3-6：图3-6PID程序响应曲线1.4.2PID参数自整定Z-N法整定PID参数试凑法寻找合适的PID参数不是很容易。如果能够根据经典的Ziegler-Nichols（Z-N法）公式[32]来初步确定I和D元件的参数，会对我们的调试起到很大帮助。因为对温度的控制是一种属于滞后性控制的系统，所以我们可以采用在工业温度控制中经常使用的滞后性控制参数整定模式（Ziegler-Nichols参数整定的方法）。所谓的对其在PID中的各种回路误差进行“整定”即需要通过调整电路控制器在其实际设定值和各种回路设定值之间的误差来产生一种相反效果的积极性。如果正巧地认为任何人在控制一个随机算法的过程都本身应该变得是相对缓慢的话，那么PID这个随机算法就这样也可以被正确地设置为只要在某一个随机的过程中被运算符受到了过程干扰而不是改变了一个随机算法的过程控制变量或者某一个随机的过程运算符操作而不是改变了其中的过程运算符设定值时，就可以有很大可率也能够对该一个算法过程进行快速、显著的过程控制。相反地，如果一个被控制的过程对于一个执行器来说特别地灵敏而且一个被控制器只要算法是专门地用来处理一个被控制过程中各种变量的话，那么PID算法必须被严格地要求能够在比较长的时期内才有可能被实际地应用得到更加保守的校正[32]。回路整定算法的实际目标之一就是确定了对于控制器运动作用所产生逆作用带来的积极性和程度以及PID算法能够有效消除这些误差并且能够给我们带来多少帮助。经过多年的探索和研究，Ziegler-Nichols方法已逐步地发展到了现在能够适用于各种参