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1、本科毕业设计（论文）题目：（中文）电加热器的控制及其PLC的实现 （英文）The electric heater and the realization of the PLC control宁波大学科学技术学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文电加热器的控制及其PLC的实现均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘要【摘要】本文主要介绍了一种基于西门子PLC S7-300编程软件和组态监控软件Win CC的智能温度控制应用，对AE2000型实验装置中的一锅炉的加热系统进行温度
2、控制，在规定的时间内达到温度控制精度要求。并且在加热过程中，利用了Win CC具有良好的人机界面、数据采集等功能，通过Win CC组态进行温度画面的监控。本实验采用PLC S7-300的编程环境STEP7中调用FB41模块来进行PID控制的技术，对加热对象的分析和整定，并且建立其数学模型及对实验数据的分析比较。【关键词】温度控制；西门子PLC；PID控制；Win CC组态。The electric heater and the realization of the PLC controlAbstract t【ABSTRACT】This text mainly introduced the ex
3、hibition of intelligent temperature control based on a Siemens PLC S7-300 programming software and configuration monitoring software Win CC and the temperature control about heating system of a boiler in AE 2000 experimental facility .Besides during the heating progress, using the function of well h
4、uman-computer interface ,data collection and so on to monitor the temperature by Win CC configuration .This experiment adopt PLC S7-300 programming environments STEP7 to conduct PID technology by invoking FB41 module analyze the heating object, and build its mathematical model and the analysis and c
5、ompare to the experiment data.【KEYWORDS】temperature control；Siemens PLC；PID control；Win CC configuration。目录摘要IIAbstract tIII目录IV1绪论11.1选题背景及其意义11.2工业控制领域PLC的控制11.3国内外发展情况21.4本课题主要研究的内容21.4.1基本研究内容22电加热过程控制试验系统装置简介42.1AE2000A型实验装置简述42.2电加热器过程结构及数学模型42.2.1电加热器的系统结构42.3西门子可编程控制器62.3.1PLC的特点62.3.2PLC的工作
6、原理72.3.3S7-300PLC实验系统简述73电加热控制系统软、硬件环境93.1S7-300编程软件STEP7介绍93.1.1STEP7硬件组态设置步骤93.1.2STEP7软件编程123.2Win CC西门子监控组态软件123.2.1Win CC组态设计及其画面监控的实现124温度加热实验控制策略介绍194.1PID的控制系统194.1.1PID控制概述194.1.2数字PID的控制算法194.1.3改进的数字PID的控制算法214.1.4PID控制器的参数整定234.2单回路控制系统264.2.1单回路控制系统的组成结构264.2.2单回路控制系统的特点274.2.3单回路控制系统的设
7、计274.3过程控制系统的性能指标285电加热器温度控制的实现305.1电加热器的数学模型305.2单回路PID控制器的参数整定335.3电加热器温度控制的实现345.3.1FB41模块345.3.2PID温度控制的实现355.3.3调试的结果分析376总结43参考文献44致谢45附录46491 绪论1.1 选题背景及其意义温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。锅炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。随着我国经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国工业发展的重要阻碍，社会各界都对此积极关注。目前面向节能降耗、提高轧
8、制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛的应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。设计一套完善可行的加热炉炉温控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化上等各类上业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进行控制。而传统的加热炉普遍采用继电器控制。由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。随着计算机技术的发展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，也使得PLC具有了计算机的功能，成为
9、了一种以电子计算机为核心的上业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高效，稳定且维护方便。在过去的几十年里至今，PID控制己在工业控制中得到了广泛的应用。在工业自动化的三大支柱(PLC、上业机器人、CADICAM)中位居第一。由于其原理简单、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID结构。虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。1.2 工业控制领域PLC的控制可编程控制器PLC具备了体积小，组装灵活和编程简单等的特点。在工业控制领域中，也是正因为PLC具有了这些稳定并且可靠的特点，在社会上予以得到了广泛的应用。也因为PLC中数据的计
10、算机处理能力相对较弱，不能给用户提供很好的界面跟操作等。而计算机具有强大的数据处理能力和分析管理能力，正好能弥补PLC的不足跟缺陷，并且在DELPHI中容易得到使用，这样能给用户提供更多的便捷之处。两者的结合，更是编程技术上的进步。当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成，即中央处理单元、输入输出模块和编程单元。过程控制过程控制是对针对模拟量的工作过程，是通过控制是PLC元件稳定性的保证，要始终将湿度范围控制在85以下。随着社会在数字电子技术以及计算机技术方面的不断发展，同时PLC也跟着突
11、飞猛进的进步，在这PLC应用领域不断增大，以及加强了PLC功能发展发面的东西的同时，不但使得PLC的功能变得更优化善，也使得PLC在实际情况中的应用中存在的问题，予以得到更加深沉的思索和探索。PLC中通信功能的日渐完美化，提供了更加可靠的数据传输，尤其是在工业生产方面的远程数据控制，以便适合越来越繁琐的工业生产场合。PLC在工业领域作用的日益重大，不但是今后工业自动化发展的有力支撑，也是工业化生产的主要依托。1.3 国内外发展情况一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开始起步，对电加热炉的生产过程进行计算机控制的研究。直到九十年代中期，不少企业
12、才开始应用计算机控制的连续加热炉，可以说发展缓慢，而且对一于国内的温度控制器，总体发展水平仍不高，不少企业还相当落后。与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。目前我国的产品主要以“点位”控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。近年来，伴随着科学技术的不断快速发展，计算机技术的进步和检测设备及性能的不断提升，人上智能理论的实用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是国内外必然的发展趋
13、势。据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种，2000年销售额约为86亿美元，占到绝大部分的工业控制计算机市场份额，这边明PLC在工业控制计算机市场中起到主头作用。1.4 本课题主要研究的内容1.4.1 基本研究内容以PLC控制为核心，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差，经过PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，采用PID算法，运用PLC编程语言编程，从而调节加热器加热，实现温度的自动控制。在监控系统和数据的采集整理方面，本课题设计采用的是WinCC组态软件，来进行数据的采集以及系统的实时监控。本设计系统选用S7-300PLC为控制器，用热电偶检测炉
14、温，温度变送器将热电偶输出的微弱信号转换为标准信号。然后送给模拟量输入模块，经A/D转换成数字量。CPU将它与温度设定值作比较，并按PID控制算法对误差进行运算，将结果送给模拟量输出模块，经D/A转换变为模拟信号。用来控制可控硅的一导通角大小，从而调节电热丝的加热，改变温度大小。1.4.2 需要解决的关键问题（1） 西门子S7-300 PLC 硬件组态的设置。（2） 西门子Win CC组态的设置。（3） 本设计实验对象数学模型的建立。（4） 实现温度控制的PID控制策略。2 电加热过程控制试验系统装置简介2.1 AE2000A型实验装置简述AE2000A型过程控制实验装置吸取了国外同类实验装置
15、的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统)，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。实验装置如图2-1所示：图2-1 系统结构图2.2 电加热器过程结构及数学模型2.2.1 电加热器的系统结构1）AE2000A实验对象检测及执行装置包括：（1）检测装置： Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后盘管出口水温。温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能
16、稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的，从它引出的导线电阻发生变化，就会给测量温度装置带来不必要的误差，所以温度传感器热电阻大都是由纯金属材料制做而成。温度传感器热电阻的测量温度装置，是由一些温度传感器热电阻、接连之间的线以及仪器仪表之类相互构成的。（2）执行装置：三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加。三相调压器又称晶闸管电力调整器、可控硅电力调整器或简称电力调整器。其调压装置是一种四层三端半导体器件，主要工作原理是将四层三端半导体器件，接在电源和负载中间
17、，配上相应的触发控制电路板，就可以调整加到负载上的电压、电流和功率，从而实现精密控温。主要用于各种电加热装置的加热功率调整，既可以“手动”调整，又可以和电动调节仪表、智能调节仪表、PLC以及计算机控制系统相配合，实现对加热温度的恒值或程序控制。2）锅炉：锅炉内胆中有电加热器，可以控制进行加热。锅炉由内胆和夹套两部分组成，夹套的温度是由锅炉来热传导进行的。如图2-2图2-2 AE2000A实验控制对象实物图2.3 西门子可编程控制器随着现代电子技术的不断更新和发展，PLC可编程控制器的优越性就体现的淋漓精致，其凸显的快速性，稳定性，安全方便性越加符合现代社会一些有关于制造的公司和企业要求。PLC
18、控制器生产出来的产品具有成本低并且质量要求都可靠的，故PLC可编程控制器占到的很多的优势和主动权，在社会市场中具有良好的口碑，现在已经变成为当今工业控制自动化的重要支柱之一。2.3.1 PLC的特点1) 编程方法简单易学PLC编程语言中，梯形图易学易懂，图形比较简单，是应用最多的编程方式，其电路符号和表达式与继电器电路原理图很相似。2) 功能使用方便以及全面，性价比也高功能强大，能同时供应上万个编程的元件，很快速的实现复杂的控制系统。跟同类别的相比具有很明显的优越性和价格低的优点。3) PLC的硬件强大，适应性强PLC控制系统装置中的各种硬件都能提供给大家使用和选择。大家能随心所遇的构成根据不
19、同功能的，自己需要的控制系统，从而使用起来也非常方便可靠。并且，PLC的负载能力极其强大，所以其适应性也广泛全面。4) 可靠，抗干扰性能强以往的一些继电器可能很容易出现问题故障，不能可靠的供用户使用，但是PLC还有其软件功能，给用户解决的不稳定的因数，也排除了很多之前的故障问题。PLC控制系统在长时间的使用中，都明显的比以前的稳定，产生的故障次数也减少很多，故其在恶劣的环境中也能正常工作。这给用户正常使用控制器提供了保障，其抗干扰的能力是用户公认的突出优点。5) 在其系统的设计、安装、调试方面都比较方便PLC之前为了解决不稳定和故障的环节上，采用的软件功能很明显的使得控制柜在其中的安装、调试和
20、设计方面都面面俱到，大大的减少了很多工作量，比以前更加的优越。而PLC软件功能中的梯形图设计程序，也是一个很容易掌握和学习的知识，其易学易懂，设计方法也很明白简单，能更好的被用户习得，编程的时间也大大的减少了。6) 维修工作量小，并且很方便PLC具有其稳定性和可靠性，所以产生的故障也很少，所以维修工作量也相当的小。再其具有自己软件的调试诊断故障的能力，使得能让用户更加快速和方便的发现故障的所在，从而迅速解决和排除一些小故障。7) PLC体积很小，能耗也低PLC通过改进后，其配线的用量减少了很多，体积方面也变之前的继电器少了很多。相当于原来的一半都不到。并且安装工程量也不大，加上体积方面的缩小，
21、使得其耗能明显下降。2.3.2 PLC的工作原理PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。（1）在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。PLC会不断的执行用户的程序，从而能更精确的接收到可能随时产生变化的输入信号，直到PLC停止工作。（2）在执行用户的程序的同时，PLC还会有很多次循环，每次循环可以分为以下五个步骤，如下图2-3所示。 开始自诊断与编程器通信读入现场信号执行用户程序输出结果STOPRUN 图2-3 PLC工作运行阶段PLC的这种反复的的循环工作模式我们称做PLC扫描工作方式。PLC的扫描时间：在执行工作程序的状态下，每执行一次上述
22、图所示的步骤，就是一个扫描周期。2.3.3 S7-300PLC实验系统简述本次系统温度控制设计，主要采用的是西门子S7-300PLC进行编程控制，以PLC控制为核心，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差，经过PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，采用PID算法，运用PLC编程语言编程，从而调节加热器加热，实现温度的自动控制。该控制器具有多种电源模块、I/O模块以及需要24V直流的传感器/执行器供电。西门子S7-300PLC中的CPU的作用是不断的采集数据来执行程序，不断的去更新输出结果。而其中的存储器是用来储存数据的数据库。输入和输出模块是I/O模块，输入模块主要是用来收
23、集输入信号，模拟量输入模块是主要用来接收连续变化地模拟量电压电流信号，其都是信号模块。通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-I和工业义太网，或者用于实现点对点通信等。PLC一般使用AC 200V电源或DC 24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC 24V电压和背板总线上的DC 5V电压，供其他模块使用。如图2-5和图2-6所示图2-5 AE2000A实验台图2-6 西门子S7-300PLC模块3 电加热控制系统软、硬件环境 3.1 S7-300编程软件STEP7介绍SIMATIC S7
24、-300是一种通用型的PLC，使用的场所非常之多，尤其是在生产制造工程中的应用。具有模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等待点。为了是PLC控制系统更加稳定，方便的设计和使用，S7-300由多种模块部件，以各自不同的形式结合在一起来构成。S7-300还具有不同种类和不同层次的CPU，为用户提供了强大的功能。S7-3OO还具有很多的指令集，使得设计更加方便。3.1.1 STEP7硬件组态设置步骤STEP7软件硬件组态设置是来模拟真实的PLC硬件系统，从而对PLC硬件模块的各种参数进行设置和修改的过程。STEP 7创建一个自动化解决方案，可以分为6个步骤；创建一个项目、通信设置、硬
25、件组态和参数设置、程序编写与下载、程序调试和组态通信。下面结合此次设计的课题逐一对这六个步骤进行展开分析。（1） 创建一个项目运行STEP7，在“File”菜单下选择“New ProjectWizard”，点击Next按钮，按照顺序进行选择，选择CPU315-2DP，选择需要用的组织块OB1和OB35，再选择编程语言LAD。输入自定义的工程名称，最后点击Finish按钮，结束对项目的创建过程。（2） 硬件组态a) 双击“SIMATIC 300 STATION”中的“hardware”（如图3-1），进入硬件组态窗口，选择正确的输入输出模块。双击DP，出现DP属性对话框。图3-1 硬件组态b)
26、点击，在图3-2中新建一个PROFIBUS（1）网络。图3-2 PROFIBUS DP设置c) 在建立好的PROFIBUS（1）网络上添加通信模块IM153-1(6ES7153-1AA03-0XB0)。并向其中添加模拟量输入模块AI8x16Bit (6ES7 331-7NF00-0AB0)、模拟量输出模块AO4x12Bit(6ES7 332-5HD01-0AB0)。d) 对模拟量模块的属性进行修改，选中要修改的模块的属性对话框，分别修改模拟量输入模块的Addresses和Inputs属性进行调整，调整为电压型输入，即E，测量范围为1.5V。同理对模拟量输出模块也进行调整，调整为点流行输出，即I
27、，电流范围是4.20mA。最终得到最后的硬件组态结构图，如图3-3所示。图3-3 模拟量模块配置图（3） 程序设计a) 首先，根据此次设计中需要用到的输入输出端口的硬件连接，在“Symbols”中对过程信号、位存储和块设定符号名和加适当的注释。创建的符号编辑器的结果如图3-4所示，其中锅炉温度定义为“AI1”，它位于模拟量输入通道的“IW2”，输出到加热器的控制信号定义为“AQ1”，地址是模拟量输出通道的“QW18”。图3-4 符号编辑器b) 点击SIMATIC管理器下的项目结构中的“Blocks”项，在其中添加需要的编程模块，然后进入组织块“OB1”，根据转化通道的原理，对于锅炉的温度进行采
28、样处理，便于在监控画面中显示。梯形图程序如图3-5所示。图3-5 锅炉温度采集程序c) 打开组织块OB35，在OB35完成PID的程序编写。其中调用了FB41模块，定义了DB41，在正确完成了程序编写之后，两个数据块会自动生成，最终PID程序中Blocks中的结构如图3-6。图3-6 PID Blocks结构图d) 在软硬件都完成了设计之后，鼠标点击SIMATIC 300 Station ，在PLC处于STOP模式下，点击工具栏中的下载按钮，完成下载过程。完成后将PLC置于RUN模式。3.1.2 STEP7软件编程STEP7标准软件包支持三种编程语言：梯形图LAD（Ladder Logic P
29、rogramming Language）、语句表STL（Statement List Programming Language）和功能块图FBD（Function Block Diagram Programming Language）。不同的编程语言为具有不同知识背景的编程人员提供了选择。l LAD：梯形图，易学易懂，很电路图产不多，都用很多的接触点和线圈等符号来绘制。l STL：语句表，它是用文本编程的形式。l FBD：功能块图，它主要是用不同种类的功能“盒”即功能。对比这三种编程语言，我们可以发现梯形图和功能块图都是采用图形化的编程语言，易于明白，使用方便；语句表的话它更趋向于程序员的编程
30、语言，控制可能比较灵活。3.2 Win CC西门子监控组态软件组态软件是数据采集监控系统SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。WinCC具有了性能完美全面、技术先进、系统开放和方便灵活的特点，并且其兼容性也非常的强大，用起来很是方便稳定。3.2.1 Win CC组态设计及其画面监控的实现WinCC组件分别由组态软件和运行软件构成。我们需要使用的是WinCC的项目管理器，项目管理器是整个WinCC的核心部位，使用期管理器对控制系统进行不同元件的绘制和
31、监控。使用WinCC的运行软件，操作人员可监控生产过程，使用WinCC来开发和组态一个项目的步骤是：l 启动WinCCl 建立一个项目l 选择以及安装通讯驱动程序l 定义变量l 建立和编辑过程画面l 指定WinCC运行系统的属性l 激活WinCC画面l 使用变量模拟器测试过程画面结合本次毕业设计，讨论Win CC软件开发过程，开发过程主要分为工程建立、通信设置、变量设置、监控过程画面的绘制等。(1) 工程建立 启动Win CC 通过点击“文件”下的子菜单中的“新建”按钮来创建，此时现如图3-7所示，选择“单用户项目”，点击“确定”，出现如图3-8所示对话框，输入项目名称，选择项目保存路径，最后
32、点击“完成”。图3-7 资源管理器 图3-8 创建项目(2) 添加通讯驱动程序，完成PLC与Win CC之间通信。在右侧一栏中点击“变量管理器”， 在快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”，选择“SIMATIC S7 Protocol Suite”，则该驱动将会安装在“变量管理器”的子目录下，如图3-9所示。图3-9 添加驱动模块(3) 右键点击MPI通道单元，在快捷菜单中选择“新驱动程序的连接”，在“连接属性”对话框中输入“cpu315-2dp”作为逻辑连接名，然后再点击“属性”按钮，在连接设置中将插槽号设置为2。(4) 打开MPI，右键点击“cpu315-2dp”如图3-10所示，选择“新建组
33、”，并取名为“DB41”，同时在STEP中打开DB41背景数据块如图3-12所示，根据数据类型和数据地址，在Win CC的DB41变量组中，建立需要的变量。建立的结果如图3-11所示。 (5) 在右侧项目管理器浏览栏，右键点击“图形编辑器”，进入“Graphics Designer”的一个空白画面，在这里可以建立用户需要的可视化的组态画面。下面对图形界面的编辑中用到的主要对象进行简单的介绍。 图3-10 新建变量图3-11 DB41变量组图3-12 STEP7 DB41数据块1) 输入/输出域：在右侧菜单栏的“对象选项板”中的“智能对象”下选中“输入/输出域”（如图3-13所示），鼠标拖放到绘
34、图区的合适位置，此时会在该区域附近自动弹出“I/O域”组态对话框（如图3-14），在此实现对变量的连接和该变量的更新时间的设定等一些属性的设置。 图3-13 添加输入/输出域 图3-14 I/O域组态2) 按钮：在“对象选项板”中的“Windows对象”栏中，鼠标选中“按钮”，将它拖拉到绘图区的合适位置，在弹出的属性对话框中（如图3-15），修改按钮的名称的等属性，并在“事件”任务栏中，选中“鼠标”，在执行条件选项中可以选择多种执行条件，在“动作”栏，鼠标右键，可以添加动作事件例如“C动作”或者“直接连接”。如图3-16是“c动作”编辑动作对话框。 图3-15 鼠标事件图3-16 C动作脚本3
35、) 实时曲线图 位于“对象选项板“的”控制“菜单下的”Win CC Online Table“，即Win CC在线趋势控件（如图3-17）所示。利用鼠标可以将它拖拉到绘图区的合适位置，然后在出现的属性对话框中（见图3-18），可以完成对趋势的对象的添加，还可以对”时间轴“、”数值轴“等的设置。 图3-17 趋势图添加 图3-18 在线趋势图属性4 温度加热实验控制策略介绍4.1 PID的控制系统4.1.1 PID控制概述在工业控制中，PID控制是应用最为广泛的一种控制规律。所谓PID（Propotional-Integral-Differential）控制即为比例、积分、微分控制系统，他是一种
36、历史最久、应用最广、适应性最强的控制方式，在工业的生产中PID算法占86%95%。他具有算法简单、鲁棒性强和可靠性高等优点。使用于温度、压力、流量、液位的控制场合。PID控制器是一种线性控制器，它将给定值与实际输出值的偏差的比例、积分和微分进行线性组合，形成控制量输出，结构如图4-1所示。积分比例微分广义被控对象图4-1 PID控制系统方框图因此，连续系统中PID控制器的传递函数为: (4-1)PID控制规律为:(4-2)其中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数，为PID控制器的输入，为PID控制器的输出。由式（4-1）和式（4-2）可知，PID控制器的输出是由比例控制、积分控制和微分
37、控制三项组成，三项在控制器中所起的控制作用相互独立。因此，在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可以选择其结构，形成不同形式的控制器，如比例（P）控制器，比例积分（PI）控制器，比例微分（PD）控制器等。4.1.2 数字PID的控制算法1）比例控制器比例控制器是最简单的一种控制器，其控制规律为: (4-3)式中，为控制量的基准值，即偏差时的控制作用（如阀门原始开度、基准电压等）。图4-2 比例控制器的阶跃响应2）比例积分调节器（PI）为了消除在比例控制中残存的静差，可在比例控制器的基础上加入积分控制，构成比例积分控制器，其控制规律为: (4-4)式中，为积分时间常数，表示积分速度的快慢，
38、越大积分速度越慢，积分作用也就越弱。图4-3为比例积分控制器的阶跃响应曲线。图4-3 比例积分控制器的阶跃响应曲线3）比例积分微分调节器（PID）虽然积分作用可以消除静差，但它会降低系统的响应速度。为了加快控制过程，可以通过检测误差的变化率来预报误差，根据误差变化趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除在萌芽状态。为此，在比例积分控制器的基础上再引入微分控制，形成比例积分微分（PID）控制器，其控制规律为： (4-5)式中，为微分时间常数，代表微分作用的强弱, 越大微分作用越强。图4-4为比例积分微分控制器的阶跃响应曲线。图4-4 PID阶跃响应曲线综上所述，对PID控制器中三个环节的作用总
39、结如下：（1）比例环节的作用：能迅速反映偏差，从而减小偏差，但不能消除静差，的加大，会引起系统的不稳定。（2）积分环节的作用：只要系统存在偏差，积分环节就会产生控制作用减小偏差，直到最终消除偏差，但积分作用太强或者过大都会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。（3）微分环节的作用：有助于系统减小超调，克服振荡，加快系统的响应速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态性能。但过大，会使系统出现不稳定。4.1.3 改进的数字PID的控制算法鉴于计算机控制系统的灵活性，除了按位置式和增量式进行标准的数字PID控制计算外，也可根据系统的实际要求，对PID控制算法进行改进，以提高系统的控制品质。在PID控制
40、算法的增量式中，当给定值发生阶跃变化时，由比例项和微分项计算出的控制增量将会增大，如果超过了执行机构所允许的最大限度，同样会引起饱和现象，使系统出现过大的超调和持续振荡，动态品质变差。为了避免出现饱和现象，必须对PID控制算法计算出的控制量进行约束，也就是对积分项和微分项进行改进，形成各种改进的数字PID控制算法。（一）积分分离PID控制算法积分分离PID控制算法的基本思想是在系统偏差较大时，取消积分作用；而在小于某个阈值时才引入积分作用，即： （4-6）式中的逻辑系数为： （为根据系统的实际情况设置的分离阈值）（二）不完全微分PID控制算法对于具有高频扰动的生产过程，由于标准PID控制算式中
41、的微分作用过于灵敏，导致系统控制过程振荡，降低了调节品质。特别是，对每个控制回路计算机的输出是快速的，而执行机构的动作需要一定的时间。如果输出值较大，在一个采样时间内执行机构不能到达应到的位置，会使输出失真。为此，在标准PID控制算法中加入一个低通滤波器，加在整个PID控制器之后，形成不完全微分PID控制算法，改善系统的性能，结构如图4-5所示。 标准PID调节器 图4-5 不完全微分PID控制器框图总之，不完全微分数字PID控制器的微分作用输出逐渐减弱，作用时间长，微分项能在各个采样周期内起到作用。此外，在第一个采样周期内输出的幅度要比标准数字PID控制器的小得多。这样，不易引起振荡，改善了
42、控制效果。（三）带死区的PID控制算法在计算机控制系统中，控制器的频繁动作会引起系统振荡，这是许多系统所不允许的。通常，我们希望在满足系统控制要求的前提下，控制器的输出越平稳越好。因此，为了避免控制作用过于频繁，在标准数字PID控制器的前面增加一个非线性环节，形成带死区的PID控制算法。（四）消除积分不灵敏区的PID控制算法在数字PID控制算法增量式中的积分项输出为： （4-7）当计算机的运算字长较短时，如果采样周期比较小，而积分时间又比较长，则会使的值小于计算机字长精度，此时就会被看成“零”而丢掉，积分控制作用就会消失，把这种情况称为积分不灵敏区，将影响积分消除静差的作用。4.1.4 PID
43、控制器的参数整定PID控制器的设计一般分为两个步骤：首先是确定PID控制器的结构，在保证闭环系统稳定的前提下，尽量消除稳态误差。通常，对于具有自平衡性的被控对象，应采用含有积分环节的控制器，如PI、PID。对于无自平衡性的被控对象，则应采用不包含积分环节的控制器，如P、PD。对具有滞后性质的被控对象，往往应加入微分环节。此外，还可以根据被控对象的特性和控制性能指标的要求，采用一些改进的PID算法。确定好PID控制器的结构以后，就要选择控制器的参数，也就是进行PID控制器的参数整定。PID控制器参数整定是指在控制器的形式已经确定的情况下，通过调整控制器参数，达到要求的控制目标。模拟PID控制器的参数整定是按照控制性能指标要求，决定调节器的参数、；而数字PID调节器参数的整定，除了需要确定、外，还需要确定系统的采样周期。PID参数整定方法可以分为理论计算法和工程整定法两种。理论计算法要求必须知道各个环节的传递函数，计算比较复杂，实际系统很难满足要求，工程上一般不采用此方法。工程整定法是基于实验和经验的方法，简单易行，是工程实际经常采用的方法。（一）扩充临界比例度法扩充临界比例度法是以模拟PID控制器中使用的临界比例度为基础的一种数字PID控制器参数整定方法，它适用于具有自平衡性的被控对象，不需要被控对象的数学模型。应用扩充临界比例度法时，首先要确定：控制度 用扩充临界比例度法整定P