【正文】 實(shí)現(xiàn)。3 PID控制簡(jiǎn)介 PID 控制器概述PID簡(jiǎn)介：PID是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。PLC的輸出用于驅(qū)動(dòng)晶閘管模塊，控制加熱的電壓或功率。在輸入采樣階段，PLC以掃描方式一次讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)相應(yīng)的單元；用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU按自上而下自左而右的順序掃描用戶梯形圖程序，對(duì)由觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算并刷新邏輯線圈對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)，或執(zhí)行梯形圖中的特殊功能指令。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 (3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程.“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。而合理的是：在連續(xù)式加熱爐低溫預(yù)熱段（對(duì)間歇爐為低溫預(yù)熱期）實(shí)行快速加熱，或者將預(yù)熱段也變成加熱段（連續(xù)式加熱爐），或者用提高爐溫來(lái)快速加熱（間歇式加熱爐）；在連續(xù)式加熱爐的均熱段（對(duì)間歇式爐為均熱期）實(shí)行慢速加熱，或者延長(zhǎng)均熱段長(zhǎng)度來(lái)慢速加熱（連續(xù)式加熱爐），或者用降低熱負(fù)荷來(lái)慢速加熱（間歇式加熱爐）。從另一方面來(lái)說(shuō)，為了提高加熱質(zhì)量減小表面和中心的溫差和提高整個(gè)的溫度均勻性,必需延長(zhǎng)連續(xù)式均熱段的長(zhǎng)度(對(duì)間歇爐為均熱期的時(shí)間)，也就減少了爐子的產(chǎn)量造成與產(chǎn)量的矛盾。熱處理加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn)[3]，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制例如PID控制[4]難以保證加熱工藝曲線要求。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于2O世紀(jì)8O年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。溫度是工業(yè)對(duì)象中一個(gè)主要的被控參數(shù)[1]，它是一種常見的過(guò)程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵⒒瘜W(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)程。 Hardware Design。硬件部分由PLC、數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度采集器、LED顯示器、晶閘管模塊、熱電偶等組成。7. 編寫論文。編號(hào)：（ ）字 號(hào)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng) 姓名： 崔彭城 學(xué)號(hào)： 04061842 班級(jí)： 自動(dòng)化0610 二〇一〇年六月中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)姓 名：崔彭城 學(xué) 號(hào)： 04061842學(xué) 院：信息與電氣工程學(xué)院專 業(yè)：工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目：工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 題： 指導(dǎo)教師：郭一楠 職 稱：副教授 院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）：成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日并采用數(shù)據(jù)濾波器進(jìn)行信號(hào)處理使所得到的溫度信號(hào)更加精確和符合實(shí)際。 Software process 目 錄1 緒論 1 溫度控制概論 1 溫度控制的意義 1 溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 1 工業(yè)加熱爐概論 2 加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 2 加熱爐的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn) 2 本章小結(jié) 42 PLC簡(jiǎn)介及其特點(diǎn) 5 PLC定義及簡(jiǎn)介 5 PLC特點(diǎn) 5 PLC應(yīng)用領(lǐng)域 6 PLC硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 7 本章小結(jié) 83 PID控制簡(jiǎn)介 10 PID 控制器概述 10 PID 控制算法 10 PID控制的發(fā)展?fàn)顩r 11 智能PID的發(fā)展?fàn)顩r 12 控制方法簡(jiǎn)介 13 模糊PID控制 14 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制 15 遺傳算法PID控制 15 智能PID控制器研究及應(yīng)用展望 16 加熱爐控制方式的選擇 17 本章小結(jié) 184 PLC溫度控制裝置硬件設(shè)計(jì) 19 PLC溫度控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì) 19 D\A轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介 20 A\D轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介 21 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置 23 模糊控制器的設(shè)計(jì) 24 溫度數(shù)據(jù)濾波 25 晶閘管模塊 26 本章小結(jié) 285 PLC溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 29 PLC流程設(shè)計(jì) 29 軟件流程圖 29 控制算法 30 基于辨識(shí)的PID參數(shù)整定 31 系統(tǒng)辨識(shí)概述 31 PID初始參數(shù)的整定 32 本章小結(jié) 336 總結(jié) 35 全文總結(jié) 35 發(fā)展展望 35參考文獻(xiàn) 37翻譯 38英文原文 38中文譯文 45致 謝 52第51頁(yè)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2010屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒論 溫度控制概論 溫度控制的意義溫度的測(cè)量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問(wèn)題。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；六是具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。作為非線性控制的一大分支，模糊控制在上述溫度控制系統(tǒng)中可以得到較好的應(yīng)用。加熱產(chǎn)量與低消耗的矛盾：在提高整個(gè)工業(yè)爐的溫度水平，增加產(chǎn)量的同時(shí)，必然要增大熱負(fù)荷，導(dǎo)致提高煙氣的排出溫度，增加煙氣帶走的熱損失。這些原則就是“高爐溫，高煙溫，高余熱回收和低爐子惰性”（三高一低理論）提出的根據(jù)，可以使工業(yè)加熱爐實(shí)現(xiàn)：高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，低消耗和少污染的要求。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。 PLC應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 (5)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。輸出刷新階段，CPU按I/O映象區(qū)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。另外PLC溫度控制器還能通過(guò)串行通信口與PC機(jī)連接，構(gòu)成人機(jī)接口界面友好、控制功能完善的溫控系統(tǒng)。PID控制算法具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性廣和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。加熱爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬 PID、數(shù)字 PID到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。（3）積分分離式控制算法?；陬l域的解析整定方法又分為兩類：第一類使用一階慣性加純滯后模型（FOPDT），第二類則基于積分加一階慣性模型。于是人們將參數(shù)自調(diào)整技術(shù)引入到PID控制中，形成自適應(yīng)PID控制。近些年，各種商品化智能自整定PID調(diào)節(jié)器控制儀表也進(jìn)入市場(chǎng)。這給控制理論研究和應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。模糊控制法是一種近年來(lái)發(fā)展和應(yīng)用最普遍的新型控制方法,其優(yōu)點(diǎn)是不要求提供受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)人工控制規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)控制決策表。模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制作用，即魯棒性較好。為了改善模糊控制的穩(wěn)態(tài)性能,通常在模糊控制系統(tǒng)中引入模糊積分環(huán)節(jié)。另一類是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊,按照BP學(xué)習(xí)算法(如前向算法和反傳算法)進(jìn)行離線學(xué)習(xí),實(shí)時(shí)調(diào)整出PID參數(shù),同時(shí)還要繼續(xù)學(xué)習(xí)不斷地調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元間權(quán)系數(shù),以適應(yīng)被控對(duì)象的變化,因此,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。遺傳算法是基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的搜索算法,達(dá)爾文主義的“適者生存”基本理論貫穿于整個(gè)算法。在許多情況下, PID控制器為混合控制器,如一種基于遺傳算法的模糊PID控制器。近幾年來(lái),模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合代表著控制與智能系統(tǒng)研究的一個(gè)新的趨勢(shì),另外有一個(gè)值得注意的動(dòng)向是利用遺傳算法GA對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器的權(quán)系數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),而將遺傳算法應(yīng)用于模糊控制,被證明是調(diào)整規(guī)則和隸屬函數(shù)的一種有效方法。國(guó)外如日本、歐美等國(guó)家不但在理論研究方面走在前列,而且已經(jīng)有成功應(yīng)用的產(chǎn)品, Yokogawa電氣和Fuji電氣的溫度控制器,它們把模糊邏輯與標(biāo)準(zhǔn)的PID控制集成在一起來(lái)抑制超調(diào),取得了成功。但由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論正是解決這一問(wèn)題的有效途徑。正如前面章節(jié)所介紹工業(yè)加熱爐的溫度控制指標(biāo)具有大慣性、純滯后性、時(shí)變性等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此在本論文的設(shè)計(jì)中選擇PID控制器具有很優(yōu)秀的效果。4 PLC溫度控制裝置硬件設(shè)計(jì) PLC溫度控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)PLC溫度控制系統(tǒng)通常由溫度傳感器、溫度調(diào)理、A\D、D\A轉(zhuǎn)換裝置、受控對(duì)象組成。加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的數(shù)字量，然后 PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行處理，給移相觸發(fā)模塊，再給三相整流電路（SCR）一個(gè)觸發(fā)脈沖（既控制脈沖），這樣通過(guò)SCR的輸出我 們控制了鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)速度以及燃料的進(jìn)料情況驚醒調(diào)節(jié)，也既加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)。相對(duì)精度是絕對(duì)精度與滿刻度輸出電壓(或電流)之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。 電路中場(chǎng)效應(yīng)管V是采樣開關(guān)，受控于采樣脈沖，C是保持電容。在圖中，三位二進(jìn)制數(shù)可產(chǎn)生八個(gè)量化電平，而經(jīng)過(guò)采樣保持后的階梯信號(hào)在tt2段剛好與量化電平相符，所以可直接進(jìn)行編碼，而在t3～t8段則需要量化，采用四舍五入法按圖中箭頭的方向歸并階梯信號(hào)到就近的量化電平上，再編碼得數(shù)字量輸出如下：圖46 量化編碼波形 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中PLC硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，配合了多種特殊功能模塊及功能擴(kuò)展模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制等功能?？刂破鹘o定的溫度作為系統(tǒng)輸入信號(hào)r，傳感器檢測(cè)到的溫度作為輸出信號(hào)y，誤差e、控制信號(hào)u均在控制裝置里通過(guò)計(jì)算得到，最后經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)熱工對(duì)象溫度的控制，這就形成了一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)。(4)滑動(dòng)平均濾波：這是算術(shù)平均濾波的一種改進(jìn)方式，即每采樣一次與最近的N－1次的歷史采樣值相加，然后用n去除，商就當(dāng)作當(dāng)前值。這種方法用于抑制大的隨即干擾，要求過(guò)程變化緩慢。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過(guò)零觸發(fā)。下面還給出了模糊控制器的設(shè)計(jì)及其簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模糊控制裝置中的模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。模型識(shí)別方法并不可能完全精確的識(shí)別受控對(duì)象的開環(huán)傳遞函數(shù),因此基于識(shí)別后系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的參數(shù)有可能出現(xiàn)不準(zhǔn)確現(xiàn)象。當(dāng)加熱爐溫度達(dá)到指定值以上時(shí)，sppv＝△U為負(fù)值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，使SCR輸出電壓減小，加熱爐溫度降低。在實(shí)際的工程問(wèn)題中，如果能知道系統(tǒng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于分析對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征、改進(jìn)控制手段、提高控制的水平、降低生產(chǎn)成本都有極大的好處。前一類不必事先確定模型的具體結(jié)構(gòu)，只須假定過(guò)程為線性，就可辨識(shí)任意復(fù)雜的對(duì)象，它包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法、頻率響應(yīng)法等。多年來(lái)，對(duì)線性、非時(shí)變和具有不確定參數(shù)對(duì)象的辨識(shí)研究已取得很大的進(jìn)展，但被辨識(shí)對(duì)象模型結(jié)構(gòu)的選擇是建立在線性系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)之上，對(duì)于復(fù)雜的非線性對(duì)象的辨識(shí)，一直未能很好地解決。給控制對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型的方法通常有三種：一種是通過(guò)理論分析建模，這種建模方法通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)對(duì)象作機(jī)理分析，從理論推導(dǎo)中找出其動(dòng)態(tài)方程或傳遞函數(shù)，從而得到系統(tǒng)的參數(shù)模型；第二種方法是系統(tǒng)辨識(shí)[18]；第三種方法則是前兩種的結(jié)合，即從理論分得出有關(guān)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和階數(shù)信息，但其中含有未知信息，然后通過(guò)辨識(shí)的方法求出這些未知參數(shù)的數(shù)值。 K型熱電偶分度電壓擬合（1）根據(jù)具體問(wèn)題，確定擬合多項(xiàng)式的次數(shù)為n。受控對(duì)象所收到的的靜態(tài)擾動(dòng)可以通過(guò)積分器作用予以消除,但當(dāng)所收到的擾動(dòng)并非是恒定量的靜態(tài)擾動(dòng)時(shí)比如空氣對(duì)流對(duì)室內(nèi)溫度的影響,這種對(duì)流信號(hào)即是一種狀態(tài)值隨機(jī)的物理量,需要設(shè)計(jì)前饋控制環(huán)節(jié),將擾動(dòng)引入PID控制環(huán)節(jié)之前,在其未作用之前將其影響予以消除。5 PLC溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)