【文章內(nèi)容簡介】 要的作用。控制溫度對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預報、物資倉儲等都有重要影響，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中， 溫度更是重中之重。無論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，在某些環(huán)節(jié)中如果溫度發(fā)生變化也許會帶來不同程度的影響， 水溫的高低可能直接影響到設備的安全和使用壽命 ，發(fā)生嚴重的安全事故或者給產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量帶來一系列問題。 鍋爐在日常生活生產(chǎn)中的影響非常大。在鍋爐里面 燃燒 化石燃料（比如說煤、石油、天然氣等） 產(chǎn)生的熱水或 水 蒸汽 的 可直接提供 工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)和生活所需要的熱能 。早在 200 多年前鍋爐就已經(jīng)問世，但鍋爐在工業(yè)方面的應用和發(fā)展是最近幾十年才開始的。在國外，工農(nóng)業(yè)中對鍋爐的控制在五六十年代發(fā)展的最快，于七十年代發(fā)展 至最高點。反觀我國，鍋爐在新中國成立以后才開始建立和發(fā)展在工農(nóng)業(yè)方面的應用。上海在 1953 年率先成立了一座上海鍋爐廠。鑒于鍋爐在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中所扮演的角色的不同，我們把鍋爐分為三類：發(fā)電廠使用的是電站鍋爐；居民所需要的熱水和取暖所需要的是生產(chǎn)鍋爐；工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的驅(qū)動機械的能源則是由工業(yè)鍋爐來提供的。 在鍋爐日漸為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活提供方便的時候，問題也隨之產(chǎn)生，那就是對于鍋爐的控制問題。隨著科學技術發(fā)展，控制理論和技術也有了很大的發(fā)展，對于鍋爐的自動化控制的掌握程度也在慢慢的提高。 從六十年代第一臺 計算機在控制中的應用開始，并隨著計算機科學技術以及通信、控制技術等等的快速發(fā)展，人們對于鍋爐的自動化控制中也逐漸的采用了計算機。鍋爐的自動控制技術從三四十年代的單參數(shù)儀表控制開始，經(jīng)歷了四五十年代 2 單元組合儀表、綜合參數(shù)儀表控制，一直到六十年代興起的計算機過程控制，越來越說明了計算機正在成為這一領域的主要角色并且在鍋爐的自動控制的適用范圍越來越廣。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中，對于一些工藝過程，溫度的浮動直接會對產(chǎn)品的質(zhì)量以及產(chǎn)量產(chǎn)生影響，在這種情況下，設計出一套針對溫度的較為理想的控制系統(tǒng)會非常有價值。 國外從 1970 左右就開始研究如何對溫度進行控制。在 1970 年至 1979 年這段時間內(nèi)，溫度控制技術簡單來說就是利用模擬式的組合儀表來采集工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的信息，然后再進行計算、推導，對溫度進行記錄和控制。一直到 1989 年左右分布式系統(tǒng)才第一次出現(xiàn)在世人面前。到了 21 世紀 10 年代，也就是 2020 年，世界各國的科學家們已經(jīng)在開始研發(fā)那種由計算機來采集和控制信息的“多因子綜合控制系統(tǒng)”了。隨著科學技術的快速發(fā)展，溫度控制技術也隨之逐步提高，甚至有些國家已經(jīng)在向著更高的自動化控制水平 —— 無人化自動控制發(fā)展了。 中國雖然在世界上影響力不小，但是中國的發(fā)展并比不上發(fā)達國家。作為發(fā)展中國家，相對于其他發(fā)達國家，我國的科學家們在 1980 年才開始在吸取其他國家技術的基礎上慢慢地學習并掌握針對單項環(huán)境因子的溫度室內(nèi)微機技術?，F(xiàn)如今，我國對涉及到微機的溫度控制技術已經(jīng)由吸取經(jīng)驗到簡單應用再向著綜合應用方向發(fā)展。但是現(xiàn)在我們還沒有真正的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，比起其他國家，我國在技術上還是落后不少。眼下我國的溫度測控技術比起國外工廠化的溫度測控技術仍然差得很遠，在實際生產(chǎn)中我國的溫控系統(tǒng)的軟件、硬件資源還是不能共享，不能達到很高 的產(chǎn)業(yè)化水平，裝備也不能很好的配套，這些難題都需要科學家、技術人員去解決。 到目前為止，我國在溫度的控制這方面仍然比較落后，總體水平處于 20 世紀 80年代中后期水平，要想用于一些控制滯后、復雜、時變的溫度系統(tǒng)控制，還是有不小的困難。至于更高控制要求的智能化、自適應控制儀表，和發(fā)達國家相比還是有不少的差距。在形成商品化、控制參數(shù)自整定方面，我們還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件，控制系統(tǒng)的參數(shù)的確定大多都是依靠經(jīng)驗或者現(xiàn)場調(diào)試。 隨著科學技術的不斷發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)的需求已越來越苛刻，高精度、智能化、人性化是國內(nèi)外溫度測控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 3 2 系統(tǒng)設計方案 (1)基于 DCS系統(tǒng)中編制 PID控制軟件。 (2)編制組態(tài)監(jiān)控畫面。 (3)實現(xiàn) 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制 設計方案和工作原理 設計方案 單閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 穩(wěn)定性好、可靠性高，在工業(yè)控制 中得到廣泛的應用。單閉環(huán)鍋爐水溫定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1，其中鍋爐內(nèi)膽為動態(tài)循環(huán)水，磁力泵、電動調(diào)節(jié)閥、鍋爐內(nèi)膽組成循環(huán)供水系統(tǒng)。而控制參數(shù)為鍋爐內(nèi)膽的水溫，即要求鍋爐內(nèi)膽的水溫等于設定值。先通過變頻器 磁力泵動力支路給鍋爐內(nèi)膽打滿水，然后關閉鍋爐內(nèi)膽的進水閥。待系統(tǒng)投入運行后，再打開鍋爐內(nèi)膽的進水閥，允許變頻器 磁力泵以固定的小流量使鍋爐內(nèi)膽的水處于循環(huán)狀態(tài)。在鍋爐內(nèi)膽水溫的控制過程中，由于鍋爐內(nèi)膽由循環(huán)水，因此鍋爐內(nèi)膽循環(huán)水水溫控制相比于內(nèi)膽靜態(tài)水溫控制時更充分，因而控制速度有較大的改善。在結(jié)構(gòu)原理框圖中可以清楚的看出，我們給定溫度的設定值，將溫度傳感器的值與設定值相比較，把偏差值送入 PID調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器的輸出信號送入可控硅調(diào)壓裝置，經(jīng)調(diào)壓裝置輸出的電壓信號來控制加熱裝置的阻值，從而控制鍋爐內(nèi)膽 的水溫。此控制系統(tǒng)為單閉環(huán)反饋系統(tǒng)，只要 PID參數(shù)設置的合理，就能夠使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。 P I D調(diào) 節(jié) 器三 相 可 控 硅調(diào) 壓 裝 置鍋 爐內(nèi) 膽溫 度 變 送 器鍋 爐 內(nèi) 膽 水 的 溫 度設 定 值+擾動 圖 1 鍋爐水溫定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 PID 原理和特點 PID控制器由比例單元 P、積分單元 I和微分單元 D組成。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關系由公式 (1)可見。 4 dt tdeTdtteTteKtu dip )()(1)()( 0? ??? （ 1） 公式 (1)中 : u(t)為控制器的輸出 。 e(t)為控制器的輸入 (常常是設定值與被控量之差 , 即 e(t)=r(t)c(t))。Kp、 Ti、 Td 分別為控制器的比例放大系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù) 。 在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID控制在工業(yè)領域的應用已經(jīng)有很多年了，現(xiàn)在依然廣泛地被應用。 P、 I、 D各有自己的長處和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取 PID 值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。人們在應用的過程中積累了許多的經(jīng)驗，對 PID 的研究現(xiàn)在已經(jīng)達到了一個 比較高的程度。 (1) 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。若產(chǎn)生偏差，控制器就發(fā)生作用調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量向減小偏差的方向變化 [。偏差減小的速度由比例系數(shù) Kp 來決定， Kp 越大偏差減小的越快。 但這樣會引起振蕩，特別是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的時候，比例系數(shù) Kp 減小，振蕩發(fā)生的可能性就會減小，但同時也會導致調(diào)節(jié)速度變慢。比例控制的缺點是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，必須要有積分控制來輔助。 (2) 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積 分成正比關系。為了消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項會隨著時間的增加而增大。因此，就算誤差很小，積分項也會慢慢變大，由它推動控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差慢慢減小至零。所以，比例 — 積分 (PI) 控制器可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差 .但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。 (3) 微分（ D）控制 在微分控制下，控制器的輸出的微分增加了，輸入誤差信號的微分同時也會增加。而自動控制系統(tǒng)在對于誤差的控制來說，會出現(xiàn)別的不必要的問題，比如波動，更嚴重的會失穩(wěn)。這就是說，在控制器中僅 引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，但是加入的微分項卻能夠避免較大的誤差出現(xiàn)，因為它可以預測誤差變化的方向。但是微分控制會放大高頻噪聲 , 降低系統(tǒng)的信噪比 ,導致系統(tǒng)抑制干擾的能力下降，也就是說微分控制不能消除余差。 PID 控制參數(shù)整定方法 控制器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，理論計算整定法與工程整定法。顧名思義，理論計算整定法是在已知過程的數(shù)學模型基礎上，依據(jù)控制理 5 論，通過理論計算來求取“最佳整定參數(shù) ” ；而工程整定法是根據(jù)工程經(jīng)驗，直接在過程控制系統(tǒng)中進行的控 制器參數(shù)整定方法。由于無論是用解析法或?qū)嶒灧ㄇ笕〉倪^程數(shù)學模型都只能近似反映過程的動態(tài)特性，因而理論計算所得到的整定參數(shù)值可靠性不夠高，在現(xiàn)場使用中還需進行反復調(diào)整。相反工程整定法雖未必得到“最佳整定參數(shù) ” ，但由于其不需知道過程的完整數(shù)學模型，使用者不需要具備理論計算所必須的控制理論知識，因而簡便、實用，易于被工程技術人員所接受并優(yōu)先使用。 下面將介紹本次設計中在現(xiàn)場調(diào)試調(diào)節(jié)器參數(shù)時所采用的一種整定方法，現(xiàn)場經(jīng)驗整定法。這種方法是人們在長期的工程實踐中，從各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定性分析中總結(jié)出來 的一種行之有效，并且得到廣泛運用的工程整定方法。 若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表 1 為經(jīng)驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按 TD=（ 1/3 ～ 1/4） TD計算。 表 1 經(jīng)驗法整定參數(shù) 系統(tǒng) 參 數(shù) δ（ %） T1(min) TD(min) 溫度 20～ 60 3～ 10 ～ 3 流量 40～ 100 ～ 1 壓力 30～ 70 ～ 3 液位 20～ 80 6 3 系統(tǒng)硬件設計 過程裝置簡介 THJ3型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置”是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它集自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術，自動控制技術為一體的多功能實驗裝置，該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制，前饋 — 反饋控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。 被控對象裝置總貌圖如圖 2所示。 圖 2 被控對象裝置總貌圖 圖 2被控對象裝置總貌圖 7 各模塊的功能介紹 （ 1）被控對象 由不誘鋼儲水箱、 千瓦電加熱鍋爐 (由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒構(gòu)成 )、冷熱水交換盤管和敷朔不銹鋼管道組成。 模擬鍋爐：本裝置采用模擬鍋爐進行溫度實驗，此鍋爐采用不銹鋼精制而成，設計巧妙。 管道：整個系統(tǒng)管道采用不誘鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底有一個出水閥，當水箱需要更換水時，將球閥步打開直接將水排 出。 （ 2）檢測裝置 變送器：采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，含不誘鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。 溫度傳感器：本裝置采用六個 Pt100 傳感器，分別用來檢測上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。經(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4~20mA DC 電流信號。 Pt100傳感器精度高，熱補償性較好。 （ 3）執(zhí)行機構(gòu) 電動調(diào)節(jié)閥：采用智能型電動調(diào)節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為： QSVP16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控 制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便，實用性強等眾多優(yōu)點，控制信號為 4~20mA DC或 1 ~5V DC,輸出 4~20mA DC的閥位信號，使用和非常校正方便。 變頻器：本裝置采用日本三菱 ((R))變頻器，控制信號輸入為(4~20mA DC)或 0~5V DC， 0~220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為 16CQ8P，流量為 32 升 /分，揚程為 8米，功率為 180W。泵體完全采用不誘鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅(qū) 動泵。一只為下相 380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻 220V輸出驅(qū)動。 可移相 SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為 4~20mA標準電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為 2W16025，工作壓力：最小壓力為 0Kg/ 3cm ，最大壓力為 7Kg/ 3cm ，工作溫度： 5~8176。 C。