【文章內(nèi)容簡介】 課題要求反應(yīng)釜溫度控制 (反應(yīng)釜最大反應(yīng)容積為 5 升，最高溫度為300 ℃ )，超調(diào)量盡量小，溫度靜態(tài)控制精度 177。 10℃左右， 為此我們采用一種改進(jìn) Smith 預(yù)估算法 — 積分分離分段式抗飽和 PID 位置控制算法。 本算法分 Smith 預(yù)估算法和 PID 算法兩部分，其中的 Smith 預(yù)估算法采用一種經(jīng)過改進(jìn)的、工程實(shí)用的預(yù)估方法，實(shí)現(xiàn)溫控的滯后補(bǔ)償，避免了寫出被控對象的精確模型，因而易于實(shí)現(xiàn)，預(yù)估補(bǔ)償效果好； PID 算法采用積分分離分段式 PID 位置算法，其不僅具有常規(guī) PID 工作穩(wěn)定、可靠性高的特性，同時又保證了控制超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)控制精度高，工程可操作性強(qiáng)。 本算法優(yōu)點(diǎn)是不需要掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型， 有較強(qiáng)的魯棒性，對噪聲干擾有較強(qiáng)的抑制能力，非常適合這種模型未知或多變的聚合反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)，具有很高的工業(yè)實(shí)用價值。 本課題首先完成了單片機(jī)硬件控制電路的設(shè)計與制作，其中包括數(shù)據(jù)采集，人機(jī)交互以及加熱控制三部分的設(shè)計、制作、安裝，然后進(jìn)行了軟件的設(shè)計、編寫和調(diào)試，最后在實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行反應(yīng)釜空箱和加料反應(yīng)聯(lián)調(diào)。全套系統(tǒng)基本上滿足反應(yīng)釜溫度控制的要求，明顯優(yōu)于原控制方案，而且對于 MMA 聚合具有很好的控制性能。 9 本論文結(jié)構(gòu)安排 本文依據(jù)課題的內(nèi)容做了如下結(jié)構(gòu)安排： (1)化工控制在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用狀況，本課題來源及內(nèi)容，論文的結(jié)構(gòu)安排 (第 1 章 )。 (2)溫度控制系統(tǒng)方案總述 (第 2 章 )。 (3)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 (第 3 章 )。 (4)溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 (第 4 章 )。 (5)系統(tǒng)調(diào)試 (第 5 章 )。 10 第 2 章 溫度控制系統(tǒng)方案 微機(jī)控制系統(tǒng)簡介 隨著系統(tǒng)硬件費(fèi)用急劇下降、體積縮小、可靠性提高、運(yùn)算速度加快以及較容易實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)和更復(fù)雜的控制算法，計算機(jī)用于控制系統(tǒng)的技術(shù)日趨成熟廣泛 [10]。同時它又促進(jìn)了自動控制理論在深度和廣度更進(jìn)一步的發(fā)展，使計算機(jī)控制技術(shù)更趨于完善與深化。從單一過程、單一對象的局部控制發(fā)展到對整個生產(chǎn)流程、整個車間甚至整個工廠的大規(guī)模復(fù)雜控制，并逐步向智能化方向發(fā)展。 微機(jī)控制系統(tǒng)是由微型機(jī)與其他器件和裝置適當(dāng)連接起來組成硬件，并在軟件的操作下協(xié)調(diào)運(yùn)行，執(zhí)行預(yù)定的測量或控制任務(wù)。 微機(jī)控制系統(tǒng)分類 按微機(jī)在控制系統(tǒng)之中控制方式，微機(jī)控制系統(tǒng)可以分為如下幾類： (1)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 、 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從功能上說，主要是對生產(chǎn)現(xiàn)場隨時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù) (如濕度、壓力、流量、成份、速度、位移量等 )進(jìn)行巡回檢測、收集、記錄、統(tǒng)計、運(yùn)算、分析、判斷等處理。 硬件系統(tǒng)中主機(jī)與生產(chǎn)過程只通過模擬量輸入通道和開關(guān)量輸入通道來聯(lián)系，一般不需要輸出過程通道。在軟件系統(tǒng)方面，它除了有控制數(shù)據(jù)輸入的程序外，還要有與功能要求相適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。一般這種控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，完成數(shù)據(jù)的采集。 (2)直接數(shù)字控制 DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng) DDC 系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)計算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)應(yīng)用形式。這類系統(tǒng)中的計算機(jī)除了經(jīng)過輸入通道對多個工業(yè)過程參數(shù)進(jìn)行巡回檢測采集外，它還代替模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的模擬調(diào)節(jié)器，按預(yù)定的調(diào)節(jié)規(guī)則進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果通過過程輸出通道輸出并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)多回路調(diào)節(jié)的目的。直接數(shù)字控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的 PID(比例、積分、微分 )調(diào)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)其它復(fù)雜或先進(jìn)的調(diào)節(jié)規(guī)律，調(diào)節(jié)規(guī)律的改變只需改變控制軟件。不同的是硬件部分除按需適當(dāng)增減通道的數(shù)量外，一般不需作大的變動，所以使用比較靈活。 顯然 DDC 系統(tǒng)是一個“在線”的實(shí)時閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (3)計算機(jī)監(jiān)督控制 SCC(Supervisory Computer Control)系統(tǒng)為兩級控制，上位機(jī)完成生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型和求解控制策略，其輸出作為模擬調(diào)節(jié)器或 DDC 系統(tǒng)的設(shè)定值，這一設(shè)定值將根據(jù)采集到的生產(chǎn)過程工藝信息，按照預(yù)定的數(shù)學(xué)模型或用其它方法所確定的規(guī)律進(jìn)行自動修改；模擬調(diào)節(jié)器或 DDC 微機(jī)作為下位機(jī)直接面向生產(chǎn)過程，完成生產(chǎn)過程的直接執(zhí)行控制與數(shù)據(jù)采集。SCC 系統(tǒng)至少是一個兩級控制系統(tǒng)。一臺上位 SCC 微機(jī)可監(jiān) 督控制多臺 DDC 或模擬調(diào)節(jié)器，這種系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行性能和可靠性。 (4)計算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng) 它是三級控制系統(tǒng)：最低級為直接控制級，中間級為計算機(jī)監(jiān)督控制級 (SCC)，最高級為管理級 MIS(Management Information System)。直接控制級完成采集的數(shù)據(jù)、控制的執(zhí)行，監(jiān)督控制級如前所述，主 11 要是建立生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型、求解控制策略，并完成與 DDC 級以及 SCC 之間的通信， MIS 級可以分為幾個層次，它主要是搜集 SCC 級相關(guān)數(shù)據(jù)，制作報表，接受上一級的命令，監(jiān)督和 指揮 SCC 級的工作。 (5)分布型綜合控制系統(tǒng) TDCS(Total Distributed Control Systems)也被稱為分布型微處理機(jī)控制系統(tǒng) DMCS(Distributed Microprocessors Control Systems)或分布控制系統(tǒng) DCS(Distributed Control Systems)，簡稱集散控制系統(tǒng)或分布系統(tǒng)。它是計算機(jī)、控制器、通訊和顯示技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，多臺以微處理器為核心的控制器分散于整個生產(chǎn)過程各部分，整個系統(tǒng)采用單元模塊組 合式結(jié)構(gòu)。各單元用通訊線路連接成一個整體，不同的系統(tǒng)可用不同的模塊來組合以適應(yīng)不同的要求。但整個系統(tǒng)一般總是由實(shí)現(xiàn) DCC 局部控制的基本控 器、實(shí)現(xiàn)監(jiān)督控制的上級監(jiān)督控制計算機(jī)及控制操作臺等組成，它可使整條生產(chǎn)線或整個車間達(dá)到全自動控制的目的。集散系統(tǒng)有組成靈活、操作方便、能實(shí)現(xiàn)集中控制和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為目前生產(chǎn)工廠控制和監(jiān)控、車間綜合操作的標(biāo)準(zhǔn)解決方案 [11]。 微機(jī)控制系統(tǒng)硬件 硬件是微機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在軟件的協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的檢測與控制，硬件包括：主機(jī)，人機(jī)交互臺，傳感 器，模擬量輸入通道，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模擬量輸出通道，接口電路和電源等。 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件 控制系統(tǒng)的軟件，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)軟件是微機(jī)操作運(yùn)行的基本條件之一，包括： (1)監(jiān)控軟件或操作系統(tǒng) 監(jiān)控軟件是一種低級計算機(jī)的管理軟件。它主要是完成鍵盤掃描，人機(jī)對話，接受用戶程序，顯示、調(diào)試、修改和運(yùn)行用戶程序，顯示和修改存儲器中的內(nèi)容。上電后立即進(jìn)入監(jiān)控程序，各種程序均在監(jiān)控程序下運(yùn)行。 操作系統(tǒng)是一種微機(jī)的大型管理軟件，是在監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步 擴(kuò)展許多控制程序 形成的。其主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，管理微機(jī)、存儲器、操作臺、外部設(shè)備 (CRT、打印機(jī)等等 )、文件和作業(yè)進(jìn)程。它控制各軟件的運(yùn)行。 (2)匯編程序、解釋程序和編譯程序 匯編程序用于把匯編語言程序變成計算機(jī)能夠認(rèn)識和執(zhí)行的機(jī)器語言程序 (目標(biāo)程序 )。例如 MCS5 匯編程序。解釋程序能夠把用于某種程序設(shè)計語言寫的源程序 (如 BASIC)，翻譯成機(jī)器語言程序 (目標(biāo)程序 )。編譯程序能夠把高級語言編寫的源程序 (如 FORTRUN)，編譯成某種中間語言 (如匯編語言 )或機(jī)器語言程序。應(yīng)用軟件按照對系統(tǒng)功能要求 和完成任務(wù)的不同而不同，通常由用戶來編寫，可以分為兩類： (1)通用軟件 這類軟件是在微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中經(jīng)常用到的。比如：數(shù)制變換程序、運(yùn)算程序、查表程序等等。 (2)專用軟件 針對某一具體控制系統(tǒng)和不同的控制規(guī)律編制的程序。比如：數(shù)據(jù)采集程序、輸出控制程序、各種控制算法程序等。 12 PID 及新型 PID 控制算法簡介 PID 控制算法的理論基礎(chǔ) PID(Proportional Integral and Differential)控制 是工業(yè)過程控制領(lǐng)域應(yīng)用最早使用最廣泛的控制策略 [1213]，大部分工業(yè)過程控制仍然在使用“傳統(tǒng)”的 PID 控制 [14]，至今仍有 90％左右的控制回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。我們今天所熟知的 PID 控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940 年期間 [15]。盡管自 1940年以來，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。概括地講， PID 控 制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個方面： (1)原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。 (2)適用于多種截然不同的對象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。 事實(shí)表明，對于 PID 這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性能 /價格比在市場中占據(jù)著重要地位，充分的反應(yīng)了 PID 控制器的良好品質(zhì)。 在大多數(shù)微機(jī)控制系統(tǒng)中使用以模擬 PID 算法為基礎(chǔ)的數(shù)字 PID 算法，數(shù)字式 PID 控制算法分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 模 擬 PID 算 法 模擬 PID算法為：控制器的輸入為 e (t )= r(t)?c(t） ， 其中 r(t)為溫度設(shè)定值，c(t)為溫度實(shí)際測定值， e(t)為溫度偏差，控制器的輸出 u(t)： 式中 Kp 為比例系數(shù)， Ti 為積分時間常數(shù)， dt 為微分時間常數(shù) 控制原理框圖如圖 21 所示。 簡單說來， PID 控制器各個校正環(huán)節(jié)的作用如下： 圖 21 模擬 PID 控制原理框圖 (1)比例環(huán)節(jié) 及時成比例地反應(yīng)控 制系統(tǒng)的偏差信號 e (t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)是 PID 控制算法中的決定因素，直接決定控制器的好壞。 13 (2)積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，保證被控量在穩(wěn)態(tài)時對設(shè)定值的無靜差跟蹤，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。但同時積分環(huán)節(jié)也是引起系統(tǒng)超調(diào)的主要原因。 (3)微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)主要是改善整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度。它能反映系統(tǒng)偏差信號的變化趨勢，即變化速率，并能在偏差 信號值變得太大之前，在閉環(huán)系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。但在控制器中微分環(huán)節(jié)對隨機(jī)脈沖干擾很敏感，有可能引入高頻噪聲，這是我們在設(shè)計控制器時應(yīng)該注意 的。 數(shù)字 PID 算法 將模擬 PID 算法離散化得到數(shù)字 PID 位置式控制算法。 式 (22) (23)為數(shù)字 PID 位置式控制算法，式中積分系數(shù) 微分系數(shù) ， Un 為第 n次采樣時刻計算機(jī)輸出值， en為第 n次采樣時刻輸入的偏差值， en?1為第 n1 次采樣時 刻輸入的偏差值。 這種算法的缺點(diǎn)是，由于是全量輸出，每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 en進(jìn)行累加，計算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且因?yàn)橛嬎銠C(jī)輸出的 Un對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計算機(jī)出現(xiàn)故障， Un 的大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而，在位置算法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了數(shù)字 PID 增量式控制算法。 所謂數(shù)字 PID 增量式控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量?Un 。執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的控制量增量為， 式中 ，式 (24)稱為數(shù)字 PID 增量式控制算法。 采用增量式算法時，計算機(jī)輸出的控制增量 ?Un 對應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置 (例如閥門開度 )的增量。雖然只是算法上的一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來了不少的優(yōu)點(diǎn)： (1)由于計算機(jī)輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷方法去掉。 (2)手動 /自動切換時沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計算機(jī)發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。 14 (3)算式中不需要累加，控制增量 ?Un 的值僅與最近 n 次采樣值有關(guān)， 所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之處：積分截斷效果大，有靜態(tài)誤差，溢出 的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認(rèn)為以晶閘管作為執(zhí)行器 或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式算法，而在以步進(jìn)電動機(jī)或 電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。 數(shù)字 PID 控制算法的改進(jìn) 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，