【文章內(nèi)容簡介】 in the thesis to provide the plete temperature control of sintering furnace. The programs of PLC are developed to realize the industrial implements. We have designed Human Machine Interface（ HMI） with the Kingview configuration soft which is developed by domestic pany . The Kingview can monitor and control the PLC on line. We also have designed several menu, including the historical curve screen and monitoring screen. Users can easily query the operation of PLC, data acquisition and online control. Finally the procedures of the temperature control system based on the selftuning PID controller is designed and implemented． Key Words： Temperature control, PLC, FuzzyPID Control , PID parameter tuning, Kingview 1 1 緒論 課題的背景和意義 隨著控制理論的不斷發(fā)展，各項(xiàng)控制場(chǎng)合諸如溫度、壓力及流量等參數(shù)的控制及測(cè)量都得到了長足的發(fā)展。而溫度控制是其中最重要的一項(xiàng)。以傳統(tǒng)的單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，由于受到處理器自身硬件資源和速度的限制，硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力差，溫度調(diào)節(jié)時(shí)間長。 隨著可編程序控制器 (簡稱 PLC)技術(shù)的不斷發(fā)展，它有著高可靠性、邏輯控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。將模糊控制與 PLC 控制技術(shù)相結(jié)合，利用 PLC 實(shí)現(xiàn)模糊控制實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)自整定，將會(huì)有越來越廣泛的應(yīng)用。它既保留了 PLC 控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，是現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。 PID 以其算法簡單、魯棒性好和可靠性高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。由于其結(jié)構(gòu)簡單，容易被理解和實(shí)現(xiàn)，也成為應(yīng)用最廣泛的控制算法。在溫度控制軟件上如果采用 PID 控制算法，便能使得溫度調(diào)節(jié)具有速度快、精度高的特點(diǎn)。 本課題研究的主要目的是運(yùn)用模糊理論進(jìn)行 PID 參數(shù)整定，并以 PLC 為處理器，設(shè)計(jì)出一套基于 PID參數(shù)自整定的溫度控制系統(tǒng)。 本課題對(duì) PID 參數(shù)整定的方法具有一定的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值 ， 并把 PID 控制理論應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中，為從事過程控制系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)很好的應(yīng)用實(shí)例 。 PID參數(shù)整定方法的發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)研究方法， PID 參數(shù)整定方法 可分為基于頻域的 PID 參數(shù)整定方法和基于時(shí)域的PID 參數(shù)整定方法；按照被控對(duì)象的個(gè)數(shù)，可分為單變量 PID參數(shù)整定方法和多變最 PID參數(shù)整定方法；按照控制量的組合形式，可分為常規(guī) PID 參數(shù)整定方法與智能 PID 參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者 是最近幾年研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。一般來說， PID 參數(shù)整定方法可以分為這樣幾類：基于模型的自整定方法、基于規(guī)則的自整定方法、智能 PID 參數(shù)整定方法、多變量 P1D 參數(shù)整定方法。 目前，主要將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌、進(jìn)化算法 (遺傳算法、進(jìn)化策略、進(jìn)化規(guī)劃 )、免疫算法以及量子計(jì)算等自然計(jì)算應(yīng)用于 PID參數(shù)整定，是目前 PID 參數(shù)整定方法 2 研究的熱點(diǎn)。 模糊控制發(fā)展現(xiàn)狀 模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對(duì)一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。 進(jìn)入 90 年代，由于國際上許多著名學(xué)者的參與以及工程應(yīng)用中取得了大量的成功，尤其對(duì)那些大量的無法用經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，模糊控制特別顯得成績非凡，因而導(dǎo)致了更多人的參與研究。實(shí)際上模糊控制已經(jīng)作為智能控制的一個(gè)主要分支確定下來。在國際大趨勢(shì)的推動(dòng)下，模糊控制已 開 始向多元化發(fā)展。除了上面所述的模糊控制的幾大方面外，模糊多變量控制 、模糊預(yù)測(cè)控制、模糊變結(jié)構(gòu)控制、模糊模式識(shí)別等研究，也都屬于較為前沿的研究方向。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，對(duì)于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善，模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù) (或規(guī)則 )自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究，尤其受到學(xué)者 們的重視。 近幾年，對(duì)模糊控制的研究越來越深入，應(yīng)用也越來越廣泛。 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，在我國以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對(duì)象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種 加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。由于爐子的種類及原理不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油電等。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數(shù)字控制 (DDC)，推斷控制，預(yù)測(cè)控制，模糊控制 (Fuzzy)，專家控制(Expert Contr01)，魯棒控制 (Robust Contr01)，推理控制等。 隨著 PLC 技術(shù)的不 斷發(fā)展，將模糊控制與 PLC 控制技術(shù)相結(jié)合，利用 PLC 實(shí)現(xiàn)模糊 3 控制，將會(huì)有越來越廣泛的應(yīng)用。它既保留了 PLC 控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，是現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。因此， PLC 也越來越多的被用到溫度控制系統(tǒng)中。 論文的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu) 第一章，即緒論，分別對(duì)最后是本課題的背景與意義、 PID 控制的發(fā)展現(xiàn)狀、 PID 參數(shù)自整定算法的發(fā)展現(xiàn)狀、模糊控制的發(fā)展?fàn)顩r、以及本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。 第二章，本章主要介紹 PID的控制理論，包括 ： PID的控制原理、 PID三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)作用 ，以及 介紹 PID參數(shù)整定算法的概念和方法，分析 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響 。 第三章，本章主要介紹的是 模糊 PID的參數(shù)整定 。 分析 模糊控制的基本原理 、 模糊控制系統(tǒng)的組成 、 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法 、 模糊 PID參數(shù)自整定原理 以及 模糊 PID參數(shù)自整定設(shè)計(jì) 。 第四章，本章首先介紹 PLC的概述以及 組成 ，并介紹溫度控制系統(tǒng)所要用到的模塊與功能 。 詳解模糊 PID自整定控制在 PLC的實(shí)現(xiàn)。 第五章 , 本章首先介紹組態(tài)軟件的概述和界面設(shè)計(jì)，以及對(duì)溫度曲線進(jìn)行了分析。 第 六 章，總結(jié)與展望 ，總結(jié)本文所做，并說明本課題仍需解決的問題。 4 2 PID 控制 在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的是 PID 控制。 PID 是“比例一積分一微分”的縮寫，它從比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)由模擬 PID控制器和被控對(duì)象組成。 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，至今大概有 90%左右的控制回路具有PID 結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī) PID 控制器參數(shù)往往整定不良、性 能欠佳，對(duì)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)變化的適應(yīng)性較差。針對(duì)上述問題，長期以來，人們一直在尋求 PID 控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。 PID 控制原理 常規(guī) PID 控制器系統(tǒng)原理框圖如圖 21 所示，系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。 圖 21 PID控制器系統(tǒng)原理圖 PID 控制器作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為 PID控制器 。 比例環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 被控對(duì)象 rin e yout 5 PID 三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)作用 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。它由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。 比例（ P）調(diào)節(jié)作用：比例調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差的大小”來動(dòng)作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)及時(shí)，有力，但有余差。它用比例度來表示其作用的強(qiáng)弱，比例度越小，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。相反，比例度越大，調(diào)節(jié)作用就越弱；比例作用太強(qiáng)時(shí)，會(huì)引起震蕩。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用 大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分（ I）調(diào)節(jié)作用：積分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差是否存在”來動(dòng)作，它的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例，只有當(dāng)余差消失時(shí)。積分作用才會(huì)停止，其作用是消除余差。但積分作用使最大動(dòng)偏差增大，延長了調(diào)節(jié)時(shí)間。它用積分時(shí)間 T 來表示其作用的強(qiáng)弱， T 越小，積分作用越強(qiáng)，但積分作用太強(qiáng)時(shí)，也會(huì)引起震蕩。積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分 時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 微分（ D）調(diào)節(jié)作用：微分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差變化的速度”來動(dòng)作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，對(duì)滯后大的對(duì)象 (溫度 )有很好的效果。它使調(diào)節(jié)過程偏差減小，時(shí)間縮短，余差也減小 (但不能消除 )。它用微分時(shí)間 T d 來表示其作用的強(qiáng)弱， T d 大，作用強(qiáng)，但 T d 太大，也會(huì)引起振 蕩。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD 或 PID 控制器。 6 PID 參數(shù)整定算法的溫度控制系統(tǒng)研究 PID 控制中一個(gè) 至關(guān)重要的問題，就是控制器三參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間）的整定。整定的好壞不但會(huì)影響到控制質(zhì)量，而且還會(huì)影響到控制器的魯棒性。此外，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著名目繁多的不確定性，這些不確定性能造成模型參數(shù)變化甚至模型結(jié)構(gòu)突變，使得原整定參數(shù)無法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作，這時(shí)就要求 PID 控制器具有在線修正參數(shù)的功能，這是自從使用 PID 控制以來人們始終關(guān)注的重要問題之一。本章在介紹 PID 參數(shù)整定概念的基礎(chǔ)上，介紹了 PID 參數(shù)整定的幾種方法。 PID 參數(shù)整定的概念 PID 參數(shù)整 定概念中包括參數(shù)自動(dòng)整定 (autotuning)和參數(shù)在線自校正 (self tuning online)兩個(gè)概念。具有自動(dòng)整定功能的控制器，能通過一按鍵就由控制器自身來完成控制參數(shù)的整定，不需要人工干預(yù)，它既可用于簡單系統(tǒng)投運(yùn)，也可用于復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)整定。運(yùn)用自動(dòng)整定的方法與人工整定法相比，無論是在時(shí)間節(jié)省方面還是在整定精度上都得以大幅度提高，這同時(shí)也就增進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益。 自校正控制則為解決控制器參數(shù)的在線實(shí)時(shí)校正提供了很有吸引力的技術(shù)方案。自校正的基本觀點(diǎn)是力爭在系統(tǒng)全部運(yùn)行期間保持優(yōu)良的控制性能，使控制器 能夠根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的變化，適時(shí)地改變其自身的參數(shù)整定值，以求達(dá)到預(yù)期的正常閉環(huán)運(yùn)行，并有效地提高系統(tǒng)的魯棒性。 具有自動(dòng)整定功能和具有在線自校正功能的控制器被統(tǒng)稱為自整定控制器。一般而言，如果過程的動(dòng)態(tài)特性是固定的，則可以選用固定參數(shù)的控制器，控制器參數(shù)的整定由自動(dòng)整定完成。對(duì)動(dòng)態(tài)特性時(shí)變的過程，控制器的參數(shù)應(yīng)具有在線自校正的能力，以補(bǔ)償過程時(shí)變。 PID 控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響 (1)比例作用對(duì)控制性能的影響 比例增益 的引入是為了及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立 即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)比例增益凡大的時(shí)候， PID 控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量， 7 從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2)積分作用對(duì)控制性能的影響 積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無靜差跟蹤。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無 PID 控制器參數(shù)自整定方法的研究與實(shí)現(xiàn)差，積分作用就停止，此時(shí)積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常 數(shù) Ti 的大小， Ti 越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 控制器或者 PD控制器。 (3)微分作用對(duì)控制性能的影響 微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間幾的大小，幾越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱 。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，因此它對(duì)噪聲干擾有放大作用，而這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)不希望看到的。所以我們不能過強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)抗千擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。 PID 參數(shù)整定的方法 要實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的整定，首先要對(duì)被控制的對(duì)象有一個(gè)了解，然后選擇相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算方法完成控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)。據(jù)此，可將 PID 參數(shù)自整定分成兩大類：辨識(shí) 法和規(guī)則法?；诒孀R(shí)法的 PID 參數(shù)自整定，被控對(duì)象的特性通過對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的分析來得到，在對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上用基于模型的一類整定法計(jì)算 PID 參數(shù)?；谝?guī)則的 PID 參數(shù)自整定，則是運(yùn)用系統(tǒng)臨界點(diǎn)信息或系統(tǒng)響應(yīng)曲線上的一些特征值來表征對(duì)象特性，控制器參數(shù)由基于規(guī)則的整定法得到。 (1） 辨識(shí)法 此方法的本質(zhì)是自適應(yīng)控制理論與系統(tǒng)辨識(shí)的結(jié)合。辨識(shí)法適用于模型結(jié)構(gòu)已知，模型參數(shù)未知的對(duì)象，采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法得到過程模型參數(shù)，并和依據(jù)參數(shù)估計(jì)值進(jìn) 8 行參數(shù)調(diào)整的確定性等價(jià)控制規(guī)律結(jié)合