锅炉温度控制系统的设计 - 图文(2)

并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的

生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

2.2.3组态王软件仿真的基本方法

(1)图形界面的设计

图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2) 构造数据库

数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

(3)建立动画连接

连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

(4)运行和调试

3 PID控制及参数整定

3.1.PID控制器的组成

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：

1u(t)?Kc[e(t)?Tide(t) ?0e(t)dt?Tddt] （3-1）

t(1) 比例系数KC对系统性能的影响：

比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kc太大时，系统会趋于不稳定。Kc太小，又会使系统的动作缓慢。Kc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Kc的符号选择不当对象状态就会离控制目标的状态越来越远，如果出现这样的情况Kc的符号就一定要取反。

(2) 积分控制Ti对系统性能的影响：

积分作用使系统的稳定性下降，Ti小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。

(3) 微分控制Td对系统性能的影响：

微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏

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小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 3.2.采样周期的分析

采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。

因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一般是15s～20s，本系统采样17s

经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。

理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。

对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。

（1）整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

（2）整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至

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得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

（3）整定微分环节

若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

4 被控对象的建模

某单容电加热过程如图4.1所示：

图4.1 单容电加热过程热力过程

容器内液体的总热容为C，液体的比热容为Cp，流体流量（流入、流出相等）为q，液体以温度Ti流入加热容器，以温度Tp (Tp同时也是容器中液体的温度)流出加热容器。设容器所在的环境温蒂为Tc（Tp >Tc）。在环境温度Tc、液体流入温度Ti和流量q不变的条件下，建立电加热电压u与液体输出温度Tp之间动态关系的数学模型。

把加热容器看作一个独立的隔离体，根据能量动态平衡关系，单位时间内进入容器的热量Qi与单位时间内流出容器的热量Qn之差等于容器内热量储存的变化率，可得 ：

Qi?Qo?cdTpdt （4-1）

式中，输入热量由电加热器的发热量Qe和流入液体携带热量qCpTi两部分组成：

Qi?Qe?qCpTi （4-2）

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同样，由加热容器输出的热量由流出液体携带热量由流出液体携带热量

qCpTp和容器向周围散发的热量Qr两部分组成：

Qo?Qr?qCpTp （4-3）

由热力学可知，单位时间内加热容器向四周散发热量与容器散热面积（设为A）、保温材料的材料的传热系数（设为Kr）以及容器内、外温差成正比：

Qr?AKr(Tp?Tc)，将上式代入式4-3得：

Qo?AKr(Tp?Tc)?qCpTp （4-4）

加热过程工程在稳态时，Tp保持不变，从加热容器输出热量Qo等于从外部输入的热量Qi，即Qi=Qo，则有：

Qi?Qo?CdTpdt?0 （4-5）

若以增量形式表示变量相对于稳态值的变化量，即：?Tp?Tp?Tp0；

?Qi?Qi?Qi0；?Qo?Qo?Qo0,由式4-5可知：Qi0?Qo0?0。代入式4-1可得：

?Qi??Qo?Cd?Tpdt （4-6）

假设q、Ti、Tc不变，?Qe?Qe?Qe0，从式4-2可得：

（4-7） ?Qi??(Qe?qCpTi)??Qe?0??Qe

从式4-4可得：

?Qo??[AKr(Tp?Tc)?qCpTp]?(AKr?qCp)?Tp （4-8）

将式4-7、式4-8代入式4-6得：

?Qe?(AKr?qCp)?Tp?Cd?Tpdt （4-9）

电加热器的发热量与外加电压的平方成正比，故Qe与电压u成非线性关系。为使问题简化，在工作点（u0,Qe0）附近进行线性化处理：在工作点附近的小范围内，以切线代替原来的曲线，可以用下式表示电压变化（增量）?u和加热量变化（增量）?Qe之间的关系?Qe?Kq?u，将其代入式4-9得：

Kq?u?(AKr?qCp)?Tp?Cd?Tpdt （4-10）

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令T?KqC，K? ，则上式可表示为：

AKr?qCPAKr?qCpTd?Tpdt??Tp?K?u （4-11）

对式4-11取拉氏变换，可得到输出液体温度与电加热器电压之间的传递函数：

Tp(s)U(s)?K （4-12） Ts?15 PLC控制系统的软件设计

5．1.程序编写

（1）编写程序前，必须先填写PID指令的参数表，参数表如表5.1所示

表5.1 锅炉温度控制PID参数表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD128 VD132

参数

过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益（Kc） 采样时间（Ts） 积分时间（Ti） 微分时间（Td） 积分项前值（MX） 过程变量前值（PVn-1）

功能描述

温度经过A/D转换后的标准化数值 0.335（最高温度为1，调节到0.335）

PID回路输出值

-3.0 17 7 0

根据PID运算结果更新 最后一次PID运算过程变量值

（2）编写PLC控制程序

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