PDF《内胆液位的 PID 控制》

Ξ 收稿日期 :2006 -

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15 作者简介 :石磊(1976 - ) ,男 ,河北乐亭人 ,硕士 ,主要从事计算机应用方面的研究.

【电子与自动化】 THJ -

2 型高级过程控制系统中锅炉 内胆液位的 PID 控制 Ξ 石磊,方鲁昆 (69216 部队 ,22 分队 ,新疆 844200) 摘要 :介绍了锅炉内胆液位的 PID 控制与 MCGS 组态软件在 THJ -

2 型高级过程控制系统中的应 用 ,对锅炉内胆液位控制的 P ,PI ,PID 调节器在改变参数的情况下进行仿真分析 ,结果表明在比例 积分控制的基础上加入了微分 D 控制 ,加快了系统的响应速度 ,但同时也降低了系统的稳定性. 关键词:过程控制 ;

MCGS 组态软件 ;

PID 控制 中图分类号 :TP273 文献标识码 :A 文章编号 :1671 - 0924(2007)

04 -

0073 -

03 PID Control of the Water Level of Boiler Inside Wall in THJ22 Advanced Process Control System SHI Lei , FANGLu2kun (22 Team ,

69216 Unit , Xinjiang

844200 , China) Abstract : This paper introduces the PID control of the water level of boiler inside wall , and the application of MCGS software in THJ22 advanced process control system. By simulating analysis on the P , PI , and PID adjustors for water level control of boiler inside wall under the condition of changing parameters , the results show that adding D differential coefficient to proportional integral control increases system response speed , and decreases system stability as well. Key words : process control ;

MCGS software ;

PID control

0 引言 传统的 PID 控制器结构简单、 容易实现 ,长期以来被广 泛应用于工业控制过程中 ,目前在全世界的过程控制中仍 有90 %以上是采用 PID 控制器[1] . 而MCGS 软件是国产组 态软件当中性能较好的一款组态软件 ,本系统采用 THJ -

2 型高级过程控制系统结合 MCGS 对锅炉内胆液位施行 PID 控制.

1 系统简介 "THJ -

2 型高级过程控制系统实验装置" 是基于工业 过程的物理模拟对象 ,它是集自动化仪表技术、 计算机技 术、 通讯技术、 自动控制技术为一体的多功能实验装置. 该 系统包括流量、 温度、 液位、 压力等热工参数 ,可实现系统 参数辨识、 单回路控制、 串级控制、 前馈 - 反馈控制、 比值 控制、 解耦控制等多种控制形式. 1.

1 系统组成 第21 卷第4期Vol.

21 No.

4 重庆工学院学报(自然科学版) Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science Edition)

2007 年4月Apr.

2007 实验装置由被控对象和控制仪表

2 部分组成. 系统动 力支路分

2 路 :一路由小流量三相 (380 V 交流) 齿轮泵、 变 频调速器、 不锈钢水管及手动切换阀组成 ;

另一路由单相 丹麦格兰富循环水泵、 电动调节阀、 直流电磁阀、 涡轮流量 计、 不锈钢水管及手动切换阀组成. 在本实验中用到的被 控对象为模拟锅炉. 模拟锅炉装置采用模拟锅炉进行温度实验 ,此锅炉采 用不锈钢制成 ,由2层组成 :加热层 (内胆) 和冷却层 (夹套) . 内胆中有溢流口 , 高度为 33.

8 cm. 加热使用三相 4.

5 kW电加热丝 ,温度检测使用 Pt100 铂热电阻温度传感 器. 内胆液位由差压式压力传感器测量 ,量程为 0~5 kp ,由24 V直流(DC) 供电 ,输出 4~20 mA 直流 (DC) ,可由 I/ O 接 口板上 250Ω电阻转换为 1~5 V 直流(DC) 电压信号. 调节仪表 :本实验装置系统采用上海万迅仪表有限公 司的 AI 系列仪表 , 有3台AI -

808 调节器. AI -

808 型是功 能增强的调节器 ,可替换 DDZ - Ⅱ,DDZ - Ⅲ 型调节器且精 度更高. AI -

808 将温度变送器、 手操器和伺服放大器等功 能集成起来 ,通过编程可随意使用其中一项或多项功能 ;

具备外给定、 手动/ 自动切换操作、 手动自整定及显示输出 值等功能. 所有的信号均通过 RS -

485 接口远传 ,要想在上位机 上得到传过来的数据 ,就必须要求上位机有 RS ―

485 接口. 微机一般只有 RS -

232 接口 ,虽然同为

9 针接口 ,但内部接 线不同. 因此在对接前需弄清楚接口标准是否一样. 如果 微机中没有 RS -

485 接口 ,就需要用到转换接口 ,研华工控 机中一般用到 PCL -

745 板卡. 用时只需将板卡插入工控机 的扩展插槽 (PCI) 中即可 ,板卡可以为工控机提供

2 个RS -

485 接口. 实验中只需将

2 个接口连接起来即可.

2 系统软件 MCGS(Monitor and Control Generated System) 是一套基于 Windows 平台的、 用于快速构造和生成上位机监控系统的组 态软件系统 ,可运行于 Windows

95 ,Windows

98 ,Windows NT, Windows

2000 等操作系统. MCGS5.

1 为用户提供了解决实际 工程问题的完整方案和开发平台 ,能够完成现场数据采集、 实时和历史数据处理、 报警和安全机制、 流程控制、 动画显 示、 趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能. MCGS5.

1 具有操作简便、 可视性好、 可维护性强、 高性 能、 高可靠性等突出特点 ,已成功应用于石油化工、 能源原 材料、 农业自动化、 航空航天等领域 ,经过各种长期的实际 运行 ,系统稳定可靠.

3 系统实现 试验原理如图

1 所示 ,单回路调节系统一般指在一个 调节对象上用一个调节器来控制一个被控制量. 本系统的 被控制量是锅炉内胆液位的给定高度 ,即控制的任务是控 制锅炉内胆液位等于给定值所要求的高度. 在单回路控制 系统的参数整定中 ,一般用比例 (P) 调节器的系统是一个 又差系统 ,比例度 δ的大小不仅会影响到余差的大小 ,而 且也与系统的动态性能密切相关. 比例积分(PI) 调节器 ,由 于积分的作用 ,不仅能实现系统无余差 ,而且只要参数 δ, Ti 设置合理 ,也能使系统具有良好的动态性能. 比例积分 微分(PID) 调节器是在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的 作用 ,从而既能使系统无余差地存在 ,又能改善系统的动 态性能(快速性、 稳定性等) . 图1锅炉内胆液位控制系统方框图 在单位阶跃作用下 ,P ,PI ,PID 调节系统的阶跃响应分 别如图

2 中的曲线所示. 图2P,PI 和PID 调节的阶跃响应曲线 锅炉内胆液位控制 P 调节器改变 P 时的阶跃响应曲 线如图

3 所示. 从图中曲线可以看出 ,不同的 P 值 ,其阶跃 响应曲线不同 ,稳态余差也不同 ,逐渐减小 P ,其稳态余差 不断减小 ,但减小到一定程度 ,其阶跃响应曲线开始震荡 , 不稳定. 图3锅炉内胆液位控制 P 调节器 改变 P 时的阶跃响应曲线 锅炉内胆液位控制 PI 调节器改变 I 时的阶跃响应曲 线如图

4 所示. 由阶跃响应曲线可以看出 ,比例积分调节器 调节 ,当P不变 , I 逐渐减小时超调量逐渐增大. 加入积分 以后 ,系统阶跃响应的余差为零. 图4锅炉内胆液位控制 PI 调节器 改变 I 时的阶跃响应曲线

4 7 重庆工学院学报锅炉内胆液位控制 PID 调节器改变 D 时的阶跃响应 曲线如图

5 所示. 由阶跃响应曲线可以看出 ,采用比例积分 调节器调节 ,当I不变 , P 逐渐减小时超调量逐渐增大. 由 于积分的存在 ,系统阶跃响应的余差仍然为零. 图5锅炉内胆液位控制 PID 调节器 改变 D 时的阶跃响应曲线

4 结束语 本系统采用 THJ -

2 型高级过程控制系统结合 MCGS 对锅炉内胆液位施行 PID 控制 ,采用 PID 控制器 ,由于在比 例积分控制的基础上加入了微分 D 控制 ,加快了系统的响 应速度 ,但降低了系统的稳定性. 如果 D 的大小选得不合 适 ,易引起振荡. 参考文献 : [1] 金以慧. 过程控制[M]. 北京 :清华大学出版社 ,1993. [2] 邵裕森 ,巴攸云. 过程控制及仪表[M]. 北京 :机械工 业出版社 ,1993. [3] MCGS 培训教程[M]. 北京 :北京昆仑通态自动化软件 科技有限公司 ,2003. [4] 肖蕙蕙 ,李川. 基于 CMAC(神经网络) 与PID 的并行 控制[J ]. 重庆工学院学报 ,2006(2) :74 - 78. [5] 何莉 ,李山 ,廖仕利. 一种智能 PID 型控制器的研究 [J ]. 重庆工学院学报 ,2005(5) :47 - 50. (责任编辑 陈松) (上接第

69 页) 菜单下的 Start/ Stop Debug Session 菜单项 , 这时切换至 Proteus 界面 ,会发现流水灯电路已经启动仿真 (处于仿真暂停状态) . 此时在 Keil μ Vision

2 中单击 Debug 菜单下的 G o 菜单项(或按 F5 键) 连续运行程序 ,再切换至 Proteus 界面 ,发现流水灯电路已经开始仿真运行了 ,结果如 图5所示. 图5Proteus 和Keil 联调时的电路运行图

4 结束语 本文中介绍了利用 Proteus 和Keil 软件仿真构建单片 机虚拟实验室的设想 ,给出了 Proteus 和Keil 在单片机系统 设计中的应用. 通过上述方式 , 不仅解决了传统单片机实 验室设备资金短缺和维护难的问题 ,而且使学生能够充分 利用课余时间进行单片机系统的软硬件设计 ,极大的锻炼 了学生的动手能力. 参考文献 : [1] 胡文金 ,钟秉翔 ,杨健. 单片机应用技术实训教程 [M]. 重庆 :重庆大学出版社 ,2005 :2 - 3. [2] 宁成军 ,张江霞. 基于 Proteus 和Keil 接口的单片机外 围硬件电路仿真[J ]. 现代电子技术 ,2006 ,18 :142. [3] 周润景 ,张丽娜. 基于 PROTEUS的电路及单片机系统 设计与仿真 [M]. 北京 :北京航空航天大学出版社 ,

2006 :182 - 183. [4] 李学礼 ,林海峰. 基于 Proteus 软件的单片机实验室建 设[J ]. 单片机与嵌入式系统应用 ,2005 ,9 :5. [5] 张里 ,黄刚 ,彭小峰. Protel 网络表常见错误及实用技 巧[J ]. 重庆工学院学报 ,2006(11) :56 - 59. (责任编辑 陈松)

5 7 石磊,等 :THJ -

2 型高级过程控制系统中锅炉内胆液位的 PID 控制