本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)姓名：崔彭城學(xué)號(hào)：04061842學(xué)院：信息與電氣工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目：工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專(zhuān)題：指導(dǎo)教師：郭一楠職稱：副教授

2010年6月徐州

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)年級(jí)學(xué)生姓名任務(wù)下達(dá)日期：畢業(yè)設(shè)計(jì)日期：畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)題題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：理解加熱爐溫度控制系統(tǒng)中溫度所具有的一些重要特性。掌握加熱爐溫度指標(biāo)的變化特點(diǎn)，并分析其原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。掌握并熟悉加熱爐溫度控制的原理及實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析，提出實(shí)現(xiàn)工業(yè)加熱爐溫度控制的方法。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件部分及軟件部分。翻譯本專(zhuān)業(yè)相關(guān)英文3000字以上。編寫(xiě)論文。院長(zhǎng)簽字：指導(dǎo)教師簽字：

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）：成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：年月日

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤寫(xiě)作的規(guī)范程度；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）：成績(jī)：評(píng)閱教師簽字：年月日

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績(jī)答辯情況提出問(wèn)題回答問(wèn)題答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī)答辯委員會(huì)主任簽字：年月日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人：年月日

摘要加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類(lèi)工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的被控對(duì)象很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此傳統(tǒng)的控制理論和方法很難到達(dá)好的控制效果?；诒疚牡脑O(shè)計(jì)條件及綜合各種控制方法本論文控制系統(tǒng)采用PLC基于PID加熱爐溫度控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)是由PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的?；赑LC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由PLC、數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度采集器、LED顯示器、晶閘管模塊、熱電偶等組成。并采用數(shù)據(jù)濾波器進(jìn)行信號(hào)處理使所得到的溫度信號(hào)更加精確和符合實(shí)際。軟件部分包括一些軟件的程序流程、控制算法以及PID參數(shù)的計(jì)算整定等用來(lái)保證硬件部分的正常有序的工作。本文還引用了智能控制的算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加精確的計(jì)算,且能實(shí)時(shí)得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。通過(guò)硬件與軟件的協(xié)調(diào)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成對(duì)加熱爐溫度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)控。關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；溫度檢測(cè)；數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器；硬件設(shè)計(jì)；軟件流程

ABSTRACTWiththedevelopmentofscientifictechnologyandindustrialproductionstandards,furnacehavealreadyplayedanimportantroleinthenationaleconomypivotal,andevenhaveawiderangeofapplicationsinmetallurgical,chemical,machineryandothertypesofindustrialcontrol.Forsuchanon-linear,largedelay,highinertia,thetime-varying,basedonunilateralandothercharacteristicsofthechargedobject,itisdifficulttousemathematicaltechniquestoestablishprecisemathematicalmodel.sothetraditionalcontroltheoryandmethodisverydifficulttoreachagoodresult.Basedonthedesignofthisintegratedcontrolmethodsinthispaperandtheconditions，thisarticleusesPLC-basedPIDTemperaturecontrolsystemtodesigntheproject.ThisarticledesignstheheatingfurnacetemperaturecontrolsystemisrealizesbythePLCcontrolsystem.ThePLC-basedcontrolsystemdesignincludinghardwareandsoftwarecomponents.HardwarepartsconsistofPLC,digitaltoanalogandanalog-to-digitalconverters,temperaturesensor,leddisplay,thyristormodule,thermocouple,etc.Andusingdatafilterstosignalprocessingsothattheresultingtemperaturesignalsmoreaccurateandrealistic.SoftwareincludedsomesoftwareprogramflowcontrolalgorithmandthecalculationofPIDparameterstuningandotherhardwareusedtoensurethenormalandorderlywork.Thisarticlealsoreferstoanintelligentcontrolalgorithmformoreaccuratecalculations,andcanhavemoreaccuratedata.Throughthecoordinationofhardwareandsoftwareworkonthefurnacetemperaturecontrolsystemdesign,completedthefurnacetemperatureregulationofreal-timeandaccurate.Keywords：ThePLCcontrolsystem;Temperaturedetection;A\DandD\AConverter;HardwareDesign;Softwareprocess

目錄1緒論 11.1溫度控制概論 11.1.1溫度控制的意義 11.1.2溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 11.2工業(yè)加熱爐概論 21.2.1加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 21.2.2加熱爐的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn) 21.3本章小結(jié) 42PLC簡(jiǎn)介及其特點(diǎn) 52.1PLC定義及簡(jiǎn)介 52.2PLC特點(diǎn) 52.3PLC應(yīng)用領(lǐng)域 62.4PLC硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 72.5本章小結(jié) 83PID控制簡(jiǎn)介 103.1PID控制器概述 103.2PID控制算法 103.3PID控制的發(fā)展?fàn)顩r 113.4智能PID的發(fā)展?fàn)顩r 123.5控制方法簡(jiǎn)介 133.5.1模糊PID控制 143.5.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制 153.5.3遺傳算法PID控制 153.5.4智能PID控制器研究及應(yīng)用展望 163.6加熱爐控制方式的選擇 173.7本章小結(jié) 184PLC溫度控制裝置硬件設(shè)計(jì) 194.1PLC溫度控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì) 194.1.1D\A轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介 204.1.2A\D轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介 214.2PLC控制系統(tǒng)的硬件配置 234.3模糊控制器的設(shè)計(jì) 244.3.1溫度數(shù)據(jù)濾波 254.3.2晶閘管模塊 264.4本章小結(jié) 285PLC溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 295.1PLC流程設(shè)計(jì) 295.2軟件流程圖 295.3控制算法 305.4基于辨識(shí)的PID參數(shù)整定 315.4.1系統(tǒng)辨識(shí)概述 315.4.2PID初始參數(shù)的整定 325.5本章小結(jié) 336總結(jié) 356.1全文總結(jié) 356.2發(fā)展展望 35參考文獻(xiàn) 37翻譯 38英文原文 38中文譯文 45致謝 52第52頁(yè)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2010屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1緒論1.1溫度控制概論1.1.1溫度控制的意義溫度的測(cè)量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類(lèi)供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展。目前智能溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，適用于家電、汽車(chē)、材料、電力電子等行業(yè)，成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代化的建設(shè)中，能源的需求非常大，然而我國(guó)的能源利用率極低，所以實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能化，有著極為重要的實(shí)際意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見(jiàn)的過(guò)程變量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量。溫度是工業(yè)對(duì)象中一個(gè)主要的被控參數(shù)[1]，它是一種常見(jiàn)的過(guò)程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵⒒瘜W(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)程。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問(wèn)題。溫度控制是許多機(jī)器的重要的構(gòu)成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)，然后進(jìn)行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的變化對(duì)生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會(huì)造成不同程度的影響，所以適時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行控制具有重要的意義。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用PLC來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。1.1.2溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于2O世紀(jì)8O年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：一是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制；二是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；三是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制；四是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛；五是溫控器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；六是具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。1.2工業(yè)加熱爐概論1.2.1加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用加熱爐在冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛地使用，是進(jìn)行鍛壓，化工生產(chǎn)中不可缺少的重壓設(shè)備。加熱爐的溫度[2]是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)，溫度控制的好壞將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。熱處理加熱爐是一種能改善金屬材料及其制品（如機(jī)器零件、工具等）性能的工藝。根據(jù)不同的要求，將材料及其制品加熱到適宜的溫度并保溫，隨后用不同方法冷卻，改變其內(nèi)部組織以獲得所要求的性能。熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段之一。熱處理加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn)[3]，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制例如PID控制[4]難以保證加熱工藝曲線要求。作為非線性控制的一大分支，模糊控制在上述溫度控制系統(tǒng)中可以得到較好的應(yīng)用。1.2.2加熱爐的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)以百計(jì)的工業(yè)加熱爐實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，取得了高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，低耗和少污染的效果。工業(yè)加熱爐進(jìn)行計(jì)算控制的第一步：是實(shí)現(xiàn)給定爐溫和給定空氣系數(shù)的燃燒控制，其核心是燃燒流量控制和空燃比例的控制，其手段是在給定爐溫的要求下，自動(dòng)控制燃料的流量的多少和燃料流量與空氣流量的比例的大小，其方法有：燃燒和空氣流量測(cè)量法，煙氣殘氧分析反饋法，自尋優(yōu)控制法和專(zhuān)家系統(tǒng)。進(jìn)一步提高是用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化控制，優(yōu)化工業(yè)里的溫?zé)嶂贫龋凑业阶罴训臓t溫控制和供熱制度。數(shù)學(xué)模型可以用理論方法確立，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理得到。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)工業(yè)加熱爐總的要求是：高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，低消耗和少污染，阻礙工業(yè)加熱爐發(fā)展的原因是目前工業(yè)加熱爐對(duì)上述要求存在著下列些矛盾新理論的產(chǎn)生和建立就是要解決這些矛盾工業(yè)加熱爐才能快速地發(fā)展。加熱產(chǎn)量與質(zhì)量的矛盾：要提高工業(yè)加熱爐的產(chǎn)量就必須提高整個(gè)工業(yè)爐的溫度水平，重點(diǎn)是爐子的加熱段(對(duì)連續(xù)式爐為加熱段,對(duì)間歇式爐為加熱期)的溫度水平，這就很容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，如氧化燒損增加，形成過(guò)熱和過(guò)燒,，甚至燒化和燒毀而造成廢品等，這就與加熱質(zhì)量產(chǎn)生矛盾。從另一方面來(lái)說(shuō)，為了提高加熱質(zhì)量減小表面和中心的溫差和提高整個(gè)的溫度均勻性,必需延長(zhǎng)連續(xù)式均熱段的長(zhǎng)度(對(duì)間歇爐為均熱期的時(shí)間)，也就減少了爐子的產(chǎn)量造成與產(chǎn)量的矛盾。加熱產(chǎn)量與低消耗的矛盾：在提高整個(gè)工業(yè)爐的溫度水平，增加產(chǎn)量的同時(shí)，必然要增大熱負(fù)荷，導(dǎo)致提高煙氣的排出溫度，增加煙氣帶走的熱損失。提高整個(gè)工業(yè)爐的溫度水平后，也會(huì)使?fàn)t襯的蓄熱和散熱熱損失的增加，這些結(jié)果都會(huì)使燃耗增加，這就與低消耗產(chǎn)生了矛盾。加熱質(zhì)量與低消耗的矛盾：要提高工業(yè)加熱爐產(chǎn)品的質(zhì)量，減少加熱材料的斷面溫差和提高整體溫度的均勻性，就必須延長(zhǎng)連續(xù)式的均熱段的長(zhǎng)度（對(duì)間歇爐為均熱期的時(shí)間），這必然會(huì)增加工業(yè)加熱爐的燃料消耗量和降低工業(yè)加熱爐的生產(chǎn)量，也就使加熱質(zhì)量和低消耗產(chǎn)生了矛盾。加熱產(chǎn)量與污染的矛盾：提高工業(yè)加熱爐的產(chǎn)量后，必然會(huì)過(guò)多的增加燃料供給量，導(dǎo)致燃燒器的超負(fù)荷運(yùn)行，燃燒更加不完全，排出的煙氣含量也隨之增加，使溫室氣體二氧化碳，有毒氣體一氧化碳，腐蝕性氣體氧化氮，有害微粒碳黑和粉塵等排放量都增加了，造成產(chǎn)量提高對(duì)環(huán)境污染增加的矛盾。這些矛盾都產(chǎn)生于目前工業(yè)加熱爐采用的是：連續(xù)式加熱爐的低溫預(yù)熱短（對(duì)間歇爐為低溫預(yù)熱期）實(shí)行慢速加熱，或者用煙氣的余熱來(lái)慢速加熱（連續(xù)式加熱爐）。這是不合理的，因?yàn)榈吞间摰炔牧希诘蜏貢r(shí)吸熱能力很強(qiáng)，加熱的溫差可以很大，不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋和變形等缺陷，所以可以快速加熱。而在高溫時(shí)，吸熱能力很弱，加熱的溫差只能很小，如果采用過(guò)高的爐溫很同意產(chǎn)生過(guò)熱，過(guò)燒和燒毀等次品，所以只能慢速加熱。而合理的是：在連續(xù)式加熱爐低溫預(yù)熱段（對(duì)間歇爐為低溫預(yù)熱期）實(shí)行快速加熱，或者將預(yù)熱段也變成加熱段（連續(xù)式加熱爐），或者用提高爐溫來(lái)快速加熱（間歇式加熱爐）；在連續(xù)式加熱爐的均熱段（對(duì)間歇式爐為均熱期）實(shí)行慢速加熱，或者延長(zhǎng)均熱段長(zhǎng)度來(lái)慢速加熱（連續(xù)式加熱爐），或者用降低熱負(fù)荷來(lái)慢速加熱（間歇式加熱爐）。這些原則就是“高爐溫，高煙溫，高余熱回收和低爐子惰性”（三高一低理論）提出的根據(jù)，可以使工業(yè)加熱爐實(shí)現(xiàn)：高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，低消耗和少污染的要求。1.3本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容簡(jiǎn)述了工業(yè)加熱爐溫度控制的意義及發(fā)展?fàn)顩r。首先介紹了溫度控制的意義，了解其在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位。并對(duì)溫度控制的在工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，以及其在國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展方向趨勢(shì)進(jìn)行了分析了解。其次介紹了工業(yè)加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，并詳細(xì)說(shuō)明了加熱爐的發(fā)展現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)特點(diǎn)。

2PLC簡(jiǎn)介及其特點(diǎn)2.1PLC定義及簡(jiǎn)介PLC即可編程控制器（ProgrammablelogicController，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置[8]。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)（InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：PLC英文全稱ProgrammableLogicController,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程.“PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！盵9]2.2PLC特點(diǎn)(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。

(2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)

PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

(3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎

PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。

(4)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造

PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。

(5)體積小，重量輕，能耗低

以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。2.3PLC應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類(lèi)。

(1)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書(shū)機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。(2)模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

(3)運(yùn)動(dòng)控制

PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。

(4)過(guò)程控制

過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專(zhuān)用的PID子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。

(5)數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。2.4PLC硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介編程器編程器中央處理單元（CPU）輸入電路輸出電路系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)區(qū)電源圖2-1PLC硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖其中，CPU是PLC的控制中樞，完成所有的運(yùn)算和控制任務(wù)，并能監(jiān)視電源、存儲(chǔ)器、I/O以及定時(shí)器的狀態(tài)，診斷用戶程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤。PLC的存儲(chǔ)空間一般包括三個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)、系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)和用戶程序存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)存放相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，一般采用可擦除的只讀存儲(chǔ)器（EPROM），制造廠商將系統(tǒng)程序固化在EPROM中，用戶不能直接存取，系統(tǒng)程序與硬件一起決定了PLC的性能；系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)和各類(lèi)軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、變址寄存器、累加器等），輔助CPU完成I/O操作、運(yùn)算、控制等任務(wù)；用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序，一般采用可擦寫(xiě)的ROM，容量可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。PLC的輸入/輸出電路可以進(jìn)行模擬量、開(kāi)關(guān)量的進(jìn)行處理編程CPU能夠接受或處理的有效數(shù)字信號(hào)，同時(shí)可以將CPU輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)或者開(kāi)關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的控制或通信；編程器完成PLC梯形圖的編寫(xiě)，然后通過(guò)專(zhuān)門(mén)的通信接口將程序下載到PLC的存儲(chǔ)器中；電源在PLC整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它為PLC內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源，沒(méi)有它，系統(tǒng)將無(wú)法工作。PLC采用不同一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式——掃描，當(dāng)它投入運(yùn)行后，工作過(guò)程一般分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段，完成上述三個(gè)階段稱為一個(gè)掃描周，在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU就按照一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上面三個(gè)動(dòng)作，如圖所示。在輸入采樣階段，PLC以掃描方式一次讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)相應(yīng)的單元；用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU按自上而下自左而右的順序掃描用戶梯形圖程序，對(duì)由觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算并刷新邏輯線圈對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)，或執(zhí)行梯形圖中的特殊功能指令。輸出刷新階段，CPU按I/O映象區(qū)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。第（N-1）個(gè) 第（N+1）個(gè)掃描周期 N個(gè)掃描周期 掃描周期 輸出刷新輸入采樣用戶執(zhí)行程序輸出刷新輸入采樣圖2-2PLC掃描運(yùn)行方式PLC普遍采用梯形圖與語(yǔ)句表（梯形圖助記符）來(lái)編程。梯形圖是一種采用常開(kāi)觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、線圈和功能塊等構(gòu)成的圖形語(yǔ)言，類(lèi)似繼電器線路圖。觸點(diǎn)、線圈用于邏輯運(yùn)算，功能塊用于執(zhí)行功能指令和應(yīng)用指令。在溫度控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的指針式儀表和繼電器式控制柜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，故障率高，通用性差，控制精度不高，采用PLC作為控制則可以克服這些缺點(diǎn)。一般PLC溫度控制系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是PLC擴(kuò)展通用A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，另一種是PLC擴(kuò)展專(zhuān)用熱電偶溫度模塊構(gòu)成。前一種溫度傳感器采集到的微弱信號(hào)不直接送到PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，須要由變送器將溫度信號(hào)進(jìn)行放大、冷端補(bǔ)償和線性化處理，再送到A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入通道轉(zhuǎn)換；后一種則直接用熱電偶模塊對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集和處理，不需要附加其它外部電路。PLC的輸出用于驅(qū)動(dòng)晶閘管模塊，控制加熱的電壓或功率。另外PLC溫度控制器還能通過(guò)串行通信口與PC機(jī)連接，構(gòu)成人機(jī)接口界面友好、控制功能完善的溫控系統(tǒng)。2.5本章小結(jié)本章著重介紹了PLC控制器。其中包括PLC的定義簡(jiǎn)介、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及其硬件結(jié)構(gòu)。PLC控制器是本論文設(shè)計(jì)的核心部分，詳細(xì)的了解PLC以及熟練的掌握其所包含的知識(shí)及應(yīng)用是本課題論文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。因此本章通過(guò)以前所學(xué)的課本知識(shí)以及查閱資料對(duì)PLC進(jìn)行了詳細(xì)的的介紹。PLC具有許多優(yōu)異的特點(diǎn)如第二節(jié)所介紹，其優(yōu)點(diǎn)決定了PLC能夠在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。第四節(jié)著重介紹了PLC的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并對(duì)其掃描方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，可以更清楚的理解PLC的工作原理。

3PID控制簡(jiǎn)介3.1PID控制器概述PID簡(jiǎn)介：PID是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。PID控制算法具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性廣和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。在過(guò)去的50年，調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展。其中有利用開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)信息，如Coon-Cohen響應(yīng)曲線法；還有使用Nyquist曲線法的，如Ziegler-Nichols連續(xù)響應(yīng)法。然而這些調(diào)節(jié)方法只識(shí)別了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息的一小部分，不能理想的調(diào)節(jié)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)。這樣能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整、短的整定時(shí)間、簡(jiǎn)便的操作，改善響應(yīng)特性而推動(dòng)了自整定PID控制技術(shù)的發(fā)展。自整定技術(shù)可追溯到50年代自適應(yīng)控制處于萌芽時(shí)期,60年代國(guó)外有人設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)式的過(guò)程控制器，因其價(jià)格高、體積大、可靠性差而未能商品化。80年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機(jī)的使用，才使得自整定控制器得以開(kāi)發(fā)，PID控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)設(shè)想已慢慢實(shí)現(xiàn)。加熱爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬PID、數(shù)字PID到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中，PID控制和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。3.2PID控制算法（1）位置式控制算法。位置式PID控制算法描述為： （3-1）式中的：k=0,1,2為采樣序號(hào)；u(k)為第k次采集時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；kp為比例系數(shù)；kI為積分系數(shù)；kD為微分系數(shù)。該算法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是每次均與先前狀態(tài)有關(guān)，要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算工作量大，而且輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制的PWM的值。（2）增量式控制算法。增量式PID控制算法描述為：（3-2）該算法的優(yōu)點(diǎn)是：由于計(jì)算機(jī)輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響??；當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)鎖存作用，故仍能保持原值，控制增量△u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，易通過(guò)加權(quán)而獲得較好的控制效果。其不足之處為：積分截?cái)嘈?yīng)大、有靜態(tài)誤差、溢出的影響大。（3）積分分離式控制算法。積分分離PID控制算法描述為：（3-3）3.3PID控制的發(fā)展?fàn)顩rPID控制早在1915～1940年就已產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)，自四十年代維納提出控制論的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，先進(jìn)控制方法層出不窮，而PID控制以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、控制直觀等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。據(jù)調(diào)查，至今在全世界的過(guò)程控制中所用的控制器有84％仍是純PID調(diào)節(jié)器，加上改進(jìn)型則超過(guò)了90％。PID控制是按偏差的比例（P－Proportion）、積分（I－Integral）和微分（D－Derivative）線性組合進(jìn)行控制的方式，它在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中PID控制算法表達(dá)式為： （3-4）用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，需要把式（3-4）離散化，變?yōu)椋海?-5）但上述位置式PID控制有時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)樗侨枯敵?，每次輸出都與原來(lái)的位置有關(guān)，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障導(dǎo)致輸出量劇烈變化，控制就難以恢復(fù)到原來(lái)的狀況，這對(duì)控制相當(dāng)不利，所以常將式（3-5）變換成增量式PID控制：（3-6）式中：是比例系數(shù)，是積分時(shí)間常數(shù)，是微分時(shí)間常數(shù)，是采樣周期，、、分別是時(shí)刻的控制量、控制量、誤差。為了改善PID控制的動(dòng)態(tài)特性，人們?cè)趯?shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)提出了多種改進(jìn)型數(shù)字PID控制算法，包括：積分分離型PID控制，帶死區(qū)的PID控制，不完全微分PID控制，不完全微分PID控制等。而PID控制的效果好壞關(guān)鍵在于控制參數(shù)是否合適，所以自它被提出起，PID控制器參數(shù)的整定方法就一直是人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。1942年Ziegler-Nichols法被提出，在此之后有許多方法被用于PID控制器的手動(dòng)或自動(dòng)整定。按研究方法可分為基于頻域和基于時(shí)域的PID參數(shù)整定方法；而按發(fā)展階段可分為常規(guī)和智能PID參數(shù)整定方法（包括自整定和自適應(yīng)）?；陬l域的解析整定方法又分為兩類(lèi)：第一類(lèi)使用一階慣性加純滯后模型（FOPDT），第二類(lèi)則基于積分加一階慣性模型。主要方法有Ziegler-Nichols法（Z-N）、改進(jìn)Z-N法、有超調(diào)規(guī)則、無(wú)超調(diào)規(guī)則、平方時(shí)間加權(quán)偏差的積分準(zhǔn)則（ISTE）、Pessen絕對(duì)偏差積分（PIAE）、對(duì)稱優(yōu)化方法和非對(duì)稱優(yōu)化方法等。這些方法或者需要測(cè)知過(guò)程傳遞函數(shù)奈式曲線與負(fù)實(shí)軸的交點(diǎn)，從而得到系統(tǒng)臨界增益、臨界周期；或者需要測(cè)知系統(tǒng)的相角裕度和閉環(huán)諧振峰值。基于時(shí)域的PID整定方法主要有：Ziegler-Nichols階躍響應(yīng)法(Z-N法，1942年)；基于一般被動(dòng)系統(tǒng)提出的Chien-Hrones-Reswick整定算法(CHR法，1952年)；在經(jīng)典Z-N法的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的Cohen-Coon響應(yīng)曲線法調(diào)節(jié)法(C-C法，1953年)；基于內(nèi)?？刂频腜ID參數(shù)整定方法(IMC法，1990年)；以及不同準(zhǔn)則下的PID控制器最優(yōu)整定的算法(OPT法，1993年)。這些方法都依賴于系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性，需要知道振蕩周期、幅值或者系統(tǒng)靜態(tài)增益K、慣性時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間常數(shù)τ等先驗(yàn)知識(shí)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的PID控制能夠滿足大量一般工程控制的需求，因而在工程中得到廣泛的應(yīng)用，但它們卻不太適合一些特殊的大滯后場(chǎng)合，比如：（1）具有反向特性的非最小相位系統(tǒng)；（2）具有嚴(yán)重頻繁干擾的過(guò)程對(duì)象；（3）多變量強(qiáng)耦合過(guò)程；（4）帶有約束的控制問(wèn)題。因此為了克服這些問(wèn)題，自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、魯棒控制、智能控制等先進(jìn)控制理論被引入了PID控制中。3.4智能PID的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)于時(shí)變性和非線性較嚴(yán)重的控制對(duì)象，固定參數(shù)的PID控制器難以得到滿意的控制效果。于是人們將參數(shù)自調(diào)整技術(shù)引入到PID控制中，形成自適應(yīng)PID控制。自適應(yīng)PID控制器可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)基于被控過(guò)程參數(shù)辨識(shí)，稱為參數(shù)自適應(yīng)PID控制器,其參數(shù)的估計(jì)依賴于被控過(guò)程微分方程數(shù)學(xué)模型的精度，且算法復(fù)雜，故存在可實(shí)現(xiàn)性較差的問(wèn)題。另一類(lèi)基于被控過(guò)程的某些特征參數(shù)的識(shí)別，稱為非參數(shù)自適應(yīng)PID控制器，這類(lèi)自適應(yīng)控制器的可實(shí)現(xiàn)性較好，特別是把人工智能技術(shù)引入PID控制器后，所構(gòu)成的智能自適應(yīng)PID控制器，在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用中均取得了較大的發(fā)展，是一種在理論上有著豐富研究?jī)?nèi)容，在復(fù)雜系統(tǒng)控制中有著廣闊應(yīng)用前景的控制器。國(guó)內(nèi)外對(duì)智能PID控制的應(yīng)用研究十分活躍。智能PID控制器的基本結(jié)構(gòu)可分為上下兩層：上層利用智能技術(shù)，估計(jì)控制系統(tǒng)所處的狀態(tài)或模態(tài)，并對(duì)下層PID控制器的參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整；下層的PID控制器依靠偏差進(jìn)行控制。由于智能PID控制器不需要確切知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，具有良好的可實(shí)現(xiàn)性和魯棒性。根據(jù)智能技術(shù)的類(lèi)別可將當(dāng)前的智能PID控制分為四類(lèi)：（1）基于專(zhuān)家系統(tǒng)的智能PID控制；（2）基于模糊邏輯的PID控制器；(3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制；（4）基于仿人控制的PID控制。另外不同的智能控制技術(shù)通過(guò)整合往往還可以構(gòu)成更好的PID控制器。近些年，各種商品化智能自整定PID調(diào)節(jié)器控制儀表也進(jìn)入市場(chǎng)。其中最有代表性的有下列兩種類(lèi)型：一種是以日本東芝公司推出的TOSDIC-211-8型智能自整定PID調(diào)節(jié)器為代表，它建立在對(duì)過(guò)程參數(shù)的在線辨識(shí)與PID調(diào)節(jié)器參數(shù)自整定的基礎(chǔ)上；另一種是以1983年美國(guó)FOXBORO公司推出的EXACT專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)器和日本富士公司推出的FUJIMICREX專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)器為代表，它是將專(zhuān)家系統(tǒng)、模式識(shí)別的方法應(yīng)用于智能自整定PID調(diào)節(jié)器，使PID調(diào)節(jié)能更有效。這些新型的智能儀表代表著當(dāng)今智能PID自整定儀表的發(fā)展方向。3.5控制方法簡(jiǎn)介PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)控制中最常見(jiàn)的控制器。PID控制中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題便是PID對(duì)參數(shù)的整定,使PID控制系統(tǒng)達(dá)到所期望的控制性能。但是在實(shí)際的應(yīng)用中,許多被控過(guò)程機(jī)理復(fù)雜,具有高度非線性、時(shí)變不確定性和純滯后等特點(diǎn),特別是在噪聲、負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響下,過(guò)程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會(huì)隨時(shí)間和工作環(huán)境的變化而變化。DES2BOROUGH和MILLER在2002年的一次統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出,目前在美國(guó)有超過(guò)11600個(gè)具有PID控制器結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中,有超過(guò)97%的反饋回路采用了PID控制算法,甚至在一些復(fù)雜的控制律中,其基本控制層采用的仍然是PID控制算法。然而,只有近1/3的PID控制器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中取得了令人滿意的控制效果,有2/3的PID控制系統(tǒng)的控制性能達(dá)不到用戶所期望的要求。這給控制理論研究和應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。智能控制是控制理論、人工智能、信息論和運(yùn)籌學(xué)等多方面綜合而成的交叉學(xué)科,主要用于處理兩大類(lèi)問(wèn)題:①難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述的大規(guī)模和復(fù)雜非線性系統(tǒng),需要引入人為因素才能進(jìn)行有效控制;②控制目標(biāo)通常需要分解成多個(gè)子任務(wù)的系統(tǒng)。能PID控制器吸收了智能控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)。首先,它具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力,能夠自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制參數(shù),能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化;其次,它又具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高、為現(xiàn)場(chǎng)工程設(shè)計(jì)人員所熟悉等特點(diǎn)。正是這兩大優(yōu)勢(shì),使得智能PID控制成為眾多過(guò)程控制中一種較理想的控制裝置。因此,人們開(kāi)始較多地關(guān)注比較流行的幾種智能PID控制器,考察它們的構(gòu)成形式、各自特點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。模糊控制法是一種近年來(lái)發(fā)展和應(yīng)用最普遍的新型控制方法,其優(yōu)點(diǎn)是不要求提供受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)人工控制規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)控制決策表。模糊控制與PID控制有著密切的聯(lián)系,事實(shí)上,模糊控制在很多情況下被稱作為非線性PID控制。將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái),揚(yáng)長(zhǎng)避短,既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。模糊控制是智能控制的分支之一，他具有以下特點(diǎn)：(1)是一種非線性控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制。(2)不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)無(wú)法建模或很難建模的復(fù)雜對(duì)象，可以利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器，從而完成控制任務(wù)，而傳統(tǒng)的控制方法都要已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型才能設(shè)計(jì)控制器。(3)他具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，表現(xiàn)出極強(qiáng)的魯棒性，對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感。模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整；算法簡(jiǎn)單、執(zhí)行快、容易實(shí)現(xiàn)，不需要很多的控制理論知識(shí)。3.5.1模糊PID控制模糊控制[10]的概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zaden首先提出的，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制作用，即魯棒性較好。但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。而PID控制正好可以彌補(bǔ)其不足，近年來(lái)已有不少將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)模糊邏輯控制的先例。隨著模糊控制器的發(fā)展已出現(xiàn)多種能提高PID控制精度的模糊PID混合控制方案，例如：引入積分因子的模糊PID控制器；混合型模糊PID控制器[11]；另外將其與其它先進(jìn)控制技術(shù)結(jié)合又有模糊自適應(yīng)PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制[12]等。模糊自整定PID控制是在一般PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)參數(shù)自整定的要求。它將模糊控制和PID控制器兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制[13]無(wú)靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。根據(jù)線性控制理論,此類(lèi)模糊控制器有可能獲得良好的動(dòng)態(tài)特性,但無(wú)法消除靜態(tài)誤差。為了改善模糊控制的穩(wěn)態(tài)性能,通常在模糊控制系統(tǒng)中引入模糊積分環(huán)節(jié)。圖3-1所示的是BASSEVILLEM提出的一種模糊控制器。誤差的模糊值經(jīng)積分后與常規(guī)模糊控制器的輸出進(jìn)行疊加構(gòu)成控制器的最終輸出。這種對(duì)誤差的模糊值進(jìn)行積分的PID模糊控制器可以消除大的系統(tǒng)靜差,但是,要減小零點(diǎn)附近的極限環(huán)振蕩,必須增加控制規(guī)則,這樣就增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。圖3-1模糊PID控制器3.5.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN(artificialneuralnetwork)是最近發(fā)展起來(lái)的十分熱門(mén)的交叉學(xué)科。它涉及生物、電子計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、和物理等學(xué)科,有著非常廣泛的應(yīng)用背景,這門(mén)學(xué)科的發(fā)展對(duì)目前和未來(lái)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將有著重要的影響。以大規(guī)模并行處理為主要特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想、容錯(cuò)、并行處理等能力,已在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制,其結(jié)構(gòu)方式有兩類(lèi):一類(lèi)是單神經(jīng)元控制,即神經(jīng)元輸入權(quán)值一一對(duì)應(yīng)PID參數(shù),神經(jīng)元輸入值為經(jīng)過(guò)比例、積分、微分處理的偏差值,其主要局限性在于單神經(jīng)元結(jié)構(gòu)無(wú)任意函數(shù)逼近能力;另一類(lèi)是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊,按照BP學(xué)習(xí)算法(如前向算法和反傳算法)進(jìn)行離線學(xué)習(xí),實(shí)時(shí)調(diào)整出PID參數(shù),同時(shí)還要繼續(xù)學(xué)習(xí)不斷地調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元間權(quán)系數(shù),以適應(yīng)被控對(duì)象的變化,因此,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。圖3-2所示的是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。其中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器部分實(shí)際是一個(gè)前饋控制器,它建立的是被控對(duì)象的逆向模型。從圖3-2可以看出,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過(guò)向傳統(tǒng)控制器的輸出進(jìn)行學(xué)習(xí),在線調(diào)整自己,目標(biāo)是使反饋誤差e或μ1趨近于零,從而使自己逐漸在控制作用中占據(jù)主導(dǎo)地位,以便最終取消反饋控制器的作用。但是以PID構(gòu)成的反饋控制器一直存在,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)干擾動(dòng),反饋控制器馬上可以重新起作用。因此,采用這種前饋加反饋的智能控制方法,不僅可確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,而且可有效地提高系統(tǒng)的精度和自適應(yīng)能力。提出了一種基于對(duì)角回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器結(jié)構(gòu),分別建立了基于對(duì)角回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)的液位實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),具有較好的魯棒性。圖3-2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器3.5.3遺傳算法PID控制20世紀(jì)90年代末,即在遺傳算法GA等進(jìn)化計(jì)算思想提出20年后,在生物醫(yī)學(xué)界和自動(dòng)控制界出現(xiàn)了研究進(jìn)化控制的苗頭。遺傳算法是基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的搜索算法,達(dá)爾文主義的“適者生存”基本理論貫穿于整個(gè)算法?；舅枷刖褪菍⒋蠼鈫?wèn)題轉(zhuǎn)換成由個(gè)體組成的演化群體和對(duì)該群體進(jìn)行操作的一組遺傳算子,包括4個(gè)基本操作:選擇、復(fù)制、交叉、變異?；谶z傳算法的自適應(yīng)PID控制的一種原理框圖如圖3-3所示,圖中省略了遺傳算法的具體操作過(guò)程。其思想就是將控制器參數(shù)構(gòu)成基因型,將性能指標(biāo)構(gòu)成相應(yīng)的適應(yīng)度,便可利用遺傳算法來(lái)整定控制器的最佳參數(shù),并且不要求系統(tǒng)是否為連續(xù)可微的,能否以顯式表示。當(dāng)遺傳算法用于PID控制參數(shù)尋優(yōu)時(shí),其操作流程主要包括:①優(yōu)化問(wèn)題表示,包括確定待尋優(yōu)參數(shù)、參數(shù)編碼成位串、形成個(gè)體;②生成初始種群;③通過(guò)復(fù)制、交叉、變異等算子更新種群;④結(jié)束進(jìn)化過(guò)程。在許多情況下,PID控制器為混合控制器,如一種基于遺傳算法的模糊PID控制器。模糊PID控制器中需要做調(diào)整最多的是各個(gè)模糊集合的隸屬函數(shù),這是決定模糊控制性能的關(guān)鍵。模糊PID在正式投入使用并勝任工作之前,需反復(fù)試湊,這其實(shí)是一個(gè)尋優(yōu)過(guò)程,而這項(xiàng)工作可以由遺傳算法來(lái)完成。圖3-3基于遺傳算法的PID控制基于遺傳算法的PID具有以下特點(diǎn):①把時(shí)域指標(biāo)同頻域指標(biāo)做了緊密結(jié)合,魯棒性和時(shí)域性都能得到良好保證；②采用了新型自適應(yīng)遺傳算法,收斂速度和全局優(yōu)化能力大大提高；③具有較強(qiáng)的直觀性和適應(yīng)性；④較為科學(xué)地解決了確定參數(shù)搜索空間的問(wèn)題,克服了人為主觀設(shè)定的盲目性。在應(yīng)用方面，文獻(xiàn)針對(duì)新一代資源衛(wèi)星使用遺傳算法PID參數(shù)自整定的方法進(jìn)行了衛(wèi)星姿態(tài)控制,有效地消除了可轉(zhuǎn)動(dòng)載荷對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響。提出了一種基于改進(jìn)遺傳算法尋優(yōu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法,不僅解決了遺傳算法存在的缺陷,而且提高了尋優(yōu)精度和快速收斂性能。3.5.4智能PID控制器研究及應(yīng)用展望除上述的三種控制方法以外,專(zhuān)家控制、學(xué)習(xí)控制、仿人控制、免疫算法等都在發(fā)展之中?？v觀近年來(lái)智能PID控制的發(fā)展,可以大致歸納出以下特點(diǎn):①智能復(fù)合控制成為提供和改善智能控制性能的有效途徑,并成為研究的重點(diǎn)。近幾年來(lái),模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合代表著控制與智能系統(tǒng)研究的一個(gè)新的趨勢(shì),另外有一個(gè)值得注意的動(dòng)向是利用遺傳算法GA對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器的權(quán)系數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),而將遺傳算法應(yīng)用于模糊控制,被證明是調(diào)整規(guī)則和隸屬函數(shù)的一種有效方法。將遺傳算法、模糊控制和免疫反饋機(jī)理與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合,提出了基于遺傳整定的模糊免疫PID控制算法并將它應(yīng)用在雙容液位系統(tǒng)的控制中。②PID控制重新受到廣泛重視,并和智能控制等方法結(jié)合,形成新一輪的研究熱潮。國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物ControlEngineeringPractice和IEEEControlSystemsMagazine分別于2001和2006年出版了PID控制特輯。2000年,IFAC數(shù)字控制工作組在西班牙Terrassa舉行了專(zhuān)題為“Past,PresentandFutureofPIDControl”的PID控制學(xué)術(shù)會(huì)議。國(guó)際著名控制理論學(xué)者AS2TROM教授指出,PID控制器在未來(lái)的控制工程中仍將繼續(xù)扮演重要的角色,同時(shí)將成為各種復(fù)雜控制器的基本單元。國(guó)內(nèi)學(xué)者吳宏鑫院士提出的“特征建模”理論,第一次從理論上論證了PID控制器廣泛應(yīng)用的理論依據(jù)并且指出,PID控制器具有獨(dú)特的優(yōu)越性,它將成為復(fù)雜系統(tǒng)智能控制中最基本、最基礎(chǔ)的子控制單元。③在理論研究特別在應(yīng)用方面,國(guó)內(nèi)與國(guó)外差距明顯。國(guó)外如日本、歐美等國(guó)家不但在理論研究方面走在前列,而且已經(jīng)有成功應(yīng)用的產(chǎn)品,Yokogawa電氣和Fuji電氣的溫度控制器,它們把模糊邏輯與標(biāo)準(zhǔn)的PID控制集成在一起來(lái)抑制超調(diào),取得了成功。而國(guó)內(nèi)重復(fù)研究的多,創(chuàng)造性研究的少;停留于仿真成果的多,能夠在工程上應(yīng)用的少,尤其是運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的智能PID控制器可以說(shuō)微乎其微。這一狀況需要廣大理論工作者和工程技術(shù)人員共同努力,盡快轉(zhuǎn)變這一局面。3.6加熱爐控制方式的選擇在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特性或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。加熱爐溫度控制具有升溫單向性、大時(shí)滯和時(shí)變的特點(diǎn)，如升溫靠燃料加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調(diào)后調(diào)整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方法難以得到更好的控制效果。另外對(duì)于PID控制，若條件稍有變化，則控制參數(shù)也需調(diào)整。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)[14]。但由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論正是解決這一問(wèn)題的有效途徑。人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。從以上的分析可知模糊自整定PID控制[15]應(yīng)用在具有明顯的純滯后、非線性、參數(shù)時(shí)變類(lèi)似于電爐這樣特點(diǎn)的控制對(duì)象可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實(shí)踐也充分證明了用模糊自整定PID控制電爐溫度是一非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計(jì)中，采用PID參數(shù)模糊自整定復(fù)合控制[16]，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進(jìn)一步完善PID控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。3.7本章小結(jié)本章主要介紹了PID控制。隨著PID控制控制器的發(fā)展，其很多優(yōu)異的特點(diǎn)使其對(duì)工業(yè)控制中很多復(fù)雜難以控制的指標(biāo)的控制具有很優(yōu)秀的效果。正如前面章節(jié)所介紹工業(yè)加熱爐的溫度控制指標(biāo)具有大慣性、純滯后性、時(shí)變性等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此在本論文的設(shè)計(jì)中選擇PID控制器具有很優(yōu)秀的效果。本章首先討論了PID控制器的發(fā)展現(xiàn)狀，追溯了過(guò)去50年中PID的發(fā)展成長(zhǎng)過(guò)程。其中調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)的方法取得了極大的發(fā)展，如Coon-Cohen響應(yīng)曲線法；還有使用Nyquist曲線法的，如Ziegler-Nichols連續(xù)響應(yīng)法。這些方法是我們所熟悉并經(jīng)常運(yùn)用比較實(shí)用的方法。下面兩節(jié)分別介紹了兩種新型的PID控制：模糊PID控制、模糊自整定PID控制。這兩種新型的控制器在本文所涉及的工業(yè)加熱爐溫度的控制方面具有較為突出優(yōu)良的特點(diǎn)。跟著第三節(jié)根據(jù)上述PID控制器的特點(diǎn)以及本文加熱爐溫度的性質(zhì)特點(diǎn)，講述了加熱爐控制方式的選擇。并確定PID參數(shù)模糊自整定控制在本論文設(shè)計(jì)中有較好的效果。

4PLC溫度控制裝置硬件設(shè)計(jì)4.1PLC溫度控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)PLC溫度控制系統(tǒng)通常由溫度傳感器、溫度調(diào)理、A\D、D\A轉(zhuǎn)換裝置、受控對(duì)象組成。其中在PLC中進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)PID控制功能外外圍電路中加入控制參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出溫度的控制，溫度傳感器信號(hào)將溫度物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳感器電路通常由PT100鉑電阻以及橋式放大電路組成。PT100放置于受控對(duì)象運(yùn)行處用可以測(cè)得其溫度實(shí)際變化情況。PT100鉑電阻在零攝氏度時(shí)的電阻成比例增加0.4歐姆，依靠PT100鉑電阻的阻值和溫度正比例特性將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于PLC得輸入A\D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)對(duì)輸入信號(hào)的幅值有一定的范圍限制，因此，為最大限度的利用輸入的精度和PLC的分辨率，需要經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)方式運(yùn)算放大器放大時(shí)信號(hào)能夠被PLC采集。PLC同時(shí)采集控制指令信號(hào)以及所調(diào)理之后的信號(hào)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部控制環(huán)節(jié)（PID控制環(huán)節(jié)）實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和控制指令信號(hào)的產(chǎn)生，形成控制信號(hào)發(fā)給受控對(duì)象，這樣通過(guò)對(duì)系統(tǒng)待測(cè)量于給定參考信號(hào)之間電壓誤差信號(hào)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出的控制[17]，其中PLC主控系統(tǒng)喂溫度的控制提供算法支持其為溫度控制系統(tǒng)的核心部分。另外，PLC器件可以通過(guò)串口于上位機(jī)以及觸摸屏等外圍設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面。如圖4-1為加熱爐溫度控制裝置基本構(gòu)成圖4-1加熱爐控制裝置基本構(gòu)成它由PLC主控系統(tǒng)、移相觸發(fā)模塊、整流器SCR、加熱爐、傳感器等5個(gè)部分組成。加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的數(shù)字量，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行處理，給移相觸發(fā)模塊，再給三相整流電路（SCR）一個(gè)觸發(fā)脈沖（既控制脈沖），這樣通過(guò)SCR的輸出我們控制了鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)速度以及燃料的進(jìn)料情況驚醒調(diào)節(jié)，也既加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起重要作用。4.1.1D\A轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理是將輸入數(shù)字信號(hào)按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過(guò)運(yùn)算放大器求和相加。因此，D/A轉(zhuǎn)換器的核心部分是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)按權(quán)轉(zhuǎn)換的電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，此外，還有基準(zhǔn)電壓、電子開(kāi)類(lèi)、求和電路、數(shù)碼寄存等部分，如圖4-2數(shù)碼寄存數(shù)碼寄存電子開(kāi)關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路基準(zhǔn)電壓D u圖4-2D\A轉(zhuǎn)換器框圖主要性能指標(biāo)如下：(1)分辨率分辨率是指對(duì)輸出電壓的分辨能力，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入相鄰兩個(gè)數(shù)碼時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓之差為最小可分辨電壓，分辨率的定義為最小可分辨電壓與最大輸出電壓之比?？杀硎緸椋海?-1）可以看出，分辨率的數(shù)值是與轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的有效位數(shù)成反比的，即數(shù)字量的有效位數(shù)越多，則分辨率的數(shù)值越小，分辨力越強(qiáng)。因此在實(shí)際中常用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率，如12位D/A的分辨率為12位。(2)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度分絕對(duì)精度和相對(duì)精度。D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差，稱為絕對(duì)精度，通常用最小分辨電壓的倍數(shù)表示，如1/2ULSB就表示輸出值與理論值的誤差為最小可分辨電壓的一半。相對(duì)精度是絕對(duì)精度與滿刻度輸出電壓(或電流)之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間D/A轉(zhuǎn)換器從接收數(shù)字量開(kāi)始到輸出電壓或電流達(dá)到規(guī)定誤差范圍所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間，它決定D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)：D/A轉(zhuǎn)換器按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)等，本文僅以倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)為例介紹轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理。圖4-3倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)連接圖4.1.2A\D轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)介A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，我們都知道，模擬信號(hào)在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)變化的，而數(shù)字信號(hào)則在時(shí)間和幅度上都是離散的，所以要將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)一般可通過(guò)圖4-4所示的四個(gè)部分來(lái)完成。采樣保持量化編碼采樣保持量化編碼

圖4-4A\D轉(zhuǎn)換原理圖(1)采樣保持

將一個(gè)在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)變成完全對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)是不可能的，因?yàn)檫@個(gè)模擬信號(hào)的瞬時(shí)值有無(wú)數(shù)個(gè)。采樣的概念就是在連續(xù)變化的信號(hào)上選出可供轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的有限個(gè)點(diǎn)，根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率大于二倍的模擬信號(hào)頻譜中的最高頻率，則就不會(huì)丟失模擬信號(hào)所攜帶的信息。這樣就把一個(gè)在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量變成了在時(shí)間上離散的電信號(hào)。由于每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次采樣后必須將所采得的電壓保持一段時(shí)間，完成這種功能的便是采樣保持電路，圖4-5示出了采樣保持電路的原理電路。電路中場(chǎng)效應(yīng)管V是采樣開(kāi)關(guān)，受控于采樣脈沖，C是保持電容。當(dāng)采樣脈沖到來(lái)時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)閉合，模擬信號(hào)經(jīng)V向C充電，C上的電壓跟隨輸入信號(hào)變化。當(dāng)采樣脈沖消失，模擬開(kāi)關(guān)便斷開(kāi)，C上的電壓會(huì)保持一段時(shí)間。電路中的A是用運(yùn)放構(gòu)成的緩沖放大器。

圖4-5原理電路量化編碼

采樣保持后的信號(hào)已成為在時(shí)間上離散的階梯狀信號(hào)，但這個(gè)信號(hào)的每個(gè)階梯值是取決于輸入模擬信號(hào)的，可能有無(wú)限多個(gè)值。這無(wú)限多個(gè)值不可能與n位有限的2n個(gè)數(shù)字量相對(duì)應(yīng)，因此，必須將采樣后的值限定在2n個(gè)數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的離散電平上，凡介于兩個(gè)離散電平之間的采樣值就用某種方式整理歸并到這兩個(gè)電平之一上，這種將幅值取整歸并的方式及過(guò)程稱為量化。量化后，有限個(gè)量化值可用n位一組的某種二進(jìn)制代碼對(duì)應(yīng)描述，這種用數(shù)字代碼表示量化幅值的過(guò)程稱為編碼。圖4-6示出了一個(gè)用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)量化編碼模擬信號(hào)的示意圖。在圖中，三位二進(jìn)制數(shù)可產(chǎn)生八個(gè)量化電平，而經(jīng)過(guò)采樣保持后的階梯信號(hào)在t1、t2段剛好與量化電平相符，所以可直接進(jìn)行編碼，而在t3～t8段則需要量化，采用四舍五入法按圖中箭頭的方向歸并階梯信號(hào)到就近的量化電平上，再編碼得數(shù)字量輸出如下：

圖4-6量化編碼波形4.2PLC控制系統(tǒng)的硬件配置在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中PLC硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，配合了多種特殊功能模塊及功能擴(kuò)展模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制等功能。該系列PLC可靠性高，抗干擾強(qiáng)、配置靈活、性價(jià)比高。本溫度控制系統(tǒng)中PLC我們選擇FX2N-48MR-001型，它與外部設(shè)備的連接如圖4-7、表4-1所示。圖4-7與外部設(shè)備鏈接圖

表4-1PLCI/O地址分配表IN編號(hào)OUT編號(hào)系統(tǒng)開(kāi)X10高溫指示燈Y1系統(tǒng)關(guān)X15數(shù)據(jù)顯示Y2~Y5數(shù)據(jù)顯示片選Y6~Y9其中X10、X15分別為控制PLC系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，Y1為高溫顯示燈用來(lái)顯示溫度是否過(guò)高，Y2~Y5用來(lái)接溫度數(shù)據(jù)顯示，及時(shí)傳遞溫度的信息情況，Y6~Y9接數(shù)據(jù)顯示片選。4.3模糊控制器的設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測(cè)以及報(bào)警等功能，智能模糊控制器[5]由PLC完成，采用規(guī)則自尋優(yōu)的控制算法進(jìn)行過(guò)程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由PLC輸出通斷率控制信號(hào)，產(chǎn)生可控硅的過(guò)零觸發(fā)脈沖。簡(jiǎn)單的加熱爐溫度控制思路如下圖4-7:控制裝置控制裝置晶閘管控制模塊加熱爐被控對(duì)象A\D轉(zhuǎn)換模塊熱電偶 電源 控制量輸入功率溫度爐溫信號(hào)圖4-7加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度控制算法時(shí)還需要將上述的原理圖簡(jiǎn)化成模型圖（如圖4-8），以便于系統(tǒng)進(jìn)行分析。模型中的控制器就是廣義的加載到計(jì)算機(jī)或微處理器上的控制算法，晶閘管模塊、電加熱爐、加熱對(duì)象一起歸為控制對(duì)象，而A/D轉(zhuǎn)換器、熱電偶[6]則構(gòu)成反饋回路?？刂破鹘o定的溫度作為系統(tǒng)輸入信號(hào)r，傳感器檢測(cè)到的溫度作為輸出信號(hào)y，誤差e、控制信號(hào)u均在控制裝置里通過(guò)計(jì)算得到，最后經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)熱工對(duì)象溫度的控制，這就形成了一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)。

控制裝置控制對(duì)象r e u 控制裝置控制對(duì)象-圖4-8系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型4.3.1溫度數(shù)據(jù)濾波由于采樣精度、A/D轉(zhuǎn)化精度的限制，以及電子線路干擾的影響，計(jì)算機(jī)接受到溫度信號(hào)后一般都需要進(jìn)行數(shù)字濾波[7]，消除低頻干擾分量的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性。工業(yè)控制中，對(duì)溫度信號(hào)一般采用以下幾種數(shù)字濾波的方法：(1)算術(shù)平均濾波：對(duì)于作用時(shí)間較短的快速干擾，可以通過(guò)數(shù)字平均濾波技術(shù)，也就是采用連續(xù)多次采樣，然后求平均值的辦法予以濾波。其算式為： （4-2）其中，y(k)為第k次的濾波器輸出值，為第k次濾波輸入值，n為采樣值個(gè)數(shù)。平均濾波的不足