基于PAC的惯性温度对象控制系统设计.docx
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基于PAC的惯性温度对象控制系统设计
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院：
电子工程学院
专业：
自动化
学生：
娄超
指导教师：
刘硕
完成日期2009年5月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
基于PAC的惯性温度对象控制系统设计
DesignofControlSystemofInertiaTemperatureObjectBasedon
PAC
总计：
37页
表格：
2个
插图：
19幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
基于PAC的惯性温度对象控制系统设计
DesignofControlSystemofInertiaTemperatureObjectBasedon
PAC
学院：
电子工程学院
专业：
自动化
学生姓名：
娄超
学号：
1109624041
指导教师（职称）：
刘硕（讲师）
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
基于PAC的惯性温度对象控制系统设计
[摘要]温度是各种工业生产和科学实验中最普遍，也是最重要的热工参数之一。
本设计利用PAC控制器实现水箱水温在扰动作用下的恒温控制，利用温度传感器检测水箱水温，与设定的温度值进行对比，采用PID自整定控制来实现温度的恒定。
此系统基本能达到恒温的设计要求，具有偏差小，超调小，上升时间短的优点。
[关键词]温度控制；PID控制；可编程自动控制器；iFIX
DesignofControlSystemofInertiaTemperatureBasedonPAC
LOUchao
Abstract:
Temperatureisthemostcommonandalsothemostimportantoneofthethermalparametersinavarietyofindustrialproductionsandscientificexperiments.ThisdesignusesthePACtoachievethewatertemperaturecontrolincaseofadditionaldisturbance.Watertemperatureismeasuredbythetemperaturesensor,andsenttoPAC.Thepracticaltemperatureiscomparedwiththesettingvalue.PIDofself-tuningalgorithmisusedtoachieveconstanttemperature.Thissystemcanbasicallymeetthedesignrequirementsofthethermostatwiththeadvantagesofsmalldeviation,smallovershootandshortrisingtime.
Keywords:
Temperaturecontrol;PIDcontrol;PAC（ProgrammableAutomationController）;iFIX
1引言
1.1课题的背景及意义
温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。
在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。
温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。
温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法的选择都起着至关重要的作用。
温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。
同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。
随着控制理论的不断发展，在各种控制场合，诸如温度、压力及流量等参数的控制及测量都得到了长足的发展。
而温度是一个非常重要的过程变量。
例如：
在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等众多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式、燃料、控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各种工业生产中广泛使用的各种加热炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。
温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
本课题研究的主要目的是运用PID参数整定，并以PAC为控制器，设计一套基于PAC的温度控制系统。
1.2PID控制的现状及发展方向
PID控制由于算法简单、可靠性高、鲁棒性好等特点，在控制技术不断发展的今天仍然在工业控制中得到了广泛的应用。
它对大多数的工业控制对象都能达到较好的控制效果。
但它也有明显的缺点，依赖于具体的对象模型，对于非线性、大滞后、时变系统控制效果不理想等。
随着生产的发展，对控制的适时性与精度要求越来越高被控对象也越来越复杂，单纯采用常规PID控制已不能满足系统的要求，因此出现了许多的控制方法，如智能控制（包括模糊控制、神经网络控制等）、非线性控制、自适应控制等，将这些新的控制方法与传统的PID控制相结合，可以提高系统的控制性能。
在新出现的控制方法中，智能控制技术得到了飞速的发展，智能控制技术不依赖于具体的对象模型，对非线性、时变、大滞后系统的控制效果比常规PID控制要好得多，将常规PID控制与智能控制相结合可以得到意想不到的控制效果。
如何将常规PID控制技术与智能控制技术中的模糊控制技术、神经网络控制技术相结合已成为控制界研究的热门。
1.3温度控制系统的发展现状
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用[1]。
它们主要具有如下特点：
（1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。
（2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。
（3）能适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。
（4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。
（5）温度控制器普遍具有参数自整定功能。
借助计算机软件技术，温控器具有对控制参数及特性进行自动整定的功能。
有的还具有自学功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。
（6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[2]。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来说，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。
形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。
这些差距，是必须努力克服的。
随着我国加入WTO，政府及企业界对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速发展[3]。
1.4本文主要工作
第一章分别对本课题的背景与意义、PID控制的现状及发展方向，以及本文所设计的温度控制系统的发展现状进行介绍。
第二章主要讨论了PID的控制原理和作用。
第三章主要设计本课题所涉及到的硬件结构和控制器及主要模块的选型。
第四章主要是设计监控画面和建立监控系统。
第五章对全文最后的总结及展望。
2PID控制
2.1PID控制原理
常规PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
通过PID的Kp、Ki和Kd三个参数的设定，实现对控制对象的控制。
PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
其系统原理方框图如图1所示。
图1PID控制器系统原理图
该系统主要由PID控制器和被控对象组成。
作为一种线性控制器，它根据设定值r（t）和实际输出值y（t）构成控制偏差e（t），将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制。
控制器的输入输出关系可描述如公式1所示。
（1）
式中：
e（t）=r（t）-u（t），K为比例系数，T为积分时间常数、T为微分时间常数。
以上是我们在各种文献中最经常看到的形式，各种控制作用的实现方式在函数表达式中表达得非常清楚。
这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统效果好坏[4]。
2.2PID参数调节的作用
PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分和微分计算出控制量进行控制的。
它由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成[5]。
（1）比例调节作用
比例调节是依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例，但有余差。
其作用在于消除系统的稳态误差，提高系统调节精度。
当系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少误差。
比例越大，系统响应越快，但将产生超调和震荡甚至导致系统不稳定，因此比例系数不能取得过大；但如果取值过小，使系统响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。
（2）积分调节作用
积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止。
其作用在于消除系统的稳态误差，提高无差度。
积分系数越大积分速度越快，系统静差消除越快，但过大又会在响应初期产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大超调，使动态性能变差；过小则会使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，过渡时间过长，不能尽快达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。
积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
（3）微分调节作用
微分调节依据“偏差变化的速度”来动作。
它的输出与输入偏差变化的速度呈比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超调作用，对滞后大的对象（温度）有很好的效果。
其作用在于改善系统的动态性能，反应系统偏差信号的变化率并预见偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用，使系统的超调降低，增加系统稳定性。
但微分系数不能过大，过大则会使响应过程提前制动和延长系统调节时间，而且还会使系统的抗干扰性变差。
微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
2.3PID参数整定在温度控制系统中的应用
2.3.1PID控制器参数对控制性能的影响
（1）比例作用对控制性能的影响
比例增益的引入是为了及时地反应控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用会立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。
当比例增益大的时候，PID控制器可以加快调节，但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成系统不稳定。
（2）积分作用对控制性能的影响
积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无差跟踪。
从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti的大小，Ti越小，积分作用越强，反之积分作用弱。
积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。
实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PD控制器[6]。
（3）微分作用对控制性能
微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。
微分作用能反应系统偏差的变化率，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。
直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消除偏差。
因此，微分作用可以改善系统的动态性能。
微分作用的强弱取决于微分时间的大小，越大，微分作用越强，反之越弱。
在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。
从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。
所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。
此外，微分作用反应的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。
2.3.2PID参数整定
调节器参数的整定，是自动调节系统中相当重要的一个问题。
在调节方案已经确定，仪表及调节阀等已经选定并已安装好之后，调节对象的特性也就确定了，调节系统的品质主要决定于调节器参数的整定[7]。
因此，调节器参数整定的任务，就是对已选定的调节系统，求得最好的调节质量时调节器的参数值，即所谓求取调节器的最佳值，具体讲就是确定最合适的比例时间、积分时间和微分时间。
其整定方法如下：
（1）用试凑法确定PID控制器参数
试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，边观察系统的运行，边修改参数，直到满意为止。
一般情况下，增大比例系数Kp会加快系统的响应速度，有利于减少静差。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡使稳定性变差。
减小积分系数Ki将减少积分作用，有利于减少超调使系统稳定，但系统消除静差的速度慢。
增加微分系数Kd有利于加快系统的响应，使超调减少，稳定性增加，但对干扰的抑制能力会减弱。
在试凑时，一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的步骤进行整定。
具体过程如下：
首先将积分系数Ki和微分系数Kd取零，即取消微分和积分作用，采用纯比例控制。
将比例系数Kp由大到小变化，观察系统的响应，直至速度快，且有一定范围的超调为止。
如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已满足设计要求，那么只需要纯比例调节器即可。
如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。
在整定时将积分系数Ki由小逐渐增加，积分作用就逐渐增强，观察输出会发现，系统的静差会逐渐减少直至消除。
反复试验几次，直至消除静差的速度满意为止。
注意这时的超调会比原来加大，应适当的降低一点比例系数Kp。
若使用比例积分（PI）控制器经反复调整仍达不到设计要求，或不稳定，这时应加入微分作用，整定时先将微分系数Kd从零逐渐增加，观察超调量和稳定性，同时相应地微调比例系数Kp，积分系数Ki，逐步试凑，直到满意为止。
（2）扩充临界比例度法
这种方法适用于有自平衡的被控对象，是模拟系统中临界比例度法的扩充。
其整定步骤为：
选择一个足够短的采样周期T，足够短就是采样周期小于对象的纯滞后时间的1/10；让系统做纯比例控制，并逐渐缩小比例度（=1/Kp）使系统产生临界震荡，此时的比例度和震荡周期就是临界比例度K和临界震荡周期T；选定控制度，控制度就是以模拟调节器为基准，将系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较，其比值即控制度[8]。
2.3.3PID参数在温控中的整定结果
本课题采用试凑法来实现对比例系数Kp、微分系数Kd和积分系数Ki三个PID基本参数整定。
其中比例阀的开度为扰动。
其整定结果如表1所示。
表1PID参数整定结果
比例阀1开度
比例阀2开度
比例系数Kp
微分系数Kd
积分系数Ki
2%
2%
1000
80
2
3%
2%
1050
80
2
1%
2%
980
70
2
3控制系统的硬件设计
3.1系统的整体结构
本设计采用水箱为被控对象，以水箱膛内温度为被控参数，以加热棒电阻为控制对象，以GE-PAC为控制器，构成水箱温度控制系统。
通过自主编写PID控制算法程序，运用梯形图编程语言进行编程，实现在水箱水位变化的情况下，使水箱的水温恒定[9]。
其温度控制结构如图2所示。
图2温度控制结构
其中惯性温度和普通的温度有很大的不同。
这里所说的惯性在控制系统中被称为纯滞后。
纯滞后是物理系统的一种性质，具有纯滞后的工艺过程当外界对其施加了一定作用后，工艺过程不会立即做出反应，而总要滞后一段时间。
对于加热水箱来说，热容量愈大滞后时间愈长。
在通常的反馈调节系统中，控制系统之所以能对控制对象施加一个校正作用，是因为工艺过程的输出有变化。
但对具有纯滞后的工艺对象来说，控制系统对其施加校正作用后，工艺过程并不立即变化。
因而也就不能立即对输入施加应有的作用。
加热水箱水温的滞后不同于通常的测量系统的滞后，一般的测量滞后是由于测量取样过程产生的，也有测量元件本身引起的滞后。
对于测量系统产生的滞后可以用常规的滞后补偿系统进行校正，而加热水箱温度滞后是水的固有的物理特性，是由于水温变化速度低于加热棒的变化速度造成的，因而普通的方法不适用。
在加热水箱的温度控制系统中，配备了先进的计算机控制系统，建立了相对的数学模型。
当我们给出了水温设定值后，由于水的滞后作用，实际水温不会很快达到设定值，而总要围绕设定值上下波动延迟一段时间后才能达到设定值。
如水温由21℃升到25℃，当水温达到设定值25℃后，由于其惯性作用，温度值会偏离设定值而升到25.3℃。
这是因为控制水温是通过控制加热棒间接控制的。
当调节系统得到偏差信号后，加热棒能够迅速响应偏差信号而改变加热功率的大小。
由于水温信号的滞后，虽然加热功率变化，但水温并不立即发生变化。
其过程控制装置实训图如图3所示。
图3过程控制装置实训图
3.2硬件选型
3.2.1PAC及基本模块
可编程自动控制器（ProgrammableAutomationController,PAC）是由ARC咨询集团的高级研究员CraigResnick提出的。
PAC的概念定义为：
控制引擎的集中，涵盖PLC用户的多种需要，以及制造业厂商对信息的需求[10]。
PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PC-based控制中基本对象的、开放数据格式和网络连接等功能。
本课题采用PACSystemsRX3i系列PAC作为控制器，所用到的模块有电源模块、CPU模块、以太网接口模块、数字量输入模块、数字量输出模块。
对上述部分模块进行简单介绍：
（1）电源模块（IC695PSD040）
该模块输入电源24V，能提供40W的输出功率，当电源模块发生内部故障时将会有指示，CPU可以检测到电源丢失或记录相应的错误代码。
该模块上有4个LED灯可以指示该模块的工作状态，另外还有一个ON/OFF开关，能控制电源模块的输出，但不能切断模块的输入电源。
（2）CPU模块（IC695CPU315）
该模块有一个1GHz的处理器，占两个槽，能支持32K数字输入，32K数字输出，32K模拟输入，32K的模拟输出，最大达5MB字节的数据存储。
有20MB字节全部可配置的用户存储器。
内置一个RS-485端口和支持一个RS-232端口，需配置外接电池（IC693ACC302）来保留数据，支持SNP、串口I/O和Modbus协议。
同时具有一个三档位置的转换开关。
有7个诊断用的LED，分别显示：
CPUOK、运行、输出运许、输入/输出强制、电池、系统故障、COM1和COM2端口激活状态。
（3）以太网通信模块（IC695ETM001）
该模块用来连接PAC系统RX3i控制器至以太网。
通过它RX3i控制器也可以与其他PAC系统和90系统、VersaMax控制器进行通信。
以太网接口模块有两个人自适应的10BaseT/100BaseTXRJ-45屏蔽双绞线以太网端口，用来连接10BaseT或者100BaseTXIEEE802.3网络中的任意一个。
同时它能够自动检测速度，双工模式（半双工或全双工）和与之连接的电缆（直行或交叉），而不需要外界的干预。
（4）开关量输入模块（IC694MDL660）
该模块是24VDC正/负逻辑输入模块，可以接成用于正逻辑或负逻辑回路。
输入特性兼容宽范围的输入设备，例如按钮、限位开关、电子接近开关。
电流输入到一个输入点会在输入状态表中产生一个逻辑1。
现场设备可由外部电源供电。
（5）开关量输出模块（IC694MDL754）
该模块输出为12/24VDC，最大输出电流为0.75A输出模块，并带有电流输出保护的ESCP，提供两组（每组16个）共32个输出点。
同时具有正逻辑特性，它向负载提供的源电流来自用户公共端或正电源总线。
输出装置连接在负电源总线和模块端子之间，负载可以连接电动机的交流接触器，指示器等。
（6）模拟量输入模块（IC695ALG600）
该模块有8个模拟量输入通道和2个冷端温度补偿（CJC）通道。
输入端分成2个相同的组，每组有4个通道。
用户能在每个通道的基础上配置电压、热电偶、电流、RTD和电阻输入。
另外它号称外能模块，其内部的8个通道每个通道在使用中都可外接电流型或电压型传感器和热电偶或热电阻传感器等。
（7）模拟量输出模块（IC695ALG704）
该摸块由4个模拟量输出通道，在GE-PAC中占8个内存地址，每个通道分配两个字地址，具有16位分辨率，每点均可单独设置为+/-10V，0~10V的电压输出通道，也可单独设置4~20mA、0~20mA的电流输出通道，输出信号可选择为16位的整型量或32位的实型量，每点可设置单位浮点数输出，并可设置高低限报警及变化速率高低限报警。
其硬件配置图如图4所示。
图4硬件配置图
3.2.2主要硬件
（1）固态继电器
固态继电器（SolidStateRelays,缩写SSR）是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路（输入电路）与负载回路（输出电路）的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。
主要由输入（控制）电路，驱动电路和输出（负载）电路三部分组成。
1、2为输入端，3、4为输出端。
R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发电路脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4。
R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰[11]。
其固态继电器内部电路图如图5所示。
图5固态继电器内部电路图
（2）温度传感器
本设计使用的温度传感器为PT100，它是一种铂热电阻，它是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。
它的阻值会随着温度的变化而变化。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
带传感器的变送器通常由两部分组成：
传感器和信号转换器。
其中传感器主要是热电阻或热电偶；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。
它的工作原理：
当PT100在0℃的时候它的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度的上升而成近似匀速的增长[12]。
（3）温度变送器
本设计使用的温度变送器为AI701，它支持多种热电偶、热电阻、电压、电流及二线制变
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