反应釜温控系统的积分分离PID算法及仿真

计算机控制技术课程设计专业：自动化班级：动201302姓名：邓笛学号：201309352指导教师：姜香菊兰州交通大学自动化与电气工程学院2016年07月15日评语：考勤10分守纪10分过程30分设计报告30分答辩20分总成绩(100分)计算机控制技术课程设计报告1化工车间反应釜的温度控制系统设计1课程设计目的反应釜内的温度控制是化工生产过程的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到一定质量和控制要求。由于温度能较好地测量与分析，并且能够一定程度上反映出釜内反应过程，所以选用温度为间接参数是最有效的方法。针对本次设计要求，是以实现小型实用反应釜的控制系统为目标，主要目的就是要实现温度的智能控制。2设计方案及原理2.1反应釜温度控制原理反应釜主要是在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。在进行化学之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜底部通过电阻丝加热，进而提高反应釜内的温度（升温阶段），通过搅拌使物料温度均匀，当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行（恒温阶段）。2.2总体方案设计本次设计的要求是系统的测温范围为0~100℃，升温结束阶段向恒温阶段切换时的超调量不超过5℃。恒温阶段的控制精度要求绝对误差不超过±2℃。通过研究反应釜的结构和工作原理，选用温度作为控制参量，在工业生产过程中，为了保证生产正常进行，工艺要求釜底温度维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，所以直接选取釜底温度为被控参数。单回路控制系统原理框图如图1所示：图1单回路控制系统原理框图单闭环基本控制原理为:传感器将实时测量的反应釜的温度值传送到控制器的中央控制单元,采样值与温度设定值同时送入算法子程序进行运算得到输出控制量,输出控制量通过固态继电器(执行器)作用到加热电阻丝上,通过控制一个时间段内加热电阻丝的通断时间来控制加热功率。对于工业生产中的温度控制有较大的时间延迟，采用常规的PID算法控制往往不能得到理想的控制效果，通常温度给定值控制器执行器被控对象温度传感器+—计算机控制技术课程设计报告2系统伴有较大的超调以及较长的调整时间，所以本次设计采用积分分离式PID控制算法对系统进行控制，它除了具有常规PID控制的优点外,还能克服对象的容量滞后,减小动态偏差,提高系统的稳定性,并显著降低被调量的超调量和调整时间,使调节过程性能得以改善。3系统硬件设计本次设计的控制系统硬件电路主要由主控制器、温度传感器、键盘、显示电路、电源、D/A数模转换器、固态继电器及加热电阻丝等组成。其中主控制器采用STC89C52单片机最小系统；温度传感器采用DS18B20温度传感器，不需要A/D转换电路，其测温速度快，精度高；键盘采用普通3X4矩阵键盘用来输入给定参数；显示电路选用LCD1602液晶显示，进行数据的实时显示；D/A数模转换器采用8位数字量输入和2通道模拟量输出的数模转换器DAC0832。电源模块功能为把220V交流电转为5V直流电，选择AMS1117电源芯片，其具有完善的保护电路，包括过流、过压、电压反接保护，它具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，可以使电源获得相对更长的使用时间，可以为单片机及片外D/A等模块提供很稳定的工作电压；加热元件选择功率为2000W，额定电压为220V的加热电阻丝；继电器选用交流固态继电器，是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。硬件结构原理图如图2所示：图2硬件结构原理图4系统软件设计主程序工作流程同方案设计，不过多赘述，这里主要讨论控制算法子程序，控制算法采用的是积分分离的PID控制算法，基本思路是：(1)根据实际情况，设定一阈值0;(2)当偏差|e(k)|时，也就是当|e(k)|比较大时，切除积分环节，改用PD控制，这样可以避免过大的超调，又能使系统有较快的响应；LCD键盘继电器加热电阻丝STC89C52电源温度传感器D/A计算机控制技术课程设计报告3(3)当|e(k)|时，也就是当|e(k)|比较小时，加入积分环节，成为PID控制，保证系统的控制精度。根据设计要求及所选硬件，软件主程序流程图如图3所示：图3软件程序流程图控制系统工作之前都需要给出相应的给定温度和阈值。控制算法流程图如图4所示：图4控制算法流程图开始单片机初始化给定控制参数传感器测量实时温度反应完成？结束调用控制算法子程序YN实时温度显示开始参数初始化计算温度偏差PID控制偏差小于阈值？返回N控制器输出Y控制器输出PD控制D/A转换执行机构计算机控制技术课程设计报告45系统仿真及实际调试单回路控制系统仿真系统是使用MATLAB中的Simulink仿真工具来实现，由模拟PID控制器和被控对象组成，被控对象的仿真传递函数为：80s-e160S1)(1sGp本次仿真用先采用常规的PID控制，在相同PID的参数下使用积分分离的PID控制搭建仿真模型，仿真得到两种算法的优劣比较。使用积分分离的PID控制比常规的PID控制效果要好很多。常规PID采用临界比例度法对控制器进行参数整定：首先设定比例增益0.1Kp，置积分时间为无穷，微分时间为0。将增益Kp从0.1开始以0.1为增量逐渐增大，每变化一次增益观察一次响应曲线，若系统变为发散，则适量减小pK的值，直到产生等幅振荡为止，测量并记录此时的临界增益Kc和等幅振荡周期Tc，根据PID整定经验公式：KcKp6.0；TcTi5.0；TcTd25.0，TiKpKi/，TdKpKd，计算出PID的传递函数，本次设计得到的常规PID控制器的传递函数为：sssG35.310094.014.1)(。由于积分分离的PID控制器在常规的PID整定后的参数下的响应曲线并不能满足系统控制的要求，然而积分分离的PID使用常规PID控制下的参数只是作为两个系统的优劣比较，在此参数的基础上，使用凑试法再进行积分分离PID的参数整定，它的一般规律是：增大比例系数一般将加快系统的响应，有静差时有利于减小静差，过大的比例系数会有较大的超调，并产生振荡，系统稳定性变坏；增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢；增大微分时间亦有利于加快系统的响应，减小振荡，使系统稳定性增加，但系统对干扰的抑制能力减弱过大的微分系数也将使系统的稳定性变坏。参考以上的一般规律，按照先比例，后积分，再微分的整定步骤。并且得到设定的阈值和温度之间存在函数关系式为：0.8c，最后得出满足设计要求的控制器。仿真模型及仿真曲线见附录。6总结本次设计把理论知识与实际联系起来，在实践中检验了自己对知识的掌握程度,增强了自己的动手能力，提高了自身的分析和解决问题的能力，通过查阅相关的资料得知对于类似的系统还有更好的控制方法，由于知识贮备量的限制，虽然最终达到了自己的期望效果，但还是要在今后的不断学习中去改进其中的不足。最后在此衷心地感谢给予帮助的老师和同学们。计算机控制技术课程设计报告5参考文献[1]李华，候涛，范多旺等.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2016.[2]滕青芳，范多旺，董海鹰等.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2008.[3]张涛.反应釜温度控制系统的研究[D].山东：青岛大学，2009．[4]陶永华.新型PID控制及应用[M].北京:机械工业出版社,1998.[5]姜香菊.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2015.[7]薛定宇.控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言及应用[M].北京：清华大学出版社,1996.计算机控制技术课程设计报告6附录采用常规PID控制搭建的Simulink系统仿真模型如图5所示：图5常规PID控制系统仿真模型采用积分分离的PID控制搭建的Simulink系统仿真模型如图6所示：图6积分分离的PID控制系统仿真模型比例增益Kp=1.0，置积分时间最大Ti=99999，微分时间为Td=0，此时即不使用任何一种PID控制的单位阶跃响应，系统单位阶跃曲线仿真图如图7所示：图7系统单位阶跃响应计算机控制技术课程设计报告7不断增加Kp的值，当这个值等于1.9时出现等幅震荡，即Kc=1.9，由仿真曲线得到出此时的震荡周期Tc=220，从而由经验公式可以计算出相应的整定参数，得到PID的传递函数。等幅震荡时的响应曲线如图8所示：图8系统等幅震荡曲线将在常规PID控制器整定好三个参数分别输入到常规PID控制仿真模型中，仿真后得到系统在此控制器下的单位阶跃响应曲线，由曲线可知控制曲线虽然最终稳定在期望值，但是系统在过渡过程中产生了较大的超调量，调整时间也很长，这样的控制效果是达不到控制要求的。使用常规PID控制算法在单位阶跃下的响应曲线如图9所示：图9常规PID控制响应曲线将在常规PID控制器整定好三个参数分别输入到采用积分分离的PID控制仿真模型中，即与常规PID控制在同样的参数下针对本次设计中的被控对象进行控制，由仿真后得到的系统响应曲线可知在采用积分分离的PID控制的系统明显优于采用常规PID控制的系统，在采用积分分离的PID控制作用下，系统的超调量明显相比之前降低了很多，而且调整时间也减小了，在过渡过程中也没有明显的震荡，曲线趋向于平稳状态，此时输入的是单位阶跃信号，可计算机控制技术课程设计报告8以得到系统在输入控制参数的c=1,0.80.8c。使用积分分离的PID控制算法在常规PID控制整定参数下单位阶跃下的响应曲线如图10所示：图10积分分离控制在常规控制整定参数下响应曲线由于积分分离的PID控制器在常规的PID整定后的参数下的响应曲线并不能满足系统控制的要求，因为超调还是在10%左右，然而积分分离的PID是能够达到控制要求的，使用常规PID控制下的参数只是作为两个系统的优劣比较，在常规PID整定后得到的参数的基础上，再使用凑试法进行积分分离PID的参数整定，得到最终的参数为28.1Kp，0095.0Ki，33Kd，仿真后得到最终的曲线，此时的超调低于5%，而且曲线几乎没有了震荡，调整时间也进一步缩短了，完全满足系统的控制要求。积分分离的PID控制器在最终整定参数下的单位阶跃响应曲线如图11所示：图11积分分离PID控制系统单位阶跃响应曲线