2022年2022年锅炉内胆水温PID控制系统设计与监控 .pdf

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1、锅炉内胆水温PID 控制系统设计与监控院 、 部：电气与信息工程学院班级：自本 0903 班完成时间：2013/5/30 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 37 页 - - - - - - - - - 摘要在工业生产的过程中， 经常存在一些如温度， 液位，流量和速度等连续变化的量。对这些变量的控制已成为当今自动化技术发展的热点。作为控制系统中的一种，水温控制系统在自动化领域有着广泛的应用。基于可编程控制器（PLC ）的水温控制大多是采用PID 控制，PID控

2、制由于结构简单， 稳定性好，可靠性高，在工业控制中得到了广泛的应用。本文的水温控制采用过程现场总线系统，过程现场总线（ PROFIBUS）以其国际化，开放式，高可靠性，高灵活性等优势，在过程自动化，制造自动化，楼宇自动化等领域内得到了广泛的应用。论文首先简单做了一些背景资料的介绍，然后重点阐述了 PLC水温定值控制系统的设计，包括硬件设计，硬件配置，下位机西门子PLC S7-300 的主要功能模块的介绍和程序的设计， 上位机的监控组态画面的设计， 以及系统的调试和参数的整定。系统中应用到了WinCC和 STEP 7两种软件， WinCC软件主要是做监控画面，对现场数据进行监控；STEP 7 软

3、件设计程序，完成对水温定值控制系统的设计。关键词： 现场总线； WinCC ；可编程控制器；水温控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 37 页 - - - - - - - - - ABSTRACT In the process of industrial production, often there are a few such as temperature,liquid level ,flow and speed of the amount of con

4、tinuous change. For control of these variables has become a hot field in todays automation technology development. As one of the control system, water temperature control system has been widely used in the field of automation. Based on Programmable Logic Controller temperature control with PID contr

5、ol, PID control because of its simple structure, good stability, high reliability, widely used in industrial control. In this paper, process of water temperature control adopts field bus systems, process field bus (PROFIBUS) in its internationalization, open, high flexibility, high reliability advan

6、tages, in process automation, manufacturing automation, building automation and other fields has been widely used.First,thesis introduce simple did some background information , and then expounds the design of the control system of PLC temperature setting value, including hardware design, hardware c

7、onfiguration, the machine of main function module of Siemens PLC S7-300 is introduced and program design, PC monitor configuration screen design, as well as the system debugging and parameter setting .These are two software are used in the system,such as the WinCC and STEP 7.WinCC software mainly do

8、 monitoring, to monitor field data; The STEP 7 software design program, complete the design of the control system of water temperature setting value.Key words:Field bus; WinCC; Programmable Logic Controller; Water temperature control名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

9、 - - - - - 第 3 页，共 37 页 - - - - - - - - - 目 录1 绪论. 1 1.1 锅炉. 1 1.2 现场总线 . 1 2 锅炉内胆水温控制系统的设计. 3 2.1 控制系统介绍 . 3 2.1.1 控制系统结构 . 3 2.1.2 硬件设计 . 4 2.2 硬件配置 . 4 2.2.1 生成新项目 . 4 2.2.2 硬件配置 . 5 2.3 程序设计 . 6 2.3.1 FB41简介 . 6 2.3.2 FC105简介 . 9 2.3.3 FC106. 10 2.3.4 控制程序 . 11 2.3.5 程序与组态的连接 . 12 2.3.6 建站. 13 2

10、.4 组态步骤 . 14 3 系统的整定及调试 . 24 3.1 PID调节器 . 24 3.1.1 PID的传递函数 . 24 3.1.2 控制规律的选择 . 24 3.1.3 PID控制器参数整定的方法. 25 3.2 调试步骤及结果 . 27 结束语 . 错误! 未定义书签。参考文献 . 32 致 谢. 33名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 1 绪论1.1 锅炉锅炉是化工、供热供暖、炼油、发电等生产中不

11、可或缺的设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、 压缩机、大型泵类的驱动动力源， 又可以作为蒸馏、化学反应、干燥等过程的热源。随着生产规模的扩大，生产设备的革新，作为动力设备和供热设备的锅炉， 正在向着更大的容量、 更高的系统参数、 更高的效率等方面去发展。 因此为了确保安全， 稳定生产， 锅炉的控制系统就显得越发的重要。电锅炉也称电加热锅炉、 电热锅炉， 顾名思义， 它是以电力为能源并将其转化成为热能， 然后经过锅炉的转换， 向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的设备。电锅炉主要由钢制的壳体、电脑控制系统、低压电气系统、电加热管、进出水管及检测仪表等组成。 电锅炉的加热方式有电磁

12、感应加热方式和电阻（电加热管） 加热方式两种。 电阻加热方式又分为不锈钢加热管和陶瓷加热管，电阻加热方式就是采用电阻式电热元件进行加热。电锅炉的优点就是在结构上易于叠加和组合，控制更加灵活，维修更换更方便。随着国家经济的快速发展， 自动化控制水平也越来越高，相对的，用户对锅炉控制系统工作的效率要求也就越来越高，为了有效的提高锅炉的工作效率，减少对环境的污染，利用计算机技术与组态软件技术对锅炉的生产过程进行自动化的控制就有着非常重要的意义。 目前，国内的许多地方锅炉的控制系统主要还是采用分布式控制系统DCS(Distributed Control System)进行控制。因为锅炉的整个系统的仪器

13、仪表的信号比较多，采用 DCS 系统进行控制的性价比较好。 但是随着 PLC控制技术的发展革新， PLC的功能已经得到了很大的强化，在仪表的控制方面也有了较大的突破， 用于回路调节和组态画面的功能也在不断的完善。并且 PLC的抗干扰能力很强，对电源的质量要求也比较低。1.2 现场总线现场总线控制技术是当今自动化控制领域技术发展的热点之一，它被誉为是自动化领域的计算机局域网， 它的出现标志着自动化控制技术又一个新的时代的来临。现场总线是用于连接控制现场的仪器仪表和控制室内的控制设备之间的数字化、串行、多站通信的网络。现场总线技术的出现使传统的控制系统结构发生了革命性的变化，使自动控制系统朝着智能

14、化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迅速的迈进，形成名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 新型的网络集成式全分布式控制系统- 现场总线控制系统FCS （Fieldbus Control System ） 。现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。所以可以很方便地与因特网（Internet） 、企业内部网（ Interanet）相连。名师资

15、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 37 页 - - - - - - - - - 3 2 锅炉内胆水温控制系统的设计2.1 控制系统介绍2.1.1 控制系统结构本系统是以锅炉的内胆作为被控对象，内胆水温作为控制系统的被控量。要求当水温稳定至预设好的给定量时， 将铂电阻 TT1测到的锅炉内胆水温温度作为反馈的信号， 在与预设好的给定量进行比较后，它们之间的差值就转化成调节器控制的三相调压模块的输出电压（即三相电阻式电加热管两端的电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。

16、在锅炉内胆的水温定值控制系统中，其参数整定的方法和其它单回路控制系统是一样的，但由于加热过程容量时延较大， 所以其控制过渡时间也较长， 系统的调节器可选择PI 或 PID控制。系统结构图如图 1 所示。图 1 系统结构框图 (a)结构图 (b)方框图因此，本系统可以采用两种方案对锅炉内胆水温来进行控制：（1） 锅炉夹套不加冷却水（静态）（2） 锅炉夹套加冷却水（动态）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快。无论采用静态方式进行控制还是采用动态方式进行控制，本系统的上位机监控界面的操作都是一样的。本设计采取第 1 种方案：锅炉夹套不加冷却水（静态） 。名师资料

17、总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 37 页 - - - - - - - - - 4 2.1.2 硬件设计（1）模拟锅炉此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。由于本文采用锅炉夹套不加冷却水，所以动态回流过程可以省略， 只是开始用气动阀门调节向水箱内注入一定量的冷却水。（2）水泵本系统采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P ，流量

18、为 32升/ 分，扬程为 8 米，功率为 180W 。泵体全部采用不锈钢材料，这样既可以防止生锈，也能延长水泵使用的寿命。它是使用三相380V恒压驱动的。（3）温度传感器本系统的温度传感器是采用Pt100 传感器，它是带 PROFIBUS-PA 通讯协议的温度变送器，可直接把温度信号转化成数字信号。Pt100 传感器的测量精度高，热补偿性能好。（4）三相移相调压装置该装置是用可控硅移相触发装置， 输入的控制信号为420mA标准的电流信号，输出的电压用来控制电阻加热管进行加热，从而达到控制锅炉水温的目的。（5）控制器控制器采用 SIEMENS 公司的 S7-300 CPU ，型号为 314 IF

19、M，本 CPU 既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有 PROFIBUS-DP 通讯功能的 DP通讯接口。该 CPU 工作存储器容量为24K字节，内部集成 RAM 为 40K字节，并自带 4 位模拟量输入，一位模拟量输出。2.2 硬件配置2.2.1 生成新项目双击桌面上的“ SIMATIC Manager”图标，则会启动 STEP 7 管理器及 STEP 7新项目创建向导如图2 所示。按照向导界面提示，点击“NEXT ” ，选择好 CUP 型号，本论文选择的CPU 型号为 CPU314 IFM，设置 CPU 的 MPI 地址为 2，点击“ NEXT ” ，在出现的界面中选择好你所熟悉的编

20、程语言（本设计选用梯形图LAD ） ，点击“ FINISH” ，项目生成完毕，启动后 STEP 7管理器界面如图 3 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 37 页 - - - - - - - - - 5 图 2 新项目创建向导图 3 管理器界面2.2.2 硬件配置（1）选中 STEP 7管理器左边窗口中的“ SIMATIC 300 Station ”项，单击鼠标的左键，则会在右边窗口中出现“Hardware”和“ CPU314 IFM(1)”两个项目，双

21、击“ Hardware” ，打开硬件配置窗口如图4 所示。图 4 硬件配置窗口（2）整个硬件配置窗口分为四个部分，左上方为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容， 右上方是硬件列表， 右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。（3）要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么位置，再在硬件列表中找到相对应的模块， 双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放到选名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 37 页 - - - - - - - - - 6 择好的

22、位置， 放好后，会自动弹出模块属性对话框，只要设置好模块的地址和其他参数即可。（4）按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。配置好的硬件配置如图5 所示。图 5 配置好的硬件配置2.3 程序设计2.3.1 FB41简介FB41模块被称为连续控制的PID， 用于控制连续变化的模拟量。 它是 S7-300给用户提供的标准的已经编制好的程序的块，用户可以直接调用它们， 以便高效地编制自己的程序，但是不能修改这些编制好的功能块。 系统功能块有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中。FB41不仅实现了设定值和过程值分支的功能，还实现了一个完整的PID

23、 控制器。 FB41 “CONT_C”用于在 SIMATIC S7可编程控制器上， 控制带有连续输入和输出变量的工艺过程。在参数分配期间可以激活或取消激活PID 控制器的子功能， 以使控制器适合实际的工艺过程。其功能模块引脚图如图6 所示。参数表如表1 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 37 页 - - - - - - - - - 7 图 6 FB41 功能模块引脚图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

24、 - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 37 页 - - - - - - - - - 8 表 1 FB41 参数表名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 37 页 - - - - - - - - - 9 2.3.2 FC105简介FC105功能是通过获取一个整型值(IN) ，并将其转换成以工程量单位表示的介于 LO_LIM和 HI_LIM 之间的实型值。然后将转化后的值送入OUT 进行输出。FC105功能可以使用

25、以下等式。OUT = (FLOAT (IN) -K1)/(K2-1) * (HI_LIM-O_LIM) + LO_LIM （1）如果输入整型值大于设定上限值，输出(OUT)将钳位于 HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于设定下限值，输出将钳位于LO_LIM ，并返回一个错误。FC105的引脚图如图 7 所示。 FC105的参数表如表 2 所示。图 7 FC105 表 2 FC105 参数说明参数数据类型描述输入EN BOOL 使能输入端，状态为1 有效IN INT 输入值HI_LIM REAL 工程单位表示的上限值LO_LIM REAL 工程单位表示的下限值BIPOLAR BOOL

26、1 为双极性， 0 为单级性输出OUT REAL 转换的结果ENO BOOL 使能输出端，状态为1 有效RET_VAL WORD 状态字名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 02.3.3 FC106 FC106模块功能为获取一个以工程量单位表示、且标定于 LO_LIM和 HI_LIM之间的实型输入值 (IN) ，然后通过模块的内部运算转化为一个整型值，其结果通过 OUT 输出。 FC106功能使用以下等式：OU

27、T = (IN-O_LIM)/(HI_LIM-O_LIM) * (K2-1) + K1 （2）如果输入值超出LO_LIM 和 HI_LIM 范围，输出 (OUT)将钳位于距其类型(BIPOLAR或 UNIPOLAR) 的指定范围的下限或上限较近的一方，并返回一个错误。FC106的引脚图如图 8 所示。参数表如表3 所示。图 8 FC106 表 3 FC106 参数说明参数数据类型描述输入EN BOOL 使能输入端，状态为1 有效IN REAL 输入值HI_LIM REAL 工程单位表示的上限值LO_LIM REAL 工程单位表示的下限值BIPOLAR BOOL 1 为双极性， 0 为单级性输出

28、ENO BOOL 使能输出端，状态为1 有效OUT INT 转换的结果名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 12.3.4 控制程序名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 22.3.5 程序与组态的连接点击窗口工具栏上的电源控制开关

29、，把CPU 设置成 STOP 模式，返回硬件配置窗口，点击编译图标，然后把CPU 置于成 RUN 的状态，如果 SF灯不亮，且亮的只有绿灯，表明程序与组态可以连接。如果SF灯亮，则表明程序连接组态出错，修改程序，直到成功。如图9 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 3图 9 连接窗口2.3.6 建站选中文件名“ S7-XX ” ，单击鼠标的右键，选择“ Insert New Object ”项，- “O

30、S ”项，就成功建立了一个新的站。如图10、11 所示。图 10 建立新站名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 4图 11 建立新站后的窗口2.4 组态步骤（1）新建工程点击菜单“文件” -“新建” ，打开如图 12所示的窗口。在打开创建新项目的窗口中，选择“单用户项目” ，单击“确定”按钮，打开如图13 所示的窗口。图 12 创建新项目向导图 13 输入项目名称填写好项目名称后，点击“创建”按钮，这样就新建好

31、一个工程了。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 5（2）添加通讯驱动程序选中变量管理器，单击鼠标的右键，选择“添加新的驱动程序”项，如图14 图 a 所示，之后会出现一个窗口，选择“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”项，单击“打开”按钮，出现如图14 图 b 所示的窗口。图 a 图 b 图 14 添加通讯驱动程序名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

32、 - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 6（3）组态变量点击图 14 图 b 右侧窗口的“ SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE ”项，会出现如图15 所示的窗口。图 15 显示通道单元在图 15 中，选中“ MPI”项，单击右键，选择“新建驱动程序连接”项，打开如图 16 所示的窗口。点击“确定”按钮。图 16 连接属性窗口在窗口的右侧，单击右键，选择“新建变量”项，打开如图17 所示的窗口。单击“选择”项，弹出如图18 所示的窗口。用同样的方法组态剩下的下变量，组态

33、好的变量如图19 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 7图 17 定义变量图 18 变量地址属性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 8图 19 定义好的变量（4）组态画面编辑在窗口的左侧，选中“图形编辑器” ，单击右键

34、，选择“新建画面”项。在窗口右侧增加了一个文件“NewPdl0.Pdl” ，双击“ NewPdl0.Pdl” ，打开如图20所示的窗口。图 20 画面编辑窗口名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 37 页 - - - - - - - - - 1 9在对象调色板的智能对象中，选中“棒图”项，制作成参数整定中温度量程的仪表，如图 21 所示。在对象调色板的智能对象中，选中“输入/ 输出域”项，作成对应的数字输入 / 输出显示，如图 22 所示。在对象调色板的标准对

35、象中，选中“静态文本”项，作为输入 / 输出域的文字解释，如图23 所示。组态好的参数整定画面如图 24 所示。图 21 棒图画面图 22 输入 / 输出域画面图 23 静态文本画面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 0图 24 组态好的参数整定画面在对象调色板的窗口对象中，选中“按钮”项，放入画面编辑窗口中，如图25 所示。选中按钮，单击右键，进行属性的编译，如图26、27 所示。图 25 按钮画面名师资料

36、总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 1图 26 按钮的属性设置图 27 编辑动作窗口名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 2点击对象调色板的窗口的 “控件”按钮，如图 28 所示，选择“Active 控件”项中的“ WinCC Onl

37、ine Trend Control ”项，在组态窗口中，拖一个长方形的区域，历史曲线显示控件被放置到窗口中，如图29 所示。双击这个控件，打开如图 30 所示的 WINCC 在线趋势控件属性窗口。图 28 控件选项窗口图 29 历史曲线窗口图 30 WINCC在线趋势控件属性窗口名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 3组态好的按钮画面如图31 所示，组态好的全部画面如图32 所示。图 31 组态好的按钮画面图

38、32 组态好的全部画面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 43 系统的整定及调试3.1 PID调节器3.1.1 PID的传递函数本次设计采用 PID 控制的算法， 它具有原理简单、 适应性强、 鲁棒性强的特点。PID调节器的微分方程如式（3）所示，传递函数如式（4）所示。dttdedtte1tetTTKUDIP（3）)SS11(SESUSTTKGDIPC（4)式中：KP-比例系数；TI-积分时间常数；TD-微

39、分时间常数；3.1.2 控制规律的选择（1）比例控制 (P 调节）比例控制器的传递函数如式（5）所示。比例动作的调节器对扰动有及时而有力的抑制作用， 这种调节器的主要缺点是系统存在静态误差，不能做无静差调节。比例值 Kp增大，稳态误差减小，但是可能导致系统震荡加剧，甚至不稳定。1SKGPC (5) 式中 Kp是比例系数，是比例带。（2）比例 - 积分(PI) 调节PI 调节器主要是利用比例调节来快速消除扰动的影响，同时利用积分调节来消除稳态误差，当偏差出现时，比例起粗调作用，积分起细调作用，直到误差为零。当 Kp不变时，减小 Ti，积分作用增强，衰减比减小，震荡加剧，超调量增大。积分作用除消除

40、系统的余差外，也降低了系统的震荡频率， 使响应速度变慢。PI 调节器是在过程控制中被应用的最多的一种。它的传递函数如式（6）所示。)S11(1)S11(STTKGIIPC (6) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 28 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 5式中 Ti 是积分的时间。（3）比例 - 微分(PD)调节PD 调节就是利用微分的超前控制作用。微分反映变化率，可以使系统的动态特性改善，但微分作用过强，可能导致系统的稳定性减弱。对于大时滞系统

41、，微分控制不能改善系统品质。 噪声大的系统也不宜加入微分， 容易导致调节阀开度饱和。它的传递函数如式（7）所示。)S1 (1)S1(STTKGDDPC (7) 式中 Td 是微分的时间。（4）比例 - 积分- 微分(PID) 调节器PID 调节器是常规调节器中性能最好的一种。它集各种调节器的优点于一身，既能迅速消除外部干扰的影响，消除静差，又能加快系统的动作速度，减小超调，克服震荡。三者结合，可以达到快速敏捷，平稳准确。它的传递函数如式（8）所示。)SS11(1)SS11 (STTTTKGDIDIPC (8) 3.1.3 PID控制器参数整定的方法参数整定的方法一般分为两种： 一种是理论整定法

42、， 它是利用对数频率特性法和根轨迹法来求得相应的参数；另一种是工程整定法， 它的特点是不需要事先知道过程的数学模型， 可以直接在过程控制系统中进行现场整定，方法简单， 计算简便，易于掌握。工程整定法包含有以下四种：（1）现场凑试法（也称经验法）它是根据经验先将控制器的参数设置在某些数值上，直接在闭环控制系统中通过改变给定值和施加扰动信号， 观察系统的输出响应曲线和扰动响应曲线的形状，根据， Ti ，Td 对控制系统的影响规律，现场凑试调整相应的参数，直到获得满意的动、静特性为止。（2）临界比例度法在闭合的控制系统里， 将调节器置于纯比例作用下， 由大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过

43、渡过程，如图33 所示。此时的比例度被称为临界比例度 k，相邻两个波峰间的时间间隔，被称为临界振荡周期Ts，按表 4 所列的经验算式，求取调节器的参考参数值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 29 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 6图 33 具有周期 TS的等幅振荡表 4 临界比例度法整定调节器参数调节器参数调节器名称TI(S) TD(S) P 2kPI 2.2 kTS/1.2 PID 1.6 k0.5TS0.125TS此法的优点是应用简单方便

44、， 但有些事项仍要注意。 有的控制系统， 临界比例度非常小， 使系统接近两式控制， 调节阀不是全开就是全关， 对控制工业的生产十分的不利。也有的控制系统，就算把调节器的比例度调到最小的刻度值，系统也仍不会产生等幅的振荡， 对此，就可以把最小刻度所对应的比例度看作是临界比例度 k 来进行调节器的参数的整定。（3）衰减曲线法（阻尼振荡法）图 34 4 ：1 衰减曲线法图形在闭环控制系统中，首先把调节器参数设置为纯比例作用（Ti=，Td=0）使系统开始运行，然后再把比例度由大逐渐减小，直至出现如图34 所示的 4：1 衰减过程曲线为止。此时的比例度称为4：1 衰减比例度 s，两个相邻波峰间的时间间隔

45、， 称为 4：1 衰减周期 Ts。根据 s 和 Ts，运用表 5 所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 30 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 7表 5 衰减曲线法计算公式调节器参数调节器名称（% ）TI(min) TD(min) P SPI 1.2 S0.5TSPID 0.8 S0.3TS0.1 TS（4）动态特性参数法这种整定的方法， 就是以对象特性的阶跃响应曲线为依据，利用一些已知的经验公式去求取

46、调节器的被控过程的增益K、时间常数 T、时滞。常见的方法有齐格勒 -尼科尔斯（ Ziegler-Nichols) 法，柯恩- 库恩（Cohen-Coon)法等。利用表 6 所示的经验公式， 就可计算出对应于衰减率为4：1 时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节， 或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（ 4：1 衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表 6 经验计算公式调节器参数调节器名称（% ）TITDP TK100% PI 1.1TK100% 3.3 PID 0.85TK100% 20.5 3.2 调试步骤及结果本系统选择锅炉内胆水温作为被控制量，仿

47、真之前先将储水箱贮满水， 将阀门 F1-1、F1-5、F1-13 全开，手动调节阀门F1-4 至适当开度，打开电磁阀开关，其余阀门关闭， 启动 380 伏交流磁力泵， 给锅炉内胆贮存一定的水量 （要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置） 。接通控制系统电源，打开用作上位监控的PC机，进入仿真主界面，系统进入正常的测试状态， 在上位机监控界面中点击“手动” ，并将输出值设置为一个合适的值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 31 页，共 37 页 - - - - - - -

48、- - 2 8合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/ 减少输出量，使锅炉内胆的水温稳定于设定值。待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温稳定后，突增（或突减） 设定值的大小， 使其有一个正 （或负）阶跃增量的变化 （即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的515% 为宜） ，锅炉内胆的水温便离开原平衡状态， 经过一段调节时间后， 水温稳定至新的设定值。 点击仿真界面下边的切换按钮，观察实时曲线、历史曲线、数据报表所记录的设定值、输出值，内胆水温的响应过程曲线将如下图所示。图 35 内胆水温的响应过程曲线（1）控制系统采用 P调节器时，实验结果如图36

49、所示。图 36 采用 P调节器时锅炉内胆静态水温效果图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 32 页，共 37 页 - - - - - - - - - 2 9（2）控制系统采用 PI 调节器时，实验结果如图37 所示。图 37 采用 PI 调节器时锅炉内胆静态水温效果图（3）控制系统采用 PD 调节器时，实验结果如图38 所示。图 38 采用 PD调节器时锅炉内胆静态水温效果图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

50、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 33 页，共 37 页 - - - - - - - - - 3 0（4）控制系统采用 PID 调节器时，实验结果如图39 所示。图 39 采用 PID 调节器时锅炉内胆静态水温效果图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 34 页，共 37 页 - - - - - - - - - 3 1结束语此次的毕业设计，主要认识了STEP 7软件的基本编程和WINCC 组态画面的设计, 了解了锅炉内胆水温控制系统的基本原理，并