像自然循环锅炉这类具有非线性大滞后等特性的过程控制系统,难以建立精确的数学模型,应用常规的PID控制算法比较难获得理想的控制结果。此外,常规PID控制器需要整定的参数多、整定方法复杂,在工业现场中,常规PID控制器会出现整定不好、性能欠佳的状况,控制器的参数一旦被确定下来,对工况的变化适应性较差。因此对于复杂的工业过程,在确定了控制方案的基础上,现场调试仍需耗费很大的精力。论文网
因此,运用先进的过程控制算法,对减轻现场的调试复杂度,提高控制器自适应能力,提高生产效率,具有重要的意义。
1.2 研究现状和趋势
1.3 课题任务
在过程控制中,控制算法是自动控制系统的灵魂,控制算法的优劣对控制系统的性能起着重要的作用;提高控制算法的质量是提高控制系统的重要手段,研究控制算法及其工程实现是提高理论联系实际的重要途径,这正是研究本课题的目的。
本论文以工业领域常用的自然循环锅炉为背景,学习先进的控制算法,如模糊算法、神经算法等,同时要求设计出相应的工程控制方案。最后,以PCS7为硬件平台,与MPCE-1000构成完整的系统,验证先进算法的合理性与实用性。文献综述
2 先进算法的学习与研究
虽然PID控制算法自20世纪30年代诞生至今,经历了近百年历史。其间,控制系统的体系结构也在发生巨大的变化,到如今发展到集散控制系统以及现场总线控制系统,但系统的核心算法依然停留在PID类算法上,PID控制器作为工业控制中的主导控制器结构,其获得成功的关键在于,大多数被控过程可由低阶动态环节近似逼近,而针对此类过程,PID控制器确实代表了一个实用而廉价的解[4]。
但对于复杂工业设备,测量参数、控制参数和扰动参数都比较多,往往一个参数的变化会对其它参数产生较大影响,传统的PID控制器因为参数整定的局限性,对于非线性、大滞后系统的控制难以令人满意。因此,我们可以考虑先进PID算法,它是将先进控制算法和普通PID控制器相结合的方法。
2.1 模糊PID算法学习研究
模糊PID控制器的结构如图2.1所示。
模糊PID控制系统结构
模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器两部分组成,模糊控制器有两个输入和三个输出,输入误差和误差变化率,采用模糊推理方法对PID三个参数进行在线整定,使被控对象有令人满意的动静态性能。
1 PID控制器参数自整定原则
通过分析,PID控制器三个参数KP,KI,KD和偏差 、偏差变化率 的关系如下:
(1)当偏差很大时,为了加快系统响应速度,应取较大的KP,为避免开始时候控制超出范围,取较小的KD。为避免响应出现超调,取KI=0;
(2)当偏差和变化率处于中等大小时,为使系统响应的超调减小,KP应取小一些。此时KD的取值对系统有影响,应取小一些,KI的取值要适当;
(3)当偏差较小时,为了使系统具有较好的稳态性能,应增大KP,KI值,同时为避免被控量在平衡值附近振荡,应适当选取KD,其原则是:当偏差变化率较小时,KD取大一些;当偏差变化率较大时,KD取较小的值,通常KD为中等大小[7]。