一种PID自整定温度控制器及实现[1]

2022-11-25 来源：小侦探旅游网

检测与控制装置　　　　　　　　　　　ControlandInstrumentsinChemicalIndustry

化工自动化及仪表,2000,27(1):59～61

一种PID自整定温度控制器及实现

杨　智,陈新军

(甘肃工业大学电气与信息工程系,兰州730050)

　　摘要:　根据瑞典学者K.J.Astrom提出的在继电反馈下观测被控过程的极限环振荡,自动整定PID控制器参数,并针对一类电阻炉的温度控制在IPC2610工控机上予以实现,给出了控制电路、控制策略及程序流程图。自整定实时控制结果表明,该算法容易在工业控制机上实现。

　　关键词:　继电振荡法;PID算法;自整定:IPC2610工控机;组态软件

　　中图分类号:TP214+.2　文献标识码:B　文章编号:100023932(2000)0120059203

1　引　言

度,开发环境完全采用面向对象的图形编程方式,直观易用。

本文抛砖引玉,针对炉温的控制。它是一种简单的单输入单输出控制,多输入多输出的情况类似,GENIE3.0原则上可有不受限制的输入输出,可以进行复杂的控制。2　自整定理论

2.1　继电振荡PID参数自整定

工业控制中最常用的仍是PID调节器,要获

得最佳的PID参数,目前国内外提出的整定法较多,本文针对一种Astrom提出的继电自整定方法[1],提出具体的实现步骤,并在研华IPC2610增强型工控机及其组态软件GENIE3.0上予以实现,对一电阻炉成功地进行了温度的自整定控制。

GENIE3.0软件包及IPC2610工控机是台湾研华(AdvantechCO.)公司生产的标准PC平台上的组态软件及工控机[2,3]。其特点是成本低、易掌握及功能强大。GENIE3.0运行于Windows环境下,它的实时性能好,有丰富的图形用户界面(GUI)。使用基于任务扫描的执行方式,使用灵活,其任务设计器(TaskDesigner)是个面向对象的、图标驱动的模块,它采用功能模块编程技术定义所有的I/O扫描、计算、数据登陆和控制任务,

(算法”)被放在屏幕上,使用弹出式这些功能块“

对话框进行编辑,每个“软模块”都有输入和输出,只需用鼠标画一些“连线”,即可将这些信号传给其它功能块或屏幕对象。任务设计器包含一个完备的算法库,还包括了数学、逻辑、数据登陆、报表生成和报警等功能块,而且具有检错功能,可以检查非法连接和不完备的控制策略。

同时GENIE3.0提出的图形设计器(DisplayDesigner)使用户可以很方便地设计各种显示界面,它的实时系统(Runtime)实时性能好、消耗低。GENIE3.0的特点是它的开发与运行在不同的环

根据K.J.Astrom提出的继电振荡法,本文所

用自整定系统框图如图1所示,自整定过程如图2所示。

图1　继电振荡自整定系统框图

　　在自整定模式下,利用描述函数法,经推导,

产生振荡的条件为:

ω)=-π,argG(j

ω)(1)Ku=4d/πA=1/G(j其中,d=2.5(即继电器的输出幅度);

Ku———系统的等效比例增益;

A———系统产生稳定等幅输出的幅度。

　　收稿日期:1999-09-16

境中,抢先多任务实时操作系统具有相当高的速

化工自动化及仪表　　　　　　　　　　　　　　第27卷·　　　　　　　　　　　　　　　　60·

　　实际测量时,作者在文献[4]中根据输出产生

的峰2谷2峰求出A与Tu,测量公式为:

A=(Ymax-Ymin)/2,

(2)Tu=2(Tmax-Tmin)

Ts———采样控制周期;

η———不完全微分系数,1/η常取3～20之间;

KP、Ti、Td———比例、积分、微分系数;PV(k)———第k次的输出量;e(k)———第k次的偏差。

综上所述,自整定控制算法可归纳如下:

(1)启动自整定;

(2)计算e(k)=SV-PV,当e(k)<0时,

图2　自整定过程曲线

　　如要提高精度,可多次测量取平均值。

在测得A、Tu后按著名的Z2N法[5](见表1)计算PID参数。

表1　Z2NPID参数整定表

调节器

PPIPID

输出1;当e(k)≥0时,取输出0;

(3)计算临界振荡的Ku及Tu;(4)根据Z2N表计算PID参数;

(5)退出自整定过程,转入PID控制模式。

0.5Ku0.45Ku0.6Ku

0.85Tu0.5Tu

0.125Tu

图3　测量值微分先行PID算式结构

3　控制电路

2.2　PID控制算法

控制系统硬件接线图见图4。

本文采取工程实际中常用的测量值微分先行

PID算式,以避免微分冲击,结构如图3所示,传递函数表示为:

MV(s)=KPE(s)+KP/TisE(s)-KPTds/(1+

ηTds)PV(s)

其中:

(3)

SV、PV、MV———分别为设定值、测量值和操

作控制值;

E(s)=SV-PV。

图4　硬件电路图

经数字化得:

MV(k)=MV(k-1)+ΔMVp+ΔMVI+

ΔMVD

其中:

MV(k)———第k次控制量;

ΔMVp=KP(e(k)-e(k-1));ΔMVI=KPTse(k)/Ti;ΔMVD=m(k)-m(k-1);

βm(k)=ηm(k-1)-kPβ[PV(k)-PV(k-1)]

　　本文采用研华IPC2610作为控制计算机,将

采集的数据经分析、计算,然后去控制电阻炉的加热功率,A/D与D/O转换分别采用研华公司的PCL2818L及PCL2726,PCL2789D是热电偶输入模板,它将采样得到的温度信号经放大与转换后由计算机处理。再经PID运算,占空比控制,通过PCL2726D/O板去控制固态继电器通断,线路简单,且无需为外围电路编写驱动程序,GENIE软件包自带有一套动态链接库(DLL)驱动程序。4　软件设计

GENIE的运行方式是一种基于扫描的多任务

β=Td/(Ts+ηTd);

第1期　　　　　　　　　　　　　杨　智等.一种PID自整定温度控制器及实现　　　　　　　　　　　　　　·61·

执行方式,它的模块化设计结构很容易地将一个复杂的工程分解成几部分任务,分别进行设计,而后可以用一个任务或主程序来协调和控制这些模块的运行,每个模块放在不同的任务中(TASK),它的执行方式与特性可以根据需要来加以改变,本温度系统由五个模块组成:①主任务,用以协调与控制各子任务的运行;②初始化模块;③继电振荡自整定任务;④PID运算控制模块;⑤报警任务。另外还有显示模块,可以根据用户需要设计各种仪表、棒图、历史趋势图等。

各个任务间的关系如图5所示,任务特性见表2。

表2　任务特性表功　　能

TASK1TASK2TASK3TASK4TASK5TASK6

运行

时间永远

执行运行方式周期立即

主任务,控制协调

on2off控制

PID,求控制量(MV)

命令式1s命令式5s命令式100ms一次永远

立即立即100ms

占空比控制初始化报警

　　系统软件由以下几个模块构成。

主程序(TASK1):用于整个程序的管理与部分的计算,流程图如图6所示,图中C作为计数器,其作用主要在于自整定过程中除去第一个未

图5　模块关系

稳定的振荡过程,C的初值为0。

图6　PID参数自整定框图

　　自整定任务(TASK2):根据测量值与给定值

的关系进行继电控制,并设置加热标志,前一次的测量值改变加热状态用,并与主任务配合控制,同时,为了防止干扰,采用平均值法对测量值进行滤波,这由GENIE中值滤波功能块完成,流程图如图7所示。

PID控制任务(TASK3、TASK4):由主任务完成得出的PID整定值,在TASK3中完成PID运算得出控制量,程序简单,然后将此控制量转化成占空比去控制电阻炉加热功率。在TASK4中完成占空比的转化及控制,控制周期可以人为设置,流程图略。

初始化模块(TASK5):根据程序要求,在程序运行前执行一次,完成各个变量的初始化任务。

图7　继电控制框图

　　报警指示模块(TASK6):可以用此模块根据

(下转第64页)

化工自动化及仪表　　　　　　　　　　　　　　第27卷·　　　　　　　　　　　　　　　　64·

表1　针对第Ⅰ类气体实验结果

实验气体气体浓度(ppm)模糊神经网络估计值(ppm)

200400

2004675558329222124645868069742004286287361000

20046359981210002244656488291000200433594782989

207457595811997233445593796991200413570755962

2274545908039962004255797619562484135577411000

图6　BP神经网络对甲烷、乙烯、异丁烷的分辨率

　　实验表明:

(1)利用周期性地改变气敏元件敏感层温度,获取对不同气体瞬态响应信号是混合气体种类识别的一种有效方法。

甲烷6008001000200400

乙烯6008001000200400

异丁烷6008001000

　　(2)基于模糊推理及神经网络算法,不仅可区分气体种类,而且可估算气体浓度。

TheDiscriminationofManyKindsofGasesUsingFuzzyReasoningandNeuralNetworks

WANGHua2xiang,LIRui,CHENLei

(AutomationSchoolofTianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Thispaperdiscussesanovelmethodtoclassifythekindsofgasesandestimateconcentrationofin2flammablegasesfromtransientresponsepaaterswhichasemiconductorgassensorshoesunderperiodicheatingcon2ditionsbyfuzzyinferenceandneuralnetwork.Thisexperimentalresultsshowthatahighdiscriminationrateisachieved.

Keywords:semiconductorgassensor;fouriertransform;fuzzyinference;neuralnetwork

(上接第61页)

一定的数据信息来完成报警工作。

5　实时控制结果

为了验证自整定控制方案的正确性,本文针对一实验电阻炉进行了实时控制,结果如图8所示,显然控制效果是显著的。

该温度控制计算机系统通过合理地设计各功能模块之间的切换完成了PID参数自整定与控制模式的转换,实现方法简单、控制效果良好。本文介绍的思想和技术,希望能对从事过程控制系统的软件及硬件设计人员提供一些有益的帮助。

参考文献

[1]　AstromKJ,HagglundT.AutomaticTuningofSimpleRegulators

withSpecificationonPhaseandAmplitudeMargins[J].Automati2ca,1984,(5):6452651.

[2]　台湾研华公司.GenieUser’sGuide,1995.[3]　台湾研华公司.GenieBasicScript,1995.

[4]　杨　智.自整定PID调节器设计方法[J].甘肃工业大学学

图8　实验电炉温度自整定PID实时控制结果

报,1998,24(1):77282.

[5]　ZieglerJG,NicholsNB.TheOptimumAdjustmentofRegulators,

6　结　论

Trans[J].ASME,1942,64(8):7592764.

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