基于改进PID算法的CFB锅炉床温控制

基于PID控制算法的炉温恒温控制系统的设计作者：付春艳来源：《电脑知识与技术》2011年第27期摘要：针对炉温恒温控制的特点，针对温度控制系统滞后的特点，采用了PID控制器设计方案，对控制算法和控制软件进行了设计，并应用仿真技术，选择适当的参数，使系统达到了满意的控制效果。

关键词：恒温控制；单片机；PID算；MATLAB仿真中图分类号：TP2 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)27-6768-03PID Control Algorithm Based on the oven Temperature Control SystemFU Chun-yan(Geographic Information Center of Shandong Tai'an City, Tai'an 271000, China)Abstract: Characteristics for furnace temperature control, temperature control systems for the delay characteristics, using a PID controller design, control algorithms and control software design, and application of simulation technology, select the appropriate parameters of the system to achieve a satisfactory control effect.Key words: temperature control; SCM; PID count; MATLAB simulation1 系统硬件的选择以及控制电路1.1 系统的总体设计基于PID控制算法的炉温恒温控制系统主要由信息输入模块、数据采集模块、温度控制模块和显示输出等模块组成。

两种数字PID算法在电锅炉温度控制系统中的应用比较数字PID控制算法是目前工业控制领域中常用的一种控制算法。

在电锅炉温度控制系统中，数字PID控制算法也被广泛应用，以实现高精度、高稳定性、高可靠性、高效率的温度控制。

目前在数字PID算法中，主要有两种不同的实现方式：传统PID算法和自适应PID算法。

下面将对两种算法在电锅炉温度控制系统中的应用进行比较。

一、传统PID算法在电锅炉温度控制系统中的应用传统PID算法以比例、积分、微分三个控制参数为基础，通过不断调整这三个参数的大小以满足对温度的控制要求。

在电锅炉温度控制系统中，传统PID算法被广泛应用于温度的稳定控制。

通过对比例、积分、微分三个参数进行调整，可以实现对温度的快速响应、稳定控制和精准测量。

传统PID算法的优点在于对参数的调整容易理解和实现，同时算法本身运算效率也比较高，使其在实际工业应用中非常便捷。

但是，传统PID算法也存在一些缺点，其中最主要的缺点是无法自适应地调整PID参数。

换言之，当环境或者工作条件发生变化时，需要重新调整PID参数以满足控制要求。

二、自适应PID算法在电锅炉温度控制系统中的应用自适应PID算法是基于传统PID算法的基础之上进行了一定的改进。

自适应PID算法通过引入更多的控制参数，使PID 算法具有更高的鲁棒性和适应性。

在实际工业应用中，自适应PID算法也广泛应用于电锅炉温度控制系统中。

自适应PID算法在电锅炉温度控制系统中的应用主要表现在以下方面：1、环境变化自适应：自适应PID算法可以根据环境的变化自动调整PID参数，使其具有更高的适应性。

因此，当工作环境发生变化时，自适应PID算法能够自动适应变化并调整对应的控制参数。

2、抗干扰能力强：自适应PID算法可以根据环境的变化来调整PID参数，从而使得控制系统更加鲁棒。

即使受到杂波干扰等外部因素的影响，也能够保证控制系统的稳定性和准确性。

总结：传统PID算法和自适应PID算法都是电锅炉温度控制系统中常用的控制算法。

基于单片机 PID算法的电加热炉温度控制系统设计摘要：电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，时变性，纯滞后等特点，其控温过程存在非线性波动等问题。

本文采用AT89C51单片机基于PID算法设计了一种电加热温度控制系统。

仿真实验表明，本系统能够有效提高电加热炉温度控制的鲁棒性，符合新形势下对炉温调控的实际需求。

关键词：电加热炉；温度控制；单片机；PID算法1引言电加热炉在冶金、化工、机械等领域具备广泛的用途，但是它是一个多时变、存在物理耦合、本质非线性的复杂系统，传统的基于滞后反馈的控制律无法平衡炉温检测与炉温调控之间的时间同步关系，容易造成整个加热炉炉温调控系统的温度非线性波动、间歇性振荡，引起炉温调控器的参数变化。

因此提高电加热炉的温度控制水平，是当今工业控制技术的主要研究方向之一。

常规控制方法难以实现较高的控制精度和响应速度。

相比之下，经典的增量PID控制算法，无需针对控制对象建立数学模型，便可实现较发复杂系统的精确控制。

本文基于PID算法，提出设计了一套电加炉控制方法，核心控制芯片采用AT89C51系列单片机，具备数据采集、调控、显示、报警等多项功能，实现了对温控系统的设计和模拟仿真，能有效改善电加热炉温度控制系统的性能。

2总体方案设计本系统采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器PT100采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制（图1）。

图1 系统总体设计方案图2.1系统硬件选择单片机是指将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上的单片微型计算机。

单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。

它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。

单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。

基于PID的水温控制系统设计摘要本次设计采用proteus仿真软件，以AT89C51单片机做为主控单元，运用PID控制算法，仿真实现了一个恒温控制系统。

设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，不需要复杂的信号调理电路和A/D 转换电路，能直接与单片机完成数据的采集和处理，使用PID 算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，总体实现了一个恒温控制仿真系统。

系统设计中包含硬件设计和软件设计两部分，硬件设计包含显示模块、按键模块、温度采集模块、温度加热模块。

软件设计的部分，采用分层模块化设计，主要有：键盘扫描、按键处理程序、液晶显示程序、继电器控制程序、温度信号处理程序。

另外以AT89C51 单片机为控制核心，利用PID 控制算法提高了水温的控制精度，使用PID 控制算法实施自动控制系统，具有控制参数精度高、反映速度快和稳定性好的特点。

关键词：proteus仿真，PID, AT89C51, DS18B20 温度控制1 系统总体设计方案论证设计要求一种基于数字PID 和单片机的温度控制系统设计。

要求如下：1、超调量《10%2、温度可调，范围；K1=50 度K2=60 度K3=70 度K4=80 度3、人—机对话方便4、温度误差＜土C总体设计方案在仿真设计中，先通过按键设置温度，然后通过温度传感器DS18B20，从环境中采集温度，由单片机获取采集的温度值，经过处理后，可得到当前环境温度中一个比较稳定的温度值，并且通过LCD 液晶显示。

再去根据当前设定的温度值进行比较，温度未达到预定的下限温度时，单片机将通过口连接的RELAY 输出高电平控制信号来驱动RL1 ，使得加热棒工作，为系统提供热量，来升高温度。

温度上升到预定上限温度时，单片机将通过口连接的RELAY 输出低电平控制信号来驱动RL1 ，使得加热棒停止加热，让温度慢慢回落[3]。

工作原理图如图所示：在设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，使用PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制。

基于pid的温度控制PID温度控制是一种广泛应用于工业和实验室中的控制技术。

PID控制器将测量的温度值与设定点进行比较，然后根据误差值调整加热器或冷却器的输出，以维持目标温度。

PID控制器实际上包含三个控制参数：比例常数（P）、积分常数（I）和微分常数（D）。

在本文中，我们将讨论如何使用PID控制器进行温度控制。

P控制器比例常数（P）是PID控制器的第一个参数，用于控制输出和误差之间的线性关系。

当误差越大时，输出信号就会更强。

P控制器可以用很少的硬件实现，通常只需要一个放大器或比较器。

但是，在实际应用中，P控制器可能会产生过量的振荡，导致温度控制不稳定。

这是因为P控制器只考虑当前误差值。

如果瞬态误差消失，温度就会过估计，从而导致振荡。

积分常数（I）是PID控制器的第二个参数，用于消除稳态误差。

I控制器考虑过去的误差值，并根据这些值来调整输出。

这种控制器通常用于需要严密控制的应用，例如温度控制或压力控制。

由于I控制器需要存储先前的误差值，因此需要更多的硬件支持。

微分常数（D）是PID控制器的第三个参数。

D控制器考虑误差的变化率，即误差如何随时间变化。

当误差变化很快时，D控制器将增加输出信号大小。

D控制器适用于需要快速响应时间的应用程序，例如锅炉控制或温度控制。

PID控制器是以上三种控制器的组合。

当用于温度控制时，此类控制器称为PID温度控制器。

当误差很大时，P控制器将提供最大输出。

I控制器逐渐增加输出，以消除稳态误差。

最后，D控制器通过预测误差的速度变化来减少输出随时间而增加的速度。

PID控制器实际上是一种综合，可通过调整三个控制参数来实现最佳响应。

总结PID控制器是一种广泛应用于温度控制的控制技术。

它包含比例常数（P）、积分常数（I）和微分常数（D）等三个控制参数。

虽然单独使用这些控制器，可能会产生不稳定的输出，但是组合使用它们，则可以得到更稳定和更快的响应时间。

对于温度控制来说，PID控制器是一种常见但有效的控制技术，能够提供高度精确的温度控制。

摘要循环流化床（CFB）锅炉燃烧控制系统是一个分布参数、非线性、时变、大滞后、多变量紧密耦合的被控对象，燃烧控制难，自动投运率低，实际运行中主要依靠手动控制。

本文在分析CFB锅炉运行特性的基础上，针对某机组原控制系统存在问题，对子系统的常规PID控制方案进行改进，提出负荷分段控制，结合实际运行经验，采用智能算法对燃烧控制系统的床温及主蒸汽压力控制子系统进行设计、仿真、组态与调试，并采用参数自整定模糊PID多变量解耦控制的思想力求实现CFB 锅炉床温－主蒸汽压力的解耦控制。

通过对设计方案的仿真研究，结果表明：该设计方案具有良好的解耦效果，控制系统的调节品质令人满意，并具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

关键词：CFB锅炉，燃烧系统，智能算法，解耦控制，仿真研究ABSTRACTThe combustion control system of CFB boiler is an object that has many features: distributed parameters, nonlinear, time-varying, big lagging and a lot of tightly coupled variables. It is difficult to control and the automation level is low, mainly based on manual control in actual operation. The article analysis the operating characteristics of CFB boiler, in order to solve the problem of primary control system, the regulatory PID control is improved.The load piecewise control is proposed, in conjunction with actual situational experience, intelligent algorithm is used for design、simulate、configuration and debug for each subsystems of firing control system, method of parameter self-tuning fuzzy PID multivariable decouple is used for bed temperature and main vapor pressure decoupling control realization. The simulation results shows that the design program can decouple control very well, the quality of control system is good and the robustness and anti-interference quality are also good.Li Liang (Control Theory and Control Engineering)Directed by Prof. Yu Xi-ningKEY WORDS:CFB boiler, firing system, intelligent algorithm, decoupling control, simulation research目录中文摘要英文摘要第一章绪论 (1)1.1循环流化床的发展 (1)1.2课题的研究背景及意义 (2)1.3循环流化床锅炉自动控制研究的现状 (3)1.4本文的主要研究内容 (4)第二章循环流化床锅炉的原理及燃烧特性分析 (6)2.1循环流化床锅炉的结构及工作原理 (6)2.1.1循环流化床锅炉的结构 (6)2.1.2循环流化床锅炉的工作原理 (7)2.2循环流化床锅炉的燃烧特性分析 (8)2.2.1循环流化床锅炉控制系统任务 (8)2.2.2循环流化床锅炉燃烧控制特点 (8)2.2.3循环流化床锅炉运行过程中主要被调量的调节手段 (9)2.2.4循环流化床锅炉的床温运行调节 (11)2.2.4.1负荷与床温 (11)2.2.4.2煤质与床温 (11)2.2.4.3给煤量与床温 (12)2.2.4.4一次风与床温 (12)2.2.4.5二次风与床温 (13)2.2.4.6床高与床温 (13)2.2.5循环流化床锅炉的主蒸汽压力运行调节 (13)2.2.5.1负荷与主蒸汽压力 (13)2.2.5.2煤质与主蒸汽压力 (14)2.2.5.3调速系统与主蒸汽压力 (14)2.2.6自动控制系统现场投运情况及分析 (14)2.3基于负荷分段模型设计方案的提出 (15)2.4本章小结 (16)第三章CFB锅炉原燃烧控制系统的分析与改造 (17)3.1床温控制系统 (17)3.1.1原床温控制系统现场投运情况及分析 (17)3.1.2改造后床温控制系统 (17)3.1.2.1改造的总体方案 (17)3.1.2.2改造的具体方案 (18)3.1.3系统仿真试验 (18)3.1.3.1一次风门有调节裕量的情况 (18)3.1.3.2一次风门没有调节裕量的情况 (20)3.1.4控制系统工程应用组态及床温控制系统的现场调试 (20)3.1.4.1工程应用组态 (20)3.1.4.2控制系统的现场调试 (21)3.1.5结论 (22)3.2主蒸汽压力控制系统 (23)3.2.1原主蒸汽压力控制系统现场投运情况及分析 (23)3.2.2常规控制方案 (23)3.2.3仿人工智能控制方案 (23)3.2.4仿人工智能控制策略在DCS中的实现及现场调试 (25)3.2.4.1 DCS中的实现 (25)3.2.4.2现场调试 (26)3.2.5结论 (27)3.3本章小结 (27)第四章基于参数自整定模糊PID的多变量解耦控制 (28)4.1参数自整定模糊PID控制器的设计 (28)4.1.1控制器的系统结构 (28)4.1.2参数自整定原则 (28)4.1.3模糊控制规则表 (29)4.1.4 PID参数初值的确定 (30)4.2多变量解耦控制原理 (31)4.3多变量解耦控制系统的结构 (31)4.4本章小结 (32)第五章参数自整定模糊PID多变量解耦控制系统的仿真研究 (33)5.1被控对象的动态特性分析 (33)5.2系统仿真实验 (33)5.3鲁棒性实验 (35)5.4抗干扰性实验 (35)5.5分段控制 (36)5.6本章小结 (37)第六章结论及展望 (38)参考文献 (39)致谢 (42)在学期间发表的学术论文和参加科研情况 (43)第一章绪论1.1循环流化床的发展循环流化床（Circulating Fluidized Bed，简称CFB）技术是80年代国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技术，具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣综合利用以及有害气体排放量低等优点，自它问世以来在世界各主要工业国家得到了迅速的发展[1]。

改进的PID算法在加热炉温度控制中的应用黄炎;邵宇鹰;邓丽;费敏锐;蒋婧【摘要】某钢厂的加热炉及控制设备由于年久失修，在控制环节采用传统的PID 控制直接导致炉内温度不均匀、超调量大、调节时间长、生产效率低。

为了克服这些缺点，在加热炉改造项目中加入基于预测思想的控制算法，并将加热控制区由两区改造为三区，同时引入新的控制变量。

最后通过实际生产运行表明，该方法能有效地实现加热炉温度控制，在节能减排方面也有一定的效果。

%Because of disrepair, the heating furnace and control equipment in a certain steel plant which adopted traditional PID control directly leads to the poor conditions of uneven temperature in the furnace, large overshoot, long regulating time and low production efficiency. In reconstructive project of the furnace, the control algorithm based on predictive ideas is added, and the heating control zones are reformed from two into three, in addition, new control variable is introduced. The practical productive operation indicates that this method effectively realizes temperature control of the furnace, and possesses certain effects in energy saving and emission reduction.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P69-71,76)【关键词】加热炉温度控制;预测思想;加热控制区;PID控制;炼钢过程【作者】黄炎;邵宇鹰;邓丽;费敏锐;蒋婧【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072; 上海市电站自动化技术重点实验室，上海 200072;国网上海市电力公司，上海 200025;上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072; 上海市电站自动化技术重点实验室，上海200072;上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072; 上海市电站自动化技术重点实验室，上海 200072;上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072【正文语种】中文【中图分类】TF741+.99;TP2730 引言钢铁行业一直是被视为支持和促进其他行业快速发展的基础，也间接体现了一个国家的经济发展水平。

摘要温炉控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，它具有明显的滞后特性，需要快速准确的获取和控制实时温度，一般控制器很难获得满意效果。

而采用可编程控制器进行控制具有控制方便、简单和灵活性大等优点。

因此，本文就是采用PLC实现对炉温的控制。

根据炉温控制系统的特点和原理，本文对控制器进行了硬件和软件设计，分别介绍了PLC选型、输入通道模块、输出通道模块、温度显示模块、系统的资源分配以及外部接线图，采用STEP7软件对系统进行设计，编写出相应的梯形图程序，采用PID 控制方法对其进行研究，实现PID控制器参数的在线调整，通过触摸屏的设计，能够实时的反应出温度的变化曲线。

最后进一步增加了系统在硬件和软件两个方面的抗干扰能力的设计，从而使系统具有更好的稳定性。

关键字：炉温控制；可编程控制器；触摸屏；PID控制目录1 绪论 (1)1.1炉温控制系统的目的和意义 (1)1.2国内外炉温控制的发展情况 (1)1.3 PLC可编程控制器简介 (5)1.4课题研究的主要内容 (6)2 系统的总体设计方案 (8)2.1加热炉温度控制系统基本构成 (8)2.2加热炉控制系统的方案比较 (8)2.2.1 PLC控制与继电器控制的比较 (8)2.2.2 系统控制算法的确定 (9)2.3系统的总体实现 (10)3 系统的硬件配置 (11)3.1 PLC机型的选择 (11)3.1.1 S7-200 PLC主要组成部分 (11)3.1.2 S7-200 PLC的主要性能指标 (12)3.2硬件的组成 (13)3.2.1 CPU处理模块 (13)3.2.2 输入通道模块 (14)3.2.3 输出通道模块 (15)3.2.4 温度显示模块 (16)3.3系统的资源的分配及外部接线图 (17)4 系统的软件设计 (19)4.1 PID控制算法的研究 (19)4.2 K型热电偶分度电压拟合 (22)4.3炉温控制程序的设计 (23)4.3.1 主程序设计 (24)4.3.2 子程序设计 (24)4.3.3 中断程序设计 (25)4.4炉温控制PID参数的整定 (28)4.5系统调试 (29)5 触摸屏的实现 (30)5.1触摸屏的概述 (30)5.2触摸屏窗口的设计 (32)6 PLC控制系统抗干扰分析 (35)6.1 PLC控制系统可靠性分析 (35)6.2 提高PLC控制系统可靠性的措施 (35)7 结论 (38)经济分析 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录І炉温控制系统的梯形图程序 (42)1 绪论1.1炉温控制系统的目的和意义温度控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，它是一个一阶纯滞后惯性系统，具有明显的滞后特性，对于需要快速准确的获取和控制实时温度的场合（如制药、化工、石油、食品加工等）采用一般的控制方法很难获得满意的控制效果。

毕业设计（论文）开题报告
设计(论文)题目：基于PID算法的锅炉恒温控制系统学生姓名：徐京学号： 20
专业：自动化
所在学院：智能科学与控制工程
指导教师：赵国树
职称：讲师
2014年12月26日
开题报告填写要求
1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；
2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．“文献综述”应按论文的框架成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；
4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。

如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。

5.开题报告（文献综述）字体请按宋体、小四号书写，行间距倍。

毕业设计（论文）开题报告。