基于PLC的面向加热水箱大滞后系统控制算法实现与优化

摘要

在实际工业现场过程变量控制方面，被控对象往往都具有大时滞、时变、非线性且复杂的特性。加热水箱动态水循环温度控制是一个典型的大滞后过程，由于滞后时间长，控制作用不能及时到达，常规控制方法下实际运行往往很难取得理想的控制效果。
　　随着科技的飞速发展和各种控制技术的更新，已经出现将各种新型智能控制算法融入常规控制理论中实现对温度大滞后等过程变量的实际控制。PLC可编程序控制器功能强大，抗干扰能力强，目前被广泛应用于工业现场控制，结合计算机强大的数据处理能力和监控组态设计为智能算法的实现提供了可能。
　　本论文首先研究了温度大滞后系统控制算法相关理论实现与优化。然后，建立了加热水箱大滞后过程的一个数学模型，并在MATLAB平台上对常规PID控制及其改进、SMITH预估补偿、模糊PID控制算法进行了详细的仿真研究。基于下位机PLC搭建和配置系统硬件。在算法测试和实现上，利用OPC技术和WinCC上位机服务器完成Simulink仿真控制算法在过程装置平台的在线实时测试运行。在STEP7结构化编程中，开发实现了模糊PID算法在加热水箱系统的工程应用。基于WinCC组态了加热水箱温度控制系统监控画面，在系统实际运行中，相比传统的控制，模糊PID控制在温度曲线动态和稳态性能上都取得了优异的控制效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．3 论文主要研究内容及结构安排

第二章 温度大滞后系统控制方法理论基础

2．1 常规PID控制及其改进

2．1．1 PID控制算法的基本原理

2．1．2 PID调节规律及其参数整定

2．1．3 常规PID控制算法改进

2．2 Smith预估补偿控制

2．3 模糊PID控制算法

2．3．1 模糊控制器的基本组成和结构

2．3．2 模糊化环节

2．3．3 模糊规则环节

2．3．4 模糊推理环节

2．3．5 解模糊化环节

2．3．6 输入输出量化环节

2．3．7 模糊PID控制算法原理

2．4 本章小结

第三章 加热水箱大滞后系统数学模型的建立

3．1 加热水箱大滞后平台装置介绍

3．2 加热大滞后水箱数学模型建立

3．2．1 机理分析法温度大滞后系统模型建立

3．2．2 实验法加热水箱大滞后系统数学模型建立

3．3 本章小结

第四章 基于SIMULINK的控制器设计与仿真研究

4．1 常规PID控制器及其改进的设计与仿真

4．2 Smith预估控制器设计与仿真

4．3 模糊PID控制器设计与仿真

4．3．1 模糊PID控制器的设计

4．3．2 模糊PID控制系统的SIMULIK仿真

4．4 仿真结果研究与分析

4．5 本章小结

第五章 基于PLC温度大滞后系统整体设计与实现

5．1 PLC控制系统硬件构成

5．2 编程软件Step7

5．2．1 Step7编程软件概述

5．2．2 程序结构构成

5．2．3 项目开发与系统配置

5．3 系统控制算法实现

5．3．1 OPC技术及其相关设置

5．3．2 OPC温度大滞后系统控制算法测试

5．3．3 基于PLC模糊PID控制算法实现

5．4 基于WinCC加热水箱系统监控组态设计

5．4．1 WinCC概述

5．4．2 组态项目通信建立

5．4．3 加热水箱系统运行监控画厦设计

5．5 加热水箱控制系统实际运行与调试

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录

致谢