1、<p><b>　　（楷體1號(hào)居</b></p><p><b>　　中）</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　?。w初號(hào)加粗居中）</p><p>　　題 目：電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 </p&g

2、t;<p>　　學(xué) 院： 自動(dòng)化學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名： 班級(jí)/學(xué)號(hào) 自控</p><p>　　指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師： </p>

3、;<p>　　起止時(shí)間：2013 年 2 月25日 至 2013年 6 月21日 </p><p>　　（以上宋體四號(hào)居中）</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　?。ㄋ误w、三號(hào)、加粗、居中）</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不少控制對(duì)象普遍存在純滯后的現(xiàn)象，如

4、化工、加熱過(guò)程等。這種滯后的存在，對(duì)系統(tǒng)的控制是極為不利的，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。在電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)中，關(guān)鍵要解決其滯后的問(wèn)題?；贛CGS組態(tài)軟件，測(cè)出適用于由計(jì)算機(jī)、鍋爐、水泵、溫度變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成的鍋爐盤管出口溫度滯后系統(tǒng)的模型。在控制要求不太苛刻的情況下，本文分別采用單回路PID控制、串級(jí)PID控制以及串級(jí)結(jié)合Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)姆椒?，進(jìn)行研究與仿真，針對(duì)該系統(tǒng)選用可行的控制方案。在MATLA

5、B和之間通過(guò)OPC協(xié)議對(duì)過(guò)程變量、控制變量和設(shè)定值實(shí)時(shí)更新，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行控制研究。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的仿真控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該三種方案是可行的，較好地實(shí)現(xiàn)了溫度的控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：大滯后系統(tǒng)； PID控制 ；串級(jí)控制；Smith預(yù)估</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　(Times New Ro

6、man、16磅、加粗、居中)</p><p>　?。═imes New Roman 、12磅）</p><p>　　The pure lag widely exists in some modern industrial process, such as chemical industry and heating processes. This lag is not conducive t

7、o the control of system , sometimes it even could cause serious damages to system stability. In the cascade control system of electrically heated boiler and coil outlet temperature，it is crucial to cope with its lag. Bas

8、ed on MCGS , the model of boiler coil outlet temperature hysteresis system which consists of computer, boilers, pumps, temperature transmitter</p><p>　　Keywords: Large time-delay system；PID control；Cascade c

9、ontrol；Smith controller</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　（宋體、三號(hào)、加粗、居中）</p><p>　　摘要 （中文） …………………………………………………………………………I</p><p>　?。ㄓ⑽模?…………………………………………………………

10、………………II</p><p>　　第一章 概述 ………………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.1 課題意義與研究背景 ………………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 本文研究的主要內(nèi)容 ………………………………………………………… 2</p><p>

11、　　第二章 監(jiān)控組態(tài)工程設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹 ………………………………………………………………… 4</p><p>　　2.2 制作工程畫(huà)面 ………………………………………………………………… 5</p><p>　　2.3 構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) ………………………………

12、………………………………7</p><p>　　2.4 設(shè)備窗口 ……………………………………………………………………… 8</p><p>　　2.5 運(yùn)行策略 ……………………………………………………………………… 8</p><p>　　第三章 鍋爐盤管出口溫度的建模 ………………………………………………… 10</p><

13、;p>　　3.1 建模的概念 ……………………………………………………………………10</p><p>　　3.2 建模步驟 …………………………………………………………………… 10</p><p>　　3.3 建模方法 …………………………………………………………………… 10</p><p>　　3.4 階躍響應(yīng)曲線法建

14、模 …………………………………………………………11</p><p>　　3.5 獲取模型方法 ……………………………………………………………… 11</p><p>　　3.6 測(cè)試步驟 …………………………………………………………………… 11</p><p>　　3.7 模型參數(shù)的確定 ……………………………………………………………

15、… 16</p><p>　　3.8 模型校驗(yàn) ………………………………………………………………… 17</p><p>　　第四章 盤管出口溫度的串級(jí)控制的仿真分析 ………………………… 19</p><p>　　4.1 盤管出口溫度單回路 PID 控制 ………………………………………… 19</p><p>　

16、　4.2 盤管出口溫度串級(jí) PID 控制 ………………………………………… 20</p><p>　　4.3 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)結(jié)合Smith預(yù)估控制器的控制方案 ……………………… 22</p><p>　　第五章 基于OPC技術(shù)的盤管出口溫度的實(shí)時(shí)控制 ………………………… 25</p><p>　　5.1 OPC 技術(shù) ………………

17、………………………………………………… 25</p><p>　　5.2 Matlab作為客戶端訪問(wèn)OPC服務(wù)器的通信流程 ………………………… 26</p><p>　　5.3 基于OPC 實(shí)現(xiàn)MATLAB 與MCGS 的實(shí)時(shí)通訊 ……………………………… 29</p><p>　　結(jié)束語(yǔ) …………………………………………………………………………

18、…………30</p><p>　　致謝 ……………………………………………………………………………………31</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………… 32</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　1.1 課題意義與研究背景</

19、p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不少控制對(duì)象普遍存在純滯后的現(xiàn)象，如化工、加熱過(guò)程等。所謂具有純滯后的過(guò)程，指的是：對(duì)象的純滯后時(shí)間τ與對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)Tm之比τ/Tm≥0.5的過(guò)程[1]。這種滯后時(shí)間的存在，對(duì)系統(tǒng)的控制是極為不利的，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　長(zhǎng)期以來(lái)，溫度控制系統(tǒng)就一直是工業(yè)過(guò)程中難度較大的控制系統(tǒng)之一。它具有時(shí)變、大擾動(dòng)、純滯后、難以建立精

20、確的數(shù)學(xué)模型等特性。針對(duì)它的控制算法，工程上常見(jiàn)有傳統(tǒng)PID算法、串級(jí)控制法、大林算法、Smith預(yù)估控制法和智能控制法等多種方法[2]。</p><p>　　PID控制即比例、積分、微分控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，常用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。對(duì)于具有大滯后的過(guò)程控制問(wèn)題，用常規(guī)的PID控制器來(lái)控制對(duì)象，超調(diào)及振蕩都比較強(qiáng)，帶來(lái)較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間，很難獲得良好的控制性能。</p&g

21、t;<p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)相比，它能改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。能提高了系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用比較廣泛，有如下幾種情況：</p><p>　　1. 用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后 </p><p>　　在過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控過(guò)程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)

22、時(shí)，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響，加快響應(yīng)速度?！?</p><p>　　2. 用于克服被控過(guò)程的純滯后 　被控過(guò)程中存在純滯后會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)

23、成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副回路中，提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 　 3. 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) 　串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動(dòng)包含在副回路中，即可以大大削弱其對(duì)主被控量的影響。 　 4. 用于克服被控過(guò)程的非線性 　在過(guò)程控制中，一般的被控過(guò)程都存在著一定的非線

24、性。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。　大林控制算法是由美國(guó)IBM公司的大林（Dahlin）提出的一種針對(duì)工業(yè)控制過(guò)程中純滯后特點(diǎn)且不同于常規(guī)PID控制的新型算法，是運(yùn)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域中的一種算法，也是一種先設(shè)計(jì)好閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)再反過(guò)來(lái)綜合調(diào)節(jié)</p&

25、gt;<p>　　在控制領(lǐng)域中的經(jīng)典方法是Smith O J 在1959年提出的預(yù)估補(bǔ)償算法[4]。Smith預(yù)估補(bǔ)償是在系統(tǒng)的反饋回路中引入補(bǔ)償裝置，將控制通道傳遞函數(shù)中的純滯后部分與其他部分分離。其特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在給定信號(hào)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被延遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而減少超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過(guò)程。如果預(yù)估模型準(zhǔn)確，該方法能后獲得較好的控制效果，從而消除純滯后對(duì)系統(tǒng)的

26、不利影響，使系統(tǒng)品質(zhì)與被控過(guò)程無(wú)純滯后時(shí)相同。 Smith預(yù)估控制方法可以有效地對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償。但Smith預(yù)估控制依賴于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,模型誤差會(huì)大大影響控制效果。改進(jìn)的Smith預(yù)估控制方法無(wú)法從根本上改變對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴[5]。如果存在負(fù)荷擾動(dòng)或者被控對(duì)象模型不精確時(shí)，采用上面這種史密斯預(yù)估控制方法，控制精度不能夠令人滿意。史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制雖然在原理上早已成功，但其控制規(guī)律在模擬儀表上不易實(shí)現(xiàn)，阻礙了其在工業(yè)上的應(yīng)用，現(xiàn)

27、在可以用計(jì)算機(jī)作為控制器，通過(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制規(guī)律。在大滯后系統(tǒng)的控制中,人們常常將串級(jí)與Smith預(yù)估控制方法相結(jié)合，這樣便可極大程度</p><p>　　本文將串級(jí)控制與Smith預(yù)估結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)比，取得比單一PID控制更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，更小的超調(diào)，比串級(jí)控制獲得更高的穩(wěn)態(tài)精度。本文將MCGS與MATLAB相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)溫度滯后系統(tǒng)的控制，盡可能改善純滯后對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能造成的不利影響。&l

28、t;/p><p>　　1.2 本文研究的主要內(nèi)容 </p><p>　　本文以過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)為背景。首先，在過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室中采用數(shù)據(jù)采集卡和智能儀表，開(kāi)環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)鍋爐盤管出口溫度滯后系統(tǒng)的模型的工作。運(yùn)用組態(tài)軟件MCGS收集到了盤管、鍋爐內(nèi)膽共兩組實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。在確定適合的采樣時(shí)間后，兩組數(shù)據(jù)再依次經(jīng)過(guò)Matlab處理并仿真，分別得到了盤管和鍋爐內(nèi)膽的仿真模型。本文依次設(shè)計(jì)單

29、回路PID、串級(jí)PID、串級(jí)-Smith預(yù)估三種控制方案分別對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，在過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室THPCAT-2試驗(yàn)裝置上，利用MCGS實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和友好的界面設(shè)計(jì)，并利用OPC技術(shù)，建立MCGS 與Matlab的無(wú)縫連接，由Matlab送控制量給組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程變量的采集和控制。</p><p>　　本文的結(jié)構(gòu)安排如下：</p><p><b>　　第一章：概述

30、</b></p><p>　　對(duì)目前工業(yè)控制的發(fā)展概況進(jìn)行了敘述，隨后指出了本文研究工作的背景、意義以及將解決的問(wèn)題。</p><p>　　第二章 監(jiān)控組態(tài)工程設(shè)計(jì)</p><p>　　本章對(duì)本組態(tài)軟件、系統(tǒng)硬件做了一個(gè)簡(jiǎn)要概述，并介紹了組態(tài)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。</p><p>　　第三章 鍋爐盤管出口溫度的建模</p&g

31、t;<p>　　本章提供了系統(tǒng)的建模原理、方法、步驟，確定模型的參數(shù)并進(jìn)行模型校驗(yàn)、展示結(jié)果等。</p><p>　　第四章 盤管出口溫度的串級(jí)控制的仿真分析</p><p>　　本章介紹了三種不同的控制算法并根據(jù)運(yùn)行效果改進(jìn)。系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，算法的控制效果良好。</p><p>　　第五章：基于OPC技術(shù)的盤管出口溫度的實(shí)時(shí)

32、控制</p><p>　　在以上幾章的內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合OPC技術(shù)、Matlab等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)盤管出口溫度的實(shí)時(shí)控制。</p><p><b>　　監(jiān)控組態(tài)工程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　Monitor and Control Generated System(簡(jiǎn)稱MCGS)，是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的

33、組態(tài)軟件系統(tǒng)。它作為數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制中的專用軟件，伴隨著集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為人熟知，處于自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控層，支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議。它能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警和安全機(jī)制、趨勢(shì)曲線、報(bào)表輸出等功能。利用其可視化的畫(huà)面制作技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)各種滿足要求的仿真界面，能夠快捷地開(kāi)發(fā)組建高效的控制系統(tǒng)。用戶無(wú)須具備計(jì)算機(jī)編程的知識(shí)，就可以在短時(shí)間內(nèi)使用靈活的組態(tài)方式輕而易舉地完成一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定，功

34、能全面，維護(hù)量小并且具備專業(yè)水準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，其重要性可見(jiàn)一斑。MCGS系統(tǒng)可以與廣泛的數(shù)據(jù)源交換數(shù)據(jù)；它提供多種高性能的i／0驅(qū)動(dòng)；它全面支持0PC標(biāo)準(zhǔn)，可以和更多的自動(dòng)化設(shè)備連接。由于MCGS具有的操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，目前它已經(jīng)在石油、化工、電力、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天等多種工程領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用。</p><p>

35、　　本文采用的是北京昆侖通態(tài)公司的MCGS組態(tài)軟件，經(jīng)過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。需要進(jìn)行以下設(shè)計(jì)的內(nèi)容：</p><p>　　1、主控窗口: MCGS的主控窗口是組態(tài)工程的主窗口，是所有設(shè)備窗口和用戶窗口的父窗口，可以設(shè)置一個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶窗口，負(fù)責(zé)這些窗口的管理和調(diào)度，并調(diào)度用戶策略的運(yùn)行。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設(shè)計(jì)封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新周期，指

36、定數(shù)據(jù)庫(kù)存盤文件名稱及存盤時(shí)間等。</p><p>　　2、設(shè)備窗口: 設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，是連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備，注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，定義連接與驅(qū)動(dòng)設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　3、用戶窗口: 本窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面，是

37、由用戶來(lái)定義的，可以是一個(gè)或多個(gè)用戶窗口組合而成的，它的顯示和關(guān)閉由各種策略構(gòu)件和菜單命令來(lái)控制。用戶窗口相當(dāng)于一個(gè)“容器”，用來(lái)放置圖元、圖符和動(dòng)畫(huà)構(gòu)件等各種圖形對(duì)象，通過(guò)對(duì)圖形對(duì)象的組態(tài)設(shè)置，建立與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，來(lái)完成圖形、界面的設(shè)計(jì)工作。</p><p>　　4、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù): 是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將MCGS工程的各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，變?yōu)閿?shù)據(jù)采集

38、、處理、輸出控制、動(dòng)畫(huà)連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。</p><p>　　5、運(yùn)行策略: 本窗口主要完成工程運(yùn)行流程的控制。如編寫(xiě)控制程序（腳本程序），選用各種功能構(gòu)件等。</p><p>　　(二)、MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的幾大過(guò)程:</p><p>　　1、工程立項(xiàng)搭建框架: MCGS 稱為建立新工程。主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫(kù)

39、文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新的周期。經(jīng)過(guò)此步操作，即在MCGS 組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。封面窗口和啟動(dòng)窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。</p><p>　　2、設(shè)計(jì)菜單基本體系: 為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)

40、對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。</p><p>　　3、制作動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面：動(dòng)畫(huà)制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過(guò)程。前一部分類似于畫(huà)畫(huà)，用戶通過(guò)MCGS 組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫(huà)構(gòu)件庫(kù)，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫(huà)面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫(huà)屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫(huà)圖形的驅(qū)動(dòng)源</p><p>　　4、編寫(xiě)控制流程程序

41、：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。</p><p>　　5、完善菜單按鈕功能：包括對(duì)菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。</p><p>　　6、編寫(xiě)程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫(huà)顯示和控制流程是否正確。<

42、;/p><p>　　7、連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。</p><p>　　8、工程完工綜合測(cè)試：最后測(cè)試工程各部分的工作情況，完成整個(gè)工程的組態(tài)工作，實(shí)施工程交接。</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹</b></p>

43、<p>　　過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室THPCAT-2試驗(yàn)裝置鍋爐溫度控制系統(tǒng)由鍋爐、水泵、溫度變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、盤管等構(gòu)成。</p><p>　　采用智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。盤管位于加熱裝置的出水口與出口溫度測(cè)量點(diǎn)之間，水流流經(jīng)該處會(huì)有時(shí)延，用它來(lái)模擬大滯后系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.1 常規(guī)儀表側(cè)控制對(duì)象總貌圖</p><p><

44、;b>　　2.2制作工程畫(huà)面</b></p><p>　　2.2.1 工程建立</p><p>　　進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境。 在菜單文件中選擇新建工程菜單項(xiàng)，生成新建工程，名稱為“盤管水溫滯后”。 工程需存放在MCGS子目錄WORK的目錄下，否則工程無(wú)法運(yùn)行。</p><p>　　2.2.2 建立窗口</p><p>　　在“

45、用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”，并修改其窗口名稱為“水溫控制”。如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 水溫控制窗口</p><p><b>　　2.2.3編輯畫(huà)面</b></p><p>　　選中“水溫控制”窗口圖標(biāo)，單擊“動(dòng)畫(huà)組態(tài)”，進(jìn)入動(dòng)畫(huà)組態(tài)窗口，開(kāi)始編輯畫(huà)面。</p><p>　?。?

46、）添加對(duì)象元件，如下圖所示：</p><p>　　圖2.3對(duì)象元件庫(kù)管理圖</p><p>　?。?）添加按鈕構(gòu)建，如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3標(biāo)準(zhǔn)按鈕構(gòu)建屬性設(shè)置圖</p><p>　?。?）添加實(shí)時(shí)曲線構(gòu)建，并設(shè)置其屬性，如下圖所示：</p><p>　　圖2.4實(shí)時(shí)曲線構(gòu)建屬性設(shè)置圖</p

47、><p><b>　?。?）整體畫(huà)面</b></p><p>　　最后生成的畫(huà)面如圖所示：</p><p>　　圖2.5 工程效果圖</p><p>　　然后，一定要檢查組態(tài)設(shè)備是否正確。若組態(tài)設(shè)備顯示為有誤，則應(yīng)仔細(xì)檢查直至確認(rèn)無(wú)誤后，則進(jìn)入下一設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。</p><p>　　2.3構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)&

48、lt;/p><p>　　在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，至少添加三個(gè)點(diǎn)，屬性為數(shù)值型，分別是盤管出口溫度、鍋爐內(nèi)膽溫度和控制電加熱絲功率的控制量。</p><p><b>　　圖2.6實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)</b></p><p><b>　　2.4設(shè)備連接</b></p><p>　　在工作臺(tái)“設(shè)備窗口”中雙擊“設(shè)備窗口”圖標(biāo)進(jìn)

49、入。打開(kāi)設(shè)備工具箱，將OPC設(shè)備添加到設(shè)備組態(tài)窗口中，如圖</p><p><b>　　圖2.7 添加設(shè)備</b></p><p>　　添加完設(shè)備以后還要進(jìn)行設(shè)備屬性的修改，使得能夠與計(jì)算機(jī)有很好的進(jìn)行通訊。如圖2.8、2.9為添加通道連接時(shí)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象，使得計(jì)算機(jī)與設(shè)備能夠有一個(gè)較好的連接接口。</p><p>　　圖2.8 設(shè)備屬性設(shè)置1

50、</p><p>　　圖2.9設(shè)備屬性設(shè)置2</p><p><b>　　2.5運(yùn)行策略 </b></p><p>　　經(jīng)各個(gè)部分組態(tài)配置生成的組態(tài)工程，只是一個(gè)順序執(zhí)行的監(jiān)控系統(tǒng)，不能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行流程進(jìn)行自由控制，這只能適應(yīng)簡(jiǎn)單工程項(xiàng)目的需要。對(duì)于復(fù)雜的工程，監(jiān)控系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成多分支、多層循環(huán)嵌套式結(jié)構(gòu)，按照預(yù)定的條件，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行流程及設(shè)備

51、的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有針對(duì)性選擇和精確的控制。為此，MCGS引入運(yùn)行策略的概念，用以解決上述問(wèn)題。</p><p>　　所謂“運(yùn)行策略”，是用戶為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程自由控制所組態(tài)生成的一系列功能塊的總稱。MCGS為用戶提供了進(jìn)行策略組態(tài)的專用窗口和工具箱。</p><p>　　運(yùn)行策略本身是系統(tǒng)提供的一個(gè)框架，其里面放置有策略條件構(gòu)件和策略構(gòu)件組成的“策略行”，通過(guò)對(duì)運(yùn)行策略的定義，使系統(tǒng)能夠按

52、照設(shè)定的順序和條件操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，控制用戶窗口的打開(kāi)、關(guān)閉并確定設(shè)備構(gòu)建的工作狀態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備工作過(guò)程的精確控制。</p><p>　　一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)有三個(gè)固定的運(yùn)行策略：?jiǎn)?dòng)策略、循環(huán)策略和退出策略。啟動(dòng)策略在應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)調(diào)用，退出策略在應(yīng)用系統(tǒng)退出時(shí)調(diào)用，循環(huán)策略由系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中定時(shí)循環(huán)調(diào)用，用戶策略供系統(tǒng)中的其他部件調(diào)用。如圖3.8所示。</p><p><b&

53、gt;　　圖2.10運(yùn)行策略</b></p><p>　　進(jìn)行以上各個(gè)環(huán)節(jié)后，盤管出口水溫滯后的工程已經(jīng)基本完成。運(yùn)行后，在界面中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)二十一、盤管出口水溫滯后控制實(shí)驗(yàn)”，如圖2.9所示。盤管出口水溫滯后工程是測(cè)量系統(tǒng)模型的準(zhǔn)備與前提，是進(jìn)行測(cè)模型的一個(gè)必要的軟件環(huán)境。</p><p>　　圖2.11 進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境</p><p>　　鍋爐盤管出口溫

54、度建模</p><p>　　對(duì)于本文中的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室鍋爐盤管出口溫度滯后系統(tǒng)，需要建立其模型。</p><p>　　建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過(guò)程都屬于建模。因描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的手段和方法也是多種多樣的。</p><p><b>　　3.1建模的概念</b></p>

55、<p>　　建模，就是建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。它是一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)模型化的過(guò)程。對(duì)于同一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，人們可以根據(jù)不同的用途和目的建立不同的模型。</p><p>　　建模需要三類主要的信息源：</p><p>　　1、要確定明確的輸入量與輸出量</p><p>　　通常選一個(gè)可控性良好，對(duì)輸出量影響最大的一個(gè)輸入信號(hào)作為輸入量，其余的輸入信號(hào)則為干擾量。<

56、;/p><p><b>　　2、要有先驗(yàn)知識(shí)</b></p><p>　　在建模中，被控對(duì)象內(nèi)部所進(jìn)行的物理、化學(xué)過(guò)程符合已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的許多定理、原理及模型。在建模中必須掌握建模對(duì)象所要用到的先驗(yàn)知識(shí)。</p><p><b>　　3、試驗(yàn)數(shù)據(jù) </b></p><p>　　過(guò)程的信息也能通過(guò)對(duì)對(duì)象的試驗(yàn)與

57、測(cè)量而獲得。合適的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是驗(yàn)證模型和建模的重要依據(jù)。</p><p><b>　　3.2建模步驟</b></p><p>　　1) 明確建模目的和驗(yàn)前知識(shí)：目的不同，對(duì)模型的精度和形式要求不同；事先對(duì)系統(tǒng)的了解程度。</p><p><b>　　2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　變量的

58、選擇，輸入信號(hào)的形式、大小，正常運(yùn)行信號(hào)還是附加試驗(yàn)信號(hào)，數(shù)據(jù)采樣速率，辨識(shí)允許的時(shí)間及確定量測(cè)儀器等。</p><p>　　3) 確定模型結(jié)構(gòu)：選擇一種適當(dāng)?shù)哪Ｐ徒Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　4) 參數(shù)估計(jì)：在模型結(jié)構(gòu)已知的情況下，用實(shí)驗(yàn)方法確定對(duì)系統(tǒng)特性用影響的參數(shù)數(shù)值。</p><p>　　5) 模型校驗(yàn)：驗(yàn)證模型的有效性</p><p>

59、;<b>　　3.3 建模方法</b></p><p>　　過(guò)程系統(tǒng)建模方法有機(jī)理法和測(cè)試法等。機(jī)理分析法建模又稱為數(shù)學(xué)分析法建?；蚶碚摻?，是根據(jù)過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理（運(yùn)動(dòng)規(guī)律），運(yùn)用一些已知的定律、原理建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。測(cè)試法，是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后得到的模型。</p><p>　　本文采用的是測(cè)試法中的階躍響應(yīng)曲線法來(lái)建模。階躍響應(yīng)曲線能

60、形象、直觀地描述被控過(guò)程得動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　3.4階躍響應(yīng)曲線法建模</p><p>　　在被控系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)穩(wěn)定時(shí)，使輸入量（調(diào)節(jié)閥）作階躍式變化，記錄被控過(guò)程輸出的變化曲線，直至進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。求出被控過(guò)程輸入量與輸出量之間的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系——傳遞函數(shù)。</p><p>　　該法建模時(shí)的注意事項(xiàng)：</p><p>　　①合理選擇階

61、躍擾動(dòng)信號(hào)的幅度，一般在正常輸入信號(hào)的5%～15%。過(guò)小，激勵(lì)弱，可能響應(yīng)信號(hào)被其他干擾所淹沒(méi)，是測(cè)試結(jié)果不可靠。過(guò)大，使正常生產(chǎn)受到干擾甚至危及安全。</p><p>　?、谠囼?yàn)開(kāi)始前確保被控對(duì)象處于某一選定的穩(wěn)定工況，并且在其期間避免其他偶然性的擾動(dòng)。</p><p>　?、圩屑?xì)記錄起始部分，因?yàn)閷?duì)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的影響很大。</p><p>　?、芏啻螠y(cè)試。非線性

62、因素：在不同負(fù)荷、不同設(shè)定值條件下測(cè)試；同一負(fù)荷、同一設(shè)定值下正、反擾動(dòng)，全面掌握特性。同樣條件下多次測(cè)試減少干擾因素的影響。</p><p>　　3.5獲取模型的方法</p><p><b>　　圖3.1開(kāi)環(huán)測(cè)模型</b></p><p>　　方法一：設(shè)由鍋爐內(nèi)膽到盤管出水口的管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)米，熱水的流速為v米/秒，則內(nèi)膽的熱水要經(jīng)過(guò)τd秒后才

63、能到達(dá)被控點(diǎn)，其中τd=L/v。如果忽略熱水在盤管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的熱損耗，則可近似地把盤管視為一階帶純滯后環(huán)節(jié)。本文并沒(méi)有采用該法。</p><p>　　方法二：先測(cè)出控制量到盤管的溫度模型G1(s)，再測(cè)出控制量到鍋爐內(nèi)膽的模型G2（s），如圖3.1所示，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中盤管與鍋爐內(nèi)膽是串接的。前者的傳遞函數(shù)除以后者的傳遞函數(shù)，即G1 ( s )/G2（s），可近似得到盤管的溫度模型。本文采用是正是這個(gè)方法。</

64、p><p><b>　　3.6 測(cè)試步驟</b></p><p>　　測(cè)試時(shí)選擇盤管出水口溫度（也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇另外兩個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)處的溫度）作為被控量，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，將鍋爐內(nèi)膽打滿水。等水溢出后，確認(rèn)管路連接好以后將閥門F1-2、F1-3、F1-4、F1-13全開(kāi)，其余閥門關(guān)閉，形成一個(gè)循環(huán)水的過(guò)程系統(tǒng)。</p><p>　　管

65、路連接：將鍋爐內(nèi)膽出水口與工頻泵進(jìn)水口2連接起來(lái)，將工頻泵出水口與支路1進(jìn)水口連接起來(lái)，將支路1出水口與盤管進(jìn)水口連接起來(lái)，將盤管出水口與儲(chǔ)水箱進(jìn)水口連接起來(lái)。</p><p>　　本文采用的是數(shù)據(jù)采集卡控制：</p><p>　　首先確?！癆T-4數(shù)據(jù)采集卡控制” 、“AT-1智能儀表控制”掛件的通信接口連接到計(jì)算機(jī)串口，將二者的電源輸入L、N端與單相I電源L、N端對(duì)應(yīng)連接。</p

66、><p>　　TT1的1a、1b、1c端對(duì)應(yīng)接到智能調(diào)節(jié)儀I的2、3、4端；智能調(diào)節(jié)儀Ｉ的輸出7、5端并接本掛件上250Ω電阻后對(duì)應(yīng)接到數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入AI7、GND端；AT-4模擬輸出AO1的4-20mA+、-端對(duì)應(yīng)接到溫控模塊控制輸入+、-端； AT-4模擬輸出AO2的4-20mA+、-端對(duì)應(yīng)接到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制輸入+、-端。</p><p>　　管路、閥門、接線檢查無(wú)誤后接通總電源開(kāi)關(guān)

67、，打開(kāi)24V電源開(kāi)關(guān)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)、溫控模塊開(kāi)關(guān)、單相I開(kāi)關(guān)，將磁力泵開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)位置。</p><p>　　核對(duì)智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)設(shè)置，將智能調(diào)節(jié)儀作為溫度變送器使用，關(guān)鍵參數(shù)有Sn=21,CtrL=0, DIL＝0，DIH＝100（℃）,OPL=40, OPH=200。</p><p>　　設(shè)置一個(gè)合適的給定值（5%-15%的階躍設(shè)定值）。選定為10%，然后將調(diào)節(jié)器改為手動(dòng)運(yùn)行。<

68、/p><p>　　進(jìn)入運(yùn)行界面，記住開(kāi)始的確切時(shí)間，并觀察盤管和鍋爐內(nèi)膽的溫度值的變化，直至穩(wěn)定不發(fā)生變化時(shí)，再記下其結(jié)束時(shí)間，退出運(yùn)行環(huán)境。</p><p>　　記下的測(cè)模型開(kāi)始時(shí)間為14:11，結(jié)束時(shí)間為16：21，歷時(shí)130分鐘。設(shè)采樣時(shí)間為二分鐘， 求出每二分鐘內(nèi)各取盤管和鍋爐內(nèi)膽溫度的平均值，二者各65組數(shù)據(jù)，并作為Matlab仿真的數(shù)據(jù)，繪制成一記錄表，因本文篇幅所限只列出了從初始

69、時(shí)間零到時(shí)間70的數(shù)據(jù)。如表3.1所示。</p><p>　　初始時(shí)間下盤管溫度：18.69 ℃ ，鍋爐內(nèi)膽溫度：20.08℃。</p><p>　　結(jié)束時(shí)間下盤管溫度：23.71 ℃ ，鍋爐內(nèi)膽溫度：25.5℃。</p><p>　　圖3.2展示的是去掉初始值的鍋爐內(nèi)膽的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)。將實(shí)際測(cè)量到的鍋爐內(nèi)膽溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，則得到圖3.3。</p>

70、<p>　　圖3.2內(nèi)膽的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)</p><p>　　圖3.3 實(shí)際測(cè)得的內(nèi)膽階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)</p><p>　　圖3.4為盤管的階躍響應(yīng)曲線。將實(shí)際測(cè)量到的盤管溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，則得到圖3.5。</p><p>　　圖3.4 盤管的階躍響應(yīng)</p><p>　　圖3.5實(shí)際測(cè)得的盤管階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)</p><

71、p>　　表3.1 實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)</p><p>　　3. 7模型參數(shù)的確定</p><p>　　因?yàn)楸P管、鍋爐內(nèi)膽的對(duì)象均具有滯后特性，所以所得的傳遞函數(shù)可以定為G(s)= , τ為對(duì)象的滯后時(shí)間，T為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，K為靜態(tài)放大系數(shù)。</p><p>　　3. 7.1確定一階慣性加滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù)</p><p>　　對(duì)于盤管一階環(huán)

72、節(jié)的模型為式3.1所示，即</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　式中的、、的求法有作圖法和（兩點(diǎn)）計(jì)算法。用作圖法確定參數(shù)T、τ，簡(jiǎn)單，但誤差大，適用于PID參數(shù)的工程整定 。所以本文選擇了（兩點(diǎn)）計(jì)算法，該法步驟如下：</p><p>　　第一：由公式3.2確定K。</p><p>&l

73、t;b>　　（3.2）</b></p><p>　　=23.81，=18.9，=10%，則=58。</p><p>　　第二：運(yùn)用（兩點(diǎn)）計(jì)算法求時(shí)間常數(shù)T和滯后時(shí)間τ。</p><p>　　選取兩個(gè)不同時(shí)刻t1和t2，t2> t1>τ,帶入公式</p><p><b>　?。?.3）</b>

74、;</p><p>　　兩邊取對(duì)數(shù)： </p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　聯(lián)解得：</b></p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　本文選取的分別是14:30、1

75、5:00時(shí)刻下的盤管溫度數(shù)值19.91、21.75作為t1和t2，帶入公式4</p><p>　　4-5中，算出T=63,τ=5。</p><p>　　依照此法，同樣選取該兩個(gè)時(shí)刻下的鍋爐內(nèi)膽溫度數(shù)值21.27、23.10作為t’1和t’2，帶入公式4-5中，算出T1=64,τ1=3。</p><p>　　鍋爐內(nèi)膽的靜態(tài)放大系數(shù)K由公式3.2得出為 K=62。<

76、;/p><p>　　則控制量到盤管的溫度模型為 ，鍋爐內(nèi)膽溫度模型為 ，近似得到的盤管溫度模型為。</p><p><b>　　3.8模型校驗(yàn)</b></p><p>　　通過(guò)參數(shù)估計(jì)得到的模型，雖然按某種準(zhǔn)則在選定的模型類中是最好的，但是并不一定能達(dá)到建模的目的，所以還必須進(jìn)行模型檢驗(yàn)。這是辨識(shí)過(guò)程的重要一環(huán)。</p><p&

77、gt;　　在系統(tǒng)輸入u分別作用在系統(tǒng)、模型的情況下，將系統(tǒng)輸出y與模型的輸出ym互為比較，若兩者并無(wú)太大差別，模型的輸出ym可近似為y系統(tǒng)輸出來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等其他環(huán)節(jié)。</p><p>　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得有限對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)（xi, yi）,本文利用這些數(shù)據(jù)來(lái)求取近似函數(shù)y= f ( x) 。式中x為輸出量，y為被測(cè)物理量。與插值不同的是，曲線擬合并不要求y= f ( x )的曲線通過(guò)所有離散點(diǎn)（xi, yi）。圖3.6 、

78、3.7是把初始值去掉了后所運(yùn)用Matlab軟件繪的:</p><p>　　圖3.6鍋爐內(nèi)膽的溫度模型</p><p>　　圖3.7 盤管溫度模型</p><p>　　圖3.6 3.7二者都反映了這些離散點(diǎn)的一般趨勢(shì)，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的局部波動(dòng)，擬合效果較好。</p><p>　　盤管出口溫度的串級(jí)控制的仿真分析</p><p&

79、gt;　　在電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)中，關(guān)鍵要解決其滯后的問(wèn)題。在控制要求不太苛刻的情況下，本文分別采用單回路PID控制、串級(jí)PID控制以及串級(jí)結(jié)合Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)姆椒?，進(jìn)行研究與仿真，針對(duì)該系統(tǒng)選用可行的控制方案。</p><p>　　4.1盤管出口溫度單回路 PID 控制</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4.1所示。本方案的控制量為盤管出水口水溫T，而控制量是

80、鍋爐內(nèi)膽的水溫，將盤管出口鉑電阻檢測(cè)到的溫度信號(hào)TT5作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制單相調(diào)壓模塊的輸出電壓，以控制單相電加熱管的加熱強(qiáng)度，同時(shí)用供水系統(tǒng)以固定的頻率把鍋爐內(nèi)膽的熱水恒速輸送到盤管，再流回鍋爐內(nèi)膽。顯然本方案系統(tǒng)中的滯后包括了內(nèi)膽容量的滯后和盤管傳輸?shù)臏?，且前者的滯后時(shí)間一般要遠(yuǎn)大于后者。為了獲得滿意的控制效果，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)選擇PID控制，并且PID調(diào)節(jié)器的比例度δ和積分時(shí)間常數(shù)TI應(yīng)設(shè)的比較大[7

81、]。</p><p>　　圖4.1 盤管出口溫度單回路 PID 控制系統(tǒng)</p><p>　　如圖4.2所示，單回路PID對(duì)該系統(tǒng)的控制效果并不盡人意，雖無(wú)超調(diào)，但是調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。為了改善系統(tǒng)品質(zhì)，采用串級(jí)PID控制算法或其他算法。</p><p>　　圖4.2 盤管出口溫度單回路 PID 控制仿真</p><p>　　4.2盤管出口溫度串級(jí)

82、 PID 控制</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)是在單回路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。本文中的被控過(guò)程的滯后較大，采用單回路控制系統(tǒng)控制品質(zhì)較差，滿足不了工藝控制精度要求。</p><p>　　盤管出口溫度串級(jí) PID 控制系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)，與上文中的單回路控制系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路。每個(gè)回路都有自己的控制器、測(cè)量變送器和對(duì)象，主回路的對(duì)象為盤管出口溫度，副回路的對(duì)象為鍋爐內(nèi)膽溫度

83、。兩個(gè)控制器采用串聯(lián)控制方式，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而由副控制器的輸出來(lái)控制執(zhí)行器的的動(dòng)作。主回路是一個(gè)定制控制系統(tǒng)，副回路則是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3盤管出口溫度串級(jí) PID 控制系統(tǒng)</p><p>　　4.2．1串級(jí)PID系統(tǒng)的整定</p><p>　　串級(jí)系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器串在一起，在一個(gè)系統(tǒng)中工作，互相之

84、間有影響。在運(yùn)行中，主回路和副回路的波動(dòng)頻率不同，副回路頻率較高，主回路頻率較低。當(dāng)然這些頻率主要取決于調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，但也與主、副調(diào)節(jié)器的整定情況有關(guān)。在整定時(shí)應(yīng)盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益以提高副回路的頻率，目的是使主、副回路的頻率錯(cuò)開(kāi)，最后相差三倍以上，以減少互相之間的影響。</p><p>　　在一般情況下，既然主、副回路的頻率相差很多，互相之間的影響不大，這是就可以首先在主回路開(kāi)路的情況下，按通常整定簡(jiǎn)單

85、控制系統(tǒng)的方法整定副調(diào)節(jié)器；然后，在投入副調(diào)節(jié)器的情況下，再按通常方法把主調(diào)節(jié)器整定好。即按“先副后主”、“先比例后積分最后微分”的次序整定。</p><p>　　由于受到副參數(shù)選擇的限制，主、副回路的頻率比較接近時(shí)，它們之間的影響就比較大了。在這種情況下，就需要在主、副回路之間反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，才能達(dá)到最佳的整定。</p><p>　　調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來(lái)分為兩大類。一類是理論

86、計(jì)算整定法，如根軌跡法、頻率特性法等。它計(jì)算繁瑣，工作量很大，所以目前在工程上較少采用。另一類是工程整定法。這種方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，而且容易掌握。常用的工程整定法有臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法、經(jīng)驗(yàn)試湊法等。</p><p>　　經(jīng)驗(yàn)試湊法不需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識(shí)，確定一組調(diào)節(jié)參數(shù)，然后加入階躍擾動(dòng)，觀察被控參數(shù)的響應(yīng)曲線，并按照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響，逐次改變響應(yīng)的整定參數(shù)

87、值，一般先按比例度，再積分時(shí)間、微分時(shí)間的順序逐一進(jìn)行整定，直到獲得滿意的控制品質(zhì)為止。本文中采用的就是經(jīng)驗(yàn)試湊法。</p><p>　　主調(diào)節(jié)器采用PID控制，副調(diào)節(jié)器則采用P控制。</p><p>　　先整定副回路參數(shù)?？砂磫位芈废到y(tǒng)的整定。對(duì)于P調(diào)節(jié)器（積分時(shí)間為∞,微分時(shí)間為零）,將比例度放在較大經(jīng)驗(yàn)數(shù)值上,然后逐步減小,觀察副參數(shù)的過(guò)渡過(guò)程曲線。曲線無(wú)響應(yīng)，將主參數(shù)的比例度放在較

88、大經(jīng)驗(yàn)數(shù)值上（積分時(shí)間為∞,微分時(shí)間為零）,然后逐步減小。主調(diào)節(jié)器kp=0.2，副回路kp =0.2時(shí)，如圖4.4所示。</p><p>　　主回路中有只比例控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足控制要求的。需要加入積分控制，或者在此基礎(chǔ)上還要加入微分控制。</p><p>　　圖4.4 串級(jí)PID參數(shù)整定1</p><p>　　為了消除系統(tǒng)對(duì)階躍輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差，副控制器引入積分項(xiàng)，

89、kp =0.2，ki=0.03，響應(yīng)曲線如圖4.5中所示。</p><p>　　圖4.5 串級(jí)PID參數(shù)整定2</p><p>　　加入積分后系統(tǒng)的控制質(zhì)量有了很大的改善，階躍響應(yīng)性能得到了明顯的提高，穩(wěn)定性也得到了提高。比例度過(guò)大或積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都使過(guò)渡過(guò)程變化緩慢。為使曲線更加完美，主回路加入了微分控制。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試湊與觀察，當(dāng)主調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=0.1 ，ki=0.03，kd=0.0

90、01，副調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=0.2，時(shí)，達(dá)到了較滿意的控制品質(zhì)。</p><p>　　圖4.6串級(jí)PID參數(shù)整定2</p><p>　　4.3串級(jí)控制結(jié)構(gòu)結(jié)合Smith預(yù)估控制器的控制方案</p><p>　　本文將串級(jí)控制與Smith預(yù)估結(jié)合起來(lái)，與單純的串級(jí)控制相比獲得更高的穩(wěn)態(tài)精度。</p><p>　　Smith控制的原理為:與PID控

91、制器并接一個(gè)Smith預(yù)估器作為補(bǔ)償環(huán)節(jié)，它能很好地對(duì)純滯后系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。其特點(diǎn)是通過(guò)預(yù)估對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，用一個(gè)預(yù)估模型來(lái)進(jìn)行時(shí)間滯后的補(bǔ)償，使被延遲了τ的被調(diào)量超前反饋到控制量，進(jìn)而控制提前動(dòng)作，從而減小超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過(guò)程[8]。</p><p>　　采用電加熱鍋爐與盤管為研究對(duì)象，針對(duì)二者均具有大滯后的特點(diǎn)，采用串級(jí)控制結(jié)構(gòu)結(jié)合Smith預(yù)估控制器的控制方案。內(nèi)環(huán)采用Smith預(yù)估器，大幅度降低滯后對(duì)系

92、統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，外環(huán)采用PI控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)靜差[6]。</p><p>　　根據(jù)Smith預(yù)估控制原理，設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式(5.1)中：為被控對(duì)象中不含純滯后的部分，為時(shí)延部分。表示設(shè)計(jì)的控制器，則： </p><p&g

93、t;<b>　?。?.2）</b></p><p>　　由于特征方程里含有項(xiàng)，這對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性極不利，若τ足夠大，系統(tǒng)就很難穩(wěn)定。而且由于系統(tǒng)中含有純滯后環(huán)節(jié)，使控制器設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。</p><p>　　Smith預(yù)估器的控制結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。圖中R(S)為給定輸入，Y（S）為系統(tǒng)輸出。Smith預(yù)估控制的實(shí)質(zhì)就是與實(shí)際對(duì)象并聯(lián)一個(gè)模型，因此，控制器G（s）時(shí)不需

94、要再考慮純時(shí)延環(huán)節(jié)的影響。此時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　由上式可見(jiàn)，已不包含系統(tǒng)的特征方程里，因此系統(tǒng)性能完全不受純時(shí)延環(huán)節(jié)的影響。</p><p>　　在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的控制作用是不同的。副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，它的設(shè)置是為了保證參數(shù)的控制質(zhì)量，可在一定范圍內(nèi)

95、變化，允許有余差。對(duì)此大時(shí)延溫度系統(tǒng)的串級(jí)控制，副調(diào)節(jié)器只選用P調(diào)節(jié)器。</p><p><b>　　主回路設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　主調(diào)節(jié)器是起定值控制作用的，是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍比較小，要求無(wú)余差。所以主回路采用PI控制。圖中的Gc（s）是傳統(tǒng)的PI算式。 </p><p><b>　?。?

96、.4）</b></p><p>　　式中：KC是比例系數(shù)，Ti是積分常數(shù)</p><p>　　Smith預(yù)估加串級(jí)控制系統(tǒng)的整體框圖如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.9串級(jí)-Smith預(yù)估控制1</p><p>　　圖4.10 串級(jí)-Smith預(yù)估控制</p><p>　　如圖4.9和4.10所示

97、，仿真結(jié)果表明，在預(yù)測(cè)模型精確的情況下，串級(jí)-Smith控制方法具有很好的控制效果。</p><p>　　基于OPC技術(shù)的盤管出口溫度的實(shí)時(shí)控制</p><p>　　Matlab在仿真調(diào)試、策略運(yùn)用等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但界面編寫(xiě)功能比較有限。組態(tài)軟件容易實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)畫(huà)仿真界面的制作，但通常只能實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算分析和簡(jiǎn)單的控制策略。利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Matlab和組態(tài)軟件MCGS之間的數(shù)據(jù)交換，

98、從而可以設(shè)計(jì)出綜合二者優(yōu)點(diǎn)、功能更加全面完善的控制系統(tǒng)。</p><p>　　5.1 OPC 技術(shù)</p><p>　　OPC(OLE for Process Control)，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過(guò)去，為了存取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè) 應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)商都需要編寫(xiě)專用的 接口函數(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級(jí)

99、，往往給用戶和軟件開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)集成商和開(kāi)發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開(kāi)放性、可 互操作性的 即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生[9]。OPC 規(guī)范提供了兩種COM組件之間連接的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口:OPC 定制接口(OPC Custom interfaces) 和OPC 自動(dòng)化接口(OPC Automation interfaces)。通過(guò)

100、OPC 接口, 各OPC 客戶與OPC 服務(wù)器之間形成即插即用的鏈接關(guān)系, OPC 服務(wù)器組件提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口給OPC 的對(duì)象, 并且通過(guò)這些接口進(jìn)行管理, 客戶通過(guò)COM提供的API 創(chuàng)建和管理服務(wù)器, 通過(guò)接口方法訪問(wèn)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)對(duì)象。</p><p>　　OPC 客戶與OPC 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互有同步方式和異步方式兩種。同步方式實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單, 當(dāng)客戶數(shù)目較少而且同服務(wù)器交互的數(shù)據(jù)量也較少的時(shí)候可以采用這種

101、方式, 異步方式實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜, 需要在客戶程序?qū)崿F(xiàn)同調(diào)函數(shù), 然而當(dāng)有大量的客戶和大量數(shù)據(jù)交換時(shí), 異步方式的效率更高, 能夠避免客戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求的阻塞, 同時(shí)可以最大限度的節(jié)省CPU和網(wǎng)絡(luò)資源。</p><p>　　5.2 Matlab作為客戶端訪問(wèn)OPC服務(wù)器的通信流程</p><p>　　MATLAB 7. 0 以上版本中集成了OPC Toolbox, 它提供了命令行和GUI 兩種方式在

102、OPC 客戶端和OPC 服務(wù)器之間建立連接, 以實(shí)現(xiàn)MATLAB 與其他軟件和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通訊。 MATLAB OPC Toolbox 提供了豐富的OPC 工具函數(shù),使得我們可以簡(jiǎn)單方便地創(chuàng)建客戶端對(duì)象, 建立連接, 實(shí)現(xiàn)添加對(duì)象, 組和項(xiàng)等操作, 省去了復(fù)雜的語(yǔ)言編程, 節(jié)省了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間,</p><p>　　大量豐富的 OPC函數(shù)省去了復(fù)雜的語(yǔ)言編程，能夠更方便的建立服務(wù)器和客戶端的連接，數(shù)據(jù)

103、訪問(wèn)和歷史數(shù)據(jù)的創(chuàng)建等。以 MATLAB 作為強(qiáng)大的客戶端，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)分析、算法編寫(xiě)以及控制算法效果的圖形顯示。MATLAB作為OPC客戶端的通信流程如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 MATLAB作為OPC客戶端的通信流程</p><p>　　5.3 基于OPC 實(shí)現(xiàn)MATLAB 與MCGS 的實(shí)時(shí)通訊</p><p>　　要求在THPCAT-2型

104、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置上，利用組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和友好的界面設(shè)計(jì)，并利用opc技術(shù)，建立MCGS 與matlab的無(wú)縫連接。</p><p>　　MCGS 可以作為OPC 服務(wù)器與作為OPC 客戶端的其他軟件相連接, 為其他軟件提供讀寫(xiě)MCGS 內(nèi)部變量的功能, 在MCGS 中, 組對(duì)象一級(jí)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是隱藏起來(lái)的, 用戶只需要指定服務(wù)器, 就可以通過(guò)直接瀏覽來(lái)察看所有可用的數(shù)據(jù)項(xiàng)。MATLA

105、B 7. 0 以上版本中集成了OPC Toolbox, 它提供了命令行和GUI 兩種方在OPC 客戶端和OPC 服務(wù)器之間建立連接, 以實(shí)現(xiàn)MATLAB 與其他軟件和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通訊, 以MCGS 為OPC 服務(wù)器, MATLAB 為客戶端對(duì)MCGS的數(shù)據(jù)存取。</p><p>　　啟動(dòng)MCGS將自動(dòng)啟動(dòng)OPC服務(wù)器功能。作為OPC服務(wù)器,MCGS運(yùn)行環(huán)境的服務(wù)器名為: MCGS.OPC.Serve

106、r（需要在mcgs設(shè)備窗口添加opc服務(wù)器）。組對(duì)象的創(chuàng)建和管理由MCGS在后臺(tái)進(jìn)行,即組對(duì)象一級(jí)對(duì)用戶來(lái)說(shuō),是隱藏起來(lái)的,用戶只需指定服務(wù)器,就可以通過(guò)直接瀏覽來(lái)察看所有可用的數(shù)據(jù)項(xiàng)。其項(xiàng)目名為各個(gè)變量的名字。符合OPC標(biāo)準(zhǔn)的客戶端都可以讀取MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖5.2 基于OPC的matlab與MCGS數(shù)據(jù)交換流程圖</p><p>　　利用MATLAB

107、OPC toolbox 實(shí)現(xiàn)MATLAB 與MCGS 實(shí)時(shí)通訊的準(zhǔn)備工作主要包括以下幾個(gè)方面。</p><p>　　1) OPC 基金會(huì)提供了一套可以在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽其他計(jì)算機(jī)并能與之通訊的核心組件, 但這些核心組件并沒(méi)有安裝, 在使用OPC Toolbox 之前需要安裝到計(jì)算機(jī)中去, 在MATLAB 環(huán)境中我們可以使用opcregister( ‘install’)來(lái)安裝。</p><p>　

108、　2) 為使OPC Toolbx 中的對(duì)象和OPC 服務(wù)器對(duì)象之間建立連接, 還需要在OPC 服務(wù)器和OPC 客戶端進(jìn)行分布式COM的環(huán)境設(shè)置。</p><p>　　3) 建立一個(gè)MCGS 工程, 創(chuàng)建工程的數(shù)據(jù)輸入輸出對(duì)象之后, 在設(shè)備窗口中選擇相應(yīng)的設(shè)備, 建立相應(yīng)的通道連接, 在這里選擇out00, out01 兩個(gè)變量為MCGS 的模擬設(shè)備正弦輸出和方波輸出, 而int00, int01 兩個(gè)變量為MCG

109、S 的輸入變量。</p><p>　　4) 在客戶端利用MATLAB OPC Toolbox 實(shí)現(xiàn)MATLAB 與MCSG 的數(shù)據(jù)通訊。</p><p>　　服務(wù)器端dcom的設(shè)置方法：</p><p>　　在MCGS組態(tài)環(huán)境“設(shè)備窗口”中添加OPC服務(wù)器。在“基本屬性”中對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置。保存設(shè)置并退出。</p><p>　　圖5.3

110、 MCGS中OPC服務(wù)器的設(shè)置</p><p>　　在客戶端的設(shè)置可以參考下面的方法或者通過(guò)命令行（參考下面的程序代碼）</p><p>　　然后在MATLAB中打開(kāi)OPC工具箱，連接剛才所設(shè)置的OPC服務(wù)器。</p><p>　　圖5.4 MATLAB中通過(guò)opctoolbox GUI進(jìn)行服務(wù)器的連接</p><p>　　3) 建立一

111、個(gè)MCGS 工程, 創(chuàng)建工程的數(shù)據(jù)輸入輸出對(duì)象之后, 在設(shè)備窗口中選擇相應(yīng)的設(shè)備, 建立相應(yīng)的通道連接。 </p><p>　　4) 在客戶端利用MATLAB OPC Toolbox 實(shí)現(xiàn)MATLAB 與MCSG 的數(shù)據(jù)通訊。</p><p>　　MATLAB與OPC連接后，如圖5.5、5.6。</p><p><b>　　圖5.5 運(yùn)行圖1</b&