【正文】 ]。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。在確定適合的采樣時(shí)間后，兩組數(shù)據(jù)再依次經(jīng)過Matlab處理并仿真，分別得到了盤管和鍋爐內(nèi)膽的仿真模型。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 3 第二章 監(jiān)控組態(tài)工程設(shè)計(jì) 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)的組態(tài)軟件系 統(tǒng)。需要進(jìn)行以下設(shè)計(jì)的內(nèi)容： 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。 運(yùn)行策略 : 本窗口主要完 成工程運(yùn)行流程的控制。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)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。 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。如圖 。 圖 設(shè)備屬性設(shè)置 1 圖 設(shè)備屬性設(shè)置 2 運(yùn)行策略 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。如圖 。 建模的概念 建模，就是 建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 建模步驟 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。 階躍響應(yīng)曲線能形象、直觀地描述被控過程得動(dòng)態(tài)特性。 ④多次測(cè)試。本文采用是正是這個(gè)方法。 5. 設(shè)置一個(gè)合適的給定值（ 5%15%的階躍設(shè)定值）。 圖 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)。 0( ) (0)yyK x??? （ ） ()y? =， (0)y =， 0x =10%，則 %K ?? =58。 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，若兩者并無太大差別， 模型的輸出 ym可近似 為 y系統(tǒng)輸出 來進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)等其他環(huán)節(jié)。本方案的控制量為盤管出水口水溫 T，而控制量是鍋爐內(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。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。 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路的情況下，按通常整定簡(jiǎn)單控制系統(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。這種方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，而且容易掌握。曲線無響應(yīng)，將主參數(shù)的比例度放在較大經(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 。經(jīng)過反復(fù)的試湊與觀察，當(dāng)主調(diào)節(jié)器參數(shù)為 kp= ， ki=， kd=，副調(diào)節(jié)器參數(shù)為 kp=， 時(shí)，達(dá)到了較滿意的控制品質(zhì) 。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。 主回路設(shè)計(jì)： 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，要求無余差。 OPC 技術(shù) 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)過程控制應(yīng)用建立了橋梁 。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。 啟動(dòng) MCGS將自動(dòng)啟動(dòng) OPC服務(wù)器功能。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 28 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 MCGS 的輸入變量。 MATLAB與 OPC連接后，如圖 、 。 由于時(shí)間和客觀條件的限制，本工作還有待進(jìn)一步的完善，但總體來說本文所作三種算法在本文中的研究設(shè)計(jì)工作是成功的。再次感謝他們。從課題的立項(xiàng)、開題報(bào)告，到寫作提綱、論文修改等等，劉老師層層把關(guān)，盡職盡責(zé)。本系統(tǒng)綜合利用串級(jí) PID控制技術(shù)、 OPC技術(shù)等等方面進(jìn)行了論述。保存設(shè)置并退出。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)。 MATLAB作為 OPC客戶端的通信流程如圖 。在這種情況下， OPC 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生 [9]。 Gc 2( s ) Gp 2( s )Gp 1( s ) ( 1 e τ s) GC 1( s )R ( s )Y ( s )Gp 1( s )圖 串級(jí) Smith預(yù)估控制系統(tǒng)原理 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 24 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 202000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91t i m e ( s )r1,y1 圖 串級(jí) Smith 預(yù)估控制 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 202000 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 4t i m e ( s )u1,y2 S e r i e s s m i t h u 1S e r i e s s m i t h y 2 圖 串級(jí) Smith 預(yù)估控制 如圖 ，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。此時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： ( ) ( )() 1 ( ) ( )scpcpG s G s eGs G s G s??? ? （ ） 由上式可見， se?? 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。 Y ( S )R ( S )0 ( ) ( 1 )sG s e ???N ( s )()cGs0 () sG s e ??U ( s ) 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。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 202000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91t i m e ( s )r,yzhu 圖 串級(jí) PID參數(shù)整定 1 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)， kp =， ki=， 響應(yīng)曲線如圖 。 主調(diào)節(jié)器采用 PID 控制，副調(diào)節(jié)器則采用 P 控制。 調(diào)節(jié) 器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來分為兩大類。 主 調(diào) 節(jié) 器 副 調(diào) 節(jié) 器鍋 爐 內(nèi) 膽盤 管調(diào) 壓 模 塊 電 加熱 管溫 度 變 送 器溫 度 變 送 器給 定 值溫 度 圖 盤管出口溫 度串級(jí) PID 控制系統(tǒng) ． 1串級(jí) PID系統(tǒng)的整定 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，互相之間有影響。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。 圖 、 Matlab 軟件繪的 : 0 20 40 60 80 100 120 1400123456t i m e ( m i n )y1 圖 鍋爐內(nèi)膽的溫度模型 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 18 0 20 40 60 80 100 120 1400123456t i m e ( m i n )y1 圖 盤管溫度模型 圖 反映 了 這些離散點(diǎn)的一般趨勢(shì)， 沒有 出現(xiàn) 過大的 局部波動(dòng) ，擬合效果較好。 鍋爐內(nèi)膽的靜態(tài)放大系數(shù) K由公式 K=62。 0 20 40 60 80 100 120 1400123456t i m e ( m i n )y1 圖 盤管的階躍響應(yīng) 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 14 0 20 40 60 80 100 120 14018192021222324t i m e ( m i n )y 圖 實(shí)際測(cè)得的盤管階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 15 表 實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù) 鍋爐內(nèi)膽 盤管 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 時(shí)間（ min） 溫度（℃） 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級(jí)控制 16 3. 7 模型參數(shù)的確定 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)= ? ? ? ?1 sKG s eTs ??? ? , 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)。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時(shí)間零到時(shí)間 70的數(shù)據(jù)。 本文采用的是數(shù)據(jù)采集卡控制： 1． 首先確?！?AT4數(shù)據(jù)采集卡控制” 、“ AT1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。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)。過小，激勵(lì)弱，可能響應(yīng)信號(hào)被其他干擾所淹沒，是測(cè)試結(jié)果不可靠。 5) 模型校驗(yàn)：驗(yàn)證模型的有效性 建模方法 過程系統(tǒng)建模方法有機(jī)理法和測(cè)試法等。 要有先驗(yàn)知識(shí) 在建模中，被控對(duì)象內(nèi)部所進(jìn)行的物理、化學(xué)