【正文】 過程符合已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的許多定理、原理及模型。 圖 進入運行環(huán)境 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 10 第三章 鍋爐盤管出口溫度 建模 對于本文中的過程控制實驗室鍋爐盤管出口溫度滯后系統(tǒng)，需要建立其模型。MCGS 為用戶提供了進行策略組態(tài)的專用窗口和工具箱。 構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫 在實時數(shù)據(jù)庫中，至少添加三個點，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。 圖 常規(guī)儀表側(cè)控制對象總貌圖 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 5 制作工程畫面 工程建立 進入 MCGS組態(tài)環(huán)境。 完善菜單按鈕功能： 包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。經(jīng)過此步操作，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。 用戶窗口 : 本窗口主要用于設(shè)置工程中人機交互的界面，是由用戶來定義的，可以是一個或多個用戶窗口組合而成的，它的顯示和關(guān)閉由各種策略構(gòu)件和菜單命令來控制。用戶無須具備計算機編程的知識，就可以在短時間內(nèi)使用靈活的組態(tài)方式輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)定，功能全面，維護量小并且具備專業(yè)水準的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作，其重要性可見一斑。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 2 第三章 鍋爐盤管出口溫度的建模 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)并進行模型校驗、展示結(jié)果等。本文將 MCGS與 MATLAB相結(jié)合，實現(xiàn)溫度滯后系統(tǒng)的控制，盡可能改善純滯后對系統(tǒng)動態(tài)性能造成的不利影響。如果預估模型準確，該方法能后獲得較好的控制效果，從而消除純滯后對系統(tǒng)的不利影響，使系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程無純滯后時相同。 大林控制算法是由美國 IBM 公司的大林（ Dahlin）提出的一種針對工業(yè)控制過程中純滯后特點且不同于常規(guī) PID 控制的新型算法， 是運用于自動控制領(lǐng)域中的一種算法， 也 是一種先設(shè)計好閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)再反過來綜合調(diào)節(jié)器的方法。 2. 用于克服被控過程的純滯后 被控過程中存在純滯后會嚴重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。它具有時變、大擾動、純滯后、難以建立精確的數(shù)學模型等特性?；?MCGS組態(tài)軟件，測出適用于由 計算機、鍋爐、水泵、溫度變送器、電動調(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 PID控制以及串級結(jié)合 Smith預估補償?shù)姆椒ǎM行研究與仿真， 針對該系統(tǒng)選用可行的控制方案 。針對它的控制算法，工程上常見有傳統(tǒng) PID算法、串級控制法、大林算法、 Smith 預估控制法和智能控制法等多種方法 [2]。使用串級控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動包含在副回路中，提高副回路對系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影 響。設(shè)計的 數(shù)字控制器 （算法）使閉環(huán)系統(tǒng)的特性為具有電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 2 時間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時間與被控對象的滯后時間相同。 Smith 預估控制方法可以有效地對時滯進行補償。 本文研究的主要內(nèi)容 本文以過程控制實驗平臺的監(jiān)控實現(xiàn)為背景。 第四章 盤管出口溫度 的串級控制的仿真分析 本章介紹了三種不同的控制算法并根據(jù)運行效果改進。 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；它全面支持 0PC標準，可以和更多的自動化設(shè)備連接。用戶窗口相當于一個“容器”，用來放置圖元、圖符和動畫構(gòu)件等各種圖形對象，通過對圖形對象的組態(tài)設(shè)置，建立與實時數(shù)據(jù)庫的連接，來完成圖形、界面的設(shè)計工作。封面窗口和啟動窗口也可等到建電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 4 立了用戶窗口后，再行建立。 編寫程序調(diào)試工程： 利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。 在菜單文件中選擇新建工程菜單項，生成新建工程 ，名稱為“盤管水溫滯后”。 圖 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 8 設(shè)備連接 在工作臺“設(shè)備 窗口”中雙擊“設(shè)備窗口”圖標進入。 運行策略本身是系統(tǒng)提供的一個框架，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”，通過對運行策略的定義，使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件操作實時數(shù)據(jù)庫，控制用戶窗口的打開、關(guān)閉并確定設(shè)備 構(gòu)建的工作狀態(tài)等，從而實現(xiàn)對外部設(shè)備工作過程的精確控制。 建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。在建模中必須掌握建模對象所要用到的先驗知識。 機理分析法建模又稱為數(shù)學分析法建?；蚶碚摻?，是根據(jù)過程的內(nèi)部機理（運動規(guī)律），運用一些已知的定律、原理建立過程的數(shù)學模型。過大，使正常生產(chǎn)受到干擾甚至危及安全。本文并沒有采用該法。 2. TT1 的 1a、 1b、 1c 端對應(yīng)接到智能調(diào)節(jié)儀 I 的 4端；智能調(diào)節(jié)儀 Ｉ 的輸出 5端并接本掛 件上 250Ω電阻后對應(yīng)接到數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入 AI GND 端； AT4 模擬輸出 AO1的 420mA+、 端對應(yīng)接到溫控模塊控制輸入 +、 端； AT4模擬輸出 AO2的 420mA+、 端對應(yīng)接到電動調(diào)節(jié)閥控制輸入 +、 端。如表 。 3. 對 于盤管一階環(huán)節(jié)的模型為式 ，即 ? ? ? ?1 sKG s eTs ??? ? （ ） 式中的 K 、 T 、 ? 的求法有作圖法和（兩點）計算法。 則 控 制 量 到盤 管 的 溫度 模 型 為 ? ? ? ? 51 586 3 1 sG s es ?? ? ， 鍋 爐 內(nèi)膽 溫 度 模型 為 ? ? ? ? 32 626 4 1 sG s es ?? ?， 近似得到 的盤管溫度模型為 ? ? sG s e?? 。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 19 第四章 盤管出口溫 度的串級控制的仿真分析 在電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制系統(tǒng)中，關(guān)鍵要解決其滯后的問題。 0 1000 2020 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91t i m e ( s )yd,y I d e a l p o s i t i o n s i g n a lP o s i t i o n t r a c k i n g 圖 盤管出口溫 度單回路 PID 控制仿真 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 20 盤管出口溫 度串級 PID 控制 串級控制系統(tǒng)是在單回路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在運行中，主回路和副回路的波動頻率不同，副回路頻率較高，主回路頻率較低。一類是理論計算整定法，如根軌跡法、頻率特性法等。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 21 先整定副回路參數(shù)。 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 PID參數(shù)整定 2 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 22 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。內(nèi)環(huán)采用 Smith 預估器，大幅度降低滯后對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，圖 Smith 預估控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 23 外環(huán)采用 PI控制實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差 [6]。 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的控制作用是不同的。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 25 第五章 基于 OPC 技術(shù)的 盤管出口溫度的實時控制 Matlab 在仿真調(diào)試、策略運用等方面有著明顯的優(yōu)勢，但界面編寫功能比較有限。 OPC 規(guī)范提供了兩種 COM 組件之間連接的工業(yè)標準化接口 :OPC 定制接口 (OPC Custom interfaces) 和 OPC 自動化接口 (OPC Automation interfaces)。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 26 圖 MATLAB作為 OPC客戶端的通信流程 基于 OPC 實現(xiàn) MATLAB 與 MCGS 的實時通訊 要求在 THPCAT2型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置上，利用組態(tài)軟件 MCGS實現(xiàn)溫度參數(shù)的實時采集和友好的界面設(shè)計，并利用 opc技術(shù)，建立 MCGS 與 matlab的無縫連接。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 27 圖 基于 OPC的 matlab與 MCGS數(shù)據(jù)交換流程圖 利用 MATLAB OPC toolbox 實現(xiàn) MATLAB 與 MCGS 實時通訊的準備工作主要包括以下幾個方面。 圖 MCGS 中 OPC 服務(wù)器的設(shè)置 在客戶端的設(shè)置可以參考下面的方法或者通過命令行（參考下面的程序代碼） 然后在 MATLAB中打開 OPC工具箱，連接剛才所設(shè)置的 OPC服務(wù)器。具有組態(tài)軟件界面友好、操作簡單等優(yōu)點的同時，還可以對目前成熟穩(wěn)定的 PID算法加以應(yīng)用，提高控制精 度。在最后的實驗運行中，更離不開老師耐心細致的指導。兩位 老師從不同的視角出發(fā)，糾正了我本可以避免的錯誤等。 總結(jié)本文的研究工作，主要做了下面較突出的工作： 綜合近年來已經(jīng)發(fā)展得比較成熟的三類算法，選取的串級 PID算法、串級 Smith預估算法等是當前比較常見的控制技術(shù)。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 29 4) 在客戶端利用 MATLAB OPC Toolbox 實現(xiàn) MATLAB 與 MCSG 的數(shù)據(jù)通訊。 2) 為使 OPC Toolbx 中的對象和 OPC 服務(wù)器對象之間建立連接 , 還需要在 OPC 服務(wù)器和 OPC 客戶端進行分布式 COM的環(huán)境設(shè)置。 MATLAB 7. 0 以上版本中集成了 OPC Toolbox, 它提供了命令行和 GUI 兩種方在 OPC 客戶端和 OPC 服務(wù)器之間建立連接 , 以實現(xiàn) MATLAB 與其他軟件和現(xiàn)場生產(chǎn)控制設(shè)備之間的實時通訊 , 以 MCGS 為 OPC 服務(wù)器 , MATLAB 為客戶端對 MCGS的數(shù)據(jù)存取。 OPC 客戶與 OPC 服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互有同步方式和異步方式兩種。利用 OPC技術(shù)實現(xiàn) Matlab 和組態(tài)軟件 MCGS 之間的數(shù)據(jù)交換，從而可以設(shè)計出綜合二者優(yōu)點、功能更加全面完善的控制系統(tǒng)。對此大時延溫度系統(tǒng)的串級控制，副調(diào)節(jié)器只選用 P調(diào)節(jié)器。 ()CGS表示設(shè)計的控制器，則： ( ) ( )() 1 ( ) ( ) sCPsCPG s G s eGs G s G s e????? ? （ ） 由于特征方程里含有 se?? 項，這對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性極不利，若τ足夠大，系統(tǒng)就很難穩(wěn)定。為使曲線更加完美，主回路加入了微分控制。對于 P調(diào)節(jié)器（積分時間為∞ ,微分時間為零 ） ,將比例度放在較大經(jīng)驗數(shù)值上 ,然后逐步減小 ,觀察副參數(shù)的過渡過程曲線。另一類是工程整定法。在整定時應(yīng)盡量