【正文】 ........................................... 14 仿真研究 ............................................................................................................................ 16 第四章 液位過程控制系統(tǒng)實現(xiàn) ........................................................................................................ 17 控制系統(tǒng)軟硬件選型 ........................................................................................................... 17 系統(tǒng)硬件結構 ............................................................................................................. 17 系統(tǒng)軟件結構 ............................................................................................................. 17 IMC 算法的 PLC 實現(xiàn) .......................................................................................................... 19 系統(tǒng)結構圖 ............................................................................................................... 19 IMC 算法的計算流程 .................................................................................................. 19 IMC 算法的 PLC 實現(xiàn) ................................................................................................. 20 第五章 總結 .................................................................................................................................... 22 參考文獻 .......................................................................................................................................... 23 東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告 1 第一章 引言 引言 內?？刂剖?20 世紀 80 年代初由 Garcia c． E．和 Mohed M． 等人提 出的，其產生背景主要有兩個方面：一是為了對當時提出的兩種基于非最小化和非參數(shù)模型預測控制算法MAc 和 DMc 進行系統(tǒng)分析；其次是作為 sm 岫預估器的一種擴展，使系統(tǒng)設計更為簡便，魯棒性及抗干擾性大為改善。在其他的一些領域如非線性過 程的控制，大時滯過程的控制和魯棒性調節(jié)器的研究與控制都得到充分的發(fā)揮。在過程工業(yè)控制中，普遍使用的調節(jié)器類型是 PID型。到目前為止內?？刂频幕驹砗蜆嬙炜蚣芤训玫匠浞值难芯亢蛻茫F(xiàn)在的內?？刂婆c其他的控制方法結合在一起，功能相互包含、相互滲透、相互依存，從而達到了最完美的控制效果，也使得內?？刂频膬?yōu)勢得到了最充分的發(fā)揮。 在設計過程中各個環(huán)節(jié)都有一定的難度，其中所遇到的問題也是層出不窮， 最大的收獲是在解決問題的過程中所獲得的經驗和使用的方法都會對以后的學習工作提供相當大的幫助。重點討論采用試驗建模法建立液位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。它的輸出信號為頻率，通過流量積算變送儀轉換為 420mA的電流信號輸出。對象數(shù)學模型與真實控制對 象比較符合就能得到穩(wěn)定的階躍曲線，為了能夠對控制系統(tǒng)進行深入的學習，需要分別對控制系統(tǒng)和擾動通道進行數(shù)學建模，從而得到更完美的控制效果。例如，預測控制、推理控制、前饋動態(tài)補償控制等都是在已知對象數(shù)學模型的基礎上才能進行的。 這種應用對象輸入輸出的實測數(shù)據(jù)來決定其模型結構和參數(shù)的方法，通常稱為系統(tǒng)辨識。通常取階躍信號值為正常輸入信號的 10%～ 15%，以不影響生產為準。 液位建模步驟 本次試驗選取變頻器衡定頻率工 作，用來給整個系統(tǒng)提供水量。等待液位穩(wěn)定。 圖 25 實際液位曲線圖 東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告 10 圖 26 實際流量曲線圖 圖 27 擬合 曲線 由上擬合曲線在 Matlable軟件上可以得出數(shù)學模型為 : Y= 1169X?? （ 1） 由（ 1）式可得： 放大系數(shù)（增益） K=150 mm min /L （ 2） 時間常數(shù) T=1169s （ 3） 由（ 2）（ 3）可得被控對象數(shù)學模型為 11169150)( ?? ssGp （ 4） 將所得模型在 Simulink中仿真后，和實際數(shù)據(jù)以及擬合曲線相比較。因此，當不存在模型誤差和未知干擾的條件下，內?？刂葡到y(tǒng)具有開環(huán)結構。 內?？刂破髟O計 內?？刂破魇窃?“模型沒有誤差，而且可逆 ”這個假設條件下的理想反饋控制器。 假設模型沒有誤差，即 )()( sGsG pm ? ,將式 ()和式 ()代入式 ()，可得 )()](1[)()()( sDsfGsfRsGsY mm ?? ??? () 當無擾動且設定值變化時，即 0)( ?sD ， 0)( ?sR ,此時系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 fsGsR sY m )()( )( ?? () 東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告 14 式 ()表明濾波器 f 與閉環(huán)性能直接相關。它的主要優(yōu)點有：結構簡單，操作簡便，容易實現(xiàn)，并且具有很好的動態(tài)性能和魯棒性能。一般情況下， ? 的初值可選為系統(tǒng)主導時間常數(shù)的 21~31 之間。它是 由菲尼克斯電氣有限責任公司的自動化控制產品及軟件產品設計的一個完整的控制方案，其組成包括可編程序控制器，人機接口，工控軟件及監(jiān)控界面等產品，通過現(xiàn)場總線以及相應的通訊軟件將各種設備以高速、確定的數(shù)字通訊方式連網。系統(tǒng)執(zhí)行機構 : 智能電動調節(jié)閥。它有以下幾個類型：帶遠程總線支持的緊湊型控制器 ILC 151 ETH ；帶兩個以太網口和一個 SD 卡插槽的緊湊型控制器 ILC 171 ETH 2TX；集成浮點算術單元的高性能緊湊型控制器 ILC 191 ETH 2TX；東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告 18 還有一個是緊湊型控制器 ——基本型應用 ILC 131 ETH。 數(shù)字量輸出模塊： inline ME 經濟型模塊適用于節(jié)省空間的經濟型場合，例如適用于僅有少數(shù)量的接線方式的機械應用場合。 溫度測量模塊：這些 Inline 模塊可用于連接熱電偶（ UTH)和電阻溫度傳感器 (RTD)。仿真可知，模型與實際模型偏差較小時，預測液位與實際液位偏差也較小，而且變化趨勢相同；但是模型與實際模型偏差較大時，預測液位會跟實際液位保持很大的偏差，變化趨勢上也有不同。 第 2步調用報警模塊 FC6；該模塊在液位超過 500mm的時候報警。 IMCPID 串級控制的實現(xiàn)方案。如果能建立流量和閥門開度之間的模型，就可以結合內環(huán)從理論上計算出一個相對精確的理論模型，控制效果能得到提升。在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導師陳夕松的指導與督促。在此，也對他們表示衷心感謝。生命不息，奮斗不止，人生就是一個不斷學習和完善的過程，在以后的工作與學習中，我會把自己的專業(yè)知識充分運用到實際的生活中，最大限度 地 發(fā)揮自己的余熱！ 東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告 24 參考文獻 [1] 楊大勇 . 內?？刂圃谶^程控制中的應用研究 [J]. 計算機與現(xiàn)代化 . 20xx, 12(7): 4951. [2] 文新宇 ,張井崗 。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。 3. 采樣時間和濾波器常數(shù)還可以進一步優(yōu)化 。 最后的實驗結果表明，對于本文中所建立的一階慣性形式 的流量 液位模型， IMC設計方法能非常便捷地設計出控制器以及整定參數(shù)，得到了很好的控制效果。 第 4步定時器每 8秒調用一次外環(huán)控制模塊 FC1； 第 5步定時器每 2秒調用一次內環(huán)控制模塊 FC9； 圖 43 模塊間的調用關系 主模塊OB1 初始化 OB100 數(shù)據(jù)存儲DB 運行 外環(huán) FC1 2s 采樣時間到 報警 FC6 標定 FC3 內環(huán) FC9 采樣時間到 東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告 22 總結 本文基于東南大學 HGK1型過程控制實驗平臺，以該平臺中的液位過程為研究對象，設計基于可編程序控制器（ PLC）的液位控制系統(tǒng)，采用內?？刂疲?IMC）算法，仿真并實驗研究 IMC在該過程中的應用效果。 根據(jù)圖 41，整個控制流程可以分為以下幾步： 東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告 20 (1)將上一次實際液位和預測液位之間的偏差與設定值進行比較，得到新的偏差，通過內?？刂破饔嬎愠鲆何辉O定值，并以液位設定值通過理論模型計算出預測液位?？刹捎勉~纜將可選的多個總線耦合器連接 到 INTERBUS 遠程分支上。 電源功率模塊： inline 電源模塊用于在一個 inline 站內對各個電壓連接進行供電，保護和診斷。 100 系列控制器擴展功能及特點： Modbus/TCP 集成在固件中，可提高性能并簡化配置，這樣與其他 Modbus 的通信甚至就更為簡單；集成 SD 卡槽：用于快速的存儲擴展與軟件的簡單實用； FTP 服務器；閃存文件系統(tǒng)；可作為主站，進行現(xiàn)場總線從站擴展；支持眾多協(xié)議如 HTTP,FTP,等等；免費的編程軟件 PC WORX EXPRESS； XC 型號適用于寬溫需求40 度到 +60 度。使用菲尼克斯可以方便地對控制系統(tǒng)編程； WINCC 軟件對系統(tǒng)進行組態(tài)并提供圖形監(jiān)控和人機界面，從而完成整個控制任務。其領域范圍涉及各種不同的電氣技術應用的產品，包括可供設備和機械制造商使用的各種連接技術，用于現(xiàn)代控制柜的電氣元件，以及適用于多種應用場合及行業(yè)的客戶定制解決方案。由控制原理知道，零頻增益為無窮大的反饋控制可以消除由外界擾動引起的余差。 IMCPID 控制器不僅保持了傳統(tǒng) PID 控制結構簡單、在線調節(jié)容易等特點，還具有內模控制整定參數(shù)少，參數(shù)調節(jié)與系統(tǒng)品質、魯棒性關系明確，適用于時滯系統(tǒng)控制等優(yōu)點。時間常數(shù)增大，系統(tǒng)魯棒性增強，但是跟蹤滯后變大，系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的時間增加。此外， )(sGm 有時也不完全可倒，比如， )(sGm中若包含純滯后環(huán)節(jié)，其倒數(shù)為純超前環(huán)節(jié)，這顯然 是物理不可實現(xiàn)的 [14]。 同樣，若 0)( ?sR , 0)( ?sD ， 且假設模型正確，將式 ()帶入式 ()，此時： 0)()]()(11[)()]()(1[)( ????? sDsGsGsDsGsGsY mmpc () 可 見，只要模型不存在建模誤差該假設條件成立，不管干擾 )(sD 如何，內?？刂凭煽朔饨鐢_動 [15]。 在多次試驗后，取得多組數(shù)據(jù)，建模。實際情況是液位在很長一段時間內還會緩慢變化上升。出水閥門選擇一個，全開狀態(tài)。 3）實