【導讀】現(xiàn)代工業(yè)生產過程中，不少控制對象普遍存在純滯后的現(xiàn)象，如化工、加熱過程等。后的存在，對系統(tǒng)的控制是極為不利的，嚴重時甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？跍囟鹊拇壙刂葡到y(tǒng)中，關鍵要解決其滯后的問題?；贛CGS組態(tài)軟件，測出適用于由計算機、鍋爐、水泵、溫度變送器、電動調節(jié)閥等組成的鍋爐盤管出口溫度滯后系統(tǒng)的模型。在MATLAB和之間通過OPC協(xié)議對過程。變量、控制變量和設定值實時更新，對該系統(tǒng)進行控制研究。通過對該系統(tǒng)的仿真控制實驗，結。果表明該三種方案是可行的，較好地實現(xiàn)了溫度的控制。串級控制結構結合Smith預估控制器的控制方案?????????長期以來，溫度控制系統(tǒng)就一直是工業(yè)過程中難度較大的控制系統(tǒng)之一。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。針對它的控制算法，工程上常見有傳

　　

【正文】 y1 圖 串級 Smith 預估控制 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 Smith 預估控制 如圖 ，仿真結果表明，在預測模型精確的情況下， 串級 Smith 控制方法具有很好的控制效果。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 25 第五章 基于 OPC 技術的 盤管出口溫度的實時控制 Matlab 在仿真調試、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。組態(tài)軟件容易實現(xiàn)各種動畫仿真界面的制作，但通常只能實現(xiàn)數(shù)值計算 分析和簡單的控制策略。利用 OPC技術實現(xiàn) Matlab 和組態(tài)軟件 MCGS 之間的數(shù)據(jù)交換，從而可以設計出綜合二者優(yōu)點、功能更加全面完善的控制系統(tǒng)。 OPC 技術 OPC(OLE for Process Control)， 它的出現(xiàn)為基于 Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁 。在過去，為了存取現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息，每一個 應用軟件開發(fā) 商都需要編寫專用的 接口函數(shù) 。由于現(xiàn)場設備的種類繁多，且產品的不斷升級， 往往給用戶和 軟件開發(fā) 商帶來了巨大的工作負擔 。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可 互操作性 的 即插即用 的設備驅動程序 。在這種情況下， OPC 標準應運而生 [9]。 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)。通過 OPC 接口 , 各 OPC 客戶與 OPC 服務器之間形成即插即用的鏈接關系 , OPC 服務器組件提供一個標準接口給 OPC 的對象 , 并且通過這些接口進行管理 , 客戶通過 COM 提供的 API 創(chuàng)建和管理服務器 , 通過接口方法訪問服務器中的數(shù)據(jù)對象。 OPC 客戶與 OPC 服務器進行數(shù)據(jù)交互有同步方式和異步方式兩種。同步方式實現(xiàn)較為簡單 , 當客戶數(shù)目較少而且同服務器交互的數(shù)據(jù)量也較少的時候可以采用這種方式 , 異步方式實現(xiàn)較為復雜 , 需要在客戶程序實現(xiàn)同調函數(shù) , 然而當有大量的客戶和大量數(shù)據(jù)交換時 , 異步方式的效率更高 , 能夠避免客戶數(shù)據(jù)請求的阻塞 , 同時可以最大限度的節(jié)省 CPU和網(wǎng)絡資源。 Matlab 作為客戶端訪問 OPC 服務器的通信流程 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 OPC 客戶端和OPC 服務器之間建立連接 , 以實現(xiàn) MATLAB 與其他軟件和現(xiàn)場生產控制設備之間的實時通訊。 MATLAB OPC Toolbox 提供了豐富的 OPC 工具函數(shù) ,使得我們可以簡單方便地創(chuàng)建客戶端對象 , 建立連接 , 實現(xiàn)添加對象 , 組和項等操作 , 省去了復雜的語言編程 , 節(jié)省了軟件開發(fā)時間 , 大量豐富的 OPC函數(shù)省去了復雜的語言編程，能夠更方便的建立服務器和客戶端的連接， 數(shù)據(jù)訪問和歷史數(shù)據(jù)的創(chuàng)建等。 以 MATLAB 作為強大的客戶端，實現(xiàn)控制系統(tǒng)分析、 算法編寫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 。 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計，并利用 opc技術，建立 MCGS 與 matlab的無縫連接。 MCGS 可以作為 OPC 服務器與作為 OPC 客戶端的其他軟件相連接 , 為其他軟件提供讀寫 MCGS 內部變量的功能 , 在 MCGS 中 , 組對象一級對用戶來說是隱藏起來的 , 用戶只需要指定服務器 , 就可以通過直接瀏覽來察看所有可用的數(shù)據(jù)項。 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 服務器之間建立連接 , 以實現(xiàn) MATLAB 與其他軟件和現(xiàn)場生產控制設備之間的實時通訊 , 以 MCGS 為 OPC 服務器 , MATLAB 為客戶端對 MCGS的數(shù)據(jù)存取。 啟動 MCGS將自動啟動 OPC服務器功能。作為 OPC服務器 ,MCGS運行環(huán)境的服務器名為 : （需要在 mcgs設備窗口添加 opc服務器）。 組對象的創(chuàng)建和管理由 MCGS在后臺進行 ,即組對象一級對用戶來說 ,是隱藏起來的 ,用戶只需指定服務器 ,就可以通過直接瀏覽來察看所有可用的數(shù)據(jù)項。其項目名為各個變量的名字。符合 OPC標準的客戶端都可以讀取 MCGS實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。 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。 1) OPC 基金會提供了一套可 以在網(wǎng)絡上瀏覽其他計算機并能與之通訊的核心組件 , 但這些核心組件并沒有安裝 , 在使用 OPC Toolbox 之前需要安裝到計算機中去 , 在 MATLAB 環(huán)境中我們可以使用 opcregister( ‘ install’ )來安裝。 2) 為使 OPC Toolbx 中的對象和 OPC 服務器對象之間建立連接 , 還需要在 OPC 服務器和 OPC 客戶端進行分布式 COM的環(huán)境設置。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 28 3) 建立一個 MCGS 工程 , 創(chuàng)建工程的數(shù)據(jù)輸入輸出對象之后 , 在設備窗口中選擇相應的設備 , 建立相應的通道連接 , 在這里選擇 out00, out01 兩個變量為 MCGS 的模擬設備正弦輸出和方波輸出 , 而int00, int01 兩個變量為 MCGS 的輸入變量。 4) 在客戶端利用 MATLAB OPC Toolbox 實現(xiàn) MATLAB 與 MCSG 的數(shù)據(jù)通訊。 服務器端 d的設置方法： 在 MCGS組態(tài)環(huán)境“設備窗口”中添加 OPC服務器。在“基本屬性”中對 OPC服務器進行設置。保存設置并退出。 圖 MCGS 中 OPC 服務器的設置 在客戶端的設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，連接剛才所設置的 OPC服務器。 圖 MATLAB中通過 opctoolbox GUI 進行服務器的連接 3) 建立一個 MCGS 工程 , 創(chuàng)建工程的數(shù)據(jù)輸入輸出對象之后 , 在設備窗口中選擇相應的設備 , 建立相應的通道連接。 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。 MATLAB與 OPC連接后，如圖 、 。 圖 運行圖 1 圖 運行圖 2 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 30 結束語 在 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 畢業(yè)設計中，本人在掌握了之前“過程控制”的 課堂教學內容及實驗經驗后，又進一步地查閱資料、設計、調試與分析，并一一解決了畢業(yè)設計中實際設計與應用問題。 掌握了 PCI數(shù)據(jù)采集卡和智能儀表模塊的應用。本文中設計實現(xiàn)的 MCGS組態(tài)系統(tǒng)充分利用了組態(tài)軟件在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)處理、流程控制、趨勢曲線等功能。本系統(tǒng)綜合利用串級 PID控制技術、 OPC技術等等方面進行了論述。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算法加以應用，提高控制精 度。給出了三個比較完整控制算法，如單回路 PID算法、串級 PID算法 Smith預估算法在控制過程中的實現(xiàn)方案，較大提高了系統(tǒng)的時效性、魯棒性，有效地改善了大滯后系統(tǒng)所帶來的不利影響。 總結本文的研究工作，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。 由于時間和客觀條件的限制，本工作還有待進一步的完善，但總體來說本文所作三種算法在本文中的研究設計工作是成功的。 在導師劉麗華老師的悉心教導下，同時參閱 相關資料，良好培 養(yǎng)了綜合能力，尤其為我以后著手自主設計打下了堅實的基礎。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 31 致謝 衷心感謝我的恩師。在畢業(yè)設計階段，老師每周及時通知、交代新的任務，給我們依次深入剖析各自論文中的多個難點、重點，使我們在原有的理論知識層面上，更進一步提高到了實踐學習中。從課題的立項、開題報告，到寫作提綱、論文修改等等，劉老師層層把關，盡職盡責。在最后的實驗運行中，更離不開老師耐心細致的指導。藉此論文完成之際，學生謹以崇敬的心情向恩師致以深切的謝意與祝福！ 其次，同樣感謝老師在中期檢查中對我提出的寶貴建議。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。再次感謝他們。 最后感謝我同組的同學們，我們在過程實驗室中互相討論、互相啟發(fā)，頭腦風暴般地使我對任務的實施有很多收獲。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 32 參考文獻 [1] 余勇，萬德鈞 .一種基于 Smith 預估器的溫度控制系統(tǒng) [J].自動化與儀器儀表， 2020，（ 1）610. 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