【導(dǎo)讀】師指導(dǎo)下完成，引用他人成果的部分均已列出參考文獻(xiàn)。任何知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，本人將承擔(dān)一切責(zé)任。內(nèi)?？刂剖腔谶^程數(shù)學(xué)模型而進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的一種新型控制策略。具有很多優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制性能好，性能分析優(yōu)越等。普及，過程控制越來越受到控制界的廣泛關(guān)注。內(nèi)?？刂凭褪瞧渲兄唬且钥刂?。程生產(chǎn)指標(biāo)的要求。所以內(nèi)?？刂撇粌H是一種先進(jìn)的控制算法，而且是研究預(yù)測(cè)控制。握IMC原理及算法，為以后在工作中的工程實(shí)際應(yīng)用打下良好的鋪墊！在機(jī)理建模，試驗(yàn)建模和混合建模中選用試驗(yàn)建模方法建立了被控過程的數(shù)學(xué)模。設(shè)計(jì)液位過程PLC控制系統(tǒng)，包括液位計(jì)、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、PLC輸入/輸出模。塊的接線，以及與PC機(jī)間的通訊連接。仿真比較了IMC-PID控制及IMC的動(dòng)態(tài)與。為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，設(shè)計(jì)采用串級(jí)IMC控制方案，既。提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。編寫基于PLC的IMC應(yīng)用軟件，實(shí)驗(yàn)證明了該方案的有效性。設(shè)定值附近，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　

【正文】 口設(shè)計(jì)為文件夾，從而簡(jiǎn)化了操作。可自由安裝和拆卸的工作空間和組態(tài)工具欄可輕松滿足用戶的各種要求，使編程效率提高。 數(shù)字量輸入模塊： inline IO 模塊適用于節(jié)省空間的經(jīng)濟(jì)型場(chǎng)合，例如適用于僅有少數(shù)量的接線方式的機(jī)械應(yīng)用場(chǎng)合。 Inline 數(shù)字量輸入模塊專門用于連接從如控制開關(guān)，限位開關(guān)或接近開關(guān)引出的數(shù)字量信號(hào)。 數(shù)字量輸出模塊： inline ME 經(jīng)濟(jì)型模塊適用于節(jié)省空間的經(jīng)濟(jì)型場(chǎng)合，例如適用于僅有少數(shù)量的接線方式的機(jī)械應(yīng)用場(chǎng)合。 Inline 數(shù)字量輸出模塊專門用于連 接數(shù)字執(zhí)行器，例如電磁閥，接觸器或視覺指示燈。 電源功率模塊： inline 電源模塊用于在一個(gè) inline 站內(nèi)對(duì)各個(gè)電壓連接進(jìn)行供電，保護(hù)和診斷。根據(jù)模塊類型可實(shí)現(xiàn)多種功能。例如 IB IL 24 PWR INPAC 電源模塊提供：最大為 8A 的主電路電壓，最大為 8A 的 IO 分段電路電壓。 模擬量輸出輸入模塊：其適用于連接標(biāo)準(zhǔn)傳感器以獲取標(biāo)準(zhǔn)化電流與電壓信號(hào)。例如IB IL AI 2/SFME 提供 2 路模擬量電壓和電流測(cè)量， IB IL AI 41 提供四路電流測(cè)量， IB IL AI 4U 提供四路電壓測(cè)量。其 特性為： 2 線制連接技術(shù)連接的傳感器，測(cè)量值輸出分辨率為 12 位，負(fù)載達(dá)到 500? 時(shí)，雙極性輸出，防短路電流輸出，小于 1ms 的較短更新時(shí)間。 溫度測(cè)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)。 通信模塊：可用于連接帶串口設(shè)備的 inline 通信模塊，如條形碼掃描器） 總線耦合器： INTERBUS 總線耦合器把 inline 站的模塊接入 INTERBUS 網(wǎng)絡(luò)中?？刹捎勉~纜將可選的多個(gè)總線耦合器連接 到 INTERBUS 遠(yuǎn)程分支上。 Inline 站內(nèi)的總線耦合器具有如下功能：（ 1）刷新 INTERBUS 遠(yuǎn)程總線控制信號(hào)（ 2）使用軟件指令斷開遠(yuǎn)程總線或已連接的 I/O 模塊（ 3）使用集成供電模塊為已連接的輸出 /輸入模塊供電 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 19 IMC 算法的 PLC實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由第三章的討論分析，以及考慮 HGK1型過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，本文決定采用IMC—PID的串級(jí)控制實(shí)現(xiàn)水位的恒定的控制，如圖 41所示。 ()Gs()mGs()Cs ()Ys()Ys??????()Rs內(nèi) 環(huán) （ 流 量 ）PI D ()fGs 圖 41 IMCPID液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 41中 ()mGs即為液位 流量模型的傳遞函數(shù)， ()fGs為流量與調(diào)節(jié)閥閥門開度之間的傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)非線性不可測(cè)。 測(cè)得水箱液位值后，與預(yù)測(cè)液位進(jìn)行比較，將偏差反饋到 IMC控制模塊，經(jīng)過 IMC模塊計(jì)算后得到所需要的設(shè)定流量值，該流量值為內(nèi)環(huán) PID模塊的設(shè)定值，通過 PID內(nèi)環(huán)后，使實(shí)際流量逼近設(shè)定流量值，輸出到水箱，即可以控制水箱液位。 由于內(nèi)環(huán)是 PID調(diào)節(jié)，可以不考慮 ()fGs的具體形式。 IMC 算法的計(jì)算流程 IMC是一種基于模型的控制，與 PID算法相比，他對(duì)模型精度的依賴比較強(qiáng)。仿真可知，模型與實(shí)際模型偏差較小時(shí)，預(yù)測(cè)液位與實(shí)際液位偏差也較小，而且變化趨勢(shì)相同；但是模型與實(shí)際模型偏差較大時(shí)，預(yù)測(cè)液位會(huì)跟實(shí)際液位保持很大的偏差，變化趨勢(shì)上也有不同。第二章建立的流量 液位模型與實(shí)際的流量 液位模型偏差很小，但是由于實(shí)際模型是閥門開度 液位模型，而內(nèi)環(huán)的閥門開度 流量控制受調(diào)節(jié)閥本身性能的影響，效果并不好，所以總的實(shí)際模型與理論模型必然有 很大的偏差，最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明結(jié)果曲線跟模型偏差較大時(shí)的仿真曲線相似。 根據(jù)圖 41，整個(gè)控制流程可以分為以下幾步： 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 20 (1)將上一次實(shí)際液位和預(yù)測(cè)液位之間的偏差與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到新的偏差，通過內(nèi)?？刂破饔?jì)算出液位設(shè)定值，并以液位設(shè)定值通過理論模型計(jì)算出預(yù)測(cè)液位。 (2)將液位設(shè)定值送入內(nèi)環(huán)，由 PID控制器控制閥門開度來跟蹤流量。 圖 42 內(nèi)?？刂频挠?jì)算流程圖 IMC 算法的 PLC 實(shí)現(xiàn) 編程過程中的模塊調(diào)用關(guān)系見圖 43。 用 菲尼克斯 實(shí)現(xiàn)算法的詳細(xì)步驟如下： 首先調(diào)用初始化程序 OB100，完成初始化和寫 PID模塊控制參數(shù)。然后周期執(zhí)行主程序OB1： 外環(huán) 入口 （周期 2s） 理論模型 ( ) ( ) , 1 , ,iy i h e y i i N? ? ? … 歷史值 液位 位的偏差，留待下一次 循環(huán)調(diào)用 返回 偏差 內(nèi)環(huán) 入口 （周期 ） ，得到 PID 控制量 返回 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 21 第 l步用 調(diào)用傳感器標(biāo)定 模塊 FC3。該模塊接收傳感器傳來的 0~27648信號(hào)，并將其標(biāo)定為實(shí)際物理值。 第 2步調(diào)用報(bào)警模塊 FC6；該模塊在液位超過 500mm的時(shí)候報(bào)警。 第 3步對(duì)液位進(jìn)行判定，如果當(dāng)前液位非常低則暫?？刂谱饔?，直接開大閥門放水。 第 4步定時(shí)器每 8秒調(diào)用一次外環(huán)控制模塊 FC1； 第 5步定時(shí)器每 2秒調(diào)用一次內(nèi)環(huán)控制模塊 FC9； 圖 43 模塊間的調(diào)用關(guān)系 主模塊OB1 初始化 OB100 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)DB 運(yùn)行 外環(huán) FC1 2s 采樣時(shí)間到 報(bào)警 FC6 標(biāo)定 FC3 內(nèi)環(huán) FC9 采樣時(shí)間到 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 22 總結(jié) 本文基于東南大學(xué) HGK1型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以該平臺(tái)中的液位過程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于可編程序控制器（ PLC）的液位控制系統(tǒng)，采用內(nèi)?？刂疲?IMC）算法，仿真并實(shí)驗(yàn)研究 IMC在該過程中的應(yīng)用效果。 本文主要完成了如下工作： HGK1 型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。采用試驗(yàn)建模方法建立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，為仿真研究提供基礎(chǔ)。 。通過 Matlab仿真進(jìn) 行 IMC參數(shù)的優(yōu)化選擇，比較了 PID控制及 IMC在液位過程控制中的動(dòng)靜態(tài)性能和設(shè)計(jì)方法。 IMC的控制性能與 PID控制相當(dāng)，而理論清晰、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要整定一個(gè)參數(shù)就能得到很好的效果，比需要憑借經(jīng)驗(yàn)試湊的 PID整定要方便得多，體現(xiàn)出了先進(jìn)控制算法的優(yōu)越性。 IMCPID 串級(jí)控制的實(shí)現(xiàn)方案。 介紹了 PLC 控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并采用菲尼克斯控制系統(tǒng)完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)基于 WINCC 設(shè)計(jì)了液位過程監(jiān)控軟件，完成液位過程的流程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和處理等。 最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于本文中所建立的一階慣性形式 的流量 液位模型， IMC設(shè)計(jì)方法能非常便捷地設(shè)計(jì)出控制器以及整定參數(shù)，得到了很好的控制效果。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，掌握 IMC算法的原理，參數(shù)整定及其在 PLC上的實(shí)現(xiàn)方法，并成功應(yīng)用在液位過程對(duì)象上的目的已經(jīng)達(dá)到。 由于時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的不足，在本課題的研究中，尚存在以下方面需要進(jìn)一步深入研究： 1各個(gè)傳感器傳入的信號(hào)沒有經(jīng)過濾波，尤其是流量和液位傳感器，信號(hào)振蕩較大。如果經(jīng)過濾波處理，能否減小穩(wěn)態(tài)時(shí)的振蕩，可以進(jìn)一步深入研究。 。由于閥門開合比 較慢，流量只能從趨勢(shì)上跟蹤設(shè)定值，振蕩很大。如果能建立流量和閥門開度之間的模型，就可以結(jié)合內(nèi)環(huán)從理論上計(jì)算出一個(gè)相對(duì)精確的理論模型，控制效果能得到提升。更能體現(xiàn)內(nèi)模控制的特點(diǎn)。 3. 采樣時(shí)間和濾波器常數(shù)還可以進(jìn)一步優(yōu)化 。當(dāng)前采樣時(shí)間是從書上得到的經(jīng)驗(yàn)值，濾波器常數(shù)也只是通過仿真確定了一個(gè)粗略的范圍。時(shí)間有限，如果能做更多次的測(cè)試，就可以得到更優(yōu)的采樣時(shí)間和濾波器常數(shù)。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 23 致謝 我的這篇論文已接近尾聲；歲月如梭，我四年的大學(xué)時(shí)光也即將敲響結(jié)束的鐘聲。離別在即，站在人生的又一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，心中難免思緒萬千， 一種感恩之情油然而生。四年的大學(xué)生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開始。在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導(dǎo)師陳夕松的指導(dǎo)與督促。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo) ,經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥 ,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟 ,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路 ,柳暗花明又一村”。我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改，后期論文格式的修改等，各個(gè)環(huán) 節(jié)都給予了我悉心的指導(dǎo)。 在此我還要非常感謝我的師兄儲(chǔ)成旭的指導(dǎo)與幫助。沒有他的細(xì)心指導(dǎo)我的論文也不會(huì)順利完成，感謝他在百忙之中抽出時(shí)間幫助我搜集文獻(xiàn)資料，幫助我理清論文寫作思路，對(duì)我的論文提出了諸多寶貴的意見和建議，同時(shí)他的學(xué)習(xí)精神也是我效仿的榜樣，對(duì)于他的幫助我表示真摯的感謝。求學(xué)歷程是艱苦的，但又是快樂的，感謝在這四年的學(xué)年中結(jié)識(shí)的各位生活和學(xué)習(xí)上的摯友讓我得到了人生最大的一筆財(cái)富。在此，也對(duì)他們表示衷心感謝。 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被 我引用或參考的論著的作者，在此，向各學(xué)術(shù)界的前輩們致敬！書到用時(shí)方恨少，在這篇論文的寫作過程中，我深感自己的水平還非常的欠缺。生命不息，奮斗不止，人生就是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)和完善的過程，在以后的工作與學(xué)習(xí)中，我會(huì)把自己的專業(yè)知識(shí)充分運(yùn)用到實(shí)際的生活中，最大限度 地 發(fā)揮自己的余熱！ 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 24 參考文獻(xiàn) [1] 楊大勇 . 內(nèi)?？刂圃谶^程控制中的應(yīng)用研究 [J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化 . 20xx, 12(7): 4951. [2] 文新宇 ,張井崗 。趙志誠(chéng) 內(nèi)?？刂蒲芯烤C述 [J] 電氣自動(dòng)化 , 20xx,12(1),0115. [3]陳夕松 .過程控制系統(tǒng) [M] .北京 .科學(xué)出版社 ,20xx. [4]趙曜 . 最小能量有限拍魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào) , 1993, 19(3): 340345. [5] Chawkul N, Budman H, Douglas P L. The integration of design and control: IMC control and robustiness[J]. Computers amp。 Chemical Engineering, 20xx, 29(l):261271. [6] 趙曜 內(nèi)?？刂瓢l(fā)展綜述 [J] 信息與控制 , 20xx, 15(6),815. [7]馬姝姝．時(shí)滯系統(tǒng)的內(nèi)模控制研究 [D]. 南京 ,東南大學(xué) ,20xx. [8]梁年升，李陸世．大電網(wǎng)并列運(yùn)行水電機(jī)組功率智能預(yù)測(cè)控制 [J]．華中理工大型學(xué)報(bào)，1996,24（ 10）： 4346. [9]牛瑞燕 . 智能二自由度內(nèi)模控制 [J]. 控制理論與應(yīng)用 . 20xx, 18（ 4）： 624628. [10]金以慧 . 過程控制 [M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 1993. [11]王樹青 , 金曉明 , 榮岡 . 工業(yè)生產(chǎn)過程的先 進(jìn)控制 [J]. 化工自動(dòng)化及儀表 . 1999, 26(2): 6165. [12]Ahmad Ali, Somanath Majhi. PI/PID controller design based on IMC and percentage overshoot specification to controller setpoint change[J], ISA Transactions 20xx 48 (4) 1015. [13]湯偉 , 施頌椒 , 王孟效 . 大時(shí)滯過程雙自由度自整定內(nèi)模控制 [J]. 上 海交通大學(xué)學(xué)報(bào) , 20xx, 37(4): 493498. [14]陳海霞 , 趙曜 , 彭力 . 三自由度內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì) [J]. 控制理論與應(yīng)用 , 20xx, 26(11): 1618. [15]周涌 , 陳慶偉 , 胡維禮 . 內(nèi)模控制研究的新發(fā)展 [J]. 控制理論與應(yīng)用 , 20xx, 2l(3): 475479 [16]金秀章 , 劉吉臻等 . 自適應(yīng)內(nèi)?？刂圃谥髡羝麥囟瓤刂葡到y(tǒng)中的應(yīng)用研究 [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) , 20xx, 23(10): 225229. [17]陳娟，閆聰，潘立登，等 . 基于遺傳算 法時(shí)滯系統(tǒng)的濾波器參數(shù)自調(diào)整內(nèi)模控制 [J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào) , 20xx, 29(5): 4751.