【正文】 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(guò)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。求學(xué)歷程是艱苦的，但又是快樂(lè)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。從論文題目的選定到論文寫(xiě)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(wú)路 ,柳暗花明又一村”。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(kāi)始。當(dāng)前采樣時(shí)間是從書(shū)上得到的經(jīng)驗(yàn)值，濾波器常數(shù)也只是通過(guò)仿真確定了一個(gè)粗略的范圍。由于閥門(mén)開(kāi)合比 較慢，流量只能從趨勢(shì)上跟蹤設(shè)定值，振蕩很大。 通過(guò)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(guò)程對(duì)象上的目的已經(jīng)達(dá)到。 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。 本文主要完成了如下工作： HGK1 型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。該模塊接收傳感器傳來(lái)的 0~27648信號(hào)，并將其標(biāo)定為實(shí)際物理值。 (2)將液位設(shè)定值送入內(nèi)環(huán)，由 PID控制器控制閥門(mén)開(kāi)度來(lái)跟蹤流量。 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(lài)比較強(qiáng)。 Inline 站內(nèi)的總線(xiàn)耦合器具有如下功能：（ 1）刷新 INTERBUS 遠(yuǎn)程總線(xiàn)控制信號(hào)（ 2）使用軟件指令斷開(kāi)遠(yuǎn)程總線(xiàn)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(guò)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。其 特性為： 2 線(xiàn)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。根據(jù)模塊類(lèi)型可實(shí)現(xiàn)多種功能。 Inline 數(shù)字量輸入模塊專(zhuān)門(mén)用于連接從如控制開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)引出的數(shù)字量信號(hào)。 PC WORX 是一款適用于所有菲尼克斯電氣控制器的符合 IEC61131 標(biāo)準(zhǔn)的通用自動(dòng)化軟件，其 界面能夠快速方便的顯示項(xiàng)目概況。簡(jiǎn)而言之，它們即使在分布式系統(tǒng)中也是適用于中小型應(yīng)用場(chǎng)合的理想解決方案。 下面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的各種軟件作簡(jiǎn)要說(shuō)明。 檢測(cè)儀表 :壓力，液位，流量傳感器。 控制系統(tǒng)軟硬件選型 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 菲尼克斯系統(tǒng)簡(jiǎn)介：菲尼克斯是一 種功能模塊化的小型 PLC 系統(tǒng)，其具有良好的性?xún)r(jià)比使之成為中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的最佳選擇。 其中由 1169176????picpc kk???? 可以得到 P=176， I=， D=0 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 17 第四章 液位過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 該液位控制系統(tǒng)主要控制電動(dòng)閥按照預(yù)定的工藝及功能要求執(zhí)行動(dòng)作。這表明盡管內(nèi)?？刂破?)(sGc 本身沒(méi)有積分項(xiàng)，但 IMCPID 控制的結(jié)構(gòu)保證了整個(gè)內(nèi)?？刂瓶梢韵嗖?[11]。 2 11 1()1 ppI D Ic I F p psssC s k s s k s??? ? ?? ? ? ??? ?? ? ? ????? ??? ? ? ??? ? ? ? ?? () 根據(jù) 和第二章 得到的過(guò)程模型 ()mGs，可得： 1169176????picpc kk???? 進(jìn)行閉環(huán)仿真，考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，調(diào)整 ? 大小。因此， IMCPID 控制在工業(yè)控制，尤其是對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)控制過(guò)程中，得到了廣泛應(yīng)用。所以系統(tǒng)采用串級(jí)制 ,結(jié)構(gòu)如圖 33 所示 ：主 控 制 器 副 控 制 器 液 位流 量? ?? ?二 次干 擾一 次干 擾控 制 閥檢 測(cè) 變 送檢 測(cè) 變 送 圖 33 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 基于內(nèi)?？刂频?PID 控制器設(shè)計(jì) 在化工機(jī)械等過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)中，控制器的 主要類(lèi)型是 PID 調(diào)節(jié)器。所以對(duì)某個(gè)具體系統(tǒng)，濾波器時(shí)間常數(shù) ? 的取值應(yīng)在兼顧動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)魯棒性之間進(jìn)行折衷。 這里取 r=1， ? 暫時(shí)取 40，可以得到： ?? 14015011169)( ??? sssGc （ ） 需要注意的是，因?yàn)槭?()中的控制器是基于零極點(diǎn)相消原理來(lái)設(shè)計(jì)的，因而這種形式的內(nèi)?？刂扑惴ú荒軕?yīng)用于開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程 [13]。其次， )(sGm 中若包含非最小相位環(huán)節(jié)（即其零點(diǎn)在右半平面），其倒數(shù)則會(huì)形成不穩(wěn)定環(huán)節(jié)。然而，由于內(nèi)模控制對(duì)模型有較強(qiáng)的依賴(lài)性 [10]，這也限制了它在工業(yè)過(guò)程中的推廣應(yīng)用。 IMCPID 原理 在過(guò)程控制的實(shí)際應(yīng)用中 , 采用內(nèi)?？刂圃砟軓母旧咸岣?PID控制器的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能。 此時(shí) 模型的輸出 )(~sY 與過(guò)程輸出 )(sY 相等，反饋信號(hào)為零。最后取幾組合理模型的平均值。 （ 6）多次試驗(yàn)，在加正階躍和負(fù)階躍等相同情況下，做多次試驗(yàn)，取得合理模型。記下此時(shí)穩(wěn)定后的液位為 ，流量 （ 2）修改設(shè)置閥門(mén)開(kāi)度為 25%。 具體步驟以其中一次實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說(shuō)明： （ 1）開(kāi)機(jī)上電后，啟動(dòng)變頻器，在上位機(jī)上設(shè)置閥門(mén)開(kāi)度 20%大小。這里建模需要用到上位機(jī)和 PLC部分程序，用來(lái)手動(dòng)設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥大小。機(jī)理建模分析，液位模型是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，設(shè)傳遞函數(shù)為 () 1p KGs Ts? ?，需要求的增益和時(shí)間常數(shù)。 4）實(shí)驗(yàn)中在輸入階躍信號(hào)前，被控過(guò)程必須處于穩(wěn)定的工作狀況。為了得到精確的測(cè)試結(jié)果，應(yīng)注意以下事 項(xiàng) [7]： 1） 合理選擇階躍擾動(dòng)信號(hào)的幅度，既不能太大，以免影響正常生產(chǎn)，也不能過(guò)小，以防止被控過(guò)程的不真實(shí)?；旌辖Ｊ揭环N比較實(shí)用的方法，它先由激勵(lì)分析的方法提出數(shù)學(xué)模式的結(jié)構(gòu)形式，然后對(duì)其中某些未知的或不確定 的參數(shù)利用實(shí)驗(yàn)的方法給予確定。這些數(shù)據(jù)或曲線(xiàn)就可以用來(lái)表示對(duì)象特性。 6）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)和優(yōu)化工作 ──利用數(shù)學(xué)模型可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程中控制系統(tǒng)的故障及其原因，并提供正確的解決途徑。這離不開(kāi)對(duì)被控對(duì)象特性的了解，而且主要是依靠對(duì)象的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化 4）優(yōu)化控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)控制算法 ──在系統(tǒng)優(yōu)化和確定控制算法的過(guò)程中，需要以被控對(duì)象的數(shù)學(xué) 模型為依據(jù)。大時(shí) 滯控制系統(tǒng)中被控變量及檢測(cè)點(diǎn)的選擇、控制（操縱）變量的確定、控制器結(jié)構(gòu)形式的選定等都與被控對(duì)象的特性有關(guān)。 水箱 水池 泵 2 3 1 液位傳感器 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 7 液位過(guò)程建模 在控制系統(tǒng)的性能分析和方案設(shè)計(jì)中，對(duì)象數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性在控制系統(tǒng)中具有決定性的作用。 HGK1型液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 24所示。 (3)渦輪流量傳感器 用來(lái)檢測(cè)單相 水泵動(dòng)力支路的流量，包括供水流量以及出水流量。 系統(tǒng)中采用的過(guò)程檢測(cè)儀表包括： (1)壓力傳感器 管道中壓力傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)壓力。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 4 第二章 過(guò)程建模 本章概要介紹了 HGK1 型過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其功能，以及在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上建立的液位控制系統(tǒng)。 第二章 概要介紹 HGK1型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能，描述了 HGK1型液位控制系統(tǒng)的工作過(guò)程整個(gè)大循環(huán)，重點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)建模，機(jī)理建模和混合建模三者之間選用合適的建模方法去建立平臺(tái)中的液位 流量數(shù)學(xué)模型。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以了解IMC這種先進(jìn)的控制算法，學(xué)習(xí)掌握 IMC算法原理及其在液位控制過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)方法，掌握基于階躍響應(yīng)的過(guò)程建模方法以及在 MATLAB環(huán)境下的 IMC仿真實(shí)現(xiàn)方法，編寫(xiě) IMC應(yīng)用軟件和組態(tài)軟件等。內(nèi)?？刂婆c經(jīng)典 PID 控制相比，僅有一個(gè)整定參數(shù)，參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確 , 特別是對(duì)于抗干擾性和大時(shí)滯系統(tǒng)控制效果的改善尤為顯著，適用于時(shí)滯系統(tǒng)的控制。其中基于內(nèi)?？刂频?PID控制不僅保留了傳統(tǒng) PID控制的優(yōu)點(diǎn)，而且具有整定參數(shù)少，適用于時(shí)滯控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 1982年， Gracia和 Morari完整提出并發(fā)展了內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu) ,并將其命名為內(nèi)?？刂?。 內(nèi)?？刂频陌l(fā)展現(xiàn)狀與前景 內(nèi)?？刂?(IMC)產(chǎn)生的背景主要有兩個(gè)方面：一是為了對(duì)當(dāng)時(shí)提出的兩種預(yù)測(cè)控制算法MAC和 DMC進(jìn)行系統(tǒng)分析；其次是作為 Smith預(yù)估器的一種擴(kuò)展，使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便，魯棒及抗擾性大為改善。 內(nèi)?？刂茖?duì)于魯棒性和抗干擾性的改進(jìn)較為突出，而且對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)的控制也有良好的控制效果。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明 IMC 也是多變量過(guò)程調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的重要方法之一。在工業(yè)控制領(lǐng)域相當(dāng)多的控制問(wèn)題可以用簡(jiǎn)單的 PID 控制器解決，但許多被控對(duì)象機(jī)理 比較復(fù)雜，具有大純滯后、明顯非線(xiàn)性和多變量藕合性。 IMCPID。 串級(jí)控制 。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。通過(guò)本次學(xué)習(xí)掌握 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！ 論文在介紹了 HGK1 型過(guò)程控制 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，闡述了液位過(guò)程建模的方法和特點(diǎn)。內(nèi)?？刂凭哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制性能好，性能分析優(yōu)越等。 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 (論文 ) 基于內(nèi)?？刂频?PID在過(guò)程控制中的應(yīng)用研究 所 屬 系 化工與制藥工程系 專(zhuān) 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 學(xué) 號(hào) 06110341 姓 名 王大林 指導(dǎo)教師 陳夕松 起訖日期 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 東南大學(xué)四牌樓校區(qū)動(dòng)力樓 119 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 本人承諾所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào)告（論文）及取得的成果是在導(dǎo)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)。隨著工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的普及，過(guò)程控制越來(lái)越受到控制界的廣泛關(guān)注。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(guò)程的數(shù)學(xué)模型。編寫(xiě)基于 PLC 的 IMC 應(yīng)用軟件，以及基于 PC 上位機(jī)的應(yīng)用組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)液位過(guò)程的自動(dòng)控制和監(jiān)督管理，仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該方 案的有效性。 IMCPID。 PLC control III 目 錄 摘要 .................................................................................................................................................. ? Abstract ............................................................................................................................................?? 目 錄 ...............................................................................................................................