【正文】 最后感謝我同組的同學(xué)們，我們在過程實(shí)驗(yàn)室中互相討論、互相啟發(fā)，頭腦風(fēng)暴般地使我對任務(wù)的實(shí)施有很多收獲。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。在最后的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，更離不開老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，老師每周及時通知、交代新的任務(wù)，給我們依次深入剖析各自論文中的多個難點(diǎn)、重點(diǎn)，使我們在原有的理論知識層面上，更進(jìn)一步提高到了實(shí)踐學(xué)習(xí)中。 在導(dǎo)師劉麗華老師的悉心教導(dǎo)下，同時參閱 相關(guān)資料，良好培 養(yǎng)了綜合能力，尤其為我以后著手自主設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 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(yù)估算法等是當(dāng)前比較常見的控制技術(shù)。具有組態(tài)軟件界面友好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)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。本文中設(shè)計(jì)實(shí)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。 圖 運(yùn)行圖 1 圖 運(yùn)行圖 2 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 30 結(jié)束語 在 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 畢業(yè)設(shè)計(jì)中，本人在掌握了之前“過程控制”的 課堂教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)后，又進(jìn)一步地查閱資料、設(shè)計(jì)、調(diào)試與分析，并一一解決了畢業(yè)設(shè)計(jì)中實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用問題。 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(shí)現(xiàn) MATLAB 與 MCSG 的數(shù)據(jù)通訊。 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。在“基本屬性”中對 OPC服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置。 4) 在客戶端利用 MATLAB OPC Toolbox 實(shí)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(jìn)行分布式 COM的環(huán)境設(shè)置。 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(shí)現(xiàn) MATLAB 與 MCGS 實(shí)時通訊的準(zhǔn)備工作主要包括以下幾個方面。其項(xiàng)目名為各個變量的名字。作為 OPC服務(wù)器 ,MCGS運(yùn)行環(huán)境的服務(wù)器名為 : （需要在 mcgs設(shè)備窗口添加 opc服務(wù)器）。 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(shí)現(xiàn) MATLAB 與其他軟件和現(xiàn)場生產(chǎn)控制設(shè)備之間的實(shí)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。 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(shí)現(xiàn) MATLAB 與 MCGS 的實(shí)時通訊 要求在 THPCAT2型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置上，利用組態(tài)軟件 MCGS實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的實(shí)時采集和友好的界面設(shè)計(jì)，并利用 opc技術(shù)，建立 MCGS 與 matlab的無縫連接。 以 MATLAB 作為強(qiáng)大的客戶端，實(shí)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 作為客戶端訪問 OPC 服務(wù)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(wù)器之間建立連接 , 以實(shí)現(xiàn) MATLAB 與其他軟件和現(xiàn)場生產(chǎn)控制設(shè)備之間的實(shí)時通訊。 OPC 客戶與 OPC 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互有同步方式和異步方式兩種。 OPC 規(guī)范提供了兩種 COM 組件之間連接的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口 :OPC 定制接口 (OPC Custom interfaces) 和 OPC 自動化接口 (OPC Automation interfaces)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)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(shè)備驅(qū)動程序 。在過去，為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個 應(yīng)用軟件開發(fā) 商都需要編寫專用的 接口函數(shù) 。利用 OPC技術(shù)實(shí)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(jì)出綜合二者優(yōu)點(diǎn)、功能更加全面完善的控制系統(tǒng)。 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(shí)時控制 Matlab 在仿真調(diào)試、策略運(yùn)用等方面有著明顯的優(yōu)勢，但界面編寫功能比較有限。 01( ) ( )tciK e t e t dtT???????? （ ） 式中： KC是比例系數(shù)， Ti是積 分常數(shù) Smith 預(yù)估加串級控制系統(tǒng)的整體框圖如圖 。所以主回路采用 PI控制。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。 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。 Smith 預(yù)估控制的實(shí)質(zhì)就是與實(shí)際對象并聯(lián)一個模型 1 spGe???（ s） （ ），因此，控制器 G（ s） 時不需要再考慮純時延環(huán)節(jié)的影響。 Smith 預(yù)估器的控制結(jié)構(gòu)如圖 。 ()CGS表示設(shè)計(jì)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(xiàng)，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。內(nèi)環(huán)采用 Smith 預(yù)估器，大幅度降低滯后對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，圖 Smith 預(yù)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無靜差 [6]。其特點(diǎn)是通過預(yù)估對象的動態(tài)特性，用一個預(yù)估模型來進(jìn)行時間滯后的補(bǔ)償，使被延遲了τ的被調(diào)量超前反饋到控制量，進(jìn)而控制提前動作，從而減小超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過程 [8]。 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 Smith預(yù)估控制器的控制方案 本文將串級控制與 Smith 預(yù)估結(jié)合起來，與單純的串級控制相比獲得更高的穩(wěn)態(tài)精度。為使曲線更加完美，主回路加入了微分控制。 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。需要加入積分控制，或者在此基礎(chǔ)上還要加入微分控制。 主調(diào)節(jié)器kp=，副回路 kp = ，如圖 。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(yàn)數(shù)值上 ,然后逐步減小 ,觀察副參數(shù)的過渡過程曲線。 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)。本文中采用的就是經(jīng)驗(yàn)試湊法。常用的工程整定法有臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法、經(jīng)驗(yàn)試湊法等。另一類是工程整定法。一類是理論計(jì)算整定法，如根軌跡法、頻率特性法等。在這種情況下，就需要在主、副回路之間反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，才能達(dá)到最佳的整定。即按“先副后主”、“先比例后積分最后微分”的次序整定。在整定時應(yīng)盡量加大副調(diào)節(jié)器 的增益以提高副回路的頻率，目的是使主、副回路的頻率錯開，最后相差三倍以上，以減少互相之間的影響。在運(yùn)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。如圖 。兩個控制器采用串聯(lián)控制方式，主控制器的輸出作 為副控制器的給定值，而由副控制器的輸出來控制執(zhí)行器的的動作。 盤管出口溫 度串級 PID 控制系統(tǒng)是一個雙回路系統(tǒng)，與上文中的單回路控制系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上多了一個副回路。 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。 鍋 爐 內(nèi) 膽盤 管溫 度 變 送 器主 調(diào) 節(jié) 器給 定 值溫 度調(diào) 壓 模 塊 電 加熱 管 圖 盤管出口溫 度單回路 PID 控制系統(tǒng) 如圖 ，單回路 PID對該系統(tǒng)的控制效果并不盡人意，雖無超調(diào)，但是調(diào)節(jié)時間長。顯然本方案系統(tǒng)中的滯后包括了內(nèi)膽容量的滯后和盤管傳輸?shù)臏?，且前者的滯后時間一般要遠(yuǎn)大于后者。 度單回路 PID 控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖 。 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。 與插值不同的是，曲線擬合并不要求 y= f ( x )的曲線通過所有離散點(diǎn) （ xi, yi） 。 通過實(shí)驗(yàn)獲得有限對測試數(shù)據(jù)（ xi, yi） ,本文 利用這些數(shù)據(jù)來求取近似函數(shù) y= f ( x) 。這是辨識過程的重要一環(huán) 。 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?? 。 依照此法，同樣選取該兩個時刻下的鍋爐內(nèi)膽溫度數(shù)值 、 作為 t’1和 t’2，帶入公式45中，算出 T1=64,τ 1=3。 第二：運(yùn)用（兩點(diǎn)）計(jì)算法求時間常數(shù) T和滯后 時間τ。所以本文選擇了 （兩點(diǎn)）計(jì)算法 ，該法步驟 如下： 第一：由公式 K。 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(diǎn)）計(jì)算法。將實(shí)際測量到的盤管溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，則得到圖 。將實(shí)際測量到的鍋爐內(nèi)膽溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，則得到圖 。 結(jié)束時間下盤管溫度： ℃ ，鍋爐內(nèi)膽溫度： ℃。如表 。 記下的測模型開始時間為 14:11，