【正文】 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 。 關鍵詞： 大滯后系統(tǒng)； PID 控制 ；串級控制； Smith 預估 Abstract Ⅱ Abstract (Times New Roman、 16磅、加粗、居中 ) （ Times New Roman 、 12磅） The pure lag widely exists in some modern industrial process, such as chemical industry and heating processes. This lag is not conducive to the control of system , sometimes it even could cause serious damages to system stability. In the cascade control system of electrically heated boiler and coil outlet temperature， it is crucial to cope with its lag. Based on MCGS , the model of boiler coil outlet temperature hysteresis system which consists of puter, boilers, pumps, temperature transmitters and electric control valve is measured . In this paper three schemes , singleloop PID control , cascade PID control and cascadesmith control , are adopted in the case of less control demanding . The process variables， control variables and set points are live updated between MCGS and MATLAB by OPC(OLE for Process Control). Experiments demonstrate the feasibility of three schemes, which can well achieve the control of temperature. Keywords: Large timedelay system； PID control； Cascade control； Smith controller 目錄 Ⅲ 目 錄 （宋體、三號、加粗、居中） 摘要 （中文） ???????????????????????????? I （英文） ???????????????????????????? II 第一章 概述 ???????????????????????????? 1 課題意義與研究背景 ?? ???????????????????? 1 本文研究的主要內容 ?????????????????????? 2 第二章 監(jiān)控組態(tài)工程設計 ?????????????????????? 3 系統(tǒng)結構介紹 ????????????????????????? 4 制作工程畫面 ????????????????????????? 5 構建實時數(shù)據(jù)庫 ???????????????????????? 7 設備 窗口 ??????????????????????????? 8 運行策略 ??????????????????????????? 8 第三章 鍋爐盤管出口溫度的建模 ??????????????????? 10 建模的概念 ?????????????????????????? 10 建模步驟 ?????????????????????????? 10 建模方法 ?????????????????????????? 10 階躍響應曲線法建模 ?????????????????????? 11 獲取模型方法 ???????????????????????? 11 測試步驟 ?????????????????????????? 11 模型參數(shù)的確定 ???????????????????????? 16 模型校驗 ???????????? ????????????? 17 第四章 盤管出口溫度的串級控制的仿真分析 ?????????? 19 盤管出口溫 度單回路 PID 控制 ??? ????????????? 19 盤管出口溫 度串級 PID 控制 ???? ???????????? 20 串級控制結構結合 Smith預估控制器的控制方案 ????????? 22 第五章 基于 OPC 技術的 盤管出口溫度的實時控制 ?????????? 25 OPC 技術 ??????????????? ?????????? 25 Matlab 作為客戶端訪問 OPC 服務器的通信流程 ?????????? 26 基于 OPC 實現(xiàn) MATLAB 與 MCGS 的實時通訊 ?? ?????????? 29 目錄 Ⅲ 結束語 ???????????????????????????????? 30 致謝 ???????????????????????????????? 31 參考文獻 ?????????????????????????????? 32 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 1 第一章 概述 課題意義與研究背 景 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。這種滯后時間的存在，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。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。 PID 控 制即比例、積分、微分控制，其結構簡單實用，參數(shù)易于調整，在長期應用中積累了豐富的經驗，常用于工業(yè)生產領域。 串級控制 系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)相比，它能改善過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質量能迅速克服進入副回路的二次擾動。串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應用比較廣泛，有如下幾種情況： 1. 用于克服被控過程較大的容量滯后 在過程控制系統(tǒng)中，被控過程的容量滯后 較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產工藝的要求。 2. 用于克服被控過程的純滯后 被控過程中存在純滯后會嚴重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產工藝的要求。改善控制系統(tǒng)的控制質量。只要在設計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。這會導致當負載變化時整個系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。 大林控制算法是由美國 IBM 公司的大林（ Dahlin）提出的一種針對工業(yè)控制過程中純滯后特點且不同于常規(guī) PID 控制的新型算法， 是運用于自動控制領域中的一種算法， 也 是一種先設計好閉環(huán)系統(tǒng)的響應再反過來綜合調節(jié)器的方法。此算法具有消除余差、對純滯后有補償作用 等特點。但是大林算法的參數(shù)也很難確定，由于工業(yè)生產過程被控對象的時變性和不確定性，使得該算法只能方便對模型參數(shù)確定的系統(tǒng)進行有效的控制 [3]。 Smith 預估補償是在系統(tǒng)的反饋回路中引入補償裝置，將控制通道傳遞函數(shù)中的純滯后部分與其他部分分離。如果預估模型準確，該方法能后獲得較好的控制效果，從而消除純滯后對系統(tǒng)的不利影響，使系統(tǒng)品質與被控過程無純滯后時相同。但 Smith 預估控制依賴于被控對象精確的數(shù)學模型 ,模型誤差會大大影響控制效果。如果存在負荷擾動或者被控對象模型不精確時，采用上面這種史密斯預估控制方法，控制精度不能夠令人滿意。在大滯后系統(tǒng)的控制中 ,人們常常將串級與 Smith 預估控制方法相結合，這樣便可極大程度地降低大滯后帶來的影響 [6]。本文將 MCGS與 MATLAB相結合，實現(xiàn)溫度滯后系統(tǒng)的控制，盡可能改善純滯后對系統(tǒng)動態(tài)性能造成的不利影響。 首先，在過程控制實驗室中采用數(shù)據(jù)采集卡和智能儀表，開環(huán)狀態(tài)下進行測鍋爐盤管出口溫度滯后系統(tǒng)的模型的工作。在確定適合的采樣時間后，兩組數(shù)據(jù)再依次經過Matlab處理并仿真，分別得到了盤管和鍋爐內膽的仿真模型。 本文的結構安排如下： 第一章：概述 對目前工業(yè)控制的發(fā)展概況進行了敘述，隨后指出了本文研究工作的背景、意義以及將解決的問題。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 2 第三章 鍋爐盤管出口溫度的建模 本章提供了系統(tǒng)的建模原理、方法、步驟，確定模型的參數(shù)并進行模型校驗、展示結果等。系統(tǒng)運行試驗結果表明，系統(tǒng)的設計是成功的，算法的控制效果良好。 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 3 第二章 監(jiān)控組態(tài)工程設計 Monitor and Control Generated System(簡稱 MCGS)，是一套基于 Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系 統(tǒng)。它能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、流程控制、動畫顯示、報警和安全機制、趨勢曲線、報表輸出等功能。用戶無須具備計算機編程的知識，就可以在短時間內使用靈活的組態(tài)方式輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)定，功能全面，維護量小并且具備專業(yè)水準的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作，其重要性可見一斑。由于 MCGS具有的操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，目前 它 已經在石油、化工、電力、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農業(yè)自動化、航空航天等多種工程領域獲得成功的應用。需要進行以下設計的內容： 主控窗口 : MCGS的主控窗口是組態(tài)工程的主窗口，是所有設備窗口和用戶窗口 的父窗口，可以設置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責這些窗口的管理和調度，并調度用戶策略的運行。 設備窗口 : 設備窗口是 MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，是連接和驅動外部設備的工作環(huán)境。 用戶窗口 : 本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，是由用戶來定義的，可以是一個或多個用戶窗口組合而成的，它的顯示和關閉由各種策略構件和菜單命令來控制。 實時數(shù)據(jù)庫 : 是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將 MCGS工程的各個部分連接成有機的整體。 運行策略 : 本窗口主要完 成工程運行流程的控制。 (二 )、 MCGS組態(tài)軟件設計的幾大過程 : 工程立項搭建框架 : MCGS 稱為建立新工程。經過此步操作，即在 MCGS 組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結構框架。 設計菜單基本體系 : 為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進行有效地調度和控制，通常要在主控窗口內編 制菜單。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。前一部分類似于畫畫，用戶通過 MCGS 組態(tài)軟件中提供的