【正文】 PID控制算法或其他算法。本文中的被控過程的滯后較大，采用單回路控制系統(tǒng)控制品質(zhì)較差，滿足不了工藝控制精度要求。每個回路都有自己的控制器、測量變送器和對象，主回路的對象為盤管出口溫度，副回路的對象為鍋爐內(nèi)膽溫度。主回路是一個定制控制系統(tǒng)，副回路則是一個隨動控制系統(tǒng)。 主 調(diào) 節(jié) 器 副 調(diào) 節(jié) 器鍋 爐 內(nèi) 膽盤 管調(diào) 壓 模 塊 電 加熱 管溫 度 變 送 器溫 度 變 送 器給 定 值溫 度 圖 盤管出口溫 度串級 PID 控制系統(tǒng) ． 1串級 PID系統(tǒng)的整定 串級系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器串在一起，在一個系統(tǒng)中工作，互相之間有影響。當然這些頻率主要取決于調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性，但也與主、副調(diào)節(jié)器的整定情況有關(guān)。 在一般情況下，既然主、副回路的頻率相差很多，互相之間的影響不大，這是就可以首先在主回路開路的情況下，按通常整定簡單控制系統(tǒng)的方法整定副調(diào)節(jié)器；然后，在投入副調(diào)節(jié)器的情況下，再按通常方法把主調(diào)節(jié)器整定好。 由于受到副參數(shù)選擇的限制，主、副回路的頻率比較接近時，它們之間的影響就比較大了。 調(diào)節(jié) 器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來分為兩大類。它計算繁瑣，工作量很大，所以目前在工程上較少采用。這種方法簡單，計算簡便，而且容易掌握。 經(jīng)驗試湊法不需要進行實驗和計算，而是根據(jù)運行經(jīng)驗和先驗知識，確定一組調(diào)節(jié)參數(shù)，然后加入階躍擾動，觀察被控參數(shù)的響應(yīng)曲線，并按照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響，逐次改變響應(yīng)的整定參數(shù)值，一般先按比例度，再積分時間、微分時間的順序逐一進行整定，直到 獲得滿意的控制品質(zhì)為止。 主調(diào)節(jié)器采用 PID 控制，副調(diào)節(jié)器則采用 P 控制。可按單回路系統(tǒng)的整定。曲線無響應(yīng)，將主參數(shù)的比例度放在較大經(jīng)驗數(shù)值上（積分時間為∞ ,微分時間為零 ） ,然后逐步減小 。 主回路中有只比例控制是遠遠不能滿足控制要求的。 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 1 為了消除系統(tǒng)對階躍輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差，副控制器引入積分項， kp =， ki=， 響應(yīng)曲線如圖 。比例度過大或積分時間過長，都使過渡過程變化緩慢。經(jīng)過反復(fù)的試湊與觀察，當主調(diào)節(jié)器參數(shù)為 kp= ， ki=， kd=，副調(diào)節(jié)器參數(shù)為 kp=， 時，達到了較滿意的控制品質(zhì) 。 Smith 控制的原理為 :與 PID 控制器并接一個 Smith 預(yù)估器作為補償環(huán)節(jié)，它能很好地對純滯后系統(tǒng)進行有效控制。 Y ( S )R ( S )0 ( ) ( 1 )sG s e ???N ( s )()cGs0 () sG s e ??U ( s ) 采用 電加熱鍋爐與盤管 為研究對象，針對二者均具有大滯后的特點，采用串級控制結(jié)構(gòu)結(jié)合Smith 預(yù)估控制器的控制方案。 根據(jù) Smith 預(yù)估控制原理，設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為： k =G ( )PGS（ S） se?? （ ） 式 ()中： ()PGS為被控對象中不含純滯后的部分， se?? 為時延部分。而且由于系統(tǒng)中含有純滯后環(huán)節(jié)，使控制器設(shè)計變得復(fù)雜。圖中 R(S)為給定輸入， Y（ S） 為系統(tǒng)輸出。此時系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： ( ) ( )() 1 ( ) ( )scpcpG s G s eGs G s G s??? ? （ ） 由上式可見， se?? 已不包含系統(tǒng)的特征方程里，因此系統(tǒng)性能完全不受純時延環(huán)節(jié)的影響。副調(diào)節(jié)器起隨動控制作 用，它的設(shè)置是為了保證參數(shù)的控制質(zhì)量，可在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差。 主回路設(shè)計： 主調(diào)節(jié)器是起定值控制作用的，是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍比較小，要求無余差。圖中的 Gc（ s） 是傳統(tǒng)的 PI算式。 Gc 2( s ) Gp 2( s )Gp 1( s ) ( 1 e τ s) GC 1( s )R ( s )Y ( s )Gp 1( s )圖 串級 Smith預(yù)估控制系統(tǒng)原理 電加熱鍋爐盤管出口溫度的串級控制 24 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 202000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91t i m e ( s )r1,y1 圖 串級 Smith 預(yù)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(yù)估控制 如圖 ，仿真結(jié)果表明，在預(yù)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。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。 OPC 技術(shù) OPC(OLE for Process Control)， 它的出現(xiàn)為基于 Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁 。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)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(dān) 。在這種情況下， OPC 標準應(yīng)運而生 [9]。通過 OPC 接口 , 各 OPC 客戶與 OPC 服務(wù)器之間形成即插即用的鏈接關(guān)系 , OPC 服務(wù)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(wù)器 , 通過接口方法訪問服務(wù)器中的數(shù)據(jù)對象。同步方式實現(xiàn)較為簡單 , 當客戶數(shù)目較少而且同服務(wù)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(fù)雜 , 需要在客戶程序?qū)崿F(xiàn)同調(diào)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(luò)資源。 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(fù)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(fù)雜的語言編程，能夠更方便的建立服務(wù)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。 MATLAB作為 OPC客戶端的通信流程如圖 。 MCGS 可以作為 OPC 服務(wù)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(nèi)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(wù)器 , 就可以通過直接瀏覽來察看所有可用的數(shù)據(jù)項。 啟動 MCGS將自動啟動 OPC服務(wù)器功能。 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(wù)器 ,就可以通過直接瀏覽來察看所有可用的數(shù)據(jù)項。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)。 1) OPC 基金會提供了一套可 以在網(wǎng)絡(luò)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。 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(shè)備窗口中選擇相應(yīng)的設(shè)備 , 建立相應(yīng)的通道連接 , 在這里選擇 out00, out01 兩個變量為 MCGS 的模擬設(shè)備正弦輸出和方波輸出 , 而int00, int01 兩個變量為 MCGS 的輸入變量。 服務(wù)器端 d的設(shè)置方法： 在 MCGS組態(tài)環(huán)境“設(shè)備窗口”中添加 OPC服務(wù)器。保存設(shè)置并退出。 圖 MATLAB中通過 opctoolbox GUI 進行服務(wù)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(shè)備窗口中選擇相應(yīng)的設(shè)備 , 建立相應(yīng)的通道連接。 MATLAB與 OPC連接后，如圖 、 。 掌握了 PCI數(shù)據(jù)采集卡和智能儀表模塊的應(yīng)用。本系統(tǒng)綜合利用串級 PID控制技術(shù)、 OPC技術(shù)等等方面進行了論述。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(yù)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。 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(shè)計工作是成功的。 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。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(guān)，盡職盡責(zé)。藉此論文完成之際，學(xué)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。再次感謝他們。 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(yù)估器的溫度控制系統(tǒng) [J].自動化與儀器儀表， 2020，（ 1）610. [2] 朱曉東，王軍，萬紅 . 基于 Smith 預(yù)估的純滯后系統(tǒng)的控制 [J]. 2020, 25 (1):7780. [3] 秦文煒，陳雨亭，崔曉波，呂劍虹 . 一 種新型的過熱汽溫控制策略及整定方法 [J], 2020， 1：2830. [4] Smith OJM. A Controller to Overe Dead Time [J]. ISA Journal, 1959 ,6(2) : 2833. [5] Laughlin DL ,Riviera DE , Morari M .Smith Predictor Design for Robust Performance[J] .Int. ,1987, 46(4) :10331040. [6] 陳莉．串級 Smith 預(yù)估控制在溫度大滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]．工業(yè)控制技術(shù)， 2020（ 2）： 8991． [7] 天煌教儀． THPCAT2型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置實驗指導(dǎo)書 [M] ．浙江天煌科技實業(yè)有限公司． [8] 劉川來，劉成才，李康康 .純滯后串級控制系統(tǒng)的兩級 Smith 預(yù)估補償 [J].青島科技大學(xué)學(xué)報， 2020, 27（ 5） :460462. [9] 魯玲，方平，劉輝，李網(wǎng)鎖．基于 OPC 的 Matlab 與組態(tài)軟件 MCGS 數(shù)據(jù)交換 [J]．三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2020， 32（ 2）： 9294． [10] 馮江濤 .MATLAB 和監(jiān)控組態(tài)軟件的 OPC 數(shù)據(jù)交換 [J].2020(3):8687.