基于SMITHPID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、沈陽理工大學課程設計任務書學 院專 業(yè)學生姓名班級學號課程設計題目基于SMITH-PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計實踐教學要求與任務:1） 構成電阻爐溫度控制系統(tǒng)2） SMITH-PID算法設計3） 理論分析與設計4） 仿真實驗5） THFCS-1現場總線控制系統(tǒng)實驗6） 撰寫實驗報告工作計劃與進度安排:1） 第12天，查閱文獻，構成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)2） 第3天，SMITH-PID算法設計3） 第4天，理論分析與設計4） 第56天，仿真實驗5） 第79天，THFCS-1現場總線控制系統(tǒng)實驗6） 第10天，撰寫實驗報告指導教師： 201 年 月 日專業(yè)負責人：201 年 月 日學院教學副院長：20

2、1 年 月 日目錄摘要3第1章 課程設計方案41.1 概述41.2 系統(tǒng)組成總體結構4第2章 硬件設計52.1器件選擇52.2 控制器52.3電源部分52.4輸入輸出通道設計62.4.1溫度輸入電路62.4.2信號輸出電路6第3章 軟件設計83.1系統(tǒng)流程圖83.2 PID算法流程圖93.3程序流程圖10第4章 常規(guī)PID控制器設計114.1 PID概述114.2數字PID控制器114.3 PID調節(jié)器參數對系統(tǒng)性能的影響12第5章 溫度控制系統(tǒng)的smith預估控制器設計145.1史密斯（smith）預估控制145.2史密斯控制器方案設計16第6章 Smith預估補償控制的Matlab仿真與實

3、驗196.1 Matlab仿真軟件的介紹196.2采用Matlab系統(tǒng)仿真19第7章 鍋爐夾套水溫pid控制系統(tǒng)207.1 課程設計目的207.2 被控對象207.3 檢測儀表217.3 執(zhí)行機構217.4 控制原理框圖227.5 實驗內容與步驟23第8章 組態(tài)軟件界面、邏輯、代碼268.1 MCGS組態(tài)軟件268.2 組態(tài)軟件設計28第9章 數據采集硬件系統(tǒng)構件、連線299.1數據采集硬件系統(tǒng)構件299.2硬件系統(tǒng)連線29第10章 實驗結果曲線及分析30總結32參考文獻33摘要現代工業(yè)生產過程中，不少工業(yè)對象存在著純滯后時間。這種純滯后時間或者是由于物料或能量傳輸過程中所引起的?；蛘呤怯捎趯?/p>

4、象中多容積所引起的，或者是高階對象低階近似后所形成的等效滯后。 在純滯后過程中，由于過程控制通道中存在純滯后，使得被控量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動。因此這樣的過程必然會產生較明顯的超調量和需要較長的調節(jié)時間，被公認為是較難控制的過程，其難控制程度將隨著純滯后工占整個過程動態(tài)時間參數的比例增加而增加。一般認為純滯后時間占對象的時間常數T之比大于0.3，則稱該過程為大滯后過程。此外，大滯后會降低整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從自動控制理論可知，對象純滯后的存在對系統(tǒng)穩(wěn)定性極為不利。特別是當/T0.5時（為純滯后時間，T為對象的時間常數），若采用常規(guī)PID控制，很難獲得良好的控制質量。對于純滯后，普通的P

5、ID反饋控制系統(tǒng)并不能取得很好的效果，這是因為其控制效果無法通過反饋回路及時反饋，因而使得控制問題復雜化了。在歸一化純滯后時間較大的情況下要保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的唯一方法是縮小增益，然而這樣作將會導致系統(tǒng)調節(jié)周期T變大，系統(tǒng)響應變慢，從而降低了系統(tǒng)的調節(jié)性能。大慣量物體的一個明顯特征是慣性滯后。通常在研究數控設備時，忽略其時滯效應。然而，精密定位控制的大慣量物體，其時滯效應是不容忽視的本文采用預估補償方案，得出適合于數字伺服的控制算法，并與PID算法加以比較。計算機仿真結果表明，對大慣量帶有時滯的系統(tǒng)，Smith預估補償控制方案能得到優(yōu)良的控制品質，是一種理想的控制方案。Smith預估控制的提出就較

6、好地解決了這個問題，它通過在回路中加入Smith預估器，從而可以在環(huán)路中使用較大的增益而不使系統(tǒng)出現不穩(wěn)定。隨著質量分析儀表在線控制的推廣應用，克服純滯后已經成為提高過程控制自動化水平，改進控制質量的一個迫切需要解決的問題。Smith預估控制已經成為克服純滯后的主要方法之一。4第1章 課程設計方案1.1 概述加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對象，在我國應用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時變性等特點。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當其溫度一旦超調就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數學方法建立精確的模型和確定參數，應用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達到理想

7、的控制效果。本設計采用史密斯PID算法進行溫度控制來實現溫度的較為精確的控制。在用PID算法進行控制時，需要對參數進行整定，從史密斯算法表達式可知，參數的確定十分重要，其大小反映了表達式中差值與輸出值的不同權重之分及制約關系。1.2 系統(tǒng)組成總體結構電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖1.1，主要由溫度檢測電路、A/D轉換電路、驅動執(zhí)行電路、顯示電路及按鍵電路等組成。系統(tǒng)采用可控硅交流調壓器，輸出不同的電壓控制電阻爐溫度的大小，溫度通過熱電偶檢測，再經過變送器變成0 - 5 V 的電壓信號送入A/D 轉換器使之變成數字量，此數字量通過接口送到微機，這是模擬量輸入通道。 AT89C51鍵盤溫度檢測AD

8、590測量變送A/D轉換ADC0809加熱電爐絲驅動執(zhí)行機構顯示圖1.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件結構框圖第2章 硬件設計2.1器件選擇系統(tǒng)采用89C51作為系統(tǒng)的微處理器來完成對爐溫的控制和鍵盤、顯示功能。8051片內除了128KB的RAM外，片內又集成了4KB的ROM作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時，只需要外擴一個容量較小的程序存儲器，占用的I/O口減少，同時也為鍵盤、顯示等功能的設計提供了硬件資源，簡化了設計，降低了成本。因此89C51可以完成設計要求。2.2 控制器單片機控制系統(tǒng)原理圖如下圖所示。微處理器采用51系列單片機AT89C51。單片機系統(tǒng)的硬件

9、結構簡單，調試方便。單片機系統(tǒng)主要I/O口的分配如下：89C51的P1口為溫度信號的輸入口，P0口為溫度顯示信號數據輸出，P2口的P2.0端到P2.3端為顯示信號的掃描，P2.4端口為執(zhí)行信號輸出口。圖2.1 控制器電路圖2.3電源部分本系統(tǒng)所需電源有220V交流市電、直流5V電壓和低壓交流電，故需要變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網電壓波動（一般有+-10%左右的波動）、負載和

10、溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用7805，配合電容將電壓穩(wěn)定在5V，供控制電路、測量電路和動執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過控制雙向可控硅的導通與截止來控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側的電壓，通過過零檢測電路檢測交流電的過零點，送入單片機后，控制每個采樣周期內雙向可控硅導通正弦波個數的方法來調節(jié)加溫功率。2.4輸入輸出通道設計2.4.1溫度輸入電路溫度信號輸入通道的原理圖如圖2-2所示。電路主要由

11、溫度傳感器、運算放大器和模/數(A/D)轉換器三部分組成。本方案比采用溫度變送器的方案結構簡單，體積小，價格低圖2-2 輸入通道原理圖2.4.2信號輸出電路為了簡化輸出通道的硬件結構，考慮到加熱系統(tǒng)具有較大的熱慣性，即一階慣性純滯后特性動態(tài)特性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調制(PWM)的控制方法。單片機輸出控溫信號：輸出高電平時，使雙向可控硅導通，電熱絲通電；輸出低電平時，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。脈沖寬度與周期T的比值為P，它反映了系統(tǒng)的輸出控制量。執(zhí)行信號輸出通道的原理圖如下，單片機系統(tǒng)AT89C51的P2.5口輸出信號經過光電耦合器，直接控制雙向可控硅的門極，從而控制電熱絲的平均加熱功率。這樣

12、使輸出通道省去了數/模（D/A）轉換器和可控硅一項觸發(fā)電路，大大簡化了硬件；而且可控硅工作在過零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設備的功率因數，減輕了對電網的干擾。AT89C51的I/O腳的負載能力不足以驅動光電耦合器的發(fā)光二極管，所以用1413的一路作為功放。光電耦合器的光敏二極管所能通過的電流足以觸發(fā)5A的雙向可控硅，其間不必加功放環(huán)節(jié)，其中對可控硅可用負極性觸發(fā)圖2.3輸出通道原理圖第3章 軟件設計3.1系統(tǒng)流程圖本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3.1所示:開始系統(tǒng)的初始化溫度數據采集及處理NO是否低于預設值？停止加熱YES求出輸出控制量PID算法控制輸出結束圖3.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)采用可

13、控硅交流調壓器，輸出不同的電壓控制電熱爐溫度的大小，溫度通過熱電偶檢測，再經過變送器變成0 - 5 V 的電壓信號送入A/D 轉換器使之變成數字量，此數字量通過接口送到微機，這是模擬量輸入通道。 在微機內部，主機將采樣值與給定值比較后進行控制算法計算，再經D/A 轉換器變成模擬量，然后經放大器放大后輸入調壓器，調節(jié)電壓的大小，以達到控制溫度的目的。3.2 PID算法流程圖離線計算q0, q1,q2置e(k-1)=e(k-2)=0將A/D結果賦給y(k)e(k)=r(k)-y(k)按式計算控制增量 u(k)將 u(k)輸出給D/Ae(k-2)=e(k-1)e(k-1)=e(k)采樣時刻到否A/D

14、D/A被控對象否到圖3.2 PID算法流程圖3.3程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖3.3： 開始初始化調用掃描子程序調用A/D轉換子程序調用溫度控制子程序調用顯示子程序鍵值復原圖3.3 程序流程圖第4章 常規(guī)PID控制器設計4.1 PID概述 目前主要的控制方法有比例積分控制、模糊控制、神經網絡控制、自適應控制等。已經應用在溫控領域的有PID控制、模糊控制、自適應控制以及PID控制與模糊控制和自適應控制相結合的一些方法，如Fuzzy-PID控制、Adaptive-PID控制、模糊自適應PID控制等。圖41基本PID控制系統(tǒng)原理圖PID控溫方法是基于經典控制理論中的調節(jié)器控制原理， 基本PID控制系

15、統(tǒng)原理如圖3-1所示。PID控制是最早展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統(tǒng)其中數字PID調節(jié)器的參數可以在現場實現在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現的溫度控制器，其控制品質的好壞主要取決于三個PID參數（即比例值、積分值、微分值）。只要PID參數選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。4.2數字PID控制器在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現是采用數值逼近的方法。差分方程： （4-1） （4-2）式中：T為采樣周期 k為采樣序號所

16、以由（14）式可知 （4-3）同理 （4-4）將（33）式成（34）式相減，可得PID控制算式其中=，=，= （4-5）PID控制算法有許多優(yōu)點：（1）由于計算機每次只輸出控制增量（即對應執(zhí)行結構位置的變化量），故機器無原發(fā)生故障時影響范圍小，從而不會嚴重影響生產過程。（2）手動一自動切換時沖擊小?？刂茝氖謩拥阶詣忧袚Q時，可以做到無憂動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。（3）算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近K次的采樣值有關，較容易獲得比較好的控制效果！4.3 PID調節(jié)器參數對系統(tǒng)性能的影響（1）比例控制對系統(tǒng)性能的影響a對動態(tài)

17、性能的影響：比例控制加大，使系統(tǒng)的動作靈敏、速度加快；偏大，振蕩次數加多，調節(jié)時間加長；當太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。b對穩(wěn)定特性的影響加大比例控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只能減小誤差，卻不能完全消除誤差。（2）積分控制對控制性能的影響 a對動態(tài)特性的影響積分控制通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；偏小，震蕩次數較多；太大，對系統(tǒng)性能的影響減小。當合適時，過度過程比較理想。b對穩(wěn)態(tài)性能的影響積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但太大，積分作用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制對控制性能的影響微分控

18、制可以改善動態(tài)特性，如超調量的減少，調節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當偏大時，超調量較大，調節(jié)時間長；當偏小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長；只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程第5章 溫度控制系統(tǒng)的smith預估控制器設計5.1史密斯（smith）預估控制經典的PID控制理論經過多年的發(fā)展在工業(yè)控制方面得到了很大的青睞，但是經典的PID控制在系統(tǒng)具有較大純滯后的時候其控制效果不是那么的理想，所以在經典的PID控制基礎上再加上Simth控制器，在對具有大純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)進行控制時起到了非常好的作用。圖5-1為具有純滯后的對象進行傳統(tǒng)PID調節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，

19、設對象的特性為： (5-1)圖5-1 常規(guī)PID控制系統(tǒng) 其中，Gp(s)為對象傳遞函數中不含純滯后的部分，調節(jié)器的傳遞函數Gc(s)，Gc(s)為PID控制規(guī)律，干擾通道的傳遞函數為Gp(s)系統(tǒng)給定作用下的閉環(huán)傳遞函數為 (5-2)系統(tǒng)對干擾的傳遞函數 (5-3)（3-10）式的特征方程為 (5-4)在反饋回路中設計一個補償回路，其傳遞函數為GL(s)，如圖5-2所示。圖5-2 具有時間補償的反饋控制系統(tǒng)為了補償對象的純滯后，要求： (5-5) 史密斯（Smith）補償函數為 (5-6)于是，史密斯（Smith）預估控制結構圖如圖5-3所示。 圖5-3 Smith控制結構圖經史密斯補償后，

20、純滯后的影響已消除，從而使系統(tǒng)可以使用較大的調節(jié)增益來改變調節(jié)品質。5.2史密斯控制器方案設計被控對象為，畫出系統(tǒng)框圖，設計Smith數字預估器，已知純滯后負反饋控制系統(tǒng)，其中圖5.2 系統(tǒng)框圖其中D(s)為調節(jié)器傳遞函數，為對象傳遞函數，其中G0(s)e-0.1s包含純滯后特性,純滯后時間常數=0.1。系統(tǒng)的特征方程為：由于閉環(huán)特征方程中含有項，產生純滯后現象，有超調或震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了改善系統(tǒng)特性，引入Smith預估器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不含有項。Smith純滯后補償的計算機控制系統(tǒng)為: 圖5.3系統(tǒng)框圖上圖所示為零階保持器，傳遞函數： 并且有：（為大于

21、1的整數，T為采樣周期）。1.采樣周期T的選擇采樣周期在計算機控制中是一個重要的參數。從信號保真度看，采樣周期不宜太長，即采樣頻率不應該過低。Shannon采樣定理給出了下限角頻率s 2max，max為原信號的最高頻率；采樣周期應盡可能的短，以使采樣后的離散信號可以近似于連續(xù)信號，數字控制具有接近于連續(xù)控制系統(tǒng)的質量。但采樣頻率過高，將使得數據存數容量加大，計算工作量加大，并且采樣頻率高到一定程度，對系統(tǒng)性能的改善效果并不顯著。所以，我們要找到一個最佳的采樣周期。純滯后較大不可忽略時，可選擇T在附近，當純滯后占主導地位時，可選擇T約為，再加上參考課本上表3.4擴充響應曲線法選擇數字PID參數計

22、算公式，預選了=2，3，5，10。但是在matlab仿真時，=2,3系統(tǒng)發(fā)散，所以 還剩下=5，10?？紤]到采樣頻率過高，將使得數據存儲容量加大，計算工作量加大，所以選擇=5。則由公式=T得：。2.負反饋調節(jié)器D(z)的確定D(z)為負反饋調節(jié)器，通常使用PID控制規(guī)律。擴充響應曲線法是用于有純滯后的一階對象，因此依據課本中表3.4擴充響應曲線法選擇數字PID參數計算公式，而且前面已確定采樣周期T與純滯后時間常數的比值=5，因此選定的PID參數為： ，為PI控制規(guī)律。其中為被控對象時間常數，即=1，=0.1，=10所以有：=7.3 =0.36則控制器傳遞函數：將得到的模擬控制器用一階后向差分法

23、離散化得到：3.Smith補償器D(z)的確定令；則差分方程為：由此可得到：可以看出，Smith補償器的差分方程有項，即存在滯后5拍的信號，因此產生純滯后信號對純滯后補償控制是至關重要的。純滯后信號可以用存儲單元法近似產生。第6章 Smith預估補償控制的Matlab仿真與實驗6.1 Matlab仿真軟件的介紹Matlab是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一

24、種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。Matlab是一套高性能的數值計算和可視化軟件，集數值分析、矩陣運算和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。它幾乎可以輕易地再現C或FORTRAN語言的全部功能，并設計出功能強大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質量程序來，而且編程效率和計算效率極高。Matlab環(huán)境下的Simulink是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，在它提供的圖形用戶界面上，只要進行鼠標的簡單拖拽操作就可構造出復雜的仿真模型，是目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個仿真環(huán)境工

25、具箱，且在各個領域都得到了廣泛的應用。6.2采用Matlab系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)采用PI控制算法，用matlab下的Simulink工具箱搭建閉環(huán)系統(tǒng)結構，加以1v的階躍信號，PI控制器系數，=0.36，取反饋系數為1，使用Smith預估補償器的仿真結構和輸出曲線分別如圖所示：圖6.1 結構仿真圖第7章 鍋爐夾套水溫pid控制系統(tǒng)7.1 課程設計目的在系統(tǒng)的學習了自動控制原理，過程檢測技術及儀表等課程后，為了更好的提高我們對所學知道的認識加深對理論知識的理解。借助THJ-4工程實驗平臺，通過對下水箱前饋反饋控制系統(tǒng)的設計，調試完成系統(tǒng)設計的設計與開發(fā)提高學生工程意識和能力提高創(chuàng)新能力。1了解單回路溫

26、度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。2了解PID參數自整定的方法及參數整定在整個系統(tǒng)中的重要性。3研究調節(jié)器相關參數的改變對溫度控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。4分析比較鍋爐夾套水溫控制與鍋爐內膽動態(tài)水溫控制的控制效果。7.2 被控對象由不銹鋼儲水箱、（上、中、下）三個串接有機玻璃水箱、4.5KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍色優(yōu)質有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。上、中水箱尺寸均為：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸為：D=35cm，

27、H=20cm。水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控制系統(tǒng)。儲水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長×寬×高=68cm×52cm×43cm，完全能滿足上、中、下水箱的實驗供水需要。儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網罩，以防雜物進入水泵和管道。2模擬鍋爐：是

28、利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實驗。3盤管：模擬工業(yè)現場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長37米（43圈），在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。4管道及

29、閥門：整個系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的閥門均采用優(yōu)質閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱側面有一個進水閥和出水閥，當水箱需要更換水時，可把球閥打開將水直接接入或排出。7.3 檢測儀表1壓力傳感器、變送器：三個液位傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為05KP，精度為0.5級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源，輸出：420mADC。2溫度傳感器：裝置中采用了六個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內膽、鍋

30、爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。Pt100測溫范圍：-200+420。經過調節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉換成420mA直流電流信號。Pt100傳感器精度高，熱補償性較好。3流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。它的優(yōu)點是測量精度高，反應快。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源。流量范圍：01.2m3/h；精度：1.0%；輸出：420mADC。4鍋爐防干燒保護裝置：為保證實驗效果好、不降低鍋爐加熱功率的前提下，本套裝置配備了良好的防干燒保護系統(tǒng)，當鍋爐內膽液位低于紅色警戒水位線

31、時，保護裝置將切斷調壓模塊輸出電壓，以有效保護電加熱管不被干燒損壞7.3 執(zhí)行機構1電動調節(jié)閥：采用智能直行程電動調節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相220V，控制信號為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V

32、恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。3電磁閥：本套裝置共有17支優(yōu)質電磁閥配合控制器完成所有實驗項目，其閥體為黃銅材質，磁力連接栓為不銹鋼榜及彈簧、彈桿、橡皮膜片，以防止生銹，它具有體積小、流量大、耐高溫、耐高壓、動作快、壽命長等特點。7.4 控制原理框圖圖7.4 鍋爐夾套水溫定值控制系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖7.4所示。本實驗以鍋爐夾套作為被控對象，夾套的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實驗要求鍋爐夾套的水溫穩(wěn)定至給定值，將鉑電阻TT2檢測到的鍋爐夾套溫度信號作為反饋信號，與給定量比較后的差值通過調節(jié)器控制三相調壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達

33、到控制鍋爐夾套水溫的目的。在鍋爐夾套水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于鍋爐夾套的溫度升降是通過鍋爐內膽的熱傳導來實現的，所以夾套溫度的加熱過程容量時延非常大，其控制過渡時間也較長，系統(tǒng)的調節(jié)器可選擇PD或PID控制。實驗中用變頻器支路以固定的小流量給鍋爐內膽供循環(huán)水，以加快冷卻。圖7.4（b）為一個單回路的鍋爐夾套溫度控制系統(tǒng)的結構框圖.實驗前先用丹麥泵給鍋爐內膽打適量的水，而鍋爐夾套為動態(tài)環(huán)水,變頻器,齒輪泵，鍋爐內膽組成循環(huán)供水系統(tǒng)。實驗投入運行后，變頻器以固定得頻率使鍋爐夾套得水處于循環(huán)狀態(tài)。在單回路的鍋爐夾套溫度控制系統(tǒng)中，若沒有循環(huán)水加以快速熱交換

34、，散熱過程相對比較緩慢，溫度調節(jié)得效果受對象特性和環(huán)境的限制，在精確和穩(wěn)定性上存在著一定的誤差。當增加了循環(huán)水系統(tǒng)以后，有利于熱交換并提高散熱能力。相比與靜態(tài)溫度控制實驗，在控制的精確性，快速性上有很大的提高。本系統(tǒng)控制的被控制量鍋爐夾套水溫，既控制任務是控制鍋爐夾套水溫等于給定值，并采取工業(yè)智能PID調節(jié)。7.5 實驗內容與步驟本實驗選擇鍋爐夾套水溫作為被控對象，實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將F2-6，F2-9，F2-8打開。將變頻器A、B、C三端連接到三相磁力驅動泵（220V），打開變頻器電源并手動調節(jié)變頻器頻率，給鍋爐內膽和夾套貯滿水，然后關閉變頻器、關閉F2-8，打開F2-9，為

35、給鍋爐內膽供冷水作好準備。1、比例調節(jié)器( P )控制（1）按圖7.4（b）所示方框圖的要求接成實驗系統(tǒng)。（2）打開儲水箱到鍋爐內膽和鍋爐夾套水路相關閥門，啟動丹麥甭既變頻器與齒輪泵兩條動力支路，分別往鍋爐內膽和鍋爐夾套進水，約進1-2分鐘后，關閉兩套動力系統(tǒng)。（3）啟動工藝流程并開啟相關儀器和計算機，把智能調節(jié)器置于“手動”輸出，把溫度設定于某給定值（如：水溫控制在40°C）并設置相關參數，使調節(jié)器工作在比例度（）調節(jié)器狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。（4）啟動變頻器，以15赫茲的頻率啟動循環(huán)水系統(tǒng)。（5）運行MCGS組態(tài)軟件，進入相應的試驗，觀察實時或歷史曲線，待水溫（由智能調節(jié)器的

36、溫度顯示器指示）基本穩(wěn)定于給定值后，將調節(jié)器“手動”切換至“自動”位置，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運行。待基本不再變化時，加入階躍擾動。通過改變智能調節(jié)器的設定值來實現，觀察并記錄在當前比例P余差和超調量.每當改變值后，,再加同樣大小的階躍信號，比較不同時的ess和p。（6）記錄實驗過程各項數據繪成過渡過程曲線。（數據可在軟件上獲得） 改變變頻器的輸出頻率，觀察并記錄在當前比例度余差和超調量。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再改變輸出頻率，比較不同的輸出頻率時的ess和p。2、比例積分(PI)調節(jié)器控制 （1）在比例調節(jié)器控制實驗的基礎上，待被調量平穩(wěn)后，加入積分(“I”)作用，觀察被控制量能否回到原設定的位置，以驗證

37、系統(tǒng)在PI調節(jié)器控制下沒有余差。 （2）固定比例度值（中等大?。缓蟾淖兎e分時間常數Ti值，觀察加入擾動后被調量的動態(tài)曲線，并記錄下不同Ti值時的超調量p。（3）固定Ti于某一中間值，然后改變比例度的大小，觀察加擾動后被調量的動態(tài)曲線，并記下相應的超調量p。（4）選擇合適的和Ti值，使系統(tǒng)瞬態(tài)響應曲線為一條令人滿意的曲線。3、比例微分調節(jié)器(PD) 控制 （1）在比例調節(jié)器試驗的基礎上，待系統(tǒng)被調量平穩(wěn)后，引入微分作用“D”。固定比例度值(中間值)，改變微分時間常數D的大小，觀察系統(tǒng)在階躍輸入作用下相應的動態(tài)響應曲線。（2）選擇合適的和 Td值，使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應為一條令人滿意的動態(tài)曲線。 4

38、、比例積分微分(PID)調節(jié)器控制 （1）在比例調節(jié)器控制實驗的基礎上，待被調量平穩(wěn)后,引入積分(“I”)作用，使被調量回復到原設定值。減小，并同時增大Ti，觀察加擾動信號后的被調量的動態(tài)曲線，驗證在PI調節(jié)器作用下，系統(tǒng)的余差為零。 （2）在控制PI的基礎上加上適量的微分 “D”作用，然后再對系統(tǒng)加擾動(擾動幅值與前面的實驗相同)，比較所得的動態(tài)曲線與用PI控制時的不同處。 （3）選擇合適的、Ti和Td，以獲得一條較滿意的動態(tài)曲線。 5、PID參數自整定的連續(xù)溫度控制 當發(fā)現AI人工智能調節(jié)效果不佳時可啟動自整定功能(具體操作參考人AI工智能工業(yè)調節(jié)器說明書)。當自整定結束后，以前設定的參數

39、會被整定出來的參數所替代，并自動將CTRL參數設為3，這樣就無法再次從面板上啟動自整定功能，可以避免人為的誤操作再次啟動自整定。之后系統(tǒng)直接將整定出來的參數投入運行。根據自整定得出來的參數去控制被控對象，若此效果不是很滿意，可根據輸出特性，在自整定參數的基礎上適當修改一下參數，可達到滿意效果。 一般通過自整定得出來的、Ti、Td參數，效果都比較好。超調量小，過渡過程時間短。但如果一開始，溫控對象的溫度不是最低，也就是說自整定尋求的最大斜率不一定是真正的。此時自整定得出的、Ti、Td參數并不一定很理想。第8章 組態(tài)軟件界面、邏輯、代碼8.1 MCGS組態(tài)軟件計算機技術和網絡技術的飛速發(fā)展，為工業(yè)

40、自動化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過采用遠程監(jiān)控及診斷等先進技術，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面MCGS工控組態(tài)軟件發(fā)揮著重要的作用。本裝置中智能儀表控制方案、遠程數據采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了北京昆侖公司的MCGS組態(tài)軟件作為上位機監(jiān)控組態(tài)軟件。MCGS（Monitor and Control Generated System）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)，可運行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS 5.5為用戶提供了解決實際工程問題的

41、完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能。MCGS （Monitor and Control Generated System） 軟件是一套幾基于Windows平臺的32位工控組態(tài)軟件，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、工程報表、數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備,廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、冶金、紡織、航天、建筑、材料、制冷、通訊、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實驗室等多種行業(yè)。MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境

42、”兩個部分組成。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持，用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結果數據庫，其與MCGS 運行環(huán)境一起，構成了用戶應用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe支持,以用戶指定的方式運行,并進行各種處理,完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。利用MCGS軟件組建工程的過程簡介：（1）工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構成、技術要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測控對象

43、的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數據庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數據及動畫顯示的。（2）工程立項搭建框架：主要內容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口名稱，指定存盤數據庫文件的名稱以及存盤數據庫，設定動畫刷新的周期。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。（3）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。編制菜單分兩步進行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據實際需

44、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。（4）制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過程。前一部分用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構件庫，在用戶窗口內組合成各種復雜的畫面。后一部分則設置圖形的動畫屬性，與實時數據庫中定義的變量建立相關性的連接關系，作為動畫圖形的驅動源。（5）編寫控制流程程序：在運行策略窗口內，從策略構件箱中，選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊，由這些模塊實現各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構件，使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。（6）完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組

45、態(tài)；實現歷史數據、實時數據、各種曲線、數據報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。（7）編寫程序調試工程：利用調試程序產生的模擬數據，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。（8）連接設備驅動程序：選定與設備相匹配的設備構件，連接設備通道，確定數據變量的數據處理方式，完成設備屬性的設置。此項操作在設備窗口內進行。（9）工程完工綜合測試：最后測試工程各部分的工作情況，完成整個工程的組態(tài)工作，實施工程交接。8.2 組態(tài)軟件設計在開始組態(tài)工程之前, 先對該工程進行剖析,以便從整體上把握工程的結構、流程、需實現的功能及如何實現這些功能。本設計為盤管出水口水溫與流量串級控制系統(tǒng), 目的是通過過程控制, 使

46、主控參數盤管出水口水溫穩(wěn)定為給定值, 并對擾動具有一定的適應能力。因此, 本系統(tǒng)應具備盤管水溫與熱水流量串級控制系統(tǒng)的仿真界面, 也應有盤管出水口水溫與流量參數設定、實時數據顯示窗口, 實時曲線與歷史曲線顯示窗口, 計算機與工控機的通訊狀態(tài)設定及顯示窗口。由上述分析可知, 本系統(tǒng)應具有7個用戶窗口：盤管水溫與熱水流量串級控制、實驗指導、實時曲線、歷史曲線、通訊狀態(tài)、數據瀏覽、退出指示。圖8.1 組態(tài)軟件界面第9章 數據采集硬件系統(tǒng)構件、連線9.1數據采集硬件系統(tǒng)構件遠程數據采集控制即我們通常所說的直接數字控制（DDC），它的特點是以計算機代替模擬調節(jié)器進行控制，并通過數據采集板卡或模塊進行A/

47、D、D/A轉換，控制算法全部在計算機上實現。在本裝置中遠程數據采集控制系統(tǒng)包括SA-21遠程數據采集熱電阻輸入模塊掛件、SA-22遠程數據采集模擬量輸入模塊掛件、SA-23遠程數據采集模擬量輸出模塊掛件。采用臺灣鴻格ICP7000系列智能采集模塊，其中I-7017是8路模擬量輸入模塊，I-7024是4路模擬量輸出模塊，I-7033是3路熱電阻輸入模塊。ICP7000系列智能采集模塊通過RS485等串行口通訊協(xié)議與PC相連，由PC中的算法及程序控制并實現數據采集模塊對現場的模擬量、開關量信號的輸入和輸出、脈沖信號的計數和測量脈沖頻率等功能。圖8所示即為遠程數據采集控制系統(tǒng)框圖。圖中輸入輸出通道即

48、為ICP7000智能采集模塊。被控變量控制量干擾輸出通道D/A數字計算機輸入通道A/D被控對象圖9.1數據采集系統(tǒng)框圖9.2硬件系統(tǒng)連線圖9.2 硬件系統(tǒng)連線實圖第10章 實驗結果曲線及分析本實驗選擇鍋爐夾套水溫作為被控對象，實驗之前先將儲水箱貯足水量，將閥門F1-1、F1-2、F1-5、F1-13全開，手動調節(jié)閥門F1-3至適當開度，其余閥門關閉。啟動380伏交流磁力泵，給鍋爐內膽貯一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關閉閥F1-13，打開閥F1-12，給鍋爐夾套注一定的水量。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的PC機，進入的實驗主界面。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“鍋爐夾套水溫PID控制實驗”，系統(tǒng)進入正常