1、 毕 业 设 计 （论 文 ）题 目：电加热锅炉盘管出口温度的串级控制 学 院： 自动化学院 专 业： 自动化 摘要摘 要现代工业生产过程中，不少控制对象普遍存在纯滞后的现象，如化工、加热过程等。这种滞后的存在，对系统的控制是极为不利的，严重时甚至会破坏系统的稳定性。在电加热锅炉盘管出口温度的串级控制系统中，关键要解决其滞后的问题。基于MCGS组态软件，测出适用于由计算机、锅炉、水泵、温度变送器、电动调节阀等组成的锅炉盘管出口温度滞后系统的模型。在控制要求不太苛刻的情况下，本文分别采用单回路PID控制、串级PID控制以及串级结合Smith预估补偿的方法，进行研究与仿真，针对该系统选用可行的控制
2、方案。在MATLAB和之间通过OPC协议对过程变量、控制变量和设定值实时更新，对该系统进行控制研究。通过对该系统的仿真控制实验，结果表明该三种方案是可行的，较好地实现了温度的控制。关键词：大滞后系统； PID 控制 ；串级控制；Smith 预估AbstractAbstractThe 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
3、, 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 computer, b
4、oilers, pumps, temperature transmitters and electric control valve is measured . In this paper three schemes , single-loop PID control , cascade PID control and cascade-smith control , are adopted in the case of less control demanding . The process variables，control variables and set points are live
5、 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 time-delay system；PID control； Cascade control；Smith controller目录目 录（宋体、三号、加粗、居中）摘要 （中文） I（英文） II第一章 概述 11.1 课
6、题意义与研究背景 11.2 本文研究的主要内容 2第二章 监控组态工程设计 32.1 系统结构介绍 42.2 制作工程画面 52.3 构建实时数据库 72.4 设备窗口 82.5 运行策略 8第三章 锅炉盘管出口温度的建模 103.1 建模的概念 103.2 建模步骤 103.3 建模方法 103.4 阶跃响应曲线法建模 113.5 获取模型方法 113.6 测试步骤 113.7 模型参数的确定 163.8 模型校验 17第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真分析 194.1 盘管出口温度单回路 PID 控制 194.2 盘管出口温度串级 PID 控制 204.3 串级控制结构结合Smith预估
7、控制器的控制方案 22第五章 基于 OPC 技术的盘管出口温度的实时控制 255.1 OPC 技术 255.2 Matlab 作为客户端访问 OPC 服务器的通信流程 265.3 基于 OPC 实现 MATLAB 与 MCGS 的实时通讯 29目录结 束 语 30致谢 31参考文献 32电加热锅炉盘管出口温度的串级控制1第一章 概述1.1 课题意义与研究背景现代工业生产过程中，不少控制对象普遍存在纯滞后的现象，如化工、加热过程等。所谓具有纯滞后的过程，指的是：对象的纯滞后时间 与对象的惯性时间常数 Tm 之比 /Tm0.5 的过程 1。这种滞后时间的存在，对系统的控制是极为不利的，严重时甚至会
8、破坏系统的稳定性。长期以来，温度控制系统就一直是工业过程中难度较大的控制系统之一。它具有时变、大扰动、纯滞后、难以建立精确的数学模型等特性。针对它的控制算法，工程上常见有传统 PID 算法、串级控制法、大林算法、Smith 预估控制法和智能控制法等多种方法 2。PID 控制即比例、积分、微分控制，其结构简单实用，参数易于调整，在长期应用中积累了丰富的经验，常用于工业生产领域。对于具有大滞后的过程控制问题，用常规的 PID 控制器来控制对象，超调及振荡都比较强，带来较长的稳定时间，很难获得良好的控制性能。串级控制系统与单回路系统相比，它能改善过程的动态特性，提高了系统控制质量能迅速克服进入副回路
9、的二次扰动。能提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。串级控制系统的工业应用比较广泛，有如下几种情况：1. 用于克服被控过程较大的容量滞后 在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。 2. 用于克服被控过程的纯滞后 被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动
10、包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。 3. 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。 4. 用于克服被控过程的非线性 在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。大林控制算法是由美国
11、IBM 公司的大林（Dahlin）提出的一种针对工业控制过程中纯滞后特点且不同于常规 PID 控制的新型算法， 是运用于自动控制领域中的一种算法，也是一种先设计好闭电加热锅炉盘管出口温度的串级控制2环系统的响应再反过来综合调节器的方法。设计的数字控制器（算法）使闭环系统的特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。该方法克服纯滞后极其有效，其特点是把期望的闭环响应设计成为一阶惯性加纯滞后，然后反过来推出满足该闭环响应的控制器。但是大林算法的参数也很难确定，由于工业生产过程被控对象的时变性和不确定性，使得该算法只能方便对模型
12、参数确定的系统进行有效的控制 3。在控制领域中的经典方法是 Smith O J 在 1959 年提出的预估补偿算法 4。Smith 预估补偿是在系统的反馈回路中引入补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。其特点是预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程。如果预估模型准确，该方法能后获得较好的控制效果，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。 Smith 预估控制方法可以有效地对时滞进行补偿。但 Smith 预估控制依赖于被控对象精确的数学模型,
13、模型误差会大大影响控制效果。改进的 Smith 预估控制方法无法从根本上改变对数学模型的依赖 5。如果存在负荷扰动或者被控对象模型不精确时，采用上面这种史密斯预估控制方法，控制精度不能够令人满意。史密斯预估补偿控制虽然在原理上早已成功，但其控制规律在模拟仪表上不易实现，阻碍了其在工业上的应用，现在可以用计算机作为控制器，通过软件的方法实现史密斯预估补偿控制规律。在大滞后系统的控制中,人们常常将串级与 Smith 预估控制方法相结合，这样便可极大程度地降低大滞后带来的影响 6。本文将串级控制与Smith预估结合起来，通过对比，取得比单一PID控制更快的动态响应特性，更小的超调，比串级控制获得更高
14、的稳态精度。本文将MCGS与MATLAB相结合，实现温度滞后系统的控制，尽可能改善纯滞后对系统动态性能造成的不利影响。1.2 本文研究的主要内容 本文以过程控制实验平台的监控实现为背景。首先，在过程控制实验室中采用数据采集卡和智能仪表，开环状态下进行测锅炉盘管出口温度滞后系统的模型的工作。运用组态软件 MCGS 收集到了盘管、锅炉内胆共两组实时温度数据。在确定适合的采样时间后，两组数据再依次经过Matlab 处理并仿真，分别得到了盘管和锅炉内胆的仿真模型。本文依次设计单回路 PID、串级PID、串级 -Smith 预估三种控制方案分别对该系统进行仿真研究，在过程控制实验室 THPCAT-2 试
15、验装置上，利用 MCGS 实现温度参数的实时采集和友好的界面设计，并利用 OPC 技术，建立MCGS 与 Matlab 的无缝连接，由 Matlab 送控制量给组态软件，实现对过程变量的采集和控制。本文的结构安排如下：第一章：概述对目前工业控制的发展概况进行了叙述，随后指出了本文研究工作的背景、意义以及将解决的问题。第二章 监控组态工程设计电加热锅炉盘管出口温度的串级控制2本章对本组态软件、系统硬件做了一个简要概述，并介绍了组态部分的设计与实现方法。第三章 锅炉盘管出口温度的建模本章提供了系统的建模原理、方法、步骤，确定模型的参数并进行模型校验、展示结果等。第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真
16、分析本章介绍了三种不同的控制算法并根据运行效果改进。系统运行试验结果表明，系统的设计是成功的，算法的控制效果良好。第五章：基于 OPC 技术的盘管出口温度的实时控制在以上几章的内容的基础上，结合 OPC 技术、Matlab 等来实现对盘管出口温度的实时控制。电加热锅炉盘管出口温度的串级控制3第二章 监控组态工程设计Monitor and Control Generated System(简称MCGS )，是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。它作为数据采集与过程控制中的专用软件，伴随着集散型控制系统的出现为人熟知，处于自动控制系统的监控层，支持各种工控
17、设备和常见的通信协议。它能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、流程控制、动画显示、报警和安全机制、趋势曲线、报表输出等功能。利用其可视化的画面制作技术，可实现各种满足要求的仿真界面，能够快捷地开发组建高效的控制系统。用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内使用灵活的组态方式轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作，其重要性可见一斑。MCGS系统可以与广泛的数据源交换数据；它提供多种高性能的i0驱动；它全面支持 0PC标准，可以和更多的自动化设备连接。由于MCGS具有的操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，目前它已经
18、在石油、化工、电力、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等多种工程领域获得成功的应用。本文采用的是北京昆仑通态公司的MCGS组态软件，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。需要进行以下设计的内容：1、主控窗口: MCGS 的主控窗口是组态工程的主窗口，是所有设备窗口和用户窗口的父窗口，可以设置一个设备窗口和多个用户窗口，负责这些窗口的管理和调度，并调度用户策略的运行。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。2、设备窗口: 设备窗口是 MCGS 系统的重要组成部分，是连
19、接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量，使系统能够从外部设备中读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对液位系统的实时控制。3、用户窗口: 本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，是由用户来定义的，可以是一个或多个用户窗口组合而成的，它的显示和关闭由各种策略构件和菜单命令来控制。用户窗口相当于一个“容器”，用来放置图元、图符和动画构件等各种图形对象，通过对图形对象的组态设置，建立与实时数据库的连接，来完成图形、界面的设计工作。4、实时数据库: 是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将 MCGS 工程的各个部分连接成有机的
20、整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，变为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。5、运行策略: 本窗口主要完成工程运行流程的控制。如编写控制程序（脚本程序），选用各种功能构件等。(二)、MCGS 组态软件设计的几大过程:电加热锅炉盘管出口温度的串级控制41、工程立项搭建框架: MCGS 称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。2、设计菜单基本体系: 为了对系统
21、运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。3、制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于画画，用户通过MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内组合成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源4、编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种
22、功能模块，由这些模块实现各种人机交互操作。5、完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。6、编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。7、连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。8、工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。2.1 系统结构介绍过程控制实验室 THPCAT-2 试验装置锅炉温度控制系统由锅炉、水泵、温度变送器、电动调节阀、盘管等构成。采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。盘管位于加热装置的出水口与出口温度测量点之间，水流流经该处会有时延，用它来模拟大滞后系统。
