基于SMITHPID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 院專 業(yè)學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目基于SMITH-PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):1） 構(gòu)成電阻爐溫度控制系統(tǒng)2） SMITH-PID算法設(shè)計(jì)3） 理論分析與設(shè)計(jì)4） 仿真實(shí)驗(yàn)5） THFCS-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)6） 撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:1） 第12天，查閱文獻(xiàn)，構(gòu)成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)2） 第3天，SMITH-PID算法設(shè)計(jì)3） 第4天，理論分析與設(shè)計(jì)4） 第56天，仿真實(shí)驗(yàn)5） 第79天，THFCS-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)6） 第10天，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：20

2、1 年 月 日目錄摘要3第1章 課程設(shè)計(jì)方案41.1 概述41.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)4第2章 硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)62.4.1溫度輸入電路62.4.2信號(hào)輸出電路6第3章 軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)114.1 PID概述114.2數(shù)字PID控制器114.3 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響12第5章 溫度控制系統(tǒng)的smith預(yù)估控制器設(shè)計(jì)145.1史密斯（smith）預(yù)估控制145.2史密斯控制器方案設(shè)計(jì)16第6章 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的Matlab仿真與實(shí)

3、驗(yàn)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(shè)計(jì)目的207.2 被控對(duì)象207.3 檢測(cè)儀表217.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)217.4 控制原理框圖227.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(shè)計(jì)28第9章 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)構(gòu)件、連線299.1數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)構(gòu)件299.2硬件系統(tǒng)連線29第10章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線及分析30總結(jié)32參考文獻(xiàn)33摘要現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不少工業(yè)對(duì)象存在著純滯后時(shí)間。這種純滯后時(shí)間或者是由于物料或能量傳輸過(guò)程中所引起的?；蛘呤怯捎趯?duì)

4、象中多容積所引起的，或者是高階對(duì)象低階近似后所形成的等效滯后。 在純滯后過(guò)程中，由于過(guò)程控制通道中存在純滯后，使得被控量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)。因此這樣的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，被公認(rèn)為是較難控制的過(guò)程，其難控制程度將隨著純滯后工占整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)時(shí)間參數(shù)的比例增加而增加。一般認(rèn)為純滯后時(shí)間占對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T之比大于0.3，則稱該過(guò)程為大滯后過(guò)程。此外，大滯后會(huì)降低整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從自動(dòng)控制理論可知，對(duì)象純滯后的存在對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性極為不利。特別是當(dāng)/T0.5時(shí)（為純滯后時(shí)間，T為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)），若采用常規(guī)PID控制，很難獲得良好的控制質(zhì)量。對(duì)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?yàn)槠淇刂菩Ч麩o(wú)法通過(guò)反饋回路及時(shí)反饋，因而使得控制問(wèn)題復(fù)雜化了。在歸一化純滯后時(shí)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期T變大，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。大慣量物體的一個(gè)明顯特征是慣性滯后。通常在研究數(shù)控設(shè)備時(shí)，忽略其時(shí)滯效應(yīng)。然而，精密定位控制的大慣量物體，其時(shí)滯效應(yīng)是不容忽視的本文采用預(yù)估補(bǔ)償方案，得出適合于數(shù)字伺服的控制算法，并與PID算法加以比較。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，對(duì)大慣量帶有時(shí)滯的系統(tǒng)，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案能得到優(yōu)良的控制品質(zhì)，是一種理想的控制方案。Smith預(yù)估控制的提出就較

6、好地解決了這個(gè)問(wèn)題，它通過(guò)在回路中加入Smith預(yù)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(xiàn)不穩(wěn)定。隨著質(zhì)量分析儀表在線控制的推廣應(yīng)用，克服純滯后已經(jīng)成為提高過(guò)程控制自動(dòng)化水平，改進(jìn)控制質(zhì)量的一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。Smith預(yù)估控制已經(jīng)成為克服純滯后的主要方法之一。4第1章 課程設(shè)計(jì)方案1.1 概述加熱爐是典型的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)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(shí)變性等特點(diǎn)。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(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達(dá)到理想

7、的控制效果。本設(shè)計(jì)采用史密斯PID算法進(jìn)行溫度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的較為精確的控制。在用PID算法進(jìn)行控制時(shí)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，從史密斯算法表達(dá)式可知，參數(shù)的確定十分重要，其大小反映了表達(dá)式中差值與輸出值的不同權(quán)重之分及制約關(guān)系。1.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)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(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)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(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電阻爐溫度的大小，溫度通過(guò)熱電偶檢測(cè)，再經(jīng)過(guò)變送器變成0 - 5 V 的電壓信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過(guò)接口送到微機(jī)，這是模擬量輸入通道。 AT89C51鍵盤溫度檢測(cè)AD

8、590測(cè)量變送A/D轉(zhuǎn)換ADC0809加熱電爐絲驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示圖1.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖第2章 硬件設(shè)計(jì)2.1器件選擇系統(tǒng)采用89C51作為系統(tǒng)的微處理器來(lái)完成對(duì)爐溫的控制和鍵盤、顯示功能。8051片內(nèi)除了128KB的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM作為程序存儲(chǔ)器，是一個(gè)程序不超過(guò)4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時(shí)，只需要外擴(kuò)一個(gè)容量較小的程序存儲(chǔ)器，占用的I/O口減少，同時(shí)也為鍵盤、顯示等功能的設(shè)計(jì)提供了硬件資源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)計(jì)要求。2.2 控制器單片機(jī)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(jī)AT89C51。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件

9、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。單片機(jī)系統(tǒng)主要I/O口的分配如下：89C51的P1口為溫度信號(hào)的輸入口，P0口為溫度顯示信號(hào)數(shù)據(jù)輸出，P2口的P2.0端到P2.3端為顯示信號(hào)的掃描，P2.4端口為執(zhí)行信號(hào)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(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)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(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有+-10%左右的波動(dòng)）、負(fù)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(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，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(cè)量電路和動(dòng)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(guò)控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來(lái)控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)交流電的過(guò)零點(diǎn)，送入單片機(jī)后，控制每個(gè)采樣周期內(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通正弦波個(gè)數(shù)的方法來(lái)調(diào)節(jié)加溫功率。2.4輸入輸出通道設(shè)計(jì)2.4.1溫度輸入電路溫度信號(hào)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(yùn)算放大器和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器三部分組成。本方案比采用溫度變送器的方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格低圖2-2 輸入通道原理圖2.4.2信號(hào)輸出電路為了簡(jiǎn)化輸出通道的硬件結(jié)構(gòu)，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(dòng)態(tài)特性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制方法。單片機(jī)輸出控溫信號(hào)：輸出高電平時(shí)，使雙向可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電；輸出低電平時(shí)，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(hào)輸出通道的原理圖如下，單片機(jī)系統(tǒng)AT89C51的P2.5口輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)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(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器和可控硅一項(xiàng)觸發(fā)電路，大大簡(jiǎn)化了硬件；而且可控硅工作在過(guò)零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設(shè)備的功率因數(shù)，減輕了對(duì)電網(wǎng)的干擾。AT89C51的I/O腳的負(fù)載能力不足以驅(qū)動(dòng)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(guò)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(duì)可控硅可用負(fù)極性觸發(fā)圖2.3輸出通道原理圖第3章 軟件設(shè)計(jì)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(kāi)始系統(tǒng)的初始化溫度數(shù)據(jù)采集及處理NO是否低于預(yù)設(shè)值？停止加熱YES求出輸出控制量PID算法控制輸出結(jié)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(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電熱爐溫度的大小，溫度通過(guò)熱電偶檢測(cè)，再經(jīng)過(guò)變送器變成0 - 5 V 的電壓信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過(guò)接口送到微機(jī)，這是模擬量輸入通道。 在微機(jī)內(nèi)部，主機(jī)將采樣值與給定值比較后進(jìn)行控制算法計(jì)算，再經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器變成模擬量，然后經(jīng)放大器放大后輸入調(diào)壓器，調(diào)節(jié)電壓的大小，以達(dá)到控制溫度的目的。3.2 PID算法流程圖離線計(jì)算q0, q1,q2置e(k-1)=e(k-2)=0將A/D結(jié)果賦給y(k)e(k)=r(k)-y(k)按式計(jì)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(shí)刻到否A/D

14、D/A被控對(duì)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(kāi)始初始化調(diào)用掃描子程序調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用溫度控制子程序調(diào)用顯示子程序鍵值復(fù)原圖3.3 程序流程圖第4章 常規(guī)PID控制器設(shè)計(jì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等。已經(jīng)應(yīng)用在溫控領(lǐng)域的有PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制以及PID控制與模糊控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的一些方法，如Fuzzy-PID控制、Adaptive-PID控制、模糊自適應(yīng)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(jīng)典控制理論中的調(diào)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(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)其中數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)（即比例值、積分值、微分值）。只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。4.2數(shù)字PID控制器在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是采用數(shù)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(hào)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(diǎn)：（1）由于計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量（即對(duì)應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)位置的變化量），故機(jī)器無(wú)原發(fā)生故障時(shí)影響范圍小，從而不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程。（2）手動(dòng)一自動(dòng)切換時(shí)沖擊小?？刂茝氖謩?dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，可以做到無(wú)憂動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)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(guān)，較容易獲得比較好的控制效果！4.3 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響（1）比例控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響a對(duì)動(dòng)態(tài)

17、性能的影響：比例控制加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏、速度加快；偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。b對(duì)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(duì)控制性能的影響 a對(duì)動(dòng)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(shù)較多；太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng)合適時(shí)，過(guò)度過(guò)程比較理想。b對(duì)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(duì)控制性能的影響微分控

18、制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量的減少，調(diào)節(jié)時(shí)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(dāng)偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)；當(dāng)偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)；只有合適時(shí)，可以得到比較滿意的過(guò)渡過(guò)程第5章 溫度控制系統(tǒng)的smith預(yù)估控制器設(shè)計(jì)5.1史密斯（smith）預(yù)估控制經(jīng)典的PID控制理論經(jīng)過(guò)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(jīng)典的PID控制在系統(tǒng)具有較大純滯后的時(shí)候其控制效果不是那么的理想，所以在經(jīng)典的PID控制基礎(chǔ)上再加上Simth控制器，在對(duì)具有大純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)起到了非常好的作用。圖5-1為具有純滯后的對(duì)象進(jìn)行傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，

19、設(shè)對(duì)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(duì)象傳遞函數(shù)中不含純滯后的部分，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)Gc(s)，Gc(s)為PID控制規(guī)律，干擾通道的傳遞函數(shù)為Gp(s)系統(tǒng)給定作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (5-2)系統(tǒng)對(duì)干擾的傳遞函數(shù) (5-3)（3-10）式的特征方程為 (5-4)在反饋回路中設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償回路，其傳遞函數(shù)為GL(s)，如圖5-2所示。圖5-2 具有時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆答伩刂葡到y(tǒng)為了補(bǔ)償對(duì)象的純滯后，要求： (5-5) 史密斯（Smith）補(bǔ)償函數(shù)為 (5-6)于是，史密斯（Smith）預(yù)估控制結(jié)構(gòu)圖如圖5-3所示。 圖5-3 Smith控制結(jié)構(gòu)圖經(jīng)史密斯補(bǔ)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(diào)節(jié)增益來(lái)改變調(diào)節(jié)品質(zhì)。5.2史密斯控制器方案設(shè)計(jì)被控對(duì)象為，畫(huà)出系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)Smith數(shù)字預(yù)估器，已知純滯后負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其中圖5.2 系統(tǒng)框圖其中D(s)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，為對(duì)象傳遞函數(shù)，其中G0(s)e-0.1s包含純滯后特性,純滯后時(shí)間常數(shù)=0.1。系統(tǒng)的特征方程為：由于閉環(huán)特征方程中含有項(xiàng)，產(chǎn)生純滯后現(xiàn)象，有超調(diào)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(yù)估器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不含有項(xiàng)。Smith純滯后補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)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(shù)： 并且有：（為大于

21、1的整數(shù)，T為采樣周期）。1.采樣周期T的選擇采樣周期在計(jì)算機(jī)控制中是一個(gè)重要的參數(shù)。從信號(hào)保真度看，采樣周期不宜太長(zhǎng)，即采樣頻率不應(yīng)該過(guò)低。Shannon采樣定理給出了下限角頻率s 2max，max為原信號(hào)的最高頻率；采樣周期應(yīng)盡可能的短，以使采樣后的離散信號(hào)可以近似于連續(xù)信號(hào)，數(shù)字控制具有接近于連續(xù)控制系統(tǒng)的質(zhì)量。但采樣頻率過(guò)高，將使得數(shù)據(jù)存數(shù)容量加大，計(jì)算工作量加大，并且采樣頻率高到一定程度，對(duì)系統(tǒng)性能的改善效果并不顯著。所以，我們要找到一個(gè)最佳的采樣周期。純滯后較大不可忽略時(shí)，可選擇T在附近，當(dāng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，可選擇T約為，再加上參考課本上表3.4擴(kuò)充響應(yīng)曲線法選擇數(shù)字PID參數(shù)計(jì)

22、算公式，預(yù)選了=2，3，5，10。但是在matlab仿真時(shí)，=2,3系統(tǒng)發(fā)散，所以 還剩下=5，10。考慮到采樣頻率過(guò)高，將使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量加大，計(jì)算工作量加大，所以選擇=5。則由公式=T得：。2.負(fù)反饋調(diào)節(jié)器D(z)的確定D(z)為負(fù)反饋調(diào)節(jié)器，通常使用PID控制規(guī)律。擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是用于有純滯后的一階對(duì)象，因此依據(jù)課本中表3.4擴(kuò)充響應(yīng)曲線法選擇數(shù)字PID參數(shù)計(jì)算公式，而且前面已確定采樣周期T與純滯后時(shí)間常數(shù)的比值=5，因此選定的PID參數(shù)為： ，為PI控制規(guī)律。其中為被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)，即=1，=0.1，=10所以有：=7.3 =0.36則控制器傳遞函數(shù)：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(bǔ)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(bǔ)償器的差分方程有項(xiàng)，即存在滯后5拍的信號(hào)，因此產(chǎn)生純滯后信號(hào)對(duì)純滯后補(bǔ)償控制是至關(guān)重要的。純滯后信號(hào)可以用存儲(chǔ)單元法近似產(chǎn)生。第6章 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的Matlab仿真與實(shí)驗(yàn)6.1 Matlab仿真軟件的介紹Matlab是由美國(guó)Mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)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(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。Matlab是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。它幾乎可以輕易地再現(xiàn)C或FORTRAN語(yǔ)言的全部功能，并設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量程序來(lái)，而且編程效率和計(jì)算效率極高。Matlab環(huán)境下的Simulink是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)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(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拽操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型，是目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個(gè)仿真環(huán)境工

25、具箱，且在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)，加以1v的階躍信號(hào)，PI控制器系數(shù)，=0.36，取反饋系數(shù)為1，使用Smith預(yù)估補(bǔ)償器的仿真結(jié)構(gòu)和輸出曲線分別如圖所示：圖6.1 結(jié)構(gòu)仿真圖第7章 鍋爐夾套水溫pid控制系統(tǒng)7.1 課程設(shè)計(jì)目的在系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了自動(dòng)控制原理，過(guò)程檢測(cè)技術(shù)及儀表等課程后，為了更好的提高我們對(duì)所學(xué)知道的認(rèn)識(shí)加深對(duì)理論知識(shí)的理解。借助THJ-4工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)下水箱前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，調(diào)試完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提高學(xué)生工程意識(shí)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(shù)自整定的方法及參數(shù)整定在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性。3研究調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的改變對(duì)溫度控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。4分析比較鍋爐夾套水溫控制與鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫控制的控制效果。7.2 被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、（上、中、下）三個(gè)串接有機(jī)玻璃水箱、4.5KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)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(chǔ)水箱。上、中、下水箱采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)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(jié)構(gòu)獨(dú)特，由三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過(guò)帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過(guò)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(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)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(jí)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=68cm×52cm×43cm，完全能滿足上、中、下水箱的實(shí)驗(yàn)供水需要。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，以防雜物進(jìn)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(nèi)膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)其溫度，可完成溫度的定值控制、串級(jí)控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實(shí)驗(yàn)。3盤管：模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長(zhǎng)37米（43圈），在盤管上有三個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，它們的滯后時(shí)間常數(shù)不同，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)。盤管的出水通過(guò)閥門的切換既可以流入鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)流回儲(chǔ)水箱。它可用來(lái)完成溫度的滯后和流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)。4管道及

29、閥門：整個(gè)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(zhì)閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱側(cè)面有一個(gè)進(jìn)水閥和出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，可把球閥打開(kāi)將水直接接入或排出。7.3 檢測(cè)儀表1壓力傳感器、變送器：三個(gè)液位傳感器分別用來(lái)對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其量程為05KP，精度為0.5級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)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(gè)Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋

30、爐夾套、盤管（有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)）以及上水箱出口的水溫。Pt100測(cè)溫范圍：-200+420。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA直流電流信號(hào)。Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性較好。3流量傳感器、變送器：三個(gè)渦輪流量計(jì)分別用來(lái)對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，反應(yīng)快。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)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(hù)裝置：為保證實(shí)驗(yàn)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(hù)系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐內(nèi)膽液位低于紅色警戒水位線

31、時(shí)，保護(hù)裝置將切斷調(diào)壓模塊輸出電壓，以有效保護(hù)電加熱管不被干燒損壞7.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為30升/分，揚(yáng)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(zhǎng)。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相380V

32、恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。3電磁閥：本套裝置共有17支優(yōu)質(zhì)電磁閥配合控制器完成所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其閥體為黃銅材質(zhì)，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(dòng)作快、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖7.4所示。本實(shí)驗(yàn)以鍋爐夾套作為被控對(duì)象，夾套的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實(shí)驗(yàn)要求鍋爐夾套的水溫穩(wěn)定至給定值，將鉑電阻TT2檢測(cè)到的鍋爐夾套溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)

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(shù)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(guò)鍋爐內(nèi)膽的熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以?shī)A套溫度的加熱過(guò)程容量時(shí)延非常大，其控制過(guò)渡時(shí)間也較長(zhǎng)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。實(shí)驗(yàn)中用變頻器支路以固定的小流量給鍋爐內(nèi)膽供循環(huán)水，以加快冷卻。圖7.4（b）為一個(gè)單回路的鍋爐夾套溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖.實(shí)驗(yàn)前先用丹麥泵給鍋爐內(nèi)膽打適量的水，而鍋爐夾套為動(dòng)態(tài)環(huán)水,變頻器,齒輪泵，鍋爐內(nèi)膽組成循環(huán)供水系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)投入運(yùn)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(méi)有循環(huán)水加以快速熱交換

34、，散熱過(guò)程相對(duì)比較緩慢，溫度調(diào)節(jié)得效果受對(duì)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(dāng)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(shí)驗(yàn)，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(wù)是控制鍋爐夾套水溫等于給定值，并采取工業(yè)智能PID調(diào)節(jié)。7.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇鍋爐夾套水溫作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將F2-6，F(xiàn)2-9，F(xiàn)2-8打開(kāi)。將變頻器A、B、C三端連接到三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V），打開(kāi)變頻器電源并手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器頻率，給鍋爐內(nèi)膽和夾套貯滿水，然后關(guān)閉變頻器、關(guān)閉F2-8，打開(kāi)F2-9，為

35、給鍋爐內(nèi)膽供冷水作好準(zhǔn)備。1、比例調(diào)節(jié)器( P )控制（1）按圖7.4（b）所示方框圖的要求接成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。（2）打開(kāi)儲(chǔ)水箱到鍋爐內(nèi)膽和鍋爐夾套水路相關(guān)閥門，啟動(dòng)丹麥甭既變頻器與齒輪泵兩條動(dòng)力支路，分別往鍋爐內(nèi)膽和鍋爐夾套進(jìn)水，約進(jìn)1-2分鐘后，關(guān)閉兩套動(dòng)力系統(tǒng)。（3）啟動(dòng)工藝流程并開(kāi)啟相關(guān)儀器和計(jì)算機(jī)，把智能調(diào)節(jié)器置于“手動(dòng)”輸出，把溫度設(shè)定于某給定值（如：水溫控制在40°C）并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使調(diào)節(jié)器工作在比例度（）調(diào)節(jié)器狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。（4）啟動(dòng)變頻器，以15赫茲的頻率啟動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)。（5）運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入相應(yīng)的試驗(yàn)，觀察實(shí)時(shí)或歷史曲線，待水溫（由智能調(diào)節(jié)器的

36、溫度顯示器指示）基本穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器“手動(dòng)”切換至“自動(dòng)”位置，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運(yùn)行。待基本不再變化時(shí)，加入階躍擾動(dòng)。通過(guò)改變智能調(diào)節(jié)器的設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)，觀察并記錄在當(dāng)前比例P余差和超調(diào)量.每當(dāng)改變值后，,再加同樣大小的階躍信號(hào)，比較不同時(shí)的ess和p。（6）記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程各項(xiàng)數(shù)據(jù)繪成過(guò)渡過(guò)程曲線。（數(shù)據(jù)可在軟件上獲得） 改變變頻器的輸出頻率，觀察并記錄在當(dāng)前比例度余差和超調(diào)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(shí)的ess和p。2、比例積分(PI)調(diào)節(jié)器控制 （1）在比例調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后，加入積分(“I”)作用，觀察被控制量能否回到原設(shè)定的位置，以驗(yàn)證

37、系統(tǒng)在PI調(diào)節(jié)器控制下沒(méi)有余差。 （2）固定比例度值（中等大?。?，然后改變積分時(shí)間常數(shù)Ti值，觀察加入擾動(dòng)后被調(diào)量的動(dòng)態(tài)曲線，并記錄下不同Ti值時(shí)的超調(diào)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(dòng)后被調(diào)量的動(dòng)態(tài)曲線，并記下相應(yīng)的超調(diào)量p。（4）選擇合適的和Ti值，使系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線為一條令人滿意的曲線。3、比例微分調(diào)節(jié)器(PD) 控制 （1）在比例調(diào)節(jié)器試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，待系統(tǒng)被調(diào)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(shí)間常數(shù)D的大小，觀察系統(tǒng)在階躍輸入作用下相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。（2）選擇合適的和 Td值，使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)為一條令人滿意的動(dòng)態(tài)曲線。 4

38、、比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器控制 （1）在比例調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后,引入積分(“I”)作用，使被調(diào)量回復(fù)到原設(shè)定值。減小，并同時(shí)增大Ti，觀察加擾動(dòng)信號(hào)后的被調(diào)量的動(dòng)態(tài)曲線，驗(yàn)證在PI調(diào)節(jié)器作用下，系統(tǒng)的余差為零。 （2）在控制PI的基礎(chǔ)上加上適量的微分 “D”作用，然后再對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)(擾動(dòng)幅值與前面的實(shí)驗(yàn)相同)，比較所得的動(dòng)態(tài)曲線與用PI控制時(shí)的不同處。 （3）選擇合適的、Ti和Td，以獲得一條較滿意的動(dòng)態(tài)曲線。 5、PID參數(shù)自整定的連續(xù)溫度控制 當(dāng)發(fā)現(xiàn)AI人工智能調(diào)節(jié)效果不佳時(shí)可啟動(dòng)自整定功能(具體操作參考人AI工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器說(shuō)明書(shū))。當(dāng)自整定結(jié)束后，以前設(shè)定的參數(shù)

39、會(huì)被整定出來(lái)的參數(shù)所替代，并自動(dòng)將CTRL參數(shù)設(shè)為3，這樣就無(wú)法再次從面板上啟動(dòng)自整定功能，可以避免人為的誤操作再次啟動(dòng)自整定。之后系統(tǒng)直接將整定出來(lái)的參數(shù)投入運(yùn)行。根據(jù)自整定得出來(lái)的參數(shù)去控制被控對(duì)象，若此效果不是很滿意，可根據(jù)輸出特性，在自整定參數(shù)的基礎(chǔ)上適當(dāng)修改一下參數(shù)，可達(dá)到滿意效果。 一般通過(guò)自整定得出來(lái)的、Ti、Td參數(shù)，效果都比較好。超調(diào)量小，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短。但如果一開(kāi)始，溫控對(duì)象的溫度不是最低，也就是說(shuō)自整定尋求的最大斜率不一定是真正的。此時(shí)自整定得出的、Ti、Td參數(shù)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(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)

40、自動(dòng)化開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過(guò)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進(jìn)技術(shù)，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(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)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(shí)際工程問(wèn)題的

41、完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。MCGS （Monitor and Control Generated System） 軟件是一套幾基于Windows平臺(tái)的32位工控組態(tài)軟件，集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備,廣泛應(yīng)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(shí)驗(yàn)室等多種行業(yè)。MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境

42、”兩個(gè)部分組成。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)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(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫(xiě)控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作后，生成擴(kuò)展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，其與MCGS 運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe支持,以用戶指定的方式運(yùn)行,并進(jìn)行各種處理,完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。利用MCGS軟件組建工程的過(guò)程簡(jiǎn)介：（1）工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測(cè)控對(duì)象

43、的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫(huà)顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫(huà)顯示的。（2）工程立項(xiàng)搭建框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫(kù)文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新的周期。經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)框架。（3）設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需

44、要，隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。（4）制作動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面：動(dòng)畫(huà)制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過(guò)程。前一部分用戶通過(guò)MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫(huà)構(gòu)件庫(kù)，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫(huà)面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫(huà)屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫(huà)圖形的驅(qū)動(dòng)源。（5）編寫(xiě)控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，編寫(xiě)工程控制程序。（6）完善菜單按鈕功能：包括對(duì)菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組

45、態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。（7）編寫(xiě)程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫(huà)顯示和控制流程是否正確。（8）連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。（9）工程完工綜合測(cè)試：最后測(cè)試工程各部分的工作情況，完成整個(gè)工程的組態(tài)工作，實(shí)施工程交接。8.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)在開(kāi)始組態(tài)工程之前, 先對(duì)該工程進(jìn)行剖析,以便從整體上把握工程的結(jié)構(gòu)、流程、需實(shí)現(xiàn)的功能及如何實(shí)現(xiàn)這些功能。本設(shè)計(jì)為盤管出水口水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng), 目的是通過(guò)過(guò)程控制, 使

46、主控參數(shù)盤管出水口水溫穩(wěn)定為給定值, 并對(duì)擾動(dòng)具有一定的適應(yīng)能力。因此, 本系統(tǒng)應(yīng)具備盤管水溫與熱水流量串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真界面, 也應(yīng)有盤管出水口水溫與流量參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示窗口, 實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線顯示窗口, 計(jì)算機(jī)與工控機(jī)的通訊狀態(tài)設(shè)定及顯示窗口。由上述分析可知, 本系統(tǒng)應(yīng)具有7個(gè)用戶窗口：盤管水溫與熱水流量串級(jí)控制、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、通訊狀態(tài)、數(shù)據(jù)瀏覽、退出指示。圖8.1 組態(tài)軟件界面第9章 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)構(gòu)件、連線9.1數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)構(gòu)件遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制即我們通常所說(shuō)的直接數(shù)字控制（DDC），它的特點(diǎn)是以計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡或模塊進(jìn)行A/

47、D、D/A轉(zhuǎn)換，控制算法全部在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在本裝置中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括SA-21遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集熱電阻輸入模塊掛件、SA-22遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊掛件、SA-23遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊掛件。采用臺(tái)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(guò)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的模擬量、開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入和輸出、脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和測(cè)量脈沖頻率等功能。圖8所示即為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(shù)字計(jì)算機(jī)輸入通道A/D被控對(duì)象圖9.1數(shù)據(jù)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(shí)圖第10章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線及分析本實(shí)驗(yàn)選擇鍋爐夾套水溫作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱貯足水量，將閥門F1-1、F1-2、F1-5、F1-13全開(kāi)，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門F1-3至適當(dāng)開(kāi)度，其余閥門關(guān)閉。啟動(dòng)380伏交流磁力泵，給鍋爐內(nèi)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(guān)閉閥F1-13，打開(kāi)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(kāi)用作上位監(jiān)控的PC機(jī)，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。2、在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“鍋爐夾套水溫PID控制實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常