基于SMITHPID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書

基于SMITH-PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計基于SMITH-PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)學(xué)院專業(yè)學(xué)生姓名班級學(xué)號課程設(shè)計題目基于SMITH-PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(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3）理論分析與設(shè)計4）仿真實驗5）THFCS-1現(xiàn)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1～2天，查閱文獻，構(gòu)成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)2）第3天，SMITH-PID算法設(shè)計3）第4天，理論分析與設(shè)計4）第5～6天，仿真實驗5）第7～9天，THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗6）第10天，撰寫實驗報告指導(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：201年月日目錄摘要3第1章課程設(shè)計方案11.1概述11.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)1第2章硬件設(shè)計22.1器件選擇22.2控制器22.3電源部分22.4輸入輸出通道設(shè)計32.4.1溫度輸入電路32.4.2信號輸出電路3第3章軟件設(shè)計53.1系統(tǒng)流程圖53.2PID算法流程圖63.3程序流程圖7第4章常規(guī)PID控制器設(shè)計84.1PID概述84.2數(shù)字PID控制器84.3PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響9第5章溫度控制系統(tǒng)的smith預(yù)估控制器設(shè)計115.1史密斯（smith）預(yù)估控制115.2史密斯控制器方案設(shè)計13第6章Smith預(yù)估補償控制的Matlab仿真與實驗166.1Matlab仿真軟件的介紹166.2采用Matlab系統(tǒng)仿真16第7章鍋爐夾套水溫pid控制系統(tǒng)177.1課程設(shè)計目的177.2被控對象177.3檢測儀表187.3執(zhí)行機構(gòu)187.4控制原理框圖197.5實驗內(nèi)容與步驟20第8章組態(tài)軟件界面、邏輯、代碼238.1MCGS組態(tài)軟件238.2組態(tài)軟件設(shè)計25第9章數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)構(gòu)件、連線269.1數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)構(gòu)件269.2硬件系統(tǒng)連線26第10章實驗結(jié)果曲線及分析27總結(jié)29參考文獻30摘要現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)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ο笾卸嗳莘e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(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長的調(diào)節(jié)時間，被公認(rèn)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(shù)的比例增加而增加。一般認(rèn)為純滯后時間占對象的時間常數(shù)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(dāng)/T≥0.5時（為純滯后時間，T為對象的時間常數(shù)），若采用常規(guī)PID控制，很難獲得良好的控制質(zhì)量。對于純滯后，普通的PID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(fù)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KP，然而這樣作將會導(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。大慣量物體的一個明顯特征是慣性滯后。通常在研究數(shù)控設(shè)備時，忽略其時滯效應(yīng)。然而，精密定位控制的大慣量物體，其時滯效應(yīng)是不容忽視的本文采用預(yù)估補償方案，得出適合于數(shù)字伺服的控制算法，并與PID算法加以比較。計算機仿真結(jié)果表明，對大慣量帶有時滯的系統(tǒng)，Smith預(yù)估補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)估控制的提出就較好地解決了這個問題，它通過在回路中加入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)成為提高過程控制自動化水平，改進控制質(zhì)量的一個迫切需要解決的問題。Smith預(yù)估控制已經(jīng)成為克服純滯后的主要方法之一。第1章課程設(shè)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(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(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無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到理想的控制效果。本設(shè)計采用史密斯—PID算法進行溫度控制來實現(xiàn)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(shù)進行整定，從史密斯算法表達式可知，參數(shù)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(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，主要由溫度檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)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(diào)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(jīng)過變送器變成0-5V的電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口送到微機，這是模擬量輸入通道。AT89C51AT89C51A/D轉(zhuǎn)換ADC0809測量變送溫度檢測AD590驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)加熱電爐絲鍵盤顯示圖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(nèi)除了128KB的RAM外，片內(nèi)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(shè)計提供了硬件資源，簡化了設(shè)計，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)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)的硬件結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)電壓波動（一般有+-10%左右的波動）、負(fù)載和溫度的變化而變化。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、負(fù)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(dǎo)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(cè)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(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通正弦波個數(shù)的方法來調(diào)節(jié)加溫功率。2.4輸入輸出通道設(shè)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。電路主要由溫度傳感器、運算放大器和模/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(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。單片機輸出控溫信號：輸出高電平時，使雙向可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電；輸出低電平時，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。脈沖寬度錯誤！未找到引用源。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(jīng)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。這樣使輸出通道省去了數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)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(shè)備的功率因數(shù)，減輕了對電網(wǎng)的干擾。AT89C51的I/O腳的負(fù)載能力不足以驅(qū)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(fù)極性觸發(fā)圖2.3輸出通道原理圖第3章軟件設(shè)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(shù)據(jù)采集及處理是否低于預(yù)設(shè)值？PID算法求出輸出控制量控制輸出結(jié)束停止加熱YESNO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，溫度通過熱電偶檢測，再經(jīng)過變送器變成0-5V的電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口送到微機，這是模擬量輸入通道。在微機內(nèi)部，主機將采樣值與給定值比較后進行控制算法計算，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，以達到控制溫度的目的。3.2PID算法流程圖離線計算q離線計算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/DD/A被控對象否到圖3.2PID算法流程圖3.3程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖3.3：開始開始初始化調(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4.1PID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。比例比例被控對象微分積分R(t)C(t)U(t)E(t)+-+++圖4－1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(yīng)用工業(yè)過程控制中，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)場實現(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。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個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(shù)字PID控制器在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)是采用數(shù)值逼近的方法。差分方程：te(t)dtkTe(i)（4-1） 0 i0de(t)e(k)e(k1)（4-2）dt T式中：T為采樣周期k為采樣序號所以由（1—4）式可知u(k)K[e(k)Tke(i)Te(k)e(k1)]（4-3） P T D TIi0同理u(k1)K[e(k1)Tk1e(i)Te(k1)e(k2)]（4-4） P T D TIi0將（3—3）式成（3—4）式相減，可得PID控制算式u(k)u(k)u(k1)K[e(k)e(k1)]Ke(k)K[e(k)2e(k1)e(k2)] P I D(KKK)e(k)(2KK)e(k1)Ke(k2) P I D p D D TT 2T T K(1D)e(k)K(1D)e(k1)KDe(k2) P T T P T PTIAe(k)Ae(k1)Ae(k2) 0 1 2其中 TT 2T TA=K(1D)，A=K(1D)，A=KD（4-5） 0 P T T 1 P T 2 PTIPID控制算法有許多優(yōu)點：由于計算機每次只輸出控制增量（即對應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)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(yán)重影響生產(chǎn)過程。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(dāng)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。算式中不需要累加，控制增量u(k)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！4.3PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響（1）比例控制K對系統(tǒng)性能的影響Pa對動態(tài)性能的影響：比例控制K加大，使系統(tǒng)的動作靈敏、速度加快；P K偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長；當(dāng) K太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)P P定。若K太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。Pb對穩(wěn)定特性的影響加大比例控制K，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P度，但加大K只能減小誤差，卻不能完全消除誤差。P積分控制T對控制性能的影響Ia對動態(tài)特性的影響積分控制T通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，T太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；T偏小， I I I震蕩次數(shù)較多；T太大，對系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng)T合適時，過度過程比較I I理想。b對穩(wěn)態(tài)性能的影響積分控制T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T太大，I I積分作用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制T對控制性能的影響D微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量的減少，調(diào)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(dāng)T偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間長；D當(dāng)T偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長；D只有TD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(yù)估控制器設(shè)計5.1史密斯（smith）預(yù)估控制經(jīng)典的PID控制理論經(jīng)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(jīng)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(jīng)典的PID控制基礎(chǔ)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(diào)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，設(shè)對象的特性為：G(s)G(s)es(5-1) pc pGGc)s(Gps)e(-τ××GD(s)R)(s+D)s(-++Y)s(圖5-1常規(guī)PID控制系統(tǒng)其中，Gp(s)為對象傳遞函數(shù)中不含純滯后的部分，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)G(s)，G(s)為PID控制規(guī)律，干擾通道的傳遞函數(shù)為G(s)cc p系統(tǒng)給定作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Y(s) G(s)G(s)R(s)1G(s)G(s) c p es(5-2) C P系統(tǒng)對干擾的傳遞函數(shù) Y(s) G(s)Des(5-3)D(s)1G(s)G(s) C P（3-10）式的特征方程為1G(s)G(s)es(5-4)在反饋回路中設(shè)計一個補償回路，其傳遞函數(shù)為G(s)，如圖5-2所示。LGGc)s(Gps)e(-τ××GD(s)R)s(+D(s)-++Y)s(GL(s)×YsY1圖5-2具有時間補償?shù)姆答伩刂葡到y(tǒng)為了補償對象的純滯后，要求：KG(s)Ts1es(5-5)史密斯（Smith）補償函數(shù)為G(s)G(s)(1es)(5-6) L p于是，史密斯（Smith）預(yù)估控制結(jié)構(gòu)圖如圖5-3所示。GGc)(sGps)e(-τs××GD(s)R)s(+D(s)-++Y()sGL)(se-τs××-+YsY1++圖5-3Smith控制結(jié)構(gòu)圖經(jīng)史密斯補償后，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)增益來改變調(diào)節(jié)品質(zhì)。5.2史密斯控制器方案設(shè)計10e0.1s被控對象為G(s)，畫出系統(tǒng)框圖，設(shè)計Smith數(shù)字預(yù)估器，已知1s純滯后負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其中圖5.2圖5.2系統(tǒng)框圖10e0.1s其中D(s)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，G(s)為對象傳遞函數(shù)，其中1sG(s)e-0.1s包含純滯后特性,純滯后時間常數(shù)τ=0.1。0系統(tǒng)的特征方程為：10e0.1s1D(s)G(s)1D(s)01s由于閉環(huán)特征方程中含有e0.1s項，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e0.1s項。Smith純滯后補償?shù)挠嬎銠C控制系統(tǒng)為:圖5.3系統(tǒng)框圖1eTs上圖所示ZOH為零階保持器，傳遞函數(shù)：G(s)h s并且有：lT（l為大于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算機控制中是一個重要的參數(shù)。從信號保真度看，采樣周期不宜太長，即采樣頻率不應(yīng)該過低。Shannon采樣定理給出了下限角頻率ω≧s2ω，ω為原信號的最高頻率；采樣周期應(yīng)盡可能的短，以使采樣后的離散max max信號可以近似于連續(xù)信號，數(shù)字控制具有接近于連續(xù)控制系統(tǒng)的質(zhì)量。但采樣頻率過高，將使得數(shù)據(jù)存數(shù)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/10附近，當(dāng)純滯后占主導(dǎo)地位時，可選擇T約為τ，再加上參考課本上表3.4擴充響應(yīng)曲線法選擇數(shù)字PID參數(shù)計算公式，預(yù)選了l=2，3，5，10。但是在matlab仿真時，l=2,3系統(tǒng)發(fā)散，所以還剩下l=5，10?？紤]到采樣頻率過高，將使得數(shù)據(jù)存儲容量加大，計算工作量加大，所以選擇l=5。則由公式τ=lT得：T/l0.02。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。擴充響應(yīng)曲線法是用于有純滯后的一階對象，因此依據(jù)課本中表3.4擴充響應(yīng)曲線法選擇數(shù)字PID參數(shù)計算公式，而且前面已確定采樣周期T與純滯后時間常數(shù)τ的比值l=5，因此選定的PID參數(shù)為：k/(T/)0.73，T/3.6，為PI控制規(guī)律。p 0 i其中T為被控對象時間常數(shù)，即T=1，τ=0.1，T/=100 0所以有：k=7.3T=0.36 p i7.3s20.3則控制器傳遞函數(shù)：D(s)k(1)p Tis s將得到的模擬控制器用一階后向差分法離散化得到： T 7.706z7.3D(z)D(s)|kp(1)s1z1Ti(1z1)z1T3.Smith補償器Dτ(z)的確定10(1e0.02s)G(s)esG(s)G(s)esesp h 0 s(1s)10(1e0.02s)G(s) p s(1s)10(1e0.02s)D(s)G(s)(1e0.1s)(1e0.1s) p s(1s) 10(1e0.02)(1z5)z1 0.2z51 D(z)Z[D(s)] 1e0.02z1 z60.98z5令ae0.020.98；b10(1e0.02)0.198bz1(1z5)則D1az1差分方程為：C(k)C(k)C(kl)C(k)C(k5) 1 1 1 1C(k)aC(k1)bU(k1)0.98C(k1)0.198U(k1) 1 1 1由此可得到：C(k)0.98C(k1)0.198U(k1)C(k5) 1 1可以看出，Smith補償器的差分方程有C(k5)項，即存在滯后5拍的信號，1因此產(chǎn)生純滯后信號對純滯后補償控制是至關(guān)重要的。純滯后信號可以用存儲單元法近似產(chǎn)生。第6章Smith預(yù)估補償控制的Matlab仿真與實驗6.1Matlab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(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)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(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。Matlab是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，集數(shù)值分析、矩陣運算和圖形顯示于一體，構(gòu)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(xiàn)C或FORTRAN語言的全部功能，并設(shè)計出功能強大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)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(biāo)的簡單拖拽操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型，是目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個仿真環(huán)境工具箱，且在各個領(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，PI控制器系數(shù)k7.3，T0.36=0.36，取反饋系數(shù) p i為1，使用Smith預(yù)估補償器的仿真結(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)計目的在系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了《自動控制原理》，《過程檢測技術(shù)及儀表》等課程后，為了更好的提高我們對所學(xué)知道的認(rèn)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(shè)計，調(diào)試完成系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計與開發(fā)提高學(xué)生工程意識和能力提高創(chuàng)新能力。1．了解單回路溫度控制系統(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(nèi)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(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、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機玻璃，不但堅實耐用，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，H=20cm。水箱結(jié)構(gòu)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(jīng)過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)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(nèi)部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，以防雜物進入水泵和管道。2．模擬鍋爐：是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(xiàn)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(shù)不同，在實驗過程中可根據(jù)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(nèi)膽，也可以經(jīng)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(zhì)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(cè)面有一個進水閥和出水閥，當(dāng)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0～5KP，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(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源，輸出：4～20mADC。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(nèi)膽、鍋爐夾套、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(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4～20mA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(diào)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(yīng)快。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源。流量范圍：0～1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4～20mADC。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(dāng)鍋爐內(nèi)膽液位低于紅色警戒水位線時，保護裝置將切斷調(diào)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(gòu)1．電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)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(gòu)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4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC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(qū)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(qū)動泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動。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驗項目，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(jié)構(gòu)圖(b)方框圖本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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鍋爐內(nèi)膽的熱傳導(dǎo)來實現(xiàn)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(diào)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(nèi)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(jié)構(gòu)框圖.實驗前先用丹麥泵給鍋爐內(nèi)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(nèi)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，散熱過程相對比較緩慢，溫度調(diào)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(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(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實驗內(nèi)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，F(xiàn)2-9，F(xiàn)2-8打開。將變頻器A、B、C三端連接到三相磁力驅(qū)動泵（220V），打開變頻器電源并手動調(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F2-9，為給鍋爐內(nèi)膽供冷水作好準(zhǔn)備。1、比例調(diào)節(jié)器(P)控制按圖7.4（b）所示方框圖的要求接成實驗系統(tǒng)。打開儲水箱到鍋爐內(nèi)膽和鍋爐夾套水路相關(guān)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(nèi)膽和鍋爐夾套進水，約進1-2分鐘后，關(guān)閉兩套動力系統(tǒng)。啟動工藝流程并開啟相關(guān)儀器和計算機，把智能調(diào)節(jié)器置于“手動”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（δ）調(diào)節(jié)器狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。啟動變頻器，以15赫茲的頻率啟動循環(huán)水系統(tǒng)。運行MCGS組態(tài)軟件，進入相應(yīng)的試驗，觀察實時或歷史曲線，待水溫（由智能調(diào)節(jié)器的溫度顯示器指示）基本穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器“手動”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(diào)節(jié)器的設(shè)定值來實現(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δ后，,再加同樣大小的階躍信號，比較不同δ時的ess和σp。記錄實驗過程各項數(shù)據(jù)繪成過渡過程曲線。（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δ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的ess和σp。2、比例積分(PI)調(diào)節(jié)器控制在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(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，以驗證系統(tǒng)在PI調(diào)節(jié)器控制下沒有余差。固定比例度δ值（中等大小），然后改變積分時間常數(shù)Ti值，觀察加入擾動后被調(diào)量的動態(tài)曲線，并記錄下不同Ti值時的超調(diào)量σp。固定Ti于某一中間值，然后改變比例度δ的大小，觀察加擾動后被調(diào)量的動態(tài)曲線，并記下相應(yīng)的超調(diào)量σp。選擇合適的δ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)控制在比例調(diào)節(jié)器試驗的基礎(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δ值(中間值)，改變微分時間常數(shù)D的大小，觀察系統(tǒng)在階躍輸入作用下相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。選擇合適的δ和Td值，使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)為一條令人滿意的動態(tài)曲線。4、比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器控制在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(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δ，并同時增大Ti，觀察加擾動信號后的被調(diào)量的動態(tài)曲線，驗證在PI調(diào)節(jié)器作用下，系統(tǒng)的余差為零。在控制PI的基礎(chǔ)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。選擇合適的δ、Ti和Td，以獲得一條較滿意的動態(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)效果不佳時可啟動自整定功能(具體操作參考人AI工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器說明書)。當(dāng)自整定結(jié)束后，以前設(shè)定的參數(shù)會被整定出來的參數(shù)所替代，并自動將CTRL參數(shù)設(shè)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(shù)投入運行。根據(jù)自整定得出來的參數(shù)去控制被控對象，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)，可達到滿意效果。一般通過自整定得出來的δ、Ti、Td參數(shù)，效果都比較好。超調(diào)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δ、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8.1MCGS組態(tài)軟件計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)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(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進技術(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)軟件作為上位機監(jiān)控組態(tài)軟件。MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)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MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS5.5為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)等功能。MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）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(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內(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”兩個部分組成。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)境中完成動畫設(shè)計、設(shè)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(jié)果數(shù)據(jù)庫，其與MCGS運行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程”。MCGS運行環(huán)境是用戶應(yīng)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(shè)計的目標(biāo)和功能。利用MCGS軟件組建工程的過程簡介：工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應(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)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。工程立項搭建框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動畫刷新的周期。經(jīng)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(jié)構(gòu)框架。設(shè)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(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(jù)實際需要，隨時對菜單的內(nèi)容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計和動態(tài)屬性設(shè)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(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫面。后一部分則設(shè)置圖形的動畫屬性，與實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動畫圖形的驅(qū)動源。編寫控制流程程序：在運行策略窗口內(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，由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。編寫程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。連接設(shè)備驅(qū)動程序：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。此項操作在設(shè)備窗口內(nèi)進行。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(shè)計在開始組態(tài)工程之前在開始組態(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(jié)構(gòu)、流程、需實現(xiàn)的功能及如何實現(xiàn)這些功能。本設(shè)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,使主控參數(shù)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(yīng)能力。因此,本系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)有盤管出水口水溫與流量參數(shù)設(shè)定、實時數(shù)據(jù)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(shè)定及顯示窗口。由上述分析可知,本系統(tǒng)應(yīng)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(dǎo)、實時曲線、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的直接數(shù)字控制（DDC），它的特點是以計算機代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，并通過數(shù)據(jù)采集板卡或模塊進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，控制算法全部在計算機上實現(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(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊對現(xiàn)場的模擬量、開關(guān)量信號的輸入和輸出、脈沖信號的計數(shù)和測量脈沖頻率等功能。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為ICP7000智能采集模塊。干擾控制量 被控變量被控對象 輸出通道D/A 數(shù)字計算機 輸入通道A/D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)連線實圖第10章實驗結(jié)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(diào)節(jié)閥門F1-3至適當(dāng)開度，其余閥門關(guān)閉。啟動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，打開閥F1-12，給鍋爐夾套注一定的水量。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。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)進入正常的測試狀態(tài)。在上位機監(jiān)控界面中點擊“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作既可拉動輸出值旁邊的滾動條，也可直接在輸出值顯示框中輸入。合上三相電源空氣開關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定于設(shè)定值。按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PID控制規(guī)律，并按整定后的PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待水溫穩(wěn)定后，突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，一般為設(shè)定值的5％～15%為宜），鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值。點擊實驗界面下邊的切換按鈕，觀察實時曲線、歷史曲線、數(shù)據(jù)報表所記錄的設(shè)定值、輸出值，內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過程曲線將如圖10.1所示。圖10.1內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過程曲線7、適量改變控制器的PID參數(shù)，重復(fù)步驟6，觀察計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。8、開始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟3～7，觀察實驗的過程曲線與前面不加冷水的過程有何不同。9、采用PI控制規(guī)律，重復(fù)上述實驗，觀察在不同的PID參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。本實驗中，得到的等幅振蕩曲線如下：圖10.2臨界比例度整定時的等幅振蕩曲線得到Tk=180s，δk=1根據(jù)表三計算得：P=1.6δk=1.6Ti=0.5Tk=90sTd=0.125Tk=23s根據(jù)上面整定的參數(shù)，得出下面響應(yīng)曲線：圖10.3整定后的階躍響應(yīng)曲線上面的曲線超調(diào)量小，響應(yīng)速度快，也比較穩(wěn)定，是比較理想的一條曲線?？偨Y(jié)通過這次計算機控制課程設(shè)計，我們不僅更加深刻地理解了Smith預(yù)估控制，而且將我們在計算機控制，matlab，protel與單片機課程上所學(xué)到的知識相結(jié)合，更進一步提高了我們綜合運用知識的能力。通過課程設(shè)計將所學(xué)到的專業(yè)知識聯(lián)系在一起，我們明白了理論知識的重要性和應(yīng)用范圍的寬廣，加深了對專業(yè)、對工程設(shè)計的理解。更加重要的是我們認(rèn)識到做事要有耐心，切忌浮躁。在設(shè)計的過程中我也遇到了很多的麻煩，比如思路不明確，根本不知道從什么地方入手、基礎(chǔ)知識不扎實，發(fā)現(xiàn)很多概念都模糊了。當(dāng)我靜下心來，認(rèn)真把有關(guān)計算機控制這門課的基本知識重新復(fù)習(xí)了一遍，包括史密斯預(yù)估器，AD、DA轉(zhuǎn)換，零階保持器等相關(guān)內(nèi)容，并通過使用西門子的S7-200PLC設(shè)計出了溫度控制系統(tǒng)，并結(jié)合通用組態(tài)軟件MCGS，通過PPI通訊，使用組態(tài)軟件設(shè)計的上位機實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理、畫面顯示、報警處理以及流程控制等功能，對整個溫度控制系統(tǒng)進行實時動態(tài)監(jiān)控，主要完成的工作有：(1)使用組態(tài)軟件MCGS繪制出了系