锅炉盘管出口温度滞后的串级设计 - 毕业设计 - 图文

（楷体1号居 中） 毕业设计（论文）

（楷体初号加粗居中）

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

学生姓名： 班级/学号 自控

指导老师/督导老师：

起止时间：2013 年 2 月25日 至 2013年 6 月21日

（以上宋体四号居中）

摘要

摘 要

（宋体、三号、加粗、居中）

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

Ⅰ

Abstract

Abstract

(Times New Roman、16磅、加粗、居中)

（Times New Roman 、12磅） The 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 , 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, boilers, 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 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

Ⅱ

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 ???????????????????????????? 1

1.1 课题意义与研究背景 ?????????????????????? 1 1.2 本文研究的主要内容 ?????????????????????? 2

第二章 监控组态工程设计 ?????????????????????? 3

2.1 系统结构介绍 ????????????????????????? 4 2.2 制作工程画面 ????????????????????????? 5 2.3 构建实时数据库 ????????????????????????7 2.4 设备窗口 ??????????????????????????? 8 2.5 运行策略 ??????????????????????????? 8

第三章 锅炉盘管出口温度的建模 ??????????????????? 10

3.1 建模的概念 ??????????????????????????10 3.2 建模步骤 ?????????????????????????? 10 3.3 建模方法 ?????????????????????????? 10 3.4 阶跃响应曲线法建模 ??????????????????????11 3.5 获取模型方法 ???????????????????????? 11 3.6 测试步骤 ?????????????????????????? 11 3.7 模型参数的确定 ???????????????????????? 16 3.8 模型校验 ????????????????????????? 17

第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真分析 ?????????? 19

4.1 盘管出口温度单回路 PID 控制 ???????????????? 19 4.2 盘管出口温度串级 PID 控制 ???????????????? 20

4.3 串级控制结构结合Smith预估控制器的控制方案 ????????? 22

第五章 基于OPC技术的盘管出口温度的实时控制 ?????????? 25

5.1 OPC 技术 ????????????????????????? 25 5.2 Matlab作为客户端访问OPC服务器的通信流程 ?????????? 26 5.3 基于OPC 实现MATLAB 与MCGS 的实时通讯 ???????????? 29

Ⅲ

目录

结束语 ????????????????????????????????30 致谢 ????????????????????????????????31 参考文献 ?????????????????????????????? 32

Ⅲ

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

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τ与对象的惯性时间常数Tm之比τ/Tm≥0.5的过程。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。

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

1

[2]

[1]

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

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参数确定的系统进行有效的控制。

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。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,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。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。

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。

[6]

[5]

[4]

[3]

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

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。

2

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

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。

2

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

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i／0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:

1、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

3

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

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。

图2.1 常规仪表侧控制对象总貌图

4

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

2.2制作工程画面

2.2.1 工程建立

进入MCGS组态环境。 在菜单文件中选择新建工程菜单项，生成新建工程，名称为“盘管水温滞后”。 工程需存放在MCGS子目录WORK的目录下，否则工程无法运行。 2.2.2 建立窗口

在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”，并修改其窗口名称为“水温控制”。如图2.2所示。

图2.2 水温控制窗口

2.2.3编辑画面

选中“水温控制”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。 （1）添加对象元件，如下图所示：

图2.3对象元件库管理图

（2）添加按钮构建，如图2.3所示：

5

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

图2.3标准按钮构建属性设置图

（3）添加实时曲线构建，并设置其属性，如下图所示：

图2.4实时曲线构建属性设置图

（4）整体画面

最后生成的画面如图所示：

6

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

图2.5 工程效果图

然后，一定要检查组态设备是否正确。若组态设备显示为有误，则应仔细检查直至确认无误后，则进入下一设计环节。

2.3构建实时数据库

在实时数据库中，至少添加三个点，属性为数值型，分别是盘管出口温度、锅炉内胆温度和控制电加热丝功率的控制量。

图2.6实时数据库

7

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

2.4设备连接

在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。打开设备工具箱，将OPC设备添加到设备组态窗口中，如图

图2.7 添加设备

添加完设备以后还要进行设备属性的修改，使得能够与计算机有很好的进行通讯。如图2.8、2.9为添加通道连接时的对应数据对象，使得计算机与设备能够有一个较好的连接接口。

图2.8 设备属性设置1

图2.9设备属性设置2

2.5运行策略

经各个部分组态配置生成的组态工程，只是一个顺序执行的监控系统，不能对系统的运行流程进行自由控制，这只能适应简单工程项目的需要。对于复杂的工程，监控系统必须设计成多分支、

8

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

多层循环嵌套式结构，按照预定的条件，对系统的运行流程及设备的运行状态进行有针对性选择和精确的控制。为此，MCGS引入运行策略的概念，用以解决上述问题。

所谓“运行策略”，是用户为实现对系统运行流程自由控制所组态生成的一系列功能块的总称。MCGS为用户提供了进行策略组态的专用窗口和工具箱。

运行策略本身是系统提供的一个框架，其里面放置有策略条件构件和策略构件组成的“策略行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构建的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。

一个应用系统有三个固定的运行策略：启动策略、循环策略和退出策略。启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出时调用，循环策略由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其他部件调用。如图3.8所示。

图2.10运行策略

进行以上各个环节后，盘管出口水温滞后的工程已经基本完成。运行后，在界面中点击“实验二十一、盘管出口水温滞后控制实验”，如图2.9所示。盘管出口水温滞后工程是测量系统模型的准备与前提，是进行测模型的一个必要的软件环境。

图2.11 进入运行环境

9

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

第三章 锅炉盘管出口温度建模

对于本文中的过程控制实验室锅炉盘管出口温度滞后系统，需要建立其模型。

建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。因描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。

3.1建模的概念

建模，就是建立被控对象的数学模型。它是一个实际系统模型化的过程。对于同一个实际系统，人们可以根据不同的用途和目的建立不同的模型。

建模需要三类主要的信息源： 1、要确定明确的输入量与输出量

通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一个输入信号作为输入量，其余的输入信号则为干扰量。

2、要有先验知识

在建模中，被控对象内部所进行的物理、化学过程符合已经发现的许多定理、原理及模型。在建模中必须掌握建模对象所要用到的先验知识。

3、试验数据

过程的信息也能通过对对象的试验与测量而获得。合适的实验数据是验证模型和建模的重要依据。

3.2建模步骤

1) 明确建模目的和验前知识：目的不同，对模型的精度和形式要求不同；事先对系统的了解程度。

2) 实验设计：

变量的选择，输入信号的形式、大小，正常运行信号还是附加试验信号，数据采样速率，辨识允许的时间及确定量测仪器等。

3) 确定模型结构：选择一种适当的模型结构。

4) 参数估计：在模型结构已知的情况下，用实验方法确定对系统特性用影响的参数数值。 5) 模型校验：验证模型的有效性

3.3 建模方法

过程系统建模方法有机理法和测试法等。机理分析法建模又称为数学分析法建模或理论建模，是根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理建立过程的数学模型。测试法，是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行数学处理后得到的模型。

10

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

本文采用的是测试法中的阶跃响应曲线法来建模。阶跃响应曲线能形象、直观地描述被控过程得动态特性。

3.4阶跃响应曲线法建模

在被控系统处于开环稳定时，使输入量（调节阀）作阶跃式变化，记录被控过程输出的变化曲线，直至进入新的稳态。求出被控过程输入量与输出量之间的动态数学关系——传递函数。

该法建模时的注意事项：

①合理选择阶跃扰动信号的幅度，一般在正常输入信号的5%～15%。过小，激励弱，可能响应信号被其他干扰所淹没，是测试结果不可靠。过大，使正常生产受到干扰甚至危及安全。

②试验开始前确保被控对象处于某一选定的稳定工况，并且在其期间避免其他偶然性的扰动。 ③仔细记录起始部分，因为对动态特性参数的影响很大。

④多次测试。非线性因素：在不同负荷、不同设定值条件下测试；同一负荷、同一设定值下正、反扰动，全面掌握特性。同样条件下多次测试减少干扰因素的影响。

3.5获取模型的方法

输入加热模块锅炉内胆盘管输出温度变送器1温度变送器2内胆温度盘管温度

图3.1开环测模型

方法一：设由锅炉内胆到盘管出水口的管道长度为L米，热水的流速为v米/秒，则内胆的热水要经过τd秒后才能到达被控点，其中τd=L/v。如果忽略热水在盘管内流动时的热损耗，则可近似地把盘管视为一阶带纯滞后环节。本文并没有采用该法。

方法二：先测出控制量到盘管的温度模型G1(s)，再测出控制量到锅炉内胆的模型G2（s），如图3.1所示，在系统结构图中盘管与锅炉内胆是串接的。前者的传递函数除以后者的传递函数，即G1 ( s )/G2（s），可近似得到盘管的温度模型。本文采用是正是这个方法。

11

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

3.6 测试步骤

测试时选择盘管出水口温度（也可根据实验需要选择另外两个温度测试点处的温度）作为被控量，实验之前先将储水箱中贮足水量，将锅炉内胆打满水。等水溢出后，确认管路连接好以后将阀门F1-2、F1-3、F1-4、F1-13全开，其余阀门关闭，形成一个循环水的过程系统。

管路连接：将锅炉内胆出水口与工频泵进水口2连接起来，将工频泵出水口与支路1进水口连接起来，将支路1出水口与盘管进水口连接起来，将盘管出水口与储水箱进水口连接起来。

本文采用的是数据采集卡控制：

1． 首先确保“AT-4数据采集卡控制” 、“AT-1智能仪表控制”挂件的通信接口连接到计算机串口，将二者的电源输入L、N端与单相I电源L、N端对应连接。

2. TT1的1a、1b、1c端对应接到智能调节仪I的2、3、4端；智能调节仪Ｉ的输出7、5端并接本挂件上250Ω电阻后对应接到数据采集卡模拟量输入AI7、GND端；AT-4模拟输出AO1的4-20mA+、-端对应接到温控模块控制输入+、-端； AT-4模拟输出AO2的4-20mA+、-端对应接到电动调节阀控制输入+、-端。

3. 管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、温控模块开关、单相I开关，将磁力泵开关打到手动位置。

4. 核对智能调节仪参数设置，将智能调节仪作为温度变送器使用，关键参数有Sn=21,CtrL=0, DIL＝0，DIH＝100（℃）,OPL=40, OPH=200。

5. 设置一个合适的给定值（5%-15%的阶跃设定值）。选定为10%，然后将调节器改为手动运行。

6. 进入运行界面，记住开始的确切时间，并观察盘管和锅炉内胆的温度值的变化，直至稳定不发生变化时，再记下其结束时间，退出运行环境。

记下的测模型开始时间为14:11，结束时间为16：21，历时130分钟。设采样时间为二分钟， 求出每二分钟内各取盘管和锅炉内胆温度的平均值，二者各65组数据，并作为Matlab仿真的数据，绘制成一记录表，因本文篇幅所限只列出了从初始时间零到时间70的数据。如表3.1所示。

初始时间下盘管温度：18.69 ℃ ，锅炉内胆温度：20.08℃。 结束时间下盘管温度：23.71 ℃ ，锅炉内胆温度：25.5℃。

图3.2展示的是去掉初始值的锅炉内胆的阶跃响应数据。将实际测量到的锅炉内胆温度数据进行仿真，则得到图3.3。

12

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

654y13210020406080time(min)100120140

图3.2内胆的阶跃响应数据

26252423y222120020406080time(min)100120140

图3.3 实际测得的内胆阶跃响应数据

图3.4为盘管的阶跃响应曲线。将实际测量到的盘管温度数据进行仿真，则得到图3.5。

654y13210020406080time(min)100120140

图3.4 盘管的阶跃响应

13

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真分析

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。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方案。

4.1盘管出口温度单回路 PID 控制

系统结构图和方框图如图4.1所示。本方案的控制量为盘管出水口水温T，而控制量是锅炉内胆的水温，将盘管出口铂电阻检测到的温度信号TT5作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制单相调压模块的输出电压，以控制单相电加热管的加热强度，同时用供水系统以固定的频率把锅炉内胆的热水恒速输送到盘管，再流回锅炉内胆。显然本方案系统中的滞后包括了内胆容量的滞后和盘管传输的滞后，且前者的滞后时间一般要远大于后者。为了获得满意的控制效果，系统的调节器应选择PID控制，并且PID调节器的比例度δ和积分时间常数TI应设的比较大。

[7]

给定值主调节器调压模块电加热管锅炉内胆盘管温度温度变送器

图4.1 盘管出口温度单回路 PID 控制系统

如图4.2所示，单回路PID对该系统的控制效果并不尽人意，虽无超调，但是调节时间长。为了改善系统品质，采用串级PID控制算法或其他算法。

10.90.80.70.6Ideal position signalPosition tracking yd,y0.50.40.30.20.10 0100020003000400050006000time(s)70008000900010000

图4.2 盘管出口温度单回路 PID 控制仿真

19

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

4.2盘管出口温度串级 PID 控制

串级控制系统是在单回路系统的基础上发展起来的。本文中的被控过程的滞后较大，采用单回路控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度要求。

盘管出口温度串级 PID 控制系统是一个双回路系统，与上文中的单回路控制系统相比在结构上多了一个副回路。每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，主回路的对象为盘管出口温度，副回路的对象为锅炉内胆温度。两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的的动作。主回路是一个定制控制系统，副回路则是一个随动控制系统。如图4.3所示。

给定值主调节器副调节器调压模块电加热管锅炉内胆盘管温度温度变送器温度变送器

图4.3盘管出口温度串级 PID 控制系统

4.2．1串级PID系统的整定

串级系统的两个调节器串在一起，在一个系统中工作，互相之间有影响。在运行中，主回路和副回路的波动频率不同，副回路频率较高，主回路频率较低。当然这些频率主要取决于调节对象的动态特性，但也与主、副调节器的整定情况有关。在整定时应尽量加大副调节器的增益以提高副回路的频率，目的是使主、副回路的频率错开，最后相差三倍以上，以减少互相之间的影响。

在一般情况下，既然主、副回路的频率相差很多，互相之间的影响不大，这是就可以首先在主回路开路的情况下，按通常整定简单控制系统的方法整定副调节器；然后，在投入副调节器的情况下，再按通常方法把主调节器整定好。即按“先副后主”、“先比例后积分最后微分”的次序整定。

由于受到副参数选择的限制，主、副回路的频率比较接近时，它们之间的影响就比较大了。在这种情况下，就需要在主、副回路之间反复进行调试，才能达到最佳的整定。

调节器参数的整定方法很多，归纳起来分为两大类。一类是理论计算整定法，如根轨迹法、频率特性法等。它计算繁琐，工作量很大，所以目前在工程上较少采用。另一类是工程整定法。这种方法简单，计算简便，而且容易掌握。常用的工程整定法有临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法、经验试凑法等。

经验试凑法不需要进行实验和计算，而是根据运行经验和先验知识，确定一组调节参数，然后加入阶跃扰动，观察被控参数的响应曲线，并按照调节器各参数对调节过程的影响，逐次改变响应的整定参数值，一般先按比例度，再积分时间、微分时间的顺序逐一进行整定，直到获得满意的控制品质为止。本文中采用的就是经验试凑法。

主调节器采用PID控制，副调节器则采用P控制。

20

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

先整定副回路参数。可按单回路系统的整定。对于P调节器（积分时间为∞,微分时间为零）,将比例度放在较大经验数值上,然后逐步减小,观察副参数的过渡过程曲线。曲线无响应，将主参数的比例度放在较大经验数值上（积分时间为∞,微分时间为零）,然后逐步减小。主调节器kp=0.2，副回路kp =0.2时，如图4.4所示。

主回路中有只比例控制是远远不能满足控制要求的。需要加入积分控制，或者在此基础上还要加入微分控制。

10.90.80.70.6r,yzhu0.50.40.30.20.10020040060080010001200time(s)1400160018002000图4.4 串级PID参数整定1

为了消除系统对阶跃输入时的稳态误差，副控制器引入积分项，kp =0.2，ki=0.03，响应曲线如图4.5中所示。

10.90.80.70.6r,yzhu0.50.40.30.20.10020040060080010001200time(s)1400160018002000

图4.5 串级PID参数整定2

21

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

加入积分后系统的控制质量有了很大的改善，阶跃响应性能得到了明显的提高，稳定性也得到了提高。比例度过大或积分时间过长，都使过渡过程变化缓慢。为使曲线更加完美，主回路加入了微分控制。经过反复的试凑与观察，当主调节器参数为kp=0.1 ，ki=0.03，kd=0.001，副调节器参数为kp=0.2，时，达到了较满意的控制品质。

10.90.80.70.6r,yzhu0.50.40.30.20.10020040060080010001200time(s)1400160018002000

图4.6串级PID参数整定2

4.3串级控制结构结合Smith预估控制器的控制方案

本文将串级控制与Smith预估结合起来，与单纯的串级控制相比获得更高的稳态精度。 Smith控制的原理为:与PID控制器并接一个Smith预估器作为补偿环节，它能很好地对纯滞后系统进行有效控制。其特点是通过预估对象的动态特性，用一个预估模型来进行时间滞后的补偿，使被延迟了τ的被调量超前反馈到控制量，进而控制提前动作，从而减小超调量并加速调节过程。

N(s)R(S)U(s)??s[8]

Y(S)Gc(s)G0(s)eG0(s)(1?e??s)图4.7 Smith预估控制系统的结构图 采用电加热锅炉与盘管为研究对象，针对二者均具有大滞后的特点，采用串级控制结构结合Smith预估控制器的控制方案。内环采用Smith预估器，大幅度降低滞后对系统动态性能的影响，

22

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

外环采用PI控制实现系统无静差。

根据Smith预估控制原理，设被控对象的传递函数为：

??s（S）=G(S)e G （5.1） kP[6]

式(5.1)中：GP(S)为被控对象中不含纯滞后的部分，e??s为时延部分。GC(S)表示设计的控制器，则：

GC(s)GP(s)e??s G(s)?1?GC(s)GP(s)e??s且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器设计变得复杂。

（5.2）

由于特征方程里含有e??s项，这对控制系统稳定性极不利，若τ足够大，系统就很难稳定。而Smith预估器的控制结构如图4.7所示。图中R(S)为给定输入，Y（S）为系统输出。Smith预估

1?e）控制的实质就是与实际对象并联一个模型G（，因此，控制器G（s）时不需要再ps）（考虑纯时延环节的影响。此时系统的闭环传递函数为：

??sG(s)?Gc(s)Gp(s)e??s1?Gc(s)Gp(s) （5.3）

由上式可见，e??s已不包含系统的特征方程里，因此系统性能完全不受纯时延环节的影响。 在串级控制系统中，主、副调节器所起的控制作用是不同的。副调节器起随动控制作用，它的设置是为了保证参数的控制质量，可在一定范围内变化，允许有余差。对此大时延温度系统的串级控制，副调节器只选用P调节器。

主回路设计：

主调节器是起定值控制作用的，是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，要求无余差。所以主回路采用PI控制。图中的Gc（s）是传统的PI算式。

?1 Kc?e(t)?Ti?式中：KC是比例系数，Ti是积分常数

?e(t)dt??0?t （5.4）

Smith预估加串级控制系统的整体框图如图4.8所示。

R(s) Y(s) Gc2(s) Gp2(s)Gp1(s)GC1(s)Gp1(s)(1-e-τs)图4.8 串级-Smith预估控制系统原理

23

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

10.90.80.70.6r1,y10.50.40.30.20.10020040060080010001200time(s)1400160018002000

图4.9串级-Smith预估控制1

1.4Series-smith-u1Series-smith-y2 1.210.8u1,y20.60.40.20 020040060080010001200time(s)1400160018002000

图4.10 串级-Smith预估控制

如图4.9和4.10所示，仿真结果表明，在预测模型精确的情况下，串级-Smith控制方法具有很好的控制效果。

24

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

第五章 基于OPC技术的盘管出口温度的实时控制

Matlab在仿真调试、策略运用等方面有着明显的优势，但界面编写功能比较有限。组态软件容易实现各种动画仿真界面的制作，但通常只能实现数值计算分析和简单的控制策略。利用OPC技术实现Matlab和组态软件MCGS之间的数据交换，从而可以设计出综合二者优点、功能更加全面完善的控制系统。

5.1 OPC 技术

OPC(OLE for Process Control)，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了

桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个 应用软件开发商都需要编写专用的 接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可 互操作性的 即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC 规范提供了两种COM组件之间连接的工业标准化接口:OPC 定制接口(OPC Custom interfaces) 和OPC 自动化接口(OPC Automation interfaces)。通过OPC 接口, 各OPC 客户与OPC 服务器之间形成即插即用的链接关系, OPC 服务器组件提供一个标准接口给OPC 的对象, 并且通过这些接口进行管理, 客户通过COM提供的API 创建和管理服务器, 通过接口方法访问服务器中的数据对象。

OPC 客户与OPC 服务器进行数据交互有同步方式和异步方式两种。同步方式实现较为简单, 当客户数目较少而且同服务器交互的数据量也较少的时候可以采用这种方式, 异步方式实现较为复杂, 需要在客户程序实现同调函数, 然而当有大量的客户和大量数据交换时, 异步方式的效率更高, 能够避免客户数据请求的阻塞, 同时可以最大限度的节省CPU和网络资源。

[9]

5.2 Matlab作为客户端访问OPC服务器的通信流程

MATLAB 7. 0 以上版本中集成了OPC Toolbox, 它提供了命令行和GUI 两种方式在OPC 客户端和OPC 服务器之间建立连接, 以实现MATLAB 与其他软件和现场生产控制设备之间的实时通讯。 MATLAB OPC Toolbox 提供了丰富的OPC 工具函数,使得我们可以简单方便地创建客户端对象, 建立连接, 实现添加对象, 组和项等操作, 省去了复杂的语言编程, 节省了软件开发时间,

大量丰富的 OPC函数省去了复杂的语言编程，能够更方便的建立服务器和客户端的连接，数据访问和历史数据的创建等。以 MATLAB 作为强大的客户端，实现控制系统分析、算法编写以及控制算法效果的图形显示。MATLAB作为OPC客户端的通信流程如图5.1所示。

25

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

图5.1 MATLAB作为OPC客户端的通信流程

5.3 基于OPC 实现MATLAB 与MCGS 的实时通讯

要求在THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置上，利用组态软件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。

MCGS 可以作为OPC 服务器与作为OPC 客户端的其他软件相连接, 为其他软件提供读写MCGS 内部变量的功能, 在MCGS 中, 组对象一级对用户来说是隐藏起来的, 用户只需要指定服务器, 就可以通过直接浏览来察看所有可用的数据项。MATLAB 7. 0 以上版本中集成了OPC Toolbox, 它提供了命令行和GUI 两种方在OPC 客户端和OPC 服务器之间建立连接, 以实现MATLAB 与其他软件和现场生产控制设备之间的实时通讯, 以MCGS 为OPC 服务器, MATLAB 为客户端对MCGS的数据存取。

启动MCGS将自动启动OPC服务器功能。作为OPC服务器,MCGS运行环境的服务器名为:

MCGS.OPC.Server（需要在mcgs设备窗口添加opc服务器）。组对象的创建和管理由MCGS在后台进行,即组对象一级对用户来说,是隐藏起来的,用户只需指定服务器,就可以通过直接浏览来察看所有可用的数据项。其项目名为各个变量的名字。符合OPC标准的客户端都可以读取MCGS实时数据库中的数据。

26

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

图5.2 基于OPC的matlab与MCGS数据交换流程图

利用MATLAB OPC toolbox 实现MATLAB 与MCGS 实时通讯的准备工作主要包括以下几个方面。 1) OPC 基金会提供了一套可以在网络上浏览其他计算机并能与之通讯的核心组件, 但这些核心组件并没有安装, 在使用OPC Toolbox 之前需要安装到计算机中去, 在MATLAB 环境中我们可以使用opcregister( ‘install’)来安装。

2) 为使OPC Toolbx 中的对象和OPC 服务器对象之间建立连接, 还需要在OPC 服务器和OPC 客户端进行分布式COM的环境设置。

27

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

3) 建立一个MCGS 工程, 创建工程的数据输入输出对象之后, 在设备窗口中选择相应的设备, 建立相应的通道连接, 在这里选择out00, out01 两个变量为MCGS 的模拟设备正弦输出和方波输出, 而int00, int01 两个变量为MCGS 的输入变量。

4) 在客户端利用MATLAB OPC Toolbox 实现MATLAB 与MCSG 的数据通讯。

服务器端dcom的设置方法：

在MCGS组态环境“设备窗口”中添加OPC服务器。在“基本属性”中对OPC服务器进行设置。保存设置并退出。

图5.3 MCGS中OPC服务器的设置

在客户端的设置可以参考下面的方法或者通过命令行（参考下面的程序代码） 然后在MATLAB中打开OPC工具箱，连接刚才所设置的OPC服务器。

图5.4 MATLAB中通过opctoolbox GUI进行服务器的连接

3) 建立一个MCGS 工程, 创建工程的数据输入输出对象之后, 在设备窗口中选择相应的设备, 建立相应的通道连接。

28

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xcog.html