基于ADAM4000控制系统的A3000高级复杂实验培训.doc

基于ADAM4000控制系统的A3000高级复杂实验培训(版本1.0)用户文件编号：A3000DH033北京华晟高科教学仪器有限公司编制前 言基于ADAM4000控制系统的A3000高级复杂实验培训是根据A3000过程控制实验系统的相关内容编写的，包括了如下内容：1、计算机一般控制实验。2、复杂控制实验。3、高等控制实验。为了更容易理解算法本身，所以选择最简单的控制系统ADAM4000，算法在组态软件中实现。同时所有程序都可以在仿真系统上验证。参考公司产品A3000SIMU相关文件。除了复杂控制实验之外，其他实验的对象操作过程比较简单，所以不介绍操作步骤。本培训书缺点和错误在所难免，敬请各位专家、院校师生和广大读者批评指正。申明：本培训书内容只适合华晟高科A3000教学实验。范例和文档内容只用于提供信息，对本书不承担任何保证。北京华晟高科教学仪器有限公司 二零零八年二月目 录第一章 计算机控制一般性实验41.1数字程序控制实验41.2 数字滤波技术、标度变换、非线性校正实验61.3数字PID控制实验81.4 BANG-BANG控制111.5 校正网络数字滤波器实现13第二章 复杂控制实验152.1 比值控制系统实验152.2 串级控制实验192.3 前馈-反馈控制系统实验232.4 经典解耦控制系统实验262.5 联锁控制和超驰调节实验302.6 大延迟的Smith预估补偿控制35第三章 高等控制系统实验413.1 自适应控制413.2 专家系统423.3 模糊控制453.4 神经网络503.5 推理控制55第一章 计算机控制一般性实验为了方便控制，所以计算机控制一般性实验和复杂控制将在ADAM4000上实现。1.1数字程序控制实验1.1.1工艺过程描述模拟一个纯净水处理过程。水在经过反渗透之前，两个水泵向精滤膜供水。由于水中杂质比较多，在一定时间后，精滤膜的透过流量变小。48小时之后，精滤膜需要进行反冲洗。但是向反渗透供水的工作不能停止。一般采用如下数字程序控制。我们模拟这个过程，但是时间大大缩短。时间2.4分=144秒1.2分=72秒1.2分=72秒A泵流量1立方/小时，33%0.5立方/小时，16.5%停止，进行反冲洗B泵流量停止，进行反冲洗0.5立方/小时1立方/小时控制流程图如图1.1.1所示。图1.1.1 程序控制流量流程图1.1.2 算法实现和关键操作步骤采用PID控制。两个PID，但是程序控制其给定值。界面如图所示。程序代码如下：/1000毫秒执行一次。中间变量1=中间变量1+1;if(中间变量1400)中间变量1=0;/输入PID0_PV=AI0;PID1_PV=AI1;if(PID0_SP=0)AO0=0;elseAO0=PID0_MV;if(PID1_SP=0)AO1=0;elseAO1=PID1_MV;if(中间变量1=0 & 中间变量1100 & 中间变量1300 & 中间变量1=400) PID0_SP=0; PID1_SP=33;注意开启两个水泵，两个流量控制。一支路使用调节阀，一支路使用变频器。1.1.3 实验结果及记录控制曲线如图1.1.2所示。多个值的控制曲线绘制在同一个图上。1.2 数字滤波技术、标度变换、非线性校正实验1.2.1工艺过程描述数字滤波技术、标度变换、非线性校正实验就是单容下水箱液位控制，流程图如图1.2.1所示。图1.2.1 数字滤波技术和非线性校正实验1.2.2 算法实现和关键操作步骤由于液位具有波动，所以数据不是非常稳定，采用数字滤波技术采用，进行滤波。滤波算法：PV过滤=PV旧值*0.9+PV新值*0.1。由于ADAM4000内部已经有了滤波，所以效果不如使用PCI1711好。标度变换，使用线性算法，把4-20毫安转换成0-25厘米。非线性校正则考虑到水箱的出口流量和液位高度的开方成正比。所以采取开方算法，把输入的过程值直接校正，随输出流量成为线性。/工程量尺度变换float a;a=(AI0-4.0)*25.0/16.0;/数字滤波中间变量1=中间变量1*数字滤波加权系数+a*(1-数字滤波加权系数);/同时对给定值和输入值校正给定值1=Sqrt(中间变量2);测量值1=Sqrt(中间变量1);/输出AO0=操作值1;1.2.3 实验结果及记录控制器控制曲线如图1.2.2所示。1.3数字PID控制实验1.3.1 题目工艺过程描述单容下水箱液位PID控制流程图如图3.1.1所示。图3.1.1 单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单如表3.1.1所示。表3.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1FV-101电动调节阀阀位控制210VDCAO01002LT-103压力变送器下水箱液位420mADCAI2.5kPa1.3.2 算法实现和关键操作步骤实验界面如图所示。PID运算可以采用标准的直接计算法和增量计算法。上次的计算值两次相减：输出时加上上次输出就可以了。从公式可见，直接计算法很可能导致积分饱和，所以需要抗饱和的操作。定义ET0、ET1、ET2，要求变量可以负值和正值。例如定义到-100000到100000PID_KI, PID_KD在画面中每1秒执行一次。/数字PID控制。/关联到IO数据PID0_PV=AI0;if (PID_I=0)/避免除0 PID_I=0.01;数字PID_KI = PID_P * 1/ PID_I;/1运算周期数字PID_KD = PID_P * PID_D /1; 数字PID_ET0 = PID0_SP- PID0_PV; If (本站点数字PID算法选择=1) / =1采用增量计算/保留了上次本站点操作值1 PID0_MV= PID0_MV + PID_P * (数字PID_ET0 - 数字PID_ET1);/比例作用 If (PID_I10000) /积分作用 PID0_MV =PID0_MV + 数字PID_KI * 数字PID_ET0;/积分作用 PID0_MV =PID0_MV +数字PID_KD * (数字PID_ET0 - 2 * 数字PID_ET1 + 数字PID_ET2);/微分作用 数字PID_ET2 = 数字PID_ET1; 数字PID_ET1 = 数字PID_ET0; ELSE/采用直接计算 /清除了本站点操作值1 PID0_MV=0; PID0_MV =PID0_MV+ PID_P * 数字PID_ET0;/比例作用 IF (PID_I 100)/抗积分饱和 本站点数字PID_ISUM= 100; PID0_MV =PID0_MV +本站点数字PID_ISUM; PID0_MV =PID0_MV +数字PID_KD*(数字PID_ET0-数字PID_ET1);/微分作用 IF(PID0_MV100)/输出限制 PID0_MV=100;IF(PID0_MV0)/输出限制 PID0_MV=0; /关联到IO数据AO0=PID0_MV;1.3.3 实验结果及记录控制器控制曲线如图2.2.3所示。1.4 BANG-BANG控制该控制的复杂算法可以解决一些高等控制问题，但是我们将采用比较简单的算法，来验证这类控制的意义。1.4.1工艺过程描述如果要求单容下水箱液位PID控制的具有快速响应特性，并且在给定点位置还要准确控制，那么如何控制呢。系统的工艺流程如图1.4.1所示。图1.4.1 单容下水箱液位调节阀BANG-BANG单回路控制1.4.2 算法实现和关键操作步骤BANG-BANG控制最早由厐特里亚金提出，属于开关控制的非线性控制。如果一个系统控制有以下要求；即控制要实时性好，系统要稳定，控制精度要求高。则可以采用非线性的Bang-Bang控制和线性的PID控制结合，其控制效果比较好。如果采用线性的PID控制，虽然稳态精度容易满足，但是大偏差时就容易出现较大的偏差，而且过度的时间比较长，如果采用非线性的Bang-Bang控制，虽然能使过渡时间最短，但是容易出现超调，而且在零点附近容易产生振荡造成系统不稳定。鉴于这种情况，设计了一种变结构的控制器是两者的优点有机的结合起来，从而使系统运行起来既快又稳。设计的变结构式的双模控制器如图3所示： 图3变结构式的双模控制回路结构图此结构控制就是使系统的结构可以在控制过程的各个瞬间，根据某些参数的状态以跃变的方式有目的的变化，从而将不同的结构揉和在一起，取得比固定结构系统更加完善的性能指标。据此，针对流浆箱的液位和总压控制，提出了一种将非线性的Bang-Bang控制与线性的控制结合的变结构双模控制方法。如图2所示：当设定值（SP）与检测值（PV）产生一个偏差，由识别机构通过不同的偏差来选择不同的控制器，当偏差大于某个值的时候采用非线性Bang-Bang控制，当偏差小于某个值的时候系统自动切换到线性的PID控制。Bang-Bang控制器的设计Bang-Bang控制也称为开关式控制，对于较大的偏差，例如Ena,控制量变化u取+Um或-Um，实行非线性开关控制模态，以提高系统的响应速度。其表达式如下：其中a为选择开关的切换值对于液位控制如果直接使用PID，就必须在快速性和稳定性之间进行抉择。但是如果实现了解了对象的特性，然后选择了合适的bang-bang控制结合PID，则可能有比较好的结果。我们这里的bang-bang控制选择比较简单的控制算法。首先测量液位和控制量在稳态情况的一个对应曲线。这在系统特性测量中已经获取，当然也可以依据闸板的高度不同，重新测量。例如SP下，控制量该是A稳定。那么：如果PVSP-a，MV=A+U，其他情况使用PID控制。最好在切换时增加跟随程序，保证切换时没有扰动。选择合适的a, A，以便获得最好的效果。实验的组态界面如图所示。1.4.3 实验结果及记录测量稳态液位对应的控制量如表所示。我们可以简化一下，在液位30-60之间使用直线表示。如果我们要控制液位60%，此时对应的控制量为43。那么如果PV60-a，MV=43+U，其他情况使用PID控制1.5 校正网络数字滤波器实现1.5.1工艺过程描述单容非线性上水箱液位PID控制流程图如图1.5.1所示。图1.5.1校正网络数字滤波实验流程1.5.2 算法实现和关键操作步骤这里的算法和自适应不同，而是把一个非线性的系统通过校正网络，使得它成为线性特性。非线性截面积等截面积特性校正网络滤波并且最好能够把液位高度继续校正为正比流量。把等截面积系统液位高度开方。液位控制，调节阀控制的是流量，那么液位变化率。如果输入流量为Q，则高度变化率具有如下特性：采用H对应到来进行滤波。在H=R时的PI控制参数，获得一定的控制效果。注意开启时，需要让水进入上水箱。在组态软件中的具体算法如下：/工程量尺度变换/数字滤波，按照S=积分：K*sqrt(100h-h*h),/不考虑开方，积分h*h/2.0-h*h*h/300归一化/中间值0作为给定值PID1_SP=中间值0;/仅仅用于显示PID0_PV=sqrt(AI0*AI0/2.0-AI0*AI0*AI0/300.0);PID0_SP=sqrt(中间值0*中间值0/2.0-中间值0*中间值0*中间值0/300.0);/输出AO0=PID0_MV;控制界面如图所示。1.5.3 实验结果及记录使用普通PID进行实验，然后找到最好的控制参数，得到控制曲线。然后使用校正网络的方法进行控制。然后找到最好的控制参数，得到控制曲线。要求在各自最好的情况下，使用校正网络的方法可以得到更好的控制效果。第二章 复杂控制实验2.1 比值控制系统实验2.1.1 测试题目描述流量比值控制系统控制流程图如图2.1.1所示。图2.1.1 流量比值控制流程图流量比值控制测点清单如表2.1.1所示。表2.1.1 流量比值控制控制测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1FT-1011#流量计测量管路1流量420mADCAI0-3m3/h2FT-1022#流量计测量管路2流量420mADCAI0-3m3/h3U-101变频器频率控制，手动控制1#流量210VDCAO01004FV-101调节阀控制跟踪的流量210VDCAO0100水介质一路（简称为I路）由泵P101（变频器驱动，手动控制作为给定值）从水箱V104中加压获得压头，经电磁阀XV-101进入V103，水流量可通过变频器或者手阀QV-106来调节；另一路（简称为II路）由泵P102从水箱V104加压获得压头，经由调节阀FV-101、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104形成水循环，通过调节阀FV-101调节此路的水流量；其中，I路水流量通过涡轮流量计FT-101测得， II路水流量通过电磁流量计FT-102测得。2.1.2 控制算法和编程这是一个单闭环流量比值控制系统，或者说是随动系统。可以让一个流量梗跟随另一个流量的变化。有两个算法。（1）流量计FT-101流量与流量计FT-102成比例控制，如2.1.2所示，把FT101乘以比值系数，然后作为调节器的给定值。FT1022#调节阀FV101FT101比值器调节器Q2Q11#图2.1.2 比值控制系统原理图SPPVMV被调量为调节阀开度，控制目标是水流量，通过两个流量不同比例下的比较，然后输出控制值到调节阀。实行PID控制，看控制效果，进行比较。这样方式下，由于FT101的测量不是非常稳定，所以调节器的给定值是有些变动的。控制稳定性可能不是很好，另外在实时曲线上可以直接看到稳定的曲线。（2）流量计FT-101流量与流量计FT-102成比例控制，如2.1.3所示，把FT101 /FT102，然后作为调节器的测量值，而比值K作为调节器给定值。FT1022#调节阀FV101FT101比值K调节器Q2Q11#图2.1.3 比值控制系统原理图SPPVMV除法器被除数这样方式下，调节器的给定值是稳定的，控制稳定性较好，但是在实时曲线上可以显示K值，最好的范围是0.1-10（我们设置k的范围就是0-10，而曲线上刻度是0-100，所以有些差异。2.1.3 操作过程和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。2、在现场系统上，打开手阀QV-102、QV-105，QV115，QV106，电磁阀XV101直接打开（面板上DOCOM接24V，XV101接GND）或打开QV111。3、在控制系统上，将支路1流量变送器（FT-101）输出连接到控制器AI1，将支路2流量变送器（FT-102）输出连接到控制器AI0，变频器控制端连接到AO0，调节阀FV-101控制端连接到AO1，且变频器手动控制。注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。4、打开设备电源，包括调节阀电源，变频器电源，变频器设为外部信号操作模式。5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动水泵P102。8、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数，这里不限制使用的方法。具体可以参考2.4节。建议：因为PID的SP值会有一定的波动，所以控制的稳定性稍差，有一些难度。注意控制目标是比值的稳定，而给定值也是比值。干扰可以是K值的改变，也可以是变频器控制量的改变（从而改变了FT-101）。2.1.4 实验结果及记录流量比值控制曲线如图1.1.4所示。比值系数3。P=24，I=2.5秒。图1.1.4 流量比值控制曲线2.2 串级控制实验2.2.1 测试题目描述液位和进口流量串级控制流程图如图2.2.1所示。图2.2.1 液位和进口流量串级控制流程图液位和进口流量串级控制测点清单如表2.2.1所示。表2.2.1 液位和进口流量串级控制测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1FT-1011#流量计测量管路1流量420mADCAI0-3m3/h2LT-103V103液位变送器测量液位420mADCAI0-2.5kPa3FV-101调节阀控制流量210VDCAO01004U101变频器固定给值0-10VDCA00-100%水介质一路（I路）由泵P101（变频）从水箱V104中加压获得压头，经流量计FT-101、电动阀FV-101、水箱V-103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV-116来调节；其中，水箱V103的液位由液位变送器LT-103测得，给水流量由流量计FT-101测得。本例为串级调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，以FT-101为被控变量的流量控制系统作为副调节回路,其设定值来自主调节回路以LT-103为被控变量的液位控制系统。以FT-101为被控变量的流量控制系统作为副调节回路流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。下水箱V103为主对象，流量FT-101的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。由上分析知：副调节器选纯比例控制，反作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。实际上，串级控制相对于单PID控制而言，稳定性差，好处是在同样的副回路干扰下，超调非常小。为了比较串级的这样好处，我们设计了如图2.2.1所示的工艺流程。首先进行单PID实验，然变频器输出35Hz。然后找到最好的控制参数，一般P=1，I=20000毫秒，等系统稳定后，改变变频器输出为50Hz，然后不断记录系统的超调量和稳定时间。之后开始串级实验，同样设定变频器输出35Hz，系统稳定后，改变变频器输出为50Hz，然后不断记录系统的超调量和稳定时间。如果控制好，可以发现在同样的变频器干扰下，串级超调量远远少于单PID的超调量。2.2.2 控制算法和编程串级控制系统方框图如图2.2.2所示。X主调节器LIC101副调节器LIC102下水箱液位LT103LT103主回路干扰给定值+-图2.2.2 液位流量串级控制系统框图X-调节阀FV101流量计FT101流量FT102下水箱液位副回路干扰以串级控制系统来控制下水箱液位，以第一支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出送到副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，反作用（要想流量大，则调节阀开度加大），自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用（要想液位高，则调节阀开度加大），自动。流量干扰通过变频器频率的变动来实现。变频器频率从40-50Hz变动。工业上串级的投入是逐步的，最好可以做到无扰切换，具体实现投入无扰的方法可以参考网络资料。这里不考虑这么复杂。 2.2.3 操作过程和调试1、首先完成单PID调节阀流量控制，获得变频器35Hz变动到50Hz的超调量和稳定时间。2、在现场系统上，打开手动调节阀QV-103、QV-115、QV-105，调节QV-116具有一定开度(闸板高度6毫米左右)，其余阀门关闭。3、在控制系统上，将流量计（FT-101）连到控制器AI1输入端，下水箱液位（LT-103）连到控制器AI0输入端，电动调节阀FV-101连到控制器AO0端。把变频器设置为面板操作。4、打开设备电源，包括变频器电源。5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动变频器到40-50Hz，系统开始运行。8、首先将主调节器置手动状态，调整其输出为某个输出值，将它作为副调节器的SP值。9、在上述状态下，整定副调节器的P参数。要求可以稳定，而且比较快。10、预置主调节器的P、I参数（不要设置的太大），再将主调节器切换到自动状态。11、依据记录曲线，调整主调节器的P、I参数、副调节器的P参数，一般是副调节器较大，主调节器较小。副调节器：一般纯比例(P)控制，反作用，自动，KC2(副回路的开环增益)较大。主调节器：比例积分(PI)控制，反作用，自动，KC1 KC2(KC1主回路开环增益)。12、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。就是把变频器从40变动到50Hz。13、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的静态精度。14、使用单回路进行液位控制，流程和串级一样。增加流量干扰，就是把变频器从40变动到50Hz。控制曲线进行对比，看效果如何。2.2.4 实验结果及记录如果串级超调量远远少于单PID的超调量，则效果效果比较好了。思考一下，如果干扰在主回路又如何?例如在单PID的情况下，把闸板从开口11毫米突然变化到5毫米，看系统的超调量如何。在串级下进行同样的操作，看系统的超调量如何。分析理论上这个超调量是否不同。2.3 前馈-反馈控制系统实验2.3.1工艺过程描述前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。前馈-反馈控制的工艺和串级完全一样，这是一个让人迷惑的地方。实际的好处可能就是体现在比例调节器（串级的副回路）和比值加法器（前馈）的控制速度上。那么我们可以通过同样的工艺设计，验证单PID，串级控制，前馈-反馈控制的超调，以及控制时间，稳定时间，这样来比较它们的优缺点。流量-液位前馈反馈控制流程图如图2.3.1所示。图2.3.1 流量-液位前馈反馈控制流程图但是，要想获得加法器的加权系统，首先需要测量一个特性曲线，看多大的K值，使得系统干扰在正常的工作范围内，起到补偿的作用。所以前馈控制需要事先知道系统的某些特性的。这个曲线可以通过测量调节阀控制量和流量的关系曲线而获得。2.3.2 控制算法和编程如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在通过调整调节阀开度，直接进行补偿，而不需要经过调节器。如果没有反馈，就是开环控制，那么这个控制就会有余差。增加反馈通道，使用PI进行控制。我们进行了部分简化。前馈控制和副回路的P控制不同，最好能够在控制前获得一个平衡干扰的公式。例如如果知道流量在X下变动10，对应的调节阀开度变动Y。那么就可以直接补偿。被调量为调节阀，控制量是支路1流量，控制目标是下水箱液位。然后实现反馈控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。2.3.3 操作过程和调试1、首先进行单PID调节阀流量控制，然后进行串级控制。记录超调量、控制时间和稳定时间。2、在现场系统上，打开手动调节阀QV-103、QV-115、QV-105，调节QV-116具有一定开度(闸板高度6毫米左右)，其余阀门关闭。3、在控制系统上，将流量计（FT-101）连到控制器AI1输入端，下水箱液位（LT-103）连到控制器AI0输入端，电动调节阀FV-101连到控制器AO0端。把变频器设置为面板操作。4、打开设备电源，包括变频器电源。5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动变频器到35-50Hz，系统开始运行。在频率45 Hz下，给定值50%，记录最后稳定的流量值，写到组态界面中。8、如果没有测量得到K值，则从3开始设置，逐步减少。设置调节器到普通PID控制时的最佳值。9、依据记录曲线，调整调节器的P、I参数、K参数。10、待系统稳定后，类同于单回路控制和串级控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路和串级时相同。就是把变频器从40变动到50Hz。11、通过反复对调节器和K参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的静态精度。12、使用单回路和串级进行液位控制，流程和串级一样。增加流量干扰，就是把变频器从40变动到50Hz。控制曲线进行对比，看效果如何。2.3.4 实验结果及记录如果前馈反馈的超调量远远少于单PID的超调量，而且控制时间比串级快，那么就符合理论分析了。液位-流量前馈反馈测试曲线如图1.1.6所示。K=3。图1.1.6 液位-流量前馈反馈测试曲线2.4 经典解耦控制系统实验2.4.1工艺过程描述管道压力和流量解耦控制流程图如图2.4.1所示。图2.4.1 管道压力和流量解耦控制流程图管道压力和流量解耦控制测点清单如表2.4.1所示。表2.4.1管道压力和流量解耦控制测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1FT-102涡轮流量计给水流量II420mADCAI0-3m3/h2PT-101压力变送器给水压力420mADCAI150kPa3FV-101电动调节阀阀位控制210VDCAO01004U-101变频器频率控制210VDCAO0100水介质由泵P101（变频器U-101驱动）从水箱V104中加压获得压头，经手阀QV-103（用于两个支路连接）、流量计FT-101、压力传感器PT101、电动阀FV-101、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，水箱只作为一个连通器；其中，给水压力由压力变送器PT-101测得，给水流量由FT-101测得。本例为解耦调节系统，调节阀FV-101为被控变量压力PT-101的操纵变量，变频器U-101为被控变量流量FT-101的操纵变量，两条支路各自的调节器的运算输出通过解耦器的函数解耦运算，分别去控制各自调节回路的操纵变量。管道中流量、压力控制系统就是相互耦合的系统。变频器和调节阀都对系统的压力和流量造成影响，因此，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增加，如果此时通过流量控制器作用而调小变频器，结果又使管路的压力下降，变频器和调节阀互相影响，这是一个典型的关联系统。关联的系数与温度等参数无关。由于系统变频器调节I支路流量，调节阀调节II支路流量，为了实现解耦实验，需要并联两个支路。并管之后还可以选择使用II支路的电磁流量计来进行流量测量。2.4.2 控制算法和编程管道中流量、压力控制系统就是相互耦合的系统。变频器和调节阀都对系统的压力和流量造成影响。因此，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增加，此时通过流量控制器作用而调小变频器，结果又使管路的压力下降，变频器和调节阀互间互相影响，这是一个典型的关联系统。关联的系数与温度等参数无关。如图2.4.2所示：PT101调节阀FT102图2.4.2 管道压力与流量解耦控制实验P2解耦器PICFIC调节器调节器P1h变频器水泵我们固定P1在小范围内，由于不涉及温度等问题，所以该过程基本上只与压力和开度有关，是时不变的。如果把P1定义成未知数，则可以列出一个方程。使用对角矩阵法进行解耦算法。如图2.4.3所示。-Gc1Gc2Uc1Uc2Y1Y2D11D22D12D21-G11G22G12G21U1U2r1给定值r2给定值图2.4.3 解耦控制系统框图调节器解耦器对象系统-在本测试题中，Gc1为流量-变频器的调节器，反作用；Gc2为压力-调节阀的调节器，正作用。对于对象，被调量与调节量具有关系，这里换一个变量符号。 (公式 1.2.1)加入控制系统，那么调节量来源于解耦器，调节器 (可以是一个PID调节器，等等) 输出就是解耦器输入。 (公式 1.2.2)对于采用了解耦器的系统传递函数为 (公式 1.2.3)综合上面的关系，如果G矩阵的逆存在，则我们可以设计D就等于它的逆乘以一个对角阵(可以是单位矩阵)，这样可以使得一个被调节量仅与一个调节器输出量之间有关系，而与另一个独立。从而达到解耦目的。根据我们实验测得P0=80，P2=5，P1设为未知数x。实际数值P0=150kPa*80%水柱，P2=150kPa*5%水柱。那么增益矩阵为： (公式 1.2.2)解耦矩阵： (公式 1.2.5)注意压力与流量有一个限制关系。简单的，在变频器为35Hz，调节阀开度50%时，这个压力和流量将作为系统稳定时的给定值，然后在这个值附近变动。不能变化太大，否则无法稳定。如果量程范围不一样，或者水泵特性改了，则整个矩阵不同。为了统一，设置如下：解耦矩阵： (公式 1.2.5)2.4.3 操作过程和调试1、编写单回路控制程序，下装调试；编写单回路测试组态工程。2、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。3、在现场系统上，打开手动调节阀QV-115、QV-103，QV-105，打开QV-116闸板，其余阀门关闭。注意一定关闭阀门QV-102，QV-114，QV-111，XV102。4、按照连接表接线：将水泵出口压力PT-101连接到AI0；流量计FT-101输出到AI1；AO0连接到变频器，AO1连接到电动调节阀。5、打开测试系统电源，调节阀通电，变频器通电。6、可以让调节阀全开，事先进行简单Pi控制，做流量计-变频器调节回路单独工作，确定PI控制参数。7、可以让变频器全开，事先进行简单Pi控制，压力变送器-调节阀调节回路单独工作，确定PI控制参数。8、引入解耦控制。重新下装程序，重新运行组态软件。一般对调节器直接使用单PID的控制参数，可以适当把比例系数减少，加大积分时间。9、在两个调节器手动的情况下，设置变频器35Hz，调节阀开度50%，然后等待系统稳定，记录稳定后的压力和流量。10、把记录下来的压力和流量作为系统的给定值写入。然后把调节器从手动改为自动。等待系统稳定。11、稍微调节给定值，例如压力增大一些。注意一定在一个合理的变动范围，否则系统是无法稳定的。2.4.4 实验结果及记录如果系统在新的给定值下最终达到稳定，那么系统就是稳定的。当然我们发现除非压力很高，或者压力很小，否则整个系统很容易稳定的。范例控制曲线如图1.2.5所示。流量给定值15%（0.45立方/小时），压力86.5%（130KPa）。图1.2.5 解耦控制曲线2.5 联锁控制和超驰调节实验2.5.1工艺过程描述水介质一路（I路）由泵P101（变频）从水箱V104中加压获得压头，经由散热器X-102II进入锅筒E101，通过手阀QV-114至泵P101（变频）而形成热水循环；另一路（II路）由泵P102（工频）从水箱V104加压获得压头，经由散热器X-102II、手阀QV-113回流至水箱V104而形成冷水循环； I路循环水量可由手阀QV-114来调整，II路水的开启、切断可由电磁阀XV-102来控制。锅炉液位的极限状态可由液位开关LSH-106、LSL-105来产生，锅炉温度由热电阻TE-101来测得，并经控制器判断发出锅筒E101温度高、高高等状态信号。这四个信号作为联锁控制的数字量信号，保证锅筒在故障状态下，不超过其能承受的极限。逻辑联锁的紧急保护和紧急停车工艺流程图如图2.5.1所示。图2.5.1 联锁控制系统流程图联锁控制测点清单如表2.5.1所示：表2.5.1 联锁控制测点清单序号位号或代号设备名称用途信号类型工程量1TE-101热电阻锅筒水温Pt100AI01002LSL-105液位开关锅筒液位极低联锁干接点DINC3LSH-106液位开关锅筒液位极高联锁干接点DINC4XV-102电磁阀给水紧急冷却干接点DONC5GZ101加热调压器4-20毫安AO6U101变频器4-20毫安AO现场系统的锅炉系统具有三级逻辑保护：继电器保护、紧急保护、紧急停车。（1）其中液位开关LSL-105是防止干烧的，实际控制电路是继电器硬件电路，当液位低于防止干烧的最低液位，则自动断开其它控制支路的输入，从而直接关断调压器，以防止干烧。液位开关LSL-105控制的联锁属于硬件连锁，是不能让学生修改的，以避免损坏加热器。（2）由锅炉温度传感器、温度控制器，电磁阀XV102组成的控制联锁系统是学生可以自己修改的。测试目标是控制锅炉的温度。（2）由液位开关LSH-106、锅炉温度传感器、温度控制器组成的紧急停车系统是学生可以自己修改的。测试目标是控制锅炉的温度。2.5.2 控制算法和编程电磁阀开关控制，联锁警戒温度PID控制紧急停车温度液位继电器保护，程序无法控制紧急停车高限低限高限温度典型应用的范例如图2.2.2所示。图2.2.2 温度曲线（1） 液位低限导致加热系统完全停止。（2） 当锅炉内水温低于警戒温度，调压器PID调节。（3） ，温度超过警戒温度，则选择另外一个控制方式：加热器继续PID控制，开始注入冷水。直到温度下降到安全位置。在这个温度下，联锁保护系统认为通过强制手段，可以保持继续生产。（4） 锅炉内水温继续升高，到达高限温度，则系统停止运行，关闭电磁阀，关闭加热器。变频器继续运行，保持水循环1分钟，然后停止。（5） 如果液位超过高限，则也紧急停车。关闭电磁阀，关闭加热器。变频器继续运行，保持水循环1分钟，然后停止。程序代码如下，每1000毫秒运行一次。if(高限PID0_SP+1)高限=PID0_SP+1;if(停车温度高限+0.5 & AI0停车温度-0.5)/温度到高限 BITSET(DO0,1,1);/注水 if(AI0高限-0.5 & AI0停车温度+0.5)/温度到停车温度，停止加热，停止注水 AO0=0; BITSET(DO0,1,0);/停止注水 泵停车标记位=1;/泵1分钟停止 IF(泵停车标记位=1 & 紧急停车计时器=-1)/刚刚出现要求水泵运行1分钟标记 紧急停车计时器=60;/开始对水泵运行定时器 泵停车标记位=0;/恢复水泵运行1分钟标记，避免重复 if(紧急停车计时器0)/如果超过1，变频器运行 AO1=60; 紧急停车计时器=紧急停车计时器-1;/不断减1 IF (紧急停车计时器=0)/达到1，则停止水泵 AO1=0; IF(紧急停车计时器=-1)/开始时=0，变频器运行，保证水循环，这个只在系统刚进入有效 AO1=60;2.5.3 操作过程和调试1、编写单回路控制程序，下装调试；编写单回路测试组态工程。2、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。3、在现场系统上，打开手动调节阀QV-115、QV-111，QV-112，打开QV-102，XV102，其余阀门关闭。4、按照连接表接线：将锅炉温度LT-101连接到AI0；AO0连接到加热调压器，AO1连接电动调节阀手动模式控制；变频器面板操作。DO0连接电磁阀XV102。5、打开测试系统电源，调节阀通电，变频器通电。6、变频器全开，热水循环。7、确定加热的PI控制参数。8、正常控制温度，稳定后抓图。然后手动控制调节器，加大控制量，模拟故障状态，使得锅炉温度不断升高，察看控制，直到紧急停车完成为止。2.5.4 实验结果及记录范例控制曲线如图2.5.2所示。2.6 大延迟的Smith预估补偿控制采用Smith预估补偿控制，然后和PI控制，PID控制进行比较。由于稳定的大延迟滞后控制比较困难，所以我们选择双容传输延迟来实验。2.6.1 工艺过程描述双容滞后下水箱液位控制流程图如图2.6.1所示。图2.6.1 竖直双容液位调节阀PID单回路控制其控制系统框图如图2.6.2所示：图4.14.2 史密特补偿系统方框图XGC(S)控制器Kpgp(s) e-TdSKpgp(s)Y(S)干扰D(S)R(S)+-+纯滞后e-TdSKsgs(s)U(S)Y(S)系统的对象传递函数为：，为使调节器的采集信号Y(s)不会延迟，则并联一个补偿器，如图中虚线部分，具有传递函数。使得调节品质与没有纯延迟一样，只是时间坐标比设定值延迟了。2.6.2 控制算法和编程在单回路控制系统中，D(s)表示调节器的传递函数，用于校正GP(s)部分；表示被控对象的传递函数，GP(s)为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，为被控对象纯滞后部分的传递函数。为纯滞后时间。图2.6.3 带纯滞后环节的控制系统史密斯预估控制原理是：与D(s)并接一补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节称为史密斯预估补偿器，其传递函数为补偿后的系统框图如图2.6.4所示。图2.6.4 史密斯预估补偿回路图由史密斯预估器和调节器D(s)组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为:系统中的滞后环节使信号延迟，为此，在内存中专门设定N个单元作为存放信号m(k)的历史数据。存储单元的个数，式中T为采样周期。