基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计

1、沈阳理工大学 课程设计任务书学院信息科学与工程学院专业自动化学生姓名陈大壮班级学号0903010425课程设计题目基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计实践教学要求与任务：构成电阻炉温度控制系统SMITH-PID算法设计理论分析与设计仿真实验THFCS-1现场总线控制系统实验撰写实验报告工作计划与进度安排：第12天，查阅文献，构成闭环温度控制系统第3天，SMITH-PID算法设计第4天，理论分析与设计第56天，仿真实验第79天，THFCS-1现场总线控制系统实验第10天，撰写实验报告指导教师：201年 月曰专业负责人：201 年 月曰学院教学副院长：201 年 月曰目录 TOC o 1

2、-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 摘要3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第1章课程设计方案1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.1概述1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.2系统组成总体结构 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第2章硬件设计2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document

3、 2.1器件选择2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 22控制器2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.3电源部分2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.4输入输出通道设计32.4.1温度输入电路 32.4.2信号输出电路3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第3章软件设计5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.1系统流程图5 HYPERLI

4、NK l bookmark26 o Current Document PID算法流程图6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.3程序流程图7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第4章常规PID控制器设计 8 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document PID 概述8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.2数字PID控制器 8 HYPERLINK l bookmark36 o Current Docume

5、nt PID调节器参数对系统性能的影响 9 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第5章 温度控制系统的 smith预估控制器设计 11 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 5.1史密斯（smith ）预估控制 11 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 5.2史密斯控制器方案设计13 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 第6章Smith预估补偿控制的Matlab仿真与实验 16 HYPERLINK l bo

6、okmark46 o Current Document Matlab仿真软件的介绍 16 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 6.2采用 Matlab系统仿真 16 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 第7章 锅炉夹套水温 pid控制系统 17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 7.1课程设计目的17 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 7.2被控对象17 HYPERLINK l bookmark56

7、o Current Document 7.3检测仪表187.3执行机构18 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 7.4控制原理框图19 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 7.5实验内容与步骤 20 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 第8章组态软件界面、逻辑、代码 23 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document MCGS组态软件 23 HYPERLINK l bookmark66 o Current Docu

8、ment 8.2组态软件设计 25 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 第9章数据采集硬件系统构件、连线 26 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 9.1数据采集硬件系统构件26 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 9.2硬件系统连线26 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 第10章 实验结果曲线及分析 27 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 总结29 H

9、YPERLINK l bookmark78 o Current Document 参考文献30摘要现代工业生产过程中，不少工业对象存在着纯滞后时间。这种纯滞后时间或者是由于物料或能量传输过程中所引起的。或者是由于对象中多容积所引起的，或者是高阶对象低阶近似后所形成的等效滞后。在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在纯滞后，使得被控量不能及 时反映系统所承受的扰动。因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和需 要较长的调节时间，被公认为是较难控制的过程，其难控制程度将随着纯滞 后工占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。一般认为纯滞后时间占对象的时间常数T之比大于0.3,则称该过程为大滞后过程。此外

10、，大滞后 会降低整个控制系统的稳定性。从自动控制理论可知，对象纯滞后的存在对系统稳定性极为不利。特别 是当/T 0.5时（为纯滞后时间，T为对象的时间常数），若采用常规PID 控制，很难获得良好的控制质量。对于纯滞后，普通的PID反馈控制系统并不能取得很好的效果，这是因为其控制效果无法通过反馈回路及时反馈，因 而使得控制问题复杂化了。在归一化纯滞后时间较大的情况下要保持系统稳 定性的唯一方法是缩小增益Kp，然而这样作将会导致系统调节周期 T变大, 系统响应变慢，从而降低了系统的调节性能。大惯量物体的一个明显特征是 惯性滞后。通常在研究数控设备时，忽略其时滞效应。然而，精密定位控制 的大惯量物体

11、，其时滞效应是不容忽视的本文采用预估补偿方案，得出适合 于数字伺服的控制算法，并与PID算法加以比较。计算机仿真结果表明，对 大惯量带有时滞的系统，Smith预估补偿控制方案能得到优良的控制品质， 是一种理想的控制方案。Smith预估控制的提出就较好地解决了这个问题， 它通过在回路中加入Smith预估器，从而可以在环路中使用较大的增益而不 使系统出现不稳定。随着质量分析仪表在线控制的推广应用，克服纯滞后已 经成为提高过程控制自动化水平，改进控制质量的一个迫切需要解决的问 题。Smith预估控制已经成为克服纯滞后的主要方法之一。沈阳理工大学 第1章课程设计方案1.1概述加热炉是典型的工业过程控制

12、对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制 具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝 加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降 温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数， 应用传统的控制理论和方 法难以达到理想的控制效果。本设计采用史密斯一PID算法进行温度控制来实现 温度的较为精确的控制。在用PID算法进行控制时，需要对参数进行整定，从史密斯算法表达式可 知，参数的确定十分重要，其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分 及制约关系。1.2系统组成总体结构电加热炉温度控制系统原理图如图 1.1，主要由温度检测电路、A/D转换

13、电 路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小， 温度 通过热电偶检测，再经过变送器变成0 - 5 V的电压信号送入A/D转换器使之变 成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。图1.1电加热炉温度控制系统硬件结构框图第2章硬件设计2.1器件选择系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘、显示功 能。8051片内除了 128KB的RAM夕卜，片内又集成了 4KB的ROM作为程序存 储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个 容量较小的程序存储器，占用的I/O 口减少，同时也

14、为键盘、显示等功能的设计 提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。因此89C51可以完成设计要求。2.2控制器单片机控制系统原理图如下图所示。微处理器采用51系列单片机AT89C51 单片机系统的硬件结构简单，调试方便。单片机系统主要I/O 口的分配如下：89C51的P1 口为温度信号的输入口，P0 口为温度显示信号数据输出，P2 口的P2.0 端到P2.3端为显示信号的扫描，P2.4端口为执行信号输出口。X1dD 3OPF CRYSTAL *EXT b TEKT C3IOuFR7 -PH工 円235 E1垂 Rlj&? P17BiaIBC2HHSOPFXTAL1XTAL7RSTPSEiM a

15、le EAPOO/AM ro 1/Abi PO.2/AD5 PO.3/AD3 PO 4JAD4 POSAOS PO 5/A06PO 7/AD7P2O/A6P21/A9 P2.2JA10 P2.3ZA11 P2 4/A12 P2 5/A13 P2 6XA14P2.7.TA15AT89C51祁屮祖 P3.1/7XD pa 2irnb P3 3*iiYP3 4g P3 5fT1 P3 E殛 P3.7/RD26_1_LL_LLio O13”图2.1控制器电路图2.3电源部分本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网

16、220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动(一般有+-10%左右的波动)、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电 路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用7805,配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和动执行电路中弱电部分使用。 除此之外，220V 交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加 热电阻的功率

17、。低压交流电即变压器二次侧的电压， 通过过零检测电路检测交流 电的过零点，送入单片机后，控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数的 方法来调节加温功率。2.4输入输出通道设计2.4.1温度输入电路温度信号输入通道的原理图如图2-2所示。电路主要由温度传感器、运算放 大器和模/数(A/D)转换器三部分组成。本方案比采用温度变送器的方案结构简 单，体积小，价格低DS18B20RL*PSEIADC080SSTAF1EOC ctnRjTEua OLOCXTCC痢F筒VWI-)Ag 嘶 WC4? 1KS8图2-2输入通道原理图2.4.2信号输出电路为了简化输出通道的硬件结构，考虑到加热系统具有较大的热

18、惯性，即一阶 惯性纯滞后特性动态特性，本系统采用脉冲宽度调制 (PWM的控制方法。单片机 输出控温信号：输出高电平时，使双向可控硅导通，电热丝通电；输出低电平时， 双向可控硅截止，电热丝断电。脉冲宽度.一与周期T的比值为P,它反映了系统 的输出控制量。执行信号输出通道的原理图如下，单片机系统 AT89C51的P2.5 口输出信号 经过光电耦合器，直接控制双向可控硅的门极，从而控制电热丝的平均加热功率。 这样使输出通道省去了数/模（D/A）转换器和可控硅一项触发电路，大大简化了 硬件；而且可控硅工作在过零触发状态， 提高了设备的功率因数，减轻了对电网 的干扰。AT89C5啲I/O脚的负载能力不足

19、以驱动光电耦合器的发光二极管， 所以用 1413的一路作为功放。光电耦合器的光敏二极管所能通过的电流足以触发 5A的 双向可控硅，其间不必加功放环节，其中对可控硅可用负极性触发第3章软件设计3.1系统流程图本系统的主程序流程图如图3.1所示:图3.1电加热炉温度控制系统主程序流程图系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电热炉温度的大小， 温度 通过热电偶检测，再经过变送器变成0 - 5 V的电压信号送入A/D转换器使之变 成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。在微机内部，主机将采样值与给定值比较后进行控制算法计算， 再经D/A转换器变成模拟量， 然后经放大器放大后输入调

20、压器，调节电压的大小，以达到控制温度的目的。3.2 PID算法流程图图3.2 PID算法流程图3.3程序流程图系统程序流程图如图3.3 :初始化1r1调用扫描子程序调用A/D转换子程序r调用温度控制子程序1调用显示子程序键值复原图3.3程序流程图第4章常规PID控制器设计4.1 PID概述目前主要的控制方法有比例积分控制、模糊控制、神经网络控制、自适 应控制等。已经应用在温控领域的有 PID控制、模糊控制、自适应控制以及 PID控制与模糊控制和自适应控制相结合的一些方法，女口Fuzzy-PID控制、Adaptive-PID控制、模糊自适应PID控制等。图41基本PID控制系统原理图PID控温方

21、法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，基本PID控制系统原理如图3-1所示。PID控制是最早展起来的控制策略之一，由于其 算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适 用于可建立精确数学模型的确定性控制系统其中数字PID调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。 采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个 PID参 数(即比例值、积分值、微分值)。只要PID参数选取的正确，对于一个确 定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。(4-1)4.2数字PID控制器在计算机控制系统中， 分方程：PID控制规律的实现是

22、采用数值逼近的方法。差t0ke(t)dt ： Te(i)i =6(4-2)de(t) : e(k)-e(k-1) dtT式中：T为采样周期k为采样序号所以由(1 4)式可知(4-3)u(k) = Kpe(k) I- e(i) Td 咖響-1)Ti i _oT同理u(k1) = Kpe(k1)匚、e(i) TdTi i 30e(k -1)-e(k-2)T(4-4)将(3 3)式成(34)式相减，可得PID控制算式Lu(k) =u(k) -u(k -1) = KPe(k) -e(k -1) KIe(k) KDe(k) -2e(k -1) e(k -2) =(心 Ki K)e(k) (-2心-a)e

23、(k -1) Ke(k -2) 二心(1 T )e(k)-Kp(1 罕)e(k-1)心半出-2)I IIII=A0e(k) A,e(k -1) A2e(k -2)(4-5)其中A0 = kp(V +t)， A = Kp(1+)， A2 = Kp*I IIIIPID控制算法有许多优点：（1）由于计算机每次只输出控制增量 （即对应执行结构位置的变化量），故 机器无原发生故障时影响范围小，从而不会严重影响生产过程。（2）手动一自动切换时冲击小。控制从手动到自动切换时，可以做到无忧 动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存 作用，故能仍然保持原值。（3）算式中不需要累加，

24、控制增量Uu（k）的确定仅与最近K次的采样值有 关，较容易获得比较好的控制效果！4.3 PID调节器参数对系统性能的影响（1）比例控制Kp对系统性能的影响a对动态性能的影响：比例控制 Kp加大，使系统的动作灵敏、速度加快； Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当Kp太大时，系统会趋于不稳定。若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。b对稳定特性的影响加大比例控制Kp，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提高控制精度，但加大Kp只能减小误差，却不能完全消除误差。积分控制对控制性能的影响a对动态特性的影响积分控制Ti通常使系统的稳定性下降，Ti太小，系统将不稳定；Ti偏小， 震荡次数较多；Ti太大，对

25、系统性能的影响减小。当Ti合适时，过度过程比较 理想。b对稳态性能的影响积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但 Ti太大, 积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。微分控制Td对控制性能的影响微分控制可以改善动态特性，如超调量的减少，调节时间缩短，允许加大比 例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当Td偏大时，超调量较大，调节时间长；当T d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有Td合适时，可以得到比较满意的过渡过程第5章温度控制系统的smith预估控制器设计5.1史密斯(smith )预估控制经典的PID控制理论经过多年的发展在工业控制方面得到了很大的青睐， 但是经典的

26、PID控制在系统具有较大纯滞后的时候其控制效果不是那么的理想， 所以在经典的PID控制基础上再加上Simth控制器，在对具有大纯滞后环节的控 制系统进行控制时起到了非常好的作用。图5-1为具有纯滞后的对象进行传统 PID调节的反馈控制系统，设对象的特 性为：Gpc(s) =Gp(s)e_s(5-1)图5-1常规PID控制系统其中，Gp(s)为对象传递函数中不含纯滞后的部分，调节器的传递函数Gc(s)，Gc(s)为PID控制规律，干扰通道的传递函数为Gp(s)系统给定作用下的闭环传递函数为Y(s)Gc(s)Gp(s)=eR(s) 1 Gc(s)Gp(s)系统对干扰的传递函数(5-3)皿 Gd(s

27、)D(s) 1 Gc(s)Gp(s)(3-10)式的特征方程为1 G(s)G(s)e_s(5-4)在反馈回路中设计一个补偿回路，其传递函数为Gl(s)，如图5-2所示图5-2具有时间补偿的反馈控制系统 为了补偿对象的纯滞后，要求：G(s) =KTs 1es(5-5)史密斯(Smith)补偿函数为GL(s)=Gp(s)(1-e-s)(5-6)于是，史密斯(Smith)预估控制结构图如图5-3所示。图5-3 Smith控制结构图经史密斯补偿后，纯滞后的影响已消除，从而使系统可以使用较大的调节增 益来改变调节品质。5.2史密斯控制器方案设计IOqQs被控对象为G(s)二-,1+s画出系统框图设计Sm

28、ith数字预估器，已知纯滞后负反馈控制系统，其中图5.2系统框图10 -0.1 S其中D(s)为调节器传递函数，G(s) =为对象传递函数，其中+s-0.1sG0(s) e包含纯滞后特性,纯滞后时间常数T =0.1 o系统的特征方程为：10e1s1 D(s)G(s) =1 D(s)01+s由于闭环特征方程中含有项，产生纯滞后现象，有超调或震荡，使系统 的稳定性降低，甚至使系统不稳定。为了改善系统特性，引入Smith预估器，使得闭环系统的特征方程中不含有-Q.1S -re 项。Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为：图5.3系统框图1 一 XS上图所示ZOH为零阶保持器，传递函数：Gh(s)二匸

29、二S 并且有： =IT (l为大于1的整数，T为采样周期)。采样周期T的选择采样周期在计算机控制中是一个重要的参数。 从信号保真度看，采样周期不宜太长，即米样频率不应该过低。Sha nnon米样定理给出了下限角频率3 s 2伽ax, 3max为原信号的最高频率；采样周期应尽可能的短，以使采样后的离散 信号可以近似于连续信号，数字控制具有接近于连续控制系统的质量。但采样频 率过高，将使得数据存数容量加大，计算工作量加大，并且采样频率高到一定程 度，对系统性能的改善效果并不显著。所以，我们要找到一个最佳的采样周期。纯滞后较大不可忽略时，可选择 T在./10附近，当纯滞后占主导地位时， 可选择T约为

30、T，再加上参考课本上表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数 计算公式，预选了 l =2，3，5，10。但是在matlab仿真时，1=2,3系统发散，所 以还剩下l =5，10。考虑到采样频率过高，将使得数据存储容量加大，计算工作 量加大，所以选择丨=5。贝U由公式t =lT得：T = ./l=0.02。负反馈调节器D(z)的确定D(z)为负反馈调节器，通常使用PID控制规律。扩充响应曲线法是用于有纯 滞后的一阶对象，因此依据课本中表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算 公式，而且前面已确定采样周期T与纯滞后时间常数 T勺比值l=5,因此选定的 PID参数为：kp/(T0)=O.73，T

31、=3.6，为 PI 控制规律。其中T。为被控对象时间常数，即T)=1，T0.1，T)M=107.706z-7.3z 1所以有：kp=7.3 T =0.36则控制器传递函数：D(skp(1 J ) J.3.2。3Ti * ss将得到的模拟控制器用一阶后向差分法 离散化得到:D二 D(s)| 2 = kp(1s T3.Smith补偿器Dr (z)的确定Gp(s)e_ 二Gh(s)G(s)e0.02s、八0(1& s(1 s)0.02s、Gp(s)0(1&)s(1 s)_0.02s -es(1 s)_0.02_5 J5D(zrZD(s)20(1：监；)Z 二D (s) =Gp(s)(1-e1s)10

32、(1)(1 一 严令a 二e02 =0.98 ; b = 10(仁e02) = 0.198bz(1 _z)1 -az 差分方程为:C(k)二 G(k) -G(k -I) =G(k)-G(k-5)G(k)二a G(k -1) b U (k -1) = 0.98G(k-1) 0.198 U(k-1)由此可得到：C(k) =0.98C1(k-1) 0.198 U (k -1)-G(k -5)可以看出，Smith补偿器的差分方程有G(k-5)项，即存在滞后5拍的信号, 因此产生纯滞后信号对纯滞后补偿控制是至关重要的。纯滞后信号可以用存储单 元法近似产生。第6章Smith预估补偿控制的Matlab仿真与

33、实验6.1 Matlab 仿真软件的介绍Matlab是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交 互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以 及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环 境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了 一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值分析、矩阵运算和图 形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。它

34、几乎可以轻易地再 现C或FORTRAN语言的全部功能，并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠 的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。Matlab环境下的Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，在它提供的图形用户界 面上，只要进行鼠标的简单拖拽操作就可构造出复杂的仿真模型，是目前最优秀、最容易使用的一个仿真环境工具箱，且在各个领域都得到了广泛的应用。6.2采用Matlab系统仿真本系统采用PI控制算法，用matlab下的Simulink工具箱搭建闭环系统 结构，加以1v的阶跃信号，PI控制器系数kp =7.3，T =0.36=0.36，取反馈系 数为1,使用Smi

35、th预估补偿器的仿真结构和输出曲线分别如图所示：Dlscrele FilterlZem-Order Hol di图6.1结构仿真图第7章锅炉夹套水温pid控制系统7.1课程设计目的在系统的学习了自动控制原理，过程检测技术及仪表等课程后，为了 更好的提高我们对所学知道的认识加深对理论知识的理解。借助THJ-4工程实验平台，通过对下水箱前馈反馈控制系统的设计，调试完成系统设计的设计与开发 提高学生工程意识和能力提高创新能力。了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。研究调节器相关参数的改变对温度控制系统动态性能的影响。.分析比较锅炉夹套水温控

36、制与锅炉内胆动态水温控制的控制效果。7.2被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、 4.5KW三相电加 热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、盘管和敷塑不锈 钢管道等组成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡 蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变 化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm, H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm， H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进 水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓

37、冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底 部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。 上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三 闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长X宽X高 =68cmX52cmX43cm，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部 有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度 实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快

38、速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长 37米（43圈），在盘管 上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不 同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过阀门的切换既可以流入锅 炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。 它可用来完成温度的滞后和流量纯 滞后控制实验。管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的阀门均采 用优质阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。 其中储水箱侧面有一个进水阀和出水阀， 当水箱需

39、要更换水时，可把球阀打开将 水直接接入或排出。7.3检测仪表压力传感器、变送器：三个液位传感器分别用来对上、中、下三个水箱 的液位进行检测，其量程为 05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力 变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补 偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。.温度传感器：装置中采用了六个 Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来 检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100 测温范围：-200+420C。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt

40、100传感器精度高，热补偿性较好。流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h;精度：1.0%;输出：420mADC。锅炉防干烧保护装置：为保证实验效果好、不降低锅炉加热功率的前提 下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统， 当锅炉内胆液位低于红色警戒水位 线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏 7.3执行机构1.电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电

41、动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量 轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便 等优点，电源为单相220V,控制信号为420mADC或15VDC，输出为4 20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P,流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。 本装置采用两只磁力驱动泵，一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频 220V输出驱动。电磁阀：本套装置共有17支优质电磁阀配合控制器完成所有实验项目， 其阀体为黄铜材质，磁力连接栓为不锈

42、钢榜及弹簧、弹杆、橡皮膜片，以防止生 锈，它具有体积小、流量大、耐高温、耐高压、动作快、寿命长等特点。7.4控制原理框图（a）结构图 （b） 方框图本实验系统结构图和方框图如图7.4所示。本实验以锅炉夹套作为被控对 象，夹套的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉夹套的水温稳定至给定值，将铂电阻TT2检测到的锅炉夹套温度信号作为反馈信号，与给定量比较后的差，以达值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压） 到控制锅炉夹套水温的目的。在锅炉夹套水温的定值控制系统中， 其参数的整定 方法与其它单回路控制系统一样，但由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的 热传导来实现的，所以夹套温

43、度的加热过程容量时延非常大， 其控制过渡时间也 较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。实验中用变频器支路以固定的小流 量给锅炉内胆供循环水，以加快冷却。图7.4 （b）为一个单回路的锅炉夹套温度控制系统的结构框图实验前先用丹麦泵给锅炉内胆打适量的水，而锅炉夹套为动态环水，变频器，齿轮泵，锅炉内胆组成循环供水系统。实验投入运行后，变频器以固定得频率使锅炉夹套得水处 于循环状态。在单回路的锅炉夹套温度控制系统中，若没有循环水加以快速热交 换，散热过程相对比较缓慢，温度调节得效果受对象特性和环境的限制，在精确和稳定性上存在着一定的误差。当增加了循环水系统以后，有利于热交换并提高 散热能力。相比与

44、静态温度控制实验，在控制的精确性，快速性上有很大的提高。 本系统控制的被控制量锅炉夹套水温，既控制任务是控制锅炉夹套水温等于给定 值，并采取工业智能PID调节。7.5实验内容与步骤本实验选择锅炉夹套水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量， 然后将F2-6，F2-9，F2-8打开。将变频器A、B C三端连接到三相磁力驱动泵（220V，打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉内胆和夹套贮满水， 然后关闭变频器、关闭F2-8，打开F2-9，为给锅炉内胆供冷水作好准备。1、比例调节器（P ）控制（1）按图7.4 （b）所示方框图的要求接成实验系统。（2）打开储水箱到锅炉内胆和锅炉夹套水路相关

45、阀门，启动丹麦甭既变频器与齿轮泵两条动力支路，分别往锅炉内胆和锅炉夹套进水，约进1-2分钟后，关闭两套动力系统。（3）启动工艺流程并开启相关仪器和计算机，把智能调节器置于“手动” 输出，把温度设定于某给定值（如：水温控制在 40 C）并设置相关参数，使调 节器工作在比例度（S）调节器状态，此时系统处于开环状态。（4）启动变频器，以15赫兹的频率启动循环水系统。（5）运行MCG组态软件，进入相应的试验，观察实时或历史曲线，待水温(由智能调节器的温度显示器指示)基本稳定于给定值后，将调节器“手动”切 换至“自动”位置，使系统变为闭环控制运行。待基本不再变化时，加入阶跃扰 动。通过改变智能调节器的设

46、定值来实现，观察并记录在当前比例P余差和超调 量每当改变值S后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同 S时的ess和c p。记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。(数据可在软件上获得) 改变变频器的输出频率，观察并记录在当前比例度S余差和超调量。待系统 稳定后，再改变输出频率，比较不同的输出频率时的ess和c p。2、比例积分(PI)调节器控制在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分 (“I” ) 作用，观察被控制量能否回到原设定的位置， 以验证系统在PI调节器控制下没有 余差。固定比例度S值(中等大小)，然后改变积分时间常数Ti值，观察加 入扰动后被调量的动态曲线，并记录下不同 T

47、i值时的超调量c p。固定Ti于某一中间值，然后改变比例度S的大小，观察加扰动后被调 量的动态曲线，并记下相应的超调量 c P。选择合适的S和Ti值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。3、比例微分调节器(PD)控制在比例调节器试验的基础上，待系统被调量平稳后，引入微分作用“ D”。 固定比例度S值(中间值)，改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作 用下相应的动态响应曲线。选择合适的S和Td值，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。4、比例积分微分(PID)调节器控制 在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后 ，引入积分(“ I”) 作用，使被调量回复到原设定值。减小S，并

48、同时增大Ti，观察加扰动信号后的 被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。在控制PI的基础上加上适量的微分 “D”作用，然后再对系统加扰动(扰 动幅值与前面的实验相同)，比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处。选择合适的3、Ti和Td,以获得一条较满意的动态曲线。5、PID参数自整定的连续温度控制当发现AI人工智能调节效果不佳时可启动自整定功能（具体操作参考人AI工 智能工业调节器说明书）。当自整定结束后，以前设定的参数会被整定出来的参 数所替代，并自动将CTR参数设为3,这样就无法再次从面板上启动自整定功能， 可以避免人为的误操作再次启动自整定。 之后系统直接将整定出来的

49、参数投入运 行。根据自整定得出来的参数去控制被控对象， 若此效果不是很满意，可根据输 出特性，在自整定参数的基础上适当修改一下参数，可达到满意效果。一般通过自整定得出来的3、Ti、Td参数，效果都比较好。超调量小，过 渡过程时间短。但如果一开始，温控对象的温度不是最低，也就是说自整定寻求 的最大斜率不一定是真正的。此时自整定得出的 3、Ti、Td参数并不一定很理 想。第8章 组态软件界面、逻辑、代码8.1 MCGS组态软件计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间， 用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断等 先进技术，使系统更加安全可靠，在这

50、方面MCG工控组态软件发挥着重要的作用。本装置中智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和S7-200PLC控制方案 均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。MCGS(Mon itor and Control Gen erated System )是一套基于 Win dows 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，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000 等操作系统。MCGS 5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完 成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、 趋势曲线和报表

51、输出以及企业监控网络等功能。MCGS( Mon itor and Control Gen erated System) 软件是一套几基于Windows平台的32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备 控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并 支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、冶 金、纺织、航天、建筑、材料、制冷、通讯、水处理、环保、智能楼宇、实验室 等多种行业。MCGSS态软件由“ MCGSS态环境”和“ MCGS行环境”两个部分组成。 MCGS&态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe

52、支持，用户在MCGSI态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工 程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为 .mcg的工程文件，又称为组态结 果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。MCG运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRu n.exe支持,以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。利用MCG软件组建工程的过程简介：(1)工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程， 弄清系统的控制流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应

53、关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。（2）工程立项搭建框架：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 MCG组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框 架。（3）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。（4）制作动画显示画面：

54、动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个 过程。前一部分用户通过MCG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。（5）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。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件，使用简单的编程语言，编写工程控制程序。（6）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

55、立工程安全机制等。（7）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。（8）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。（9）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。8.2组态软件设计在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结 构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。本设计为盘管出水口水温与流量 串级控制系统，目的是通过过程控制，使主控参数盘管出水口水温稳定为给定 值，并对扰动具有一定的适应能力。

56、因此，本系统应具备盘管水温与热水流量串 级控制系统的仿真界面，也应有盘管出水口水温与流量参数设定、 实时数据显示 窗口，实时曲线与历史曲线显示窗口 ，计算机与工控机的通讯状态设定及显示 窗口。由上述分析可知，本系统应具有7个用户窗口：盘管水温与热水流量串级控 制、实验指导、实时曲线、历史曲线、通讯状态、数据浏览、退出指示。实验七锅炉夹套水温定值控制干烧崔*幻一 ir图8.1组态软件界面第9章数据采集硬件系统构件、连线9.1数据采集硬件系统构件远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制(DDC,它的特点是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行 A/D、D/A转换， 控制算法全部在计算机上实现。在本装置中远程数据采集控制系统包括SA-21远程数据采集热电阻输入模块挂件、SA-22远程数据采集模拟量输入模块挂件、 SA-23远程数据采集模拟量输出模块挂件。 采用台湾鸿格ICP7000系列智能采集 模块，其中I-7017是8路模拟量输入模块，I-7024是4路模拟量输出模块，I-7033 是3路热电阻输入模块。ICP7000系列智能采集模块通过 RS485等串行口通讯协 议与PC相连，由PC中的算法及程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、 开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频