过程参数检测及仪表课程设计（论文）报告锅炉夹套水温定值控制系统

1、过程参数检测及仪表过程参数检测及仪表 课程设计（论文）报告课程设计（论文）报告 目录目录 1.1. 课程设计目的课程设计目的.1 1 2.2. 检测仪表及控制原理框图检测仪表及控制原理框图.1 1 2.1 被控对象.1 2.2 检测仪表.2 2.3 执行机构.2 2.4 控制屏组件.3 2.4 智能仪表控制组件.3 2.4.1 西门子 s7-300 系列 plc 简介.3 2.4.2 三菱 d700 变频器简介.5 2.4.3 磁力驱动泵 cq 型 .6 2.4.4 数据采集模块.7 2.4.5 智能调节阀.7 2.5 控制原理框图.8 2.6 实验内容与步骤.9 3.3.组态软件界面、逻辑、

2、代码组态软件界面、逻辑、代码.1111 3.1 mcgs 组态软件.11 3.2 组态软件设计.13 3.3 代码.14 4.4.数据采集硬件系统构件、连线数据采集硬件系统构件、连线.1616 4.1 数据采集硬件系统构件.16 4.2 硬件系统连线.17 5.5.控制算法代码控制算法代码.1717 5.1 pid 控制器简介.17 5.2 pid 控制系统.18 5.3 pid 控制参数的整定及方法.19 5.3.1 pid 控制参数的整定简介.19 5.3.2 pid 控制参数整定方法.19 6.6.实验结果曲线及分析实验结果曲线及分析.2121 7.7. 心得体会心得体会.2424 8.

3、8.参考文献参考文献.2626 锅炉夹套水温定值控制系统锅炉夹套水温定值控制系统 1.1. 课程设计目的课程设计目的 在系统的学习了自动控制原理 ， 过程检测技术及仪表 ， 控制仪表及 装置等课程后，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。 1了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。 2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。 3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。 4分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉内胆动

4、态水温控制的控制效果。 2.2. 检测仪表及控制原理框图检测仪表及控制原理框图 本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路： 一路由三相（380v 恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及自动电 磁阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220v 变频调速） 、涡轮流量计 及自动电磁阀组成。 2.12.1 被控对象被控对象 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。 1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

5、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： 长宽高=68cm52cm43cm，

6、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。 2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。 3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

7、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。 4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，当水箱需要更换水时，可把球阀 打开将水直接接入或排出。 2.22.2 检测仪表检测仪表 1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

8、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。 2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+420。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。pt100 传感器精度高，热补偿性较好。 3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

9、供 24v 直流电 源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420madc。 4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。 2.32.3 执行机构执行机构 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 420

10、madc 或 15vdc，输出为 420madc 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。 3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。 2.42.4 控制屏组件控制屏组件 1通讯线

11、介绍 “thj-4 型高级过程控制系统实验平台”可以挂智能仪表、远程数据采集 和 s7-200plc 挂件，并可控制对象系统完成相应的实验。屏中布有 485 通讯线 线，从正面看控制屏时，从左边数的五个通讯口挂在一条 485 总线上，然后引 出来一根通讯线，通讯头上标有“1”的字样；最右边的通讯口单独从控制屏后 引出一个通讯头，上面标有“6”的字样。485 通讯线主要用于仪表和远程数据 采集模块与计算机的通讯， 485 通讯方式与计算机建立通讯时需接一个转换器 到计算机串口上。thj-4-3 面板是与对象系统通过 2 号 42 芯和 3 号 19 芯电缆 线相连的接口板，可取来对象上的信号，也

12、可将控制屏上的信号通过它送出； 面板上有 24v 开关电源的输出端子，它不但控制着面板上三路 24v 直流输出， 而且控制着对象系统所有变送器的电源。 2sa-11 交流变频控制挂件 采用日本三菱公司的 fr-s520s-0.4k-ch（r）型变频器，控制信号输入为 420madc 或 05vdc，交流 220v 变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。有 关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。 变频器常用参数设置： p 301；p 531；p 624；p 790。 3三相移相 scr 调压装置 采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为 420ma 标准电流信号， 其移相触发角与输入控制电

13、流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电 压，从而实现锅炉温度的连续控制。 2.42.4 智能仪表控制组件智能仪表控制组件 2.4.1 西门子西门子 s7-300 系列系列 plc 简介简介 图图 1. s7-300 户外型模总体技术规范图户外型模总体技术规范图 simatic s7-300 可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间 可进行广泛组合以用于扩展。 中央处理单元 (cpu)各种 cpu 有各种不同的性能，例如，有的 cpu 上集 成有输入/输出点，有的 cpu 上集成有 profi- bus-dp 通讯接口等。 信号模块 (sm)：用于数字量和模拟量输入/输出 通讯处

14、理器 (cp)：用于连接网络和点对点连接 功能模块 (fm)：用于高速计数，定位操作 (开环或闭环控制) 和闭环控制。 根据客户要求，还可以提供以下设备： 负载电源模块 (ps)用于将 simatic s7-300 连接到 120/230v ac 电源。 接口模块 (im)：用于多机架配置时连接主机架(cr)和扩展机架 (er)。s7- 300 通过分布式的主机架(cr)和 3 个扩展机架(er)，可以操作多达 32 个模块。 运行时无需风扇。 simatic m7 自动化计算机 ：at-兼容的计算机用于解决对时间要求非常 高的技术问题。它既可作为 cpu，也可以作为功能模块使用。 simat

15、ic s7-300 适用于通用领域： 高电磁兼容性和强抗振动，冲击性， 使其具有最高的工业环境适应性。 s7-300 有两种类型： 功能 ：simatic s7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维 护 高速的指令处理 ：0.60.1ms 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范 围内开辟了全新的应用领域。 浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参 数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。 人机界面 (hmi)：方便的人机界面服务已经集成在 s7-300 操作系统内。 因此人机对话的编程要求大大减少。sim

16、atic 人机界面(hmi)从 s7-300 中要求 数据，s7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。s7-300 操作系统自动地处 理数据的传送。 口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止 未经允许的复制和修改。 操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出 时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。 通讯：simatic s7-300 具有多种不同的通讯接口。 多种通讯处理器用来连接 as-i 接口、profibus 和工业以太网总线系统。 通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。 多点接口(mpi) 集成在 cpu 中，用于同

17、时连接编程器、pc 机、人机界面 系统及其他 simatic s7/m7/c7 等自动化控制系统。 2.4.2 三菱三菱 d700 变频器简介变频器简介 型号：d700 系列 变频调速器紧凑型多功能变频器 1.功率范围：0.47.5kw 2.通用磁通矢量控制，1hz 时 150%转矩输出 3.采用长寿命元器件 4.内置 modbus-rtu 协议 5.内置制动晶体管 6.扩充 pid，三角波功能 7.带安全停止功能 三菱变频器 fr-d700 系列虽然是高可靠性产品，但周边电路的连接方法错 误以及运行，使用方法不当也会导致产品寿命缩短或损坏，在产品运行前我们 需要重新确认下列注意事项： 1）电

18、源及电机接线的压接端子推荐使用带绝缘套管的端子。 2）电源一定不能接到变频器输出端子（u、v、w）上，否则将损坏变频 器。 3）在接线时不要在变频器内留有异物，以免造成变频器发生误动作及异常 故障等。 4）为使电压降在 2%以内请用适当规格的电线进行接线（变频器和电机间 的接线较长时，特别是低频率输出时，会由于主电路电缆的电压降而导致电机 的转矩下降） 。 5）接线总长不要超过 500m，尤其是长距离接线时，由于接线电容所产生 的充电电流会引起高响应电流限制功能低下，变频器输出侧链接的设备可能发 生误动作或异常，因此请误必注意总接线长度。 6）电磁波干扰，变频器输入/输出（主电路）包含有谐波成

19、份，可能干扰 变频器附近的通讯设备（如 am 收音机） 。这种情况下安装无线电噪音滤波器 fr-bif（输入侧专用） 、线噪音滤波器 fr-bsf01、fr-blf 等选件。可以降干 扰降低。 7）在变频器输出侧请勿安装进相用电容器或浪涌吸收器、无线电噪音滤波 器等。否则将导致变频器跳闸或电容器、浪涌抑制器损坏，如已安装上述设备， 请立即拆除。 8）在运行后若要进行接线变更等，请切断电源至少在 10 分以后用万用表 等设备测试电压后进行。在切断电源后，电容器仍有高电压器，非常危险。 9）不要使用变频器输出侧的电磁接触器启动/停止变频器。启动/停止变频 器请务必通过启动信号（stf、str 信号

20、和 on/off）进行。 10）切换至工频电源运行时，请确保用于工频切换的 mc1 和 mc2 可以进 行电气或机械互锁，除了误接线，在工频切换电路时，因切换时的电弧或时序 错误而产生的震颤会导致电源漏电流发生，从而损坏变频器。 2.4.3 磁力驱动泵磁力驱动泵 cq 型型 cq 型磁力驱动泵（简称磁力泵） ，cqg 型耐高温磁力驱动泵（耐温250） （简称磁力泵）是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品，主要材料 有不锈钢、增强聚丙稀，工程塑料。设计合理、工艺先进，具有全密封、无泄 漏、耐腐蚀的特点，其性能达到国外同类产品的先进水平。 磁力泵以静密封取代动密封，使泵的过流部件处于完全密封

21、状态，彻底解决了 其他泵机械密封无法避免的跑、冒、滴之弊病。磁力泵选用耐腐蚀、高强度的 工程塑料、钢玉陶瓷、不锈钢等作为制造材料，因此它具有良好的抗腐蚀性能， 并可以使被输送介质免受污染。 cq 型磁力驱动泵型号意义： cq 型磁力驱动泵安装尺寸： 图图 2. cq 型磁力驱动泵安装尺寸图型磁力驱动泵安装尺寸图 2.4.4 数据采集模块数据采集模块 产品简介：产品简介： 集智达 r-8000 系列 remodaq-8024/r-8024+数 据采集模块，4 路模拟量输出模块。 - 分辨率：14 位 - 电流输出：020ma、420ma - 电压输出：05v、010v、10v - 分辨率: 14

22、bit - 输出斜率可编程 - 带 modbus 通讯协议（r-8024+） - d/a 通道需外配电源供电 图图 3.3. remodaq-8024 2.4.5 智能调节阀智能调节阀 qsvp 系列智能电动单座调节阀是 qs 智能电动调节阀系列产品之一，它由 psl 智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀， 可广泛应用于电力、冶金、石油、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。 1. 产品特点： qsvp 系列智能电动单座调节阀是 qs 智能电动调节阀系列产品之一，它由 psl 智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀， 可广泛应用于电力、冶

23、金、石油、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。 2. 产品参数： qsvp 系列智能电动单座调节阀是 qs 智能电动调节阀系列产品之一，它由 psl 智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀， 可广泛应用于电力、冶金、石油、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。 qstp 系列智能电动引进单座调节阀是 qs 智能电动调节阀系列产品之一， 它由 psl 智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是种高性能的调 节阀，可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自 动控制系统中。 电动执行机构接受 420ma 控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度

24、 的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。 3. 主要特点 配用 psl 智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、 操作方便，无调整电位器，可靠性高、噪声小。 psl 电动执行器采用体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十 分方便。 有数字显示窗口，可看到控制信号值、阀位值。 psl 智能型电动执行机构功能：带断控制信号故障判断、报警及保护功 能。即断信号时可使执行机构或开；或关；或保持；或在 0100之间予置的 任意位置。及带阀门堵转故障判断、报警及保护功能。 tp 系列采用顶端导向，单座密封结构。与其它同类调节阀相比，具有结 构简单、额定流量系

25、数大，阀座泄露量小等突出优点。另外，带有软密封结构 的 tp 系列既有调节功能又有切断功能，是一种调节切断型的调节阀，也可作 切断阀用。 2.52.5 控制原理框图控制原理框图 图图 4.4. 锅炉夹套水温定值控制系统锅炉夹套水温定值控制系统 (a)(a)结构图结构图 (b)(b)方框图方框图 本实验系统结构图和方框图如图 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） ，以达到 控制锅炉夹套

26、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 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

27、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。 2.62.6 实验内容与步骤实验内容与步骤 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

28、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 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 40c）并设置相关参数，使 调节器工作在比例度（）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

29、）运行 mcgs 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 后，,再加同样大小的阶跃信号，比较不同 时的 ess 和 p。 图图 5. 锅炉夹套温度锅炉夹套温度 p 控制不同控制不同 p 时的阶跃响应曲线时的阶跃响应曲线 表表 1 1 不同比例不同比例 p p 时的余差和超调量时的余差和超调量 大中小 ess 大中小 p 小中大 （6）记录实验过程

30、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 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 p。 2、比例积分(pi)调节器控制 （1）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。 （2）固定比例度 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 ti 值时的超调量 p。 图图 6. . 锅炉夹套温度锅炉夹套温度 pi 控制不同控制不同 i 时的阶跃响应曲线时

31、的阶跃响应曲线 表表 2 不同不同 ti 值时的超调量值时的超调量 p p ti 大中小 超调量p大中小 （3）固定 ti 于某一中间值，然后改变比例度 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 p。 （4）选择合适的 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 （1）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 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。 （2）选择合适的和 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(

32、pid)调节器控制 （1）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，并同时增大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。 （2）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。 （3）选择合适的、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

33、出来的参 数所替代，并自动将ctrl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 、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 、ti、td 参数并不一定很 理想。 3.3.组态软件界面、逻辑、代码组态软件界面、逻辑、代码 3.13.1 mcg

34、smcgs 组态软件组态软件 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，在这方面 mcgs 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（monitor and control generated system）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，可运行于 microsoft

35、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、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 mcgs （monitor and control generated 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、

36、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。 mcgs 组态软件由“mcgs 组态环境”和“mcgs 运行环境”两个部分组 成。mcgs 组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 支持，用户在 mcgs 组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” 。 mcgs 运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序 mcgsrun.exe 支持,以用户指定的方式运行,并进行各种处理

37、,完成用户组态设计的目标和功能。 利用 mcgs 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 mcgs 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

38、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：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 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。 （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

39、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

40、况，完成整个工程 的组态工作，实施工程交接。 3.23.2 组态软件设计组态软件设计 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。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

41、 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。 图图 7.7. 组态软件界面组态软件界面 3.33.3 代码代码 源代码 启动脚本 k1=5 ti1=10 control=0 q0=0 q1=0 q2=0 ei=0 ei1=0 ei2=0 ei3=0 ei4=0 mx=0 op11=0 电动阀输出=0 变频器输出=0 调压器输出=0 循环脚本 if alarm231 then do3=1 do10=1 endif if 主设定值20 then 主设定值=20 endif if control=1 then ei= ( 主设定值-下水箱液位 ) *2 q0=k1*(ei-e

42、i1) if ti1=0 then q1=0 else q1=k1*0.2*ei/ti1 endif q2=k1*td1*(ei-2*ei1+ei2)/0.2 mx=q0+q1+q2 op11=op11+mx+ei4 ei4=0 if op11100 then op11=100 endif 电动阀输出=op11 ei2=ei1 ei1=ei else op11=电动阀输出 endif ei4=k3* ( ei3-变频器支路流量 ) ei3=变频器支路流量 退出脚本 do3=0 do10=0 电动阀输出=0 变频器输出=0 调压器输出=0 4.4.数据采集硬件系统构件、连线数据采集硬件系统构件、

43、连线 4.14.1 数据采集硬件系统构件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。icp7

44、000 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 冲频率等功能。图 8 所示即为远程数据采集控制系统框图。图中输入输出通道 即为 icp7000 智能采集模块。 被控变量控制量 干扰 输出通道 d/a数字计算机输入通道 a/d 被控对象 图图 8.8. 数据采集系统框图数据采集系统框图 4.24.2 硬件系统连线硬件系统连线 图图 9.9. 硬件系统连线实图硬件系统连线实图 5.5.控制算法代码控制算法代码 5.15.1 pidpid 控制器简介控制器简介 p

45、id 控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按 偏差的比例（p） 、积分（i）和微分（d）进行控制的 pid 控制器（亦称 pid 调 节器） ，是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用 面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；选择系统调节规律的 目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上 所提出的动、静态性能指标的要求。 1、比例（p）调节 纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都 很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺 点是使系统存在静态误差。 2、积分（i）

46、调节 积分调节器的突出特点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随 时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除以后，由于积分规律的特 点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。 但是，单纯的积分调节动作过于缓慢，因而在改善静态准确度的同时，往 往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间内延长，甚至造成系统不稳定。因此 在实际生产中，总是把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来， 组成比例积分调节器（简称 pi 调节器） ，其传递函数为 gc(s)=kp(1+1/t1s) 式（1） 3、微分（d）调节 微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生

47、强烈的调节作用，使偏差尽可能地消除在萌芽状态之中。但是单纯的微分调节 对静态偏差毫无抑制作用，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规 律结合起来，称为 pd 调节器和 pid 调节器。 pd 调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增加能加 快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干 扰。pd 调节器的传递函数为： gc(s)=kp(1+tds) 式（2） pid 是常规调节器中性能最好的一处调节器。它将比例、积分、微分三种 调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用 的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。它的传递函数为

48、 gc(s)=kp(1+1/t1s+ tds) 式（3） 5.25.2 pidpid 控制系统控制系统 c(t)+ + r(t) r (t) 比例 p 积分 i 微分 d 被控对象 图图 10.10. pidpid 控制系统结构图控制系统结构图 pid 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r（t）与实际输出值 c(t)构 成控制偏差 e(t)，即 e(t)=r(t)-c(t) 将偏差的比例(p)、积分(i)、微分(d)通过线性组合构成控制量，对过程对 象进行控制，故称为 pid 控制器。控制规律为: )( )( 1 )()( 0 dt tde t dtte t te k tu t d i p

49、 或以传递函数形式表示： ) 1 1 ( )( )( )(tds tis kp se su sg 其中比例系数, 积分时间常数 微分时间常数 kp titd 5.35.3 pidpid 控制参数的整定及方法控制参数的整定及方法 5.3.1 pid 控制参数的整定简介控制参数的整定简介 过程控制器采用的控制器通常都有一个或多个需要调整的参数和调整这些 参数的相应机构（如旋钮、开关）或相应设备。通过调整这些参数使控制器特 性与被控过程特性配合好，获得满意的系统静态与动态特性称为控制器参数整 定。由于人们在参数调整中，总是力图达到最佳的控制效果，所以常称“最佳 整定” ，相应的控制器参数称为“最佳参

50、数整定” 。 衡量控制器参数是否最佳，需要规定一个明确的反应控制系统质量的性能 指标，一般分为稳态指标和动态指标。需要指出的是，不同生产过程对于控制 过程的品质要求不完全一样，因而对系统整定性能指标的选择有较大的灵活性。 作为系统整定的性能指标，它应能综合反映系统控制质量，同时又便于分析与 计算。 5.3.2 pid 控制参数整定方法控制参数整定方法 控制器参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，理论计算整定法与 工程整定法。顾名思义，理论计算整定法是在已知过程的数学模型基础上，依 据控制理论，通过理论计算来求取“最佳整定参数” ；而工程整定法是根据工程 经验，直接在过程控制系统中进行的控制

51、器参数整定方法。由于无论是用解析 法或实验法求取的过程数学模型都只能近似反映过程的动态特性，因而理论计 算所得到的整定参数值可靠性不够高，在现场使用中还需进行反复调整。相反 工程整定法虽未必得到“最佳整定参数” ，但由于其不需知道过程的完整数学模 型，使用者不需要具备理论计算所必须的控制理论知识，因而简便、实用，易 于被工程技术人员所接受并优先使用。 下面将介绍本次设计中在现场调试调节器参数时所采用的一种整定方法， 现场经验整定法。这种方法是人们在长期的工程实践中，从各种控制规律对系 统控制质量的影响的定性分析中总结出来的一种行之有效，并且得到广泛运用 的工程整定方法。 （1）经验法 若将控制

52、系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的 系统，其对象往往比较接近，无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参 考。表 3 为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一 步修正。若需加微分作用，微分时间常数按 td=（1/3 1/4）td计算。 表表 3 经验法整定参数经验法整定参数 参 数 系统 （%） t1(min)td(min) 温度20603100.53 流量401000.11 压力30700.43 液位2080 （2）临界比例度法 这种整定方法是在闭环情况下进行的。设 t1=，td=0，使调节器工作在纯 比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响

53、应呈现等幅振荡，如图 11 所示。根据临界比例度 s和振荡周期 ts，按表二所列的经验版式，求取调 节器的参考参数数值，这种整定方法是以得到 4:1 衰减为目标。 图图 11.11. 具有周期具有周期 t ts s的等幅振荡图的等幅振荡图 表表 4 4 临界比例度法整定调节器参数临界比例度法整定调节器参数 调节器参数 调节器名称 （%）st1（s）td（s） p2s pi2.26sts/1.2 pid1.6s0.5ts0.125ts （3）阻尼振荡法（衰减曲线法） 在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减 小，加阶路扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图 10 所示的

54、4:1 衰减过程 为止。这时的比例度称为 4:1 衰减比例度，用 s表示之。相邻两波峰间的距离 称 4:1 衰减周期 ts。和s，运用表三所示的经验公式，就可计算出调节器预整 定的参数值。 图图 12. 4:1 衰减曲线法图衰减曲线法图 在实验过程中发现，温度控制不容易稳定，无论采用哪种控制规律，都有 一定的微小振荡，加入微分控制规律后，虽然提高了系统的响应速度，但是也 降低了系统的稳定性。如果采用 pd 控制规律，不能消除系统的稳态余差，采 用 pid 控制规律，系统的稳定性不好，所以在温度控制系统中,为什么用 pd 和 pid 控制,系统的性能并不比用 pi 控制有明显的改善。 表表 5

55、5 阻尼振荡法计算公式阻尼振荡法计算公式 调节器参数 调节器名称 （）i(min) td(min) ps pi1.2s0.5ts pid0.8s0.3ts0.1ts 6.6.实验结果曲线及分析实验结果曲线及分析 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贮足水量， 将阀门 f1-1、f1-2、f1-5、f1-13 全开，手动调节阀门 f1-3 至适当开度，其余 阀门关闭。启动 380 伏交流磁力泵，给锅炉内胆贮一定的水量（要求至少高于 液位指示玻璃管的红线位置） ，然后关闭阀 f1-13，打开阀 f1-12，给锅炉夹套 注一定的水量。 1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的 pc 机，进入的实验主界面。 2、在实验主界面中选择本实验项即“锅炉夹套水温 pid 控制实验” ，系统 进入正常的测试状态。 3、在上位机监控界面中点击 “手动” ，并将输出值设置为一个合适的值， 此操作既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入。 4、合上三相电源空气开关，三相电加