锅炉内胆温度前馈—反馈控制

1、摘 要随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高。而单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而十。介绍了锅炉温度串级控制系统的结构与控制特点，描述了应用MCGS组态软件、可编程控制器及485工控网络对锅炉夹套和锅炉内胆温度的串级控制。给出了部分PLC程序，介绍了组态软件功能窗日的设置。论述了模拟锅炉内胆水温与循环水流量构成的串级控制系统的研究过程本次设计以刑过程综合自动化控制系统实验台及其实验装置为平台，采用A 18081智能仪表对温度一流量串级控制系统进行控制，井通过M CGS组态软件进行上位机监扑，说明了

2、主副调节器参数改变对系统性能的影响跃扰动作用几副对象和主对象时对系统的影响关键词：锅炉；内胆温度；前馈反馈控制；AbstractWith the rapid development of modern industrial production, the requirements on the operating conditions more stringent controls on the safe operation and the quality also higher. The single-loop control systems are often unable to meet

3、 the process requirements, in this case, the cascade control system will be shipped and 10. Describes the boiler temperature cascade control system structure and control characteristics, and describe the application of MCGS configuration software, programmable controllers and industrial networks boi

4、ler 485 and boiler jacket liner temperature cascade control. Given part of the PLC program, configuration software features introduced on the settings window. Discusses the simulation of the boiler water temperature and the circulating water flow liner composition cascade control system design proce

5、ss in this criminal Integrated Automation Control System for Taiwan and its experimental device for the platform, A 18081 smart meter a flow of temperature series level control system to control, well conducted by M CGS PC configuration software monitoring flutter, shows main and regulator parameter

6、s to change the impact on system performance jump disturbance of several deputy objects and the main object of the system Keywords: boiler; liner temperature; feedforward and feedback control; 目 录摘 要- 1 -Abstract- 2 -目 录- 4 -第1章绪 论- 6 -1.1选题背景- 6 -1.2国内外研究现状- 6 -第二章 前馈与反馈概述- 9 -2.1前馈控制- 9 -前馈控制简介- 9

7、 -实施- 11 -风险- 11 -2.2反馈控制- 13 -2.3不变性原理与前馈控制- 14 -2.4前馈一反馈理论- 16 -第三章 系统硬件设计- 18 -3.1锅炉温度串级控制系统的生产工艺要求- 18 -3.2串级控制系统硬件设计- 19 -温度串级控制系统主、副回路的设计- 19 -3.2.2 PLC与上位机- 21 -3.3组态软件设计- 25 -工程框架- 25 -数据对象- 25 -曲线显示的设置- 26 -第四章 PVC软件的设计- 27 -4.1A/D模块- 27 -4.2 D/ A模块- 29 -4.3锅炉内胆水温定值控制系统实验- 31 -结 论- 34 -致 谢-

8、 36 -参考文献- 38 -第1章绪 论1.1选题背景在一些工业过程控制如冶炼、钢铁、化工等工业生产中，水温与水流量是非常重要的控制因素，而温度因滞后性比较强，所以控制起来比较困难本文是以实验室的，流量构成的串级控制系统为研究对象建立一个基本的计算机控制软硬件平台，采用智能仪表对锅炉水温与循环水流量构成的串级系统进行控制，井用M CGS组态软件建立组态界ICI在计算机上运行实现组态监控。1.2国内外研究现状是控制理论中最早的问题之一，它的设计思想几乎与控制学科同时产生，思想最初狭义的提法是不相干控制原则。它是由Roksenbom和Hookllol提出来的，他们最先将矩阵分析法应用于多变量控制

9、分析，分析了有关飞行器控制的问题，即如何通过分别控制燃料与推进器叶片角度来控制飞行器发动机的速度与功率，并使这两个控制系统互不干涉。1964年Morgan在现代控制理论的框架下正式提出了MIMO多输入多输出线性系统的输入输出问题，即无交互系统的设计问题 在多变量控制理论和实践中，人们提出了问题，即如何通过外部控制手段(如状态反馈)将多变量系统，变成若干个互相独立的单输入单输出(S工50)系统，从而可用单变量控制的各种成熟技术来完成系统的设计，多变量系统的可分为四大类经典方法自适应方法;模糊方法;反馈线性化方法。经典控制方法经典方法以现代频域法为代表，也包括时域方法，要适用于线性定常MIMO系统

10、。到七十年代末期和八十年代初期，针对线性多变量系统可理论已经比较完善，总的来说，下列几种普遍认为成功的方法有Boksenbom, Hood、钱学森、Kavanagh, Mesarovic等建立和发展起来的对角矩阵法。首先由Bristol提出，然后主要由Shinskey, Nisenfeld, McAvoy等人发展起来的相对增益法。由Rosenbrock提出的反Nyquist曲线法以及由MacFarlane和Belletrutti提出的特征曲线分析法。由Falb, Wolovich, Gilbert等人发展起来的状态变量法。当然还有其他的方法如序列回差法等，只是没有上面的方法用的广泛。根据不同的

11、要求选用不同的方法。自适应控制的思想与技术相结合并用于多变量系统中，就形成了自适应方法，自适应的目标是使系统的闭环传递函数成为对角阵，通常把祸合信号作干扰处理。自适应控制实质上采用了最优控制方法，建立目标函数并对参数寻优是该方法的核心，这是与经典控制方法的本质区别，是理论的重大突破，同时也是智能控制理论的基础。自适应可适用于时变对象。对于非线性系统，由于其模型难以分析，自适应控制方法都是在工作点处线性化，然后再按线性化后的模型业设计控制器。然而这只是一种近似方法，只能适用于工作点附近的情况。近似线性化由于是在工作点附近进行的，故当工作点改变时(如温度设定值改变)，就需要重新进行线性化后再设计控

12、制器。当设定值常常随工艺的要求而变化，需要更新计算控制模型。 反馈线性化控制方法，以上控制方法都要求被控系统是线性的，然而实际的被控系统都含有或强或弱的非线性，线性系统模型只是实际系统在一定精度或一定范围内的近似，非线性系统控制中一个很重要的研究方向就是线性化的研究，因为非线性系统形式上千差万别，很难找到像线性系统那样有比较系统且较一般的控制方法，因此如果能将非线性系统“改造”成线性系统(即线性化)，并实现na，非线性系统的控制问题就简化为对线性单变量系统的控制问题，用线性单变量系统控制的各种成熟控制技术来完成控制系统设计，从而使非线性系统控制大为简化。反馈线性化是通过非线性反馈或动态补偿的方

13、法将非线性系统变为线性系统，然后再用线性系统理论实现系统控制目标的理论与方法:嗜。反馈线性化与其它传统方法相比，一个主要的不同点在于:它不再依赖于对非线性系统的求解及稳定分析，而只需要讨论系统的反馈变换，因此它一开始便具有一般性。总的方面来看，反馈线性化方法可分为两大类:一类是微分几何方法;一类是直接分析方法，如逆系统方法。逆系统方法通过数学分析的方法，己得到和发展了关于一般非线性的左、右可逆性理论、理念、系统镇定、线性化综合和状态观察等方面的基本理论和方法，这些结果为一般非线性控制系统设计理论的建立打下了初步基础14。逆系统方法的特点是直观、简便和易于理解，它的主要作用只是限于研究反馈线性化

14、问题。微分几何方法是将控制问题转换成“几何域”的问题后进行研究的，而逆系统方法不需要这种转换，因此逆系统方法显得更直接些，从工程应用的角度看，逆系统方法更适宜些。并且逆系统方法不是一种近似方法，存在近似线性化的种种弊端，因而能适用于工作状态的大范围变动。近年来，逆系统线性化方法已逐渐应用于工业控制中常见的多变量非线性系统控制，例如大型空气重介流化床的逆系统控制，感应电机的逆系统方法，逆系统方法在电力系统综合控制中的应用，振动主动控制的逆系统方法。第二章 前馈与反馈概述2.1前馈控制前馈控制简介前馈控制发生在实际工作开始之前，是未来导向的。质量控制培训项目、预测、预算、实时的计算机系统都属于前馈

15、控制。前馈控制是管理层最渴望采取的控制类型，因为它能避免预期出现的问题，而不必当问题出现时再补救。 就一般而言，管理中采取的控制可以在行动开始之前、进行之中或结束之后进行，称为三种控制模型。第一种称为前馈控制或预先控制；第二种称为同期控制或过程控制；第三种称为反馈控制或事后控制。 前馈控制是在企业生产经营活动开始之前进行的控制，是一种开环控制。管理过程理论认为，只有当管理者能够对即将出现的偏差有所觉察并及时预先提出某些措施时，才能进行有效的控制，因此前馈控制具有重要的意义。 前馈控制采用的普遍方式，是利用所能得到的最新信息，进行认真、反复的预测，把计划所要达到的目标同预测相比较，并采取措施修改

16、计划，以使预测与计划目标相吻合。目前运用的比较先进的前馈控制技术之一是计划评审法，或称网络分析法。它可以预先知道哪些工序的延时会影响到整个工期，在何时会出现何种资源需求高峰，从而采取有效的预防措施与行之有效的管理办法。 在企业管理控制活动中，前馈控制的内容包括对人力资源、原材料、资金等的前馈控制。比如，人力资源必须适应任务要求，数量和素质方面有能力完成指派的任务，并控制机构臃肿，人浮于事的现象，利用统计抽样来控制原料质量，根据抽样不合格率决定接受或退货，根据库存理论控制库存储备量等。2.1.2实施1）对计划与控制系统作认真深入的分析； 2）建立该系统的物理模型或因果关系分析图； 3）随时对上述

17、模型进行补充、修正、完善、使之更符合实际； 4）通过调查、预测，把变化的环境参数输入模型中，观查、分析其影响及偏差信息； 5）根据事前的备选方案，结合实际情况，采取相应的纠编措施。要求一是要有大量的、准确的、有代表性的信息以便准确预测； 二是要有科学的、经过实践检验的预测模型； 三是要充分了解控制过程并将其透视为“白箱”的能力； 四是要对过程变化高度敏感； 五是保持前馈控制模型的动态特性。这些因素在控制实务上具有一定的难度，因而，前馈控制是有风险的。2.1.3风险(一)过时控制风险 企业经营活动中产生的偏差只有及时采取措施加以纠正，才能避免偏差的扩大，如果等到偏差已经非常明显，且对企业造成了不

18、可挽回的影响后，反映偏差的信息才姗姗来迟，这时就产生了过时控制风险，这一风险是根本性的，是是否选择前馈控制的风险。预测偏差的产生，可以通过建立企业经营状况的预警系统来实现。必要时可借助计算机来辅助建立预警系统。 (二)过度控制风险 过度控制是指控制的范围、程度和频度超过了一定限度，以至于控制失效或失败。过度控制可以分三种情况。 1控制过多或控制不足。适度的控制是这样的控制：既能满足对组织活动的监督和检查需要，又无需与被控制对象发生冲突。前者的失误属不足控制，后者的失误属控制过度。 2全面控制与重点控制。既要全面控制，又要分清主次，对重点环节进行重点控制。 3控制费用与控制收益失衡。前面的模型已

19、分析过，前馈控制是有成本的，收集信息、进行预测、预先采取措施等都需要费用；同时，控制也能带来一定的收益，只有收益超出成本时，控制才有必要，否就会导致费用与收益的失衡。 (三)主观控制风险 控制工作应该针对组织的实际状况，采取必要的纠偏措施，客观的控制源于对企业经营活动状况及其变化的客观了解和评价，否则，凭个人的主观臆断进行控制就是主观控制。 (四)钢性控制风险 企业在生产经营过程中经常可能遇到某种突发的、无力抗拒的变化，这些变化使企业计划与现实条件严重背离。有效的控制系统应在这样的情况下仍能发挥作用，即控制是有弹性的而不是钢性的，弹性体现在设立应急机制、设定参数以合理的区间而不是定值、设计合理

20、的控制系统等，以防钢性控制风险。另外，一个有效的控制系统还应该有战略意义，抓住影响整个组织绩效的关键因子，把握组织发展的宏观动向，避免出现战略失误。2.2反馈控制反馈控制简介管理人员分析以前的工作的执行结果，将它与控制标准相比较，发现偏差所在并找出原因，拟定纠正措施以防止偏差发展或继续存在，就是反馈控制。 反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。

21、在自动控制理论中，“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，从而形成一个闭合回路的控制方法。反馈信号分“正反馈”和“负反馈”两种。为了和给定信号比较，必须把反馈信号转换成与给定信号具有相同量刚和相同量级的信号。控制器根据反馈信号和给定信号相比较后得到的偏差信zido号，经运算后输出控制作用去消除偏差，使被控量（系统的输出）等于给定值。闭环控制系统都是负反馈控制系统。 反馈控制具有许多优点。首先它为管理者提供了关于计划执行的效果的真实信息。此外，反馈控制可以增强员工的积极性。 反馈控制的主要缺点是时滞问题，即从发现偏差到采取更正措施之间可能有时间延迟现象，在进更正的时候

22、，实际情况可能已经有了很大的变化，而且往往是损失已经造成了。2.3不变性原理与前馈控制随着生产过程的强化和设备的大型化，对自动控制提出越来越高的要求，虽然反馈控制能满足大多数控制对象的要求，但是在对象特性呈现大迟延、多干扰等难以控制的特性，而又希望得到较好的过程响应时，反馈控制系统往往会令人失望。为了适应更高的控制要求，各种特殊调节规律和措施便应运而生。控制理论中提出来的不变性原理在这个发展过程中得到较充分的应用。所谓不变性原理就是指控制系统的被调量与扰动量绝对无关或者在一定准确度下无关，也即被调量完全独立或基本独立。基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实现了系统对全部干扰或部

23、分干扰的不变性，实质上是一种按照扰动进行补偿的开环系统。这种补偿原理不仅仅用于对扰动的补偿，还可以推广应用于改善对象的动态特性，例如大迟延环节或者非线性环节，常规PID调节往往难以驾驭，解决的办法之一就是采用补偿原理。前馈控制能够把影响过程的主要扰动因素预先测量出来，再根据对象的物质(或能量)平衡条件，计算出适应该扰动的调节量然后进行控制。所以，无论何时，只要干扰出现，就立即进行校正，使得在它影响被调量之前就被抵消掉。而且，前馈控制是开环控制而不是闭环控制，它的控制效果将不通过反馈来加以检验。而反馈控制是闭环控制，它的控制效果却要通过反馈来加以检验。前馈有静态前馈与动态前馈。静态前馈的校正作用

24、只能保证过程在稳态下补偿扰动作用，而动态前馈能够校正动态偏差。静态前馈控制除了有较高的控制精度外，还具有固有的稳定性和很强的自身平衡倾向。但是必须注意静态前馈控制的两个缺点:每一次负荷变化都伴随着一段动态不平衡过程，它以瞬时温度或压力误差的形式表现出来。如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同，那么就有可能出现残差。2.4前馈一反馈理论前馈控制系统虽然具有很突出的优点，但是它也有不足之处。首先是静态准确性问题。要达到高度的静态准确性，既要求有准确的数学模型，也要求测量仪表和计算装置非常准确。这在实际系统中是难以满足的。例如模型中的系数就可能随运行条件的改变而变化，使静态准确性受到一定的限制。其次

25、，前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的。在实际工业对象中，扰动因素往往很多，其中一些甚至是无法测量的，例如换热器中的散热损失。人们不可能对所有扰动加以补偿，最多也只能就一、两个主要扰动进行前馈控制，这当然不能补偿其它扰动引起的被调量的变化，因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈一反馈控制系统。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调量实行反馈检验的长处。因此前馈一反馈控制是适合于过程控制的较好的方式。一个典型的前馈一反馈控制系统如图3-1所示。系统的校正作用是反馈调节器G (s)的输出和前馈补偿器G林s)的输出的叠加，因此实质上是一种偏差控制和扰

26、动控制的结合，有时称之为复合控制系统。很明显，前馈一反馈控制系对扰动完全补偿的条件与前馈控制时完全相同，而反馈回路中加进了前馈控制也不会对反馈调节器所需要整定的参数带来多大的变化。只是反馈调节器所需完成的工作量显著地减小了。图3-2表示在本实验装置模拟锅炉外胆中实现前馈一反馈控制。当控制内胆温度的UK,或控制外胆温度的Kz变化时，则由前馈通道(虚线框中)进行控制，除此以外的其它各种扰动的影响以及前馈通道补偿的不准确带来的偏差，均由反馈调节器来校正。例如，它可以用来校正热损失。也就是要求在所有负荷下都给过程增添一些热量，这好像对前馈控制起了调零作用。因此，可以说，在前馈一反馈系统中，前馈回路和反

27、馈回路在控制过程中起着相辅相成、取长补短的作用。由上例分析可以看到，前馈和反馈回路之间，前馈是快的，有智能的和敏感的，但是它不准确;反馈是慢的但是准确的，而且在负荷条件不明的情况下还有控制能力。这两种回路的相互补充，相互适应构成了一种十分有效的控制方案，毫无疑问，为了控制难控的过程，在所有一切方法中前馈是最有力的方法。些反馈方式如补偿反馈，采样和非线性环节等，可能把单位负荷变化下的积误差减小两倍左右，而前馈控制却可能成百倍地改善。一个与反馈系统相结合的前馈系统，只需要模型精确到10%就可以改善十倍。第三章 系统硬件设计 3.1锅炉温度串级控制系统的生产工艺要求1可以实现对整个锅炉系统工艺流程的

28、控制。2能够自动控制锅炉温度，并达到所需精度。3有良好的人机界面，能方便地在线修改参数，并以动画实现数据和流程的“可视化。针对工艺要求，研制了相应的控制系统。3.2串级控制系统硬件设计根据锅炉的工艺流程与控制要求，以二菱微型可编程控制器为核心设计的温度串级控制系统，其系统原理框图，如图1所示。3.2.1温度串级控制系统主、副回路的设计系统具有2个调节器和2个闭合回路,2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主调节器按主参数(夹套温度)的测量值与给定值的偏差

29、进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。选用PID或PI控制规律，由PLC可编程控制器实现。副调节器按副参数(内胆温度)的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。副调节器选P控制规律，也由PLC可编程控制器实现。串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。该系统中选择锅炉夹套温度为主参数。副参数的选择应使副回路的时间常数小，这样可使等效过程的时间常数大大减小，提高响应速度，改善系统的控制品质。该串级控制系统用来控制锅炉夹套的温度，以锅炉内胆温度为副对象，锅炉内胆直接接触二相4. Ski电加

30、热竹，时间常数小，符合副回路选择的超前、快速、反应灵敏等要求。3.2.2 PLC与上位机(M CGS组态软件)、执行机构之间的通信接线PLC与上位机、执行机构之间的通信接线，如图3所示。在单绞线连接时即半双工传送方式，RS485/ 422 UN1T中SDA与RDA短接，SDB与RDB短接，RDA与RDB之间要接100左右的电阻o FX系列PLC支持无l办议的RS232和RS485通信l办议两种通信方式，PLC的默认设置是只支持RS232通信，所以要使用RS485通信l办议，必须事先用RS232(即PLC的编程日)通信，设置寄存器PLC D8120寄存器，所以必须具有编程电缆1条。智能仪表机AI

31、808P智能调节器对系统所需的硬件进行选择要根据系统控制框图结合THSA综合自动化过程控制平台提供的硬件模块来进行。智能仪表选择THSA-1型实验平台提供的AI808P智能仪表。AI808P智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时，运用模糊法进行调节，以消除PID饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。其整体调节效果比一般的PID算法更明显。本文设计应用3块AI-808P型智能仪表，与THSA-1型过程控制自

32、动化控制系统实验平台上的三相SCR移相调压装置、流量变送器（FT1）、铂电阻（TT1锅炉）、三相磁力泵（380V）、三相/单相电源输出、电动调节阀模块连接组成锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统。智能仪表RS485通信 智能仪表RS485通信要考虑到（1）共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，系统只需检测两线之间的电位差来检测信号。但收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7+12V，只有满足这个条件，整个网络才能正常工作。当网络线路*模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。（2）EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路

33、，若没有一个低阻的返回通道（信号地），则以辐射的形式返回源端。数据通信本文计算机控制系统数据采集和控制信号输出经过数据通信线，AI调节器与PC机的通信是系统正常运行的基础。AI调节器与PC机的通信是通过设备窗口的组态实现的。本文具体做法是：在设备窗口中添加串口通信父设备，在串口通信父设备下挂一个AI-808仪表设备构件；然后，根据实际应用情况分别进行基本属性和通道连接的组态。基本属性中各参数的正确设置，能保证仪表和计算机通信的正常进行。设置通道连接是为了向实时数据库提供从AI调节器等外部设备采集到的数据。仪表数据的读写 计算机要获得AI调节器采集到的数据，一部分可以通过设置通道连接直接获得其余

34、的则需要执行读操作设备命令Read（Cmd，PV，SV，OP，Dat）。该命令读取仪表的测量值、给定值、输出值和Dat值。其中，Cmd为参数代号，变量PV存储读取到的仪表的测量值，变量SV存储读取到的仪表的给定值，变量OP存储读取到的仪表的输出值，变量Dat存储参数代号Cmd代表的仪表参数值。经计算机中的控制算法计算得到的控制信号要发送给AI调节器，需要执行写操作设备命令Write（Cmd，Dat）。Cmd为仪表参数代号，Dat为保存写入的数据的变量，该命令把Dat变量中的数据写入到Cmd所代表的仪表参数中。Pt100铂电阻温度变送器温度是非常重要的物理参数，热电偶和热敏电阻适合大多数高温测量

35、，模拟补偿方式可有效降低PT100的误差。必须选择恰当的传感器，采用模拟方法实现PT100的非线性补偿很容易与200mV面板表连接，无额外的软件开销。三相移相SCR调压装置、位式控制接触器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流成正比。输出交流电压用来控制电加热器端的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。位式控制接触器和AI-708仪表一起使用，通过它仪表输出继电器触点的通断控制交流接触器的通断，完成锅炉水温位式控制试验，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。控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便，电源为

36、单相220V，控制信号为 420mADC或15 V DC，输出为420mADC的阀位信号。水泵 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输出驱动系统硬件结构和工作过程被控对象为过程控制装置，主要应用该装置中两容水箱，配备有磁力泵、水槽、电动阀、阀门组。AI调节器通过RS-485通信接口，经RS232/485转换器与计算机相连。计算机采用PC机，用于运行监控软件，执行控制算法，完成控制功能。输入输出通道由AI调节器实现。系统的工作过程是：AI调节器直接与各种传感器或变送器相连，来自这些检测装置的各种测量信号在AI调节器内部经A/D转换后，得到的数据由RS-4

37、85总线经RS232/485转换器发送给计算机。计算机根据采样得到的数据、用户给定值等要求对数据进行显示、计算和保存等处理，对被控参数根据相应的控制算法计算出控制输出量，并通过RS-485总线将数据发送给AI调节器。在AI调节器中经D/A转换后输出4-20mA电流信号给电动调节阀等执行机构，对被控对象进行控制。 3.3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。3.3.1工程框架(1)5个用户窗日:温度串级控制、数据显示、系统提示通信状态、操作指导。(2)4个卞菜单:系统竹理、数据显示、历史数据、报警数据。3.3.2数据

38、对象锅炉夹套温度SV, ,锅炉夹套温度PV, ,锅炉内胆温度SVz,锅炉内胆温度PVz,输出值OP, ,输出值OPz、比例系数P,积分时间I,、微分时间D,、比例系数Pz、积分时间Iz、微分时间Dz o3.3.3图形制作如图2所示温度串级控制窗日包括:(1)水泵、电动调节阀、压力表、阀、涡轮流量计、锅炉、水罐等由对象元件库引入并设置( 2)竹道。通过流动块构件实现。( 3)温度的显示。通过仪表、标签构件实现。3.3.4曲线显示的设置如图4所示 (1)实时曲线实时曲线构件是用曲线显示一个或多个数据对象数值的动画图形如同笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。在“工具箱”中“实时曲线”图标中调

39、出并设置。 ( 2)历史曲线历史曲线构件实现了历史数据的曲线浏览功能。历史曲线卞要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。在“工具箱”的“历史曲线”图标中调出并设置。第四章 PVC软件的设计4.1A/D模块完成对温度的A/ D转换及数字滤波。由FX二一4AD特殊模块实现。FX二一4AD模拟特殊模块有4个输入通道。输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量。以二-4AD最大分辨率是12位。缓冲存储器(BFM)的分配。如表1所示。4.2 D/ A模块完成对温度的D/ AFX二一4DA特殊模块实现。FX二一4DA特殊模块有四个输出通道。道接收数字信号并转换成等价的模块信号，A转换。FX二一4DA最大分

40、辨率是12倍。缓冲存储器(BFM)的分配，如表2所示转换，由输出通称为D/ Bvl# o输出模式选择。BFM # 0的值使每个通道的模拟输出在电压输出和电流输出之间切换。采用4位十六进制数的形式。第一位数字是通道1CH1)的命令，而第一位数字则是通道2的(CH 2)命令，依此类推。这4个数字的数字值分别代表:HO000O= 0:设置电压输出模式(一lOV到+10V)O= 1:设置电流输出模式(+4A到20A)O= 2:设置电流输出模式(OA到20A) BFM# 1, # 2, # 3 II# 4输出数据通道CH 1,CH2，CH3, CH4。 部分D/ A转换程序，如图6所小。( 3)温度控制

41、模块程序设计温度控制模块卞要是PID运算程序的设计。其指令(FNC 88)格式如下:s1 s2 s3 D4.3锅炉内胆水温定值控制系统实验一、实验目的1了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。2研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。3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。4 分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处？二、实验设备1THJ-2型高级过程控制系统实验装置2计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3万用表 1只三、实验原理图8-1为一个单回路锅炉内胆动态水温定值控制系统结构示意图，其五、实验内容

42、与步骤1、按图8-1 要求，完成实验系统的接线。2、接通总电源和相关仪表的电源。3、打开阀F1-1、 F1-2、 F1-5和 F1-13,关闭其它与本实验无关的阀。用变频器-磁力泵支路给锅炉内胆打满水。待实验投入运行以后，变频器-磁力泵再以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。4、 动操作调节器输出，用计算机记录锅炉内胆中水温的响应曲线，并由该曲线求得K、T和值 ，据此查表确定PI调节器的参数和TI，并整定之。5、设置好温度的给定值，先用手操作调节器的输出，通过三相移相调压模块给锅炉内胆加热,等锅炉水温趋于给定值且不变后，把调节器由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。6、运行MCGS组态

43、软件，并进行如下的实验：当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。7、通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。六、实验报告1、用实验方法整定PI调节器的参数。2、作出比例P控制时，不同值下的阶跃响应曲线，并记下它们的余差ess。3、比例积分调节器（PI）控制(1) 在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用“I”，即把“I”（积分）设置为一参数，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶跃扰动无余差产生。 (2) 固定比例P值（中等

44、大小），然后改变调节器的积分时间常数TI值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。 (3) 固定TI于某一中等大小的值，然后改变比例度的大小，观察加阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。4、分析和TI值改变时，各给系统动态性能产生什么影响。结 论本文研究了前馈控制、反前馈和PID对角矩阵控制三种算法，得出了三种算法的矩阵为对角形矩阵，说明三种算法能够达到的目的。在组态软件中进行实验，得出了相应的历史曲线，从曲线波动看，算法的效果是令人满意的利用不变性原理得出的前馈与反前馈算法虽然对模拟锅炉都能，但反前馈网络矩阵是逆矩阵，而且是闭环，这是与前馈的矩阵及其系的开环不同之处。前馈网络的维数比反前馈维数高，这样一致性的判断条件将更复杂，所以尽量采用反前馈的网络。PID对角矩阵法中有4个器，比前馈和反前馈的方法多2个，而且其模型阶次也比反前馈阶次高。对角矩阵法只能解决非奇异的问题，而反前馈能够