基于控制新版系统的高级复杂实验培训

基于ADAM4000控制系统

A3000高档复杂实验培训(版本1.0)顾客文献编号：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A3000高档复杂实验培训》是依照A3000过程控制实验系统有关内容编写，涉及了如下内容：1、计算机普通控制实验。2、复杂控制实验。3、高等控制实验。为了更容易理解算法自身，因此选取最简朴控制系统ADAM4000，算法在组态软件中实现。同步所有程序都可以在仿真系统上验证。参照公司产品A3000SIMU有关文献。除了复杂控制实验之外，其她实验对象操作过程比较简朴，因此不简介操作环节。本培训书缺陷和错误在所难免，敬请各位专家、院校师生和广大读者批评指正。声明：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TOC\o"1-2"\h\z第一章计算机控制普通性实验 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 81.4BANG-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典型解耦控制系统实验 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第一章计算机控制普通性实验为了以便控制，因此计算机控制普通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工艺过程描述模仿一种纯净水解决过程。水在通过反渗入之前，两个水泵向精滤膜供水。由于水中杂质比较多，在一定期间后，精滤膜透过流量变小。48小时之后，精滤膜需要进行反冲洗。但是向反渗入供水工作不能停止。普通采用如下数字程序控制。咱们模仿这个过程，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算法实现和核心操作环节采用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1>400)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1<=100){PID0_SP=33;PID1_SP=0;}if(中间变量1>100&&中间变量1<=200){PID0_SP=16.5;PID1_SP=16.5;}if(中间变量1>300&&中间变量1<=400){PID0_SP=0;PID1_SP=33;}注意启动两个水泵，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实验成果及记录控制曲线如图1.1.2所示。各种值控制曲线绘制在同一种图上。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算法实现和核心操作环节由于液位具备波动，因此数据不是非常稳定，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内部已有了滤波，因此效果不如使用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出口流量和液位高度开方成正比。因此采用开方算法，把输入过程值直接校正，随输出流量成为线性。//工程量尺度变换floata;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);//同步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实验成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2～10VDCAO0～100％2LT-103压力变送器下水箱液位4～20mADCAI2.5kPa1.3.2算法实现和核心操作环节实验界面如图所示。PID运算可以采用原则直接计算法和增量计算法。上次计算值两次相减：输出时加上上次输出就可以了。从公式可见，直接计算法很也许导致积分饱和，因此需要抗饱和操作。定义ET0、ET1、ET2，规定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0PID_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算法选取==1)//'=1采用增量计算{//保存了上次\\本站点\操作值1PID0_MV=PID0_MV+PID_P*(数字PID_ET0-数字PID_ET1);//比例作用If(PID_I<10000)//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1PID0_MV=0;PID0_MV=PID0_MV+PID_P*数字PID_ET0;//比例作用IF(PID_I<10000)//积分作用故意义{\\本站点\数字PID_ISUM=\\本站点\数字PID_ISUM+数字PID_KI*数字PID_ET0；//积分作用IF(\\本站点\数字PID_ISUM>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_MV>100)//输出限制PID0_MV=100;IF(PID0_MV<0)//输出限制PID0_MV=0；//关联到IO数据AO0=PID0_MV;1.3.3实验成果及记录控制器控制曲线如图2.2.3所示。1.4BANG-BANG控制该控制复杂算法可以解决某些高等控制问题，但是咱们将采用比较简朴算法，来验证此类控制意义。1.4.1工艺过程描述如果规定单容下水箱液位PID控制具备迅速响应特性，并且在给定点位置还要精确控制，那么如何控制呢。系统工艺流程如图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1.4.2BANG-BANG控制最早由厐特里亚金提出，属于开关控制非线性控制。如果一种系统控制有如下规定；即控制要实时性好，系统要稳定，控制精度规定高。则可以采用非线性Bang-Bang控制和线性PID控制结合，其控制效果比较好。如果采用线性PID控制，虽然稳态精度容易满足，但是大偏差时就容易浮现较大偏差，并且过度时间比较长，如果采用非线性Bang-Bang控制，虽然能使过渡时间最短，但是容易浮现超调，并且在零点附近容易产生振荡导致系统不稳定。鉴于这种状况，设计了一种变构造控制器是两者长处有机结合起来，从而使系统运营起来既快又稳。设计变构造式双模控制器如图3所示：

图3变构造式双模控制回路构造图此构造控制就是使系统构造可以在控制过程各个瞬间，依照某些参数状态以跃变方式有目变化，从而将不同构造揉和在一起，获得比固定构造系统更加完善性能指标。据此，针对流浆箱液位和总压控制，提出了一种将非线性Bang-Bang控制与线性控制结合变构造双模控制办法。如图2所示：当设定值（SP）与检测值（PV）产生一种偏差，由辨认机构通过不同偏差来选取不同控制器，当偏差不不大于某个值时候采用非线性Bang-Bang控制，当偏差不大于某个值时候系统自动切换到线性PID控制。Bang-Bang控制器设计Bang-Bang控制也称为开关式控制，对于较大偏差，例如∣En∣≥a,控制量变化u取+Um或-Um，实行非线性开关控制模态，以提高系统响应速度。其表达式如下：其中a为选取开关切换值对于液位控制如果直接使用PID，就必要在迅速性和稳定性之间进行抉择。但是如果实现理解了对象特性，然后选取了适当bang-bang控制结合PID，则也许有比较好成果。咱们这里bang-bang控制选取比较简朴控制算法。一方面测量液位和控制量在稳态状况一种相应曲线。这在系统特性测量中已经获取，固然也可以根据闸板高度不同，重新测量。例如SP下，控制量该是A稳定。那么：如果PV<SP-a，MV=A-U，如果PV>SP-a，MV=A+U，其她状况使用PID控制。最佳在切换时增长跟随程序，保证切换时没有扰动。选取适当a，A，以便获得最佳效果。实验组态界面如图所示。1.4.测量稳态液位相应控制量如表所示。咱们可以简化一下，在液位30-60之间使用直线表达。如果咱们要控制液位60%，此时相应控制量为43。那么如果PV<60-a，MV=43-U，如果PV>60-a，MV=43+U，其她状况使用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算法实现和核心操作环节这里算法和自适应不同，而是把一种非线性系统通过校正网络，使得它成为线性特性。非线性截面积非线性截面积等截面积特性校正网络滤波并且最佳可以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，则高度变化率具备如下特性：采用H相应到来进行滤波。在H=R时PI控制参数，获得一定控制效果。注意启动时，需要让水进入上水箱。在组态软件中详细算法如下：//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使用普通PID进行实验，然后找到最佳控制参数，得到控制曲线。然后使用校正网络办法进行控制。然后找到最佳控制参数，得到控制曲线。规定在各自最佳状况下，使用校正网络办法可以得到更好控制效果。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4～20mADCAI0-3m32FT-1022#流量计测量管路2流量4～20mADCAI0-3m33U-101变频器频率控制，手动控制1#流量2～10VDCAO0～100％4FV-101调节阀控制跟踪流量2～10VDCAO0～100％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种单闭环流量比值控制系统，或者说是随动系统。可以让一种流量梗跟随另一种流量变化。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，然后作为调节器给定值。FTFT1022#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，控制目的是水流量，通过两个流量不同比例下比较，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测量不是非常稳定，因此调节器给定值是有些变动。控制稳定性也许不是较好，此外在实时曲线上可以直接看到稳定曲线。（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，然后作为调节器测量值，而比值K作为调节器给定值。FTFT1022#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，调节器给定值是稳定，控制稳定性较好，但是在实时曲线上可以显示K值，最佳范畴是0.1-10（咱们设立k范畴就是0-10，而曲线上刻度是0-100，因此有些差别。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。这些环节不详细简介。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：详细哪个通道连接指定传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线系统，例如DCS，则必要按照已经接线通道来编程。4、打开设备电源，涉及调节阀电源，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，设立各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动水泵P102。8、设立PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数，这里不限制用法。详细可以参照2.4节。建议：由于PIDSP值会有一定波动，因此控制稳定性稍差，有某些难度。注意控制目的是比值稳定，而给定值也是比值。干扰可以是K值变化，也可以是变频器控制量变化（从而变化了FT-101）。2.1.4实验成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4～20mADCAI0-3m32LT-103V103液位变送器测量液位4～20mADCAI0-2.5kPa3FV-101调节阀控制流量2～10VDCAO0～100％4U101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，负荷大小通过手阀QV-116来调节；其中，水箱V103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为被控变量液位控制系统。以FT-101为被控变量流量控制系统作为副调节回路――流量变动时间常数小、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，符合副回路选取超前，迅速、反映敏捷等规定。下水箱V103为主对象，流量FT-101变化需要通过一定期间才干反映到液位，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。事实上，串级控制相对于单PID控制而言，稳定性差，好处是在同样副回路干扰下，超调非常小。为了比较串级这样好处，咱们设计了如图2.2.1所示工艺流程。一方面进行单PID实验，然变频器输出35Hz。然后找到最佳控制参数，普通P=1，I=0毫秒，等系统稳定后，变化变频器输出为50Hz，然后不断记录系统超调量和稳定期间。之后开始串级实验，同样设定变频器输出35Hz，系统稳定后，变化变频器输出为50Hz，然后不断记录系统超调量和稳定期间。如果控制好，可以发当前同样变频器干扰下，串级超调量远远少于单PID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。XX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，符合副回路选取超前，迅速、反映敏捷等规定。下水箱为主对象，流量变化需要通过一定期间才干反映到液位，时间常数比较大，时延大。将主调节器输出送到副调节器给定，而副调节器输出控制执行器。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变动来实现。变频器频率从40-50Hz变动。工业上串级投入是逐渐，最佳可以做到无扰切换，详细实现投入无扰办法可以参照网络资料。这里不考虑这样复杂。2.2.3操作过程和调试1、一方面完毕单PID调节阀流量控制，获得变频器35Hz变动到50Hz超调量和稳定期间。2、在现场系统上，打开手动调节阀QV-103、QV-115、QV-105，调节QV-116具备一定开度(闸板高度6毫米左右)，别的阀门关闭。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。把变频器设立为面板操作。4、打开设备电源，涉及变频器电源。5、连接好控制系统和监控计算机之间通讯电缆，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，设立各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动变频器到40-50Hz，系统开始运营。8、一方面将主调节器置手动状态，调节其输出为某个输出值，将它作为副调节器SP值。9、在上述状态下，整定副调节器P参数。规定可以稳定，并且比较快。10、预置主调节器P、I参数（不要设立太大），再将主调节器切换到自动状态。11、根据记录曲线，调节主调节器P、I参数、副调节器P参数，普通是副调节器较大，主调节器较小。副调节器：普通纯比例(P)控制，反作用，自动，KC2(副回路开环增益)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，扰动大小与单回路时相似。就是把变频器从40变动到50Hz。13、通过重复对副调节器和主调节器参数调节，使系统具备较满意动态响应和较高静态精度。14、使用单回路进行液位控制，流程和串级同样。增长流量干扰，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实验成果及记录如果串级超调量远远少于单PID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状况下，把闸板从开口11毫米突然变化到5毫米，看系统超调量如何。在串级下进行同样操作，看系统超调量如何。分析理论上这个超调量与否不同。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干扰大小进行调节。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量变化，当干扰刚刚浮现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应变化，使两者抵消。因而，前馈调节对干扰克服比反馈调节快。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查。前馈控制器在测出扰动之后，按过程某种物质或能量平衡条件计算出校正值。前馈-反馈控制工艺和串级完全同样，这是一种让人困惑地方。实际好处也许就是体当前比例调节器（串级副回路）和比值加法器（前馈）控制速度上。那么咱们可以通过同样工艺设计，验证单PID，串级控制，前馈-反馈控制超调，以及控制时间，稳定期间，这样来比较它们优缺陷。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，要想获得加法器加权系统，一方面需要测量一种特性曲线，看多大K值，使得系统干扰在正常工作范畴内，起到补偿作用。所此前馈控制需要事先懂得系统某些特性。这个曲线可以通过测量调节阀控制量和流量关系曲线而获得。2.3.2控制算法和编程如果支路一浮现扰动，通过流量计测量之后，测量得到干扰大小，然后在通过调节调节阀开度，直接进行补偿，而不需要通过调节器。如果没有反馈，就是开环控制，那么这个控制就会有余差。增长反馈通道，使用PI进行控制。咱们进行了某些简化。前馈控制和副回路P控制不同，最佳可以在控制前获得一种平衡干扰公式。例如如果懂得流量在X下变动10，相应调节阀开度变动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，控制目的是下水箱液位。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误差进行修正。2.3.3操作过程和调试1、一方面进行单PID调节阀流量控制，然后进行串级控制。记录超调量、控制时间和稳定期间。2、在现场系统上，打开手动调节阀QV-103、QV-115、QV-105，调节QV-116具备一定开度(闸板高度6毫米左右)，别的阀门关闭。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。把变频器设立为面板操作。4、打开设备电源，涉及变频器电源。5、连接好控制系统和监控计算机之间通讯电缆，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，设立各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动变频器到35-50Hz，系统开始运营。在频率45Hz下，给定值50%，记录最后稳定流量值，写到组态界面中。8、如果没有测量得到K值，则从3开始设立，逐渐减少。设立调节器到普通PID控制时最佳值。9、根据记录曲线，调节调节器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，扰动大小与单回路和串级时相似。就是把变频器从40变动到50Hz。11、通过重复对调节器和K参数调节，使系统具备较满意动态响应和较高静态精度。12、使用单回路和串级进行液位控制，流程和串级同样。增长流量干扰，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实验成果及记录如果前馈反馈超调量远远少于单PID超调量，并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典型解耦控制系统实验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II4～20mADCAI0-3m3/h2PT-101压力变送器给水压力4～20mADCAI150kPa3FV-101电动调节阀阀位控制2～10VDCAO0～100％4U-101变频器频率控制2～10VDCAO0～100％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，水箱只作为一种连通器；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操纵变量，变频器U-101为被控变量流量FT-101操纵变量，两条支路各自调节器运算输出通过解耦器函数解耦运算，分别去控制各自调节回路操纵变量。管道中流量、压力控制系统就是互相耦合系统。变频器和调节阀都对系统压力和流量导致影响，因而，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增长，如果此时通过流量控制器作用而调小变频器，成果又使管路压力下降，变频器和调节阀互相影响，这是一种典型关联系统。关联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。并管之后还可以选取使用II支路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、压力控制系统就是互相耦合系统。变频器和调节阀都对系统压力和流量导致影响。因而，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增长，此时通过流量控制器作用而调小变频器，成果又使管路压力下降，变频器和调节阀互间互相影响，这是一种典型关联系统。关联系数与温度等参数无关。如图2.4.2所示：PTPT101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变频器水泵咱们固定P1在小范畴内，由于不涉及温度等问题，因此该过程基本上只与压力和开度关于，是时不变。如果把P1定义成未知数，则可以列出一种方程。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-变频器调节器，反作用；Gc2为压力-调节阀调节器，正作用。对于对象，被调量与调节量具备关系，这里换一种变量符号。(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(可以是一种PID调节器，等等)输出就是解耦器输入。(公式1.2.2)对于采用理解耦器系统传递函数为(公式1.2.3)综合上面关系，如果G矩阵逆存在，则咱们可以设计D就等于它逆乘以一种对角阵(可以是单位矩阵)，这样可以使得一种被调节量仅与一种调节器输出量之间关于系，而与另一种独立。从而达到解耦目。依照咱们实验测得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种限制关系。简朴，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期给定值，然后在这个值附近变动。不能变化太大，否则无法稳定。如果量程范畴不同样，或者水泵特性改了，则整个矩阵不同。为了统一，设立如下：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。这些环节不详细简介。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，别的阀门关闭。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，事先进行简朴Pi控制，做流量计-变频器调节回路单独工作，拟定PI控制参数。7、可以让变频器全开，事先进行简朴Pi控制，压力变送器-调节阀调节回路单独工作，拟定PI控制参数。8、引入解耦控制。重新下装程序，重新运营组态软件。普通对调节器直接使用单PID控制参数，可以恰当把比例系数减少，加大积分时间。9、在两个调节器手动状况下，设立变频器35Hz，调节阀开度50%，然后等待系统稳定，记录稳定后压力和流量。10、把记录下来压力和流量作为系统给定值写入。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，例如压力增大某些。注意一定在一种合理变动范畴，否则系统是无法稳定。2.4.4实验成果及记录如果系统在新给定值下最后达到稳定，那么系统就是稳定。固然咱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。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来调节，II路水启动、切断可由电磁阀XV-102来控制。锅炉液位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数字量信号，保证锅筒在故障状态下，不超过其能承受极限。逻辑联锁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Pt100AI0－100℃2LSL-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现场系统锅炉系统具备三级逻辑保护：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，实际控制电路是继电器硬件电路，当液位低于防止干烧最低液位，则自动断开其他控制支路输入，从而直接关断调压器，以防止干烧。液位开关LSL-105控制联锁属于硬件连锁，是不能让学生修改，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构成控制联锁系统是学生可以自己修改。测试目的是控制锅炉温度。（2）由液位开关LSH-106、锅炉温度传感器、温度控制器构成紧急停车系统是学生可以自己修改。测试目的是控制锅炉温度。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图2.2.2温度曲线液位低限导致加热系统完全停止。当锅炉内水温低于警戒温度，调压器PID调节。，温度超过警戒温度，则选取此外一种控制方式：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，联锁保护系统以为通过强制手段，可以保持继续生产。锅炉内水温继续升高，到达高限温度，则系统停止运营，关闭电磁阀，关闭加热器。变频器继续运营，保持水循环1分钟，然后停止。如果液位超过高限，则也紧急停车。关闭电磁阀，关闭加热器。变频器继续运营，保持水循环1分钟，然后停止。程序代码如下，每1000毫秒运营一次。if(高限<PID0_SP+1)高限=PID0_SP+1;if(停车温度<高限+1)停车温度=高限+1;PID0_PV=PID0_PV*0.9+AI0*0.1;AO0=PID0_MV;//暂时，也许下面条件满足会改写这里。//低限制液位已经固定给继电器保护，程序无法控制。if(bit(DI0,1)==0)//到达LS12，加热紧急停止，停止注水，泵1分钟停止{//注意是0有效AO0=0;BITSET(DO0,1,0);//停止注水泵停车标记位=1;}//液位处在高限如下（低限继电器保护），正常，看温度if(bit(DI0,1)==1){if(AI0>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)//温度到高限BITSET(DO0,1,0);//停止注水if(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)//刚刚浮现规定水泵运营1分钟标记{紧急停车计时器=60;//开始对水泵运营定期器泵停车标记位=0;//恢复水泵运营1分钟标记，避免重复}if(紧急停车计时器>0)//如果超过1，变频器运营{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，变频器运营，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。这些环节不详细简介。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，别的阀门关闭。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、拟定加热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，模仿故障状态，使得锅炉温度不断升高，察看控制，直到紧急停车完毕为止。2.5.4实验成果及记录范例控制曲线如图2.5.2所示。2.6大延迟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。由于稳定大延迟滞后控制比较困难，因此咱们选取双容传播延迟来实验。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)系统对象传递函数为：，为使调节器采集信号Y’(s)不会延迟，则并联一种补偿器，如图中虚线某些，具备传递函数。使得调节品质与没有纯延迟同样，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)表达调节器传递函数，用于校正GP(s)某些；表达被控对象传递函数，GP(s)为被控对象中不包括纯滞后某些传递函数，为被控对象纯滞后某些传递函数。τ为纯滞后时间。图2.6.3带纯滞后环节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纯滞后某些，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)构成补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为:系统中滞后环节使信号延迟，为此，在内存中专门设定N个单元作为存储信号m(k)历史数据。存储单元个数，式中T为采样周期。每采样一次，把m(k)记入0单元，同步把0单元本来存储数据移到1单元，1单元本来存储数据移到2单元，依次类推。从单元N输出信号，就是滞后N个采样周期M（K-N）信号。史密斯预估器输出可按图6顺序计算。

图2.6.5史密斯预估器方框u(k)是PID控制器输出，是史密斯预估器输入。从图中可知，必要先计算传递函数输出后，才干计算预估器输出：。工业对象可近似用一阶惯性和纯滞后环节串联来表达：式中：Kf为被控对象放大系数；Tf为被控对象时间常数；τ为纯滞后时间。预估器传递函数为：(2)纯滞后补偿控制算法环节①计算反馈回路偏差e1(k)e1(k)=r(k)-y(k)②计算纯滞后补偿器输出yτ(k)化成微分方程式，则可写成：相应差分方程为：式中：，，上式称为史密斯预估控制算式。③计算偏差e2(k)e2(k)=e1(k)-yτ(k)④计算控制器输出u(k)u(k)=△u(k)+u(k-1)详细算法如下，由于组态软件无法定义数组，因此咱们把采样时间设定为2秒，一边尽量减少记录数据。显示时：补偿控制a=Exp(0-2/150);补偿控制b=4.34*(1-补偿控制a);运营时，1秒运营一次：//2秒控制G(S)=4.34/(150S+1)，延迟时间40秒，采样时间2秒。补偿器输出0=补偿控制a*补偿器输出1+补偿控制b*(Smith0-Smith20);//送到PID过程值PID0_PV=AI0+补偿器输出0;//移动补偿器输出1=补偿器输出0;Smith20=Smith19;Smith19=Smith18;Smith18=Smith17;Smith17=Smith16;Smith16=Smith15;Smith15=Smith14;Smith14=Smith13;Smith13=Smith12;Smith12=Smith11;Smith11=Smith10;Smith10=Smith9;Smith9=Smith8;Smith8=Smith7;Smith7=Smith6;Smith6=Smith5;Smith5=Smith4;Smith4=Smith3;Smith3=Smith2;Smith2=Smith1;Smith1=Smith0;Smith0=PID0_MV;//控制器//送到外部AO0=PID0_MV;增长了一种PID调节器。2.6.3操作过程和调试阀门和其她环节类似于双容控制。这里不详细简介。1、测量特性时间。上闸板7毫米开度，下闸板10毫米开度。调节阀控制量30%，等待系统稳定。2、调节阀控制量变动到40%，等待系统稳定。成果如图所示。3、依照特性测量得到：增益K=2.34。系统时间常数150秒。传递函数G(S)=2.34/(150S+1)，延迟时间40秒。为了减少组态软件中变量定义。咱们采用T=2秒采样时间。定义了d1-d20变量。2.6.4实验成果及记录一方面规定算法可以控制稳定。对于双容系统来说，简朴PID也可以控制稳定，只是积分时间比较长。如果采用补偿控制，就看系统超调量和稳定期间与否改进。

第三章高等控制系统实验为了理解算法自身，因此实际控制工艺非常简朴，因此本章没有对操作过程进行详细描述。3.1自适应控制对非线性上水箱进行自适应控制，但是不采用网络校正非线性办法。3.1.1工艺过程描述单容非线性上水箱液位PID控制流程图如图3.1.1所示。3.1.2算法实现按照响应曲线法PID控制器参数整定办法。可以在开环状况下，测试广义对象动态特性控制器参数整定办法。本办法环节如下：1．一方面测取广义对象在阶跃输入下响应曲线。2．在响应曲线拐点处作切线，通过切线与初始值和新稳态值交点，可以测得广义对象时间常数TP和纯滞后时间τ。于是可以得到一阶惯性加纯滞后通道传递函数简化模型，表达了广义对象动态特性。咱们采用PI控制，比例系数0.9TP，积分时间2.3τ。一方面咱们在圆筒中间位置小范畴获得最适合比例系数，积分时间。然后根据截面积对时间常数TP和纯滞后时间τ影响获得自适应公式。简朴某些：PID0_P=0.5;PID0_I=10;比例系数=积分时间基本不变，修改比例系数。temp=PID0_PV/50;自适应P=PID0_P*sqrt(2*temp-temp*temp);3.1.3运营成果非线性系统控制自身比较难，这里控制效果还可以。3.2专家系统在水解决过程中，砂滤反冲洗控制比较特殊，规定流量稳定在100升/小时。而超调量不能持续太长时间，否则沙子就被冲出去了。而100升/小时流量非常少，在水泵转动频率启动频率之下。3.2.1工艺过程描述流量变频器控制流程图如图3.2.1所示。图3.2.1流量变频器PID单回路控制水介质由泵P101（变频器驱动）从水箱V104中加压获得压头，经由涡轮流量计FT-101及相应管路进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，给水流量由FT-101测得。本例为定值自动调节系统，变频器U-101转速为操纵变量，FT-101为被控变量，采用PID调节来完毕。3.2.2算法实现启动频率截止频率启动频率截止频率工作频率不稳定区周期性控制程序如下：PID0_PV=AI0;if(PID0_PV<0.5)//表达还没有启动PID0_SP=中间变量1*10.0;else{PID0_SP=PID0_SP-中间变量1*10/给定值下降时间;//10秒下降if(PID0_SP<中间变量1)PID0_SP=中间变量1;}if(PID0_MV>水泵启动最小控制量)PID0_MV=水泵启动最小控制量;AO0=PID0_MV;AO1=100;//用于调节阀全开控制界面如图所示。3.2.3实验成果及记录规定系统水泵启动迅速，超调很大，但是时间比较短，系统不久回到稳定控制点。3.3模糊控制模糊控制是模糊逻辑理论在控制工程中应用。它基本思想是用语言归纳操作人员控制方略(涉及知识、经验和直觉等)，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法。它在一定限度上模仿了人在操作控制过程中思维和逻辑推理。模糊控制不需要建立控制对象精准数学模型，只规定把现场操作人员经验和数据总结成较完善语言控制规则，因而它能绕过对象不拟定性、不精准性、噪音以及非线性、时变性、时滞等影响。3.3.1工艺过程描述使用模糊控制单容非线性上水箱液位，流程图如图3.3.1所示。图3.3.1单容上水箱液位控制3.3.2算法实现关于论域，元素，集合等概念请参照其她资料。例如《计算机智能监测控制系统设计及应用》周德泽，袁南儿，应英著，清华大学出版社，1月第一版。第31-40。这里模糊控制设计如下：1模糊化在实际工艺控制中，对控制过程起作用最大是系统误差和误差变化率，用这两个量可较完整地表述系统运营特性。选取它们作为控制输入。然后对输入模糊化。定义偏差8个模糊子集。{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}相应符号{NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL}定义偏差变化率和输出7个模糊子集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}相应符号{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}2模糊推理使用如表所示模糊控制规则来推理。控制输出偏差ENLNMNSNOPOPSPMPL偏差变化率NLPLPLPMPMPMPSOONMPLPLPMPMPMPSOONSPLPLPMPSPSONMNMOPLPLPMOONMNLNLPSPMPMONSNSNMNLNLPMOONSNMNMNMNLNLPLOONSNMNMNMNLNL3去模糊化采用最大从属度法，然后在离散论域和基本论域中，求取精准控制量。咱们算法就是基于以上控制器设计办法，由于组态软件没有太多控制语句，因此使用了诸多ifthen语句来实现。把系统偏差提成8个区间，如下：普通，E模糊化后模糊变量从属于此8个模糊子集，定义为；{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}，按照比例提成如下某些：-100(NL)-75(NM)-50(NS),-25(NO)0(PO)25(PS)50(PM)75(PL)100。E变化率模糊化后{NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL}-100(NL)-75(NM)-50(NS)-25(O)25(PS)50(PM)75(PL)100。输出按照比例提成8个某些，使用矩形函数推算。NLNMNSOPSPMPL-7/8-5/8-3/803/85/87/8然后使用查表办法，把表转换成程序如下：//算法开始，//选取输入误差和误差变化率作为输入。模糊度//-99,-66,-33,0,33,66,99数字PID_ET0=PID0_PV-PID0_SP;//偏差数字PID_ET2=数字PID_ET0-数字PID_ET1;//变化率数字PID_ET1=数字PID_ET0;//保存上次误差//开始输出模糊表查询//偏差-100(NL)-75(NM)-50(NS),-25(NO)0(P0)25(PS)50(PM)75(PL)100//偏差变化率论域-a,a，那么-a(NL)-3*a/4(NM)-a/2(NS)-a/4(O)a/4(PS)a/2(PM)*3a/4(PL)a//输出增量论域-b,b.那么-b(NL)-3b/4(NM)-b/2(NS)-b/4(NOPO)b/4(PS)b/2(PM)*3b/4(PL)b,选取中间值//-7/8-5/8-3/803/85/87/8if(数字PID_ET0<=(0-偏差论域/2))//NL,NM相似{if(数字PID_ET2<=偏差速率论域/4.0)//O中间变量2=增量输出论域*7.0/8.0;if(数字PID_ET2>偏差速率论域/4.0&&数字PID_ET2<=偏差速率论域/2.0)中间变量2=增量输出论域*5.0/8.0;if(数字PID_ET2>偏差速率论域/2.0)中间变量2=0;}if(数字PID_ET0>(0-偏差论域/2)&&数字PID_ET0<=(0-偏差论域/4))//NS{if(数字PID_ET2<=偏差速率论域/4.0)//PS中间变量2=增量输出论域*5.0/8.0;if(数字PID_ET2>偏差速率论域/4.0&&数字PID_ET2<=偏差速率论域/2.0)//O中间变量2=0.0;if(数字PID_ET2>偏差速率论域/2.0)中间变量2=0-增量输出论域*3.0/8.0;}if(数字PID_ET0>(0-偏差论域/4)&&数字PID_ET0<=偏差论域/4)//NOPO{if(数字PID_ET2<=(0-偏差速率论域/2.0))//NM中间变量2=增量输出论域*5.0/8.0;if(数字PID_ET2>(0-偏差速率论域/2.0)&&数字PID_ET2<=(0-偏差速率论域/4.0))//NS中间变量2=增量输出论域*3.0/8.0;if(数字PID_ET2>(0-偏差速率论域/4.0)&&数字PID_ET2<=偏差速率论域/4.0)//O中间变量2=0.0;if(数字PID_ET2>偏差速率论域/4.0&&数字PID_ET2<=偏差速率论域/2.0)//PS中间变量2=0-增量输出论域*3.0/8.0;if(数字PID_ET2>偏差速率论域/2.0)中间变量2=0-增量输出论域*5.0/8.0;}if(数字PID_ET0>偏差论域/4&&数字PID_ET0<=偏差论域/2)//PS{if(数字PID_ET2<=(0-偏差速率论域/2.0))//NM中间变量2=增量输出论域*3.0/8.0;if(数字PID_ET2>(0-偏差速率论域/2.0)&&数字PID_ET2<=(0-偏差速率论域/4.0))//NS中间变量2=0.0;if(数字PID_ET2>(0-偏差速率论域/4.0))中间变量2=0-增量输出论域*5.0/8.0;}if(数字PID_ET0>偏差论域/2)//PMPL{if(数字PID_ET2<=(0-偏差速率论域/2.0))//NM中间变量2=0.0;if(数字PID_ET2>(0-偏差速率论域/2.0)&&数字PID_ET2<=(0-偏差速率论域/4.00))//NS中间变量2=0-增量输出论域*5.0/8.0;if(数字PID_ET2>(0-偏差速率论域/4.0))中间变量2=0-增量输出论域*7.0/8.0;}PID0_MV=PID0_MV+中间变量2;//输出AO0=PID0_MV;3.3.3实验成果及记录参照控制曲线如图3