夹套与锅炉内胆水温串级控制32.doc

课程设计说明书目 录1总体设计11.1系统概述11.2系统基本工作原理22系统分析32.1控制方案分析32.2串级控制系统的特点32.3主、副调节器控制规律32.4主、副调节器正、反作用方式的选择32.5串级控制系统的整定方法42.6组态软件MCGS简介53硬件组态说明63.1数据采集63.2模拟数据设备的组态63.3变量定义及说明64程序设计与数据连接74.1按钮链接74.2数据输入、输出的制作与连接94.3系统初始状态104.4循环程序编写105系统运行126总结13参考文献14夹套与锅炉内胆水温串级控制1总体设计1.1系统概述本设计以锅炉作为被控对象，夹套的水温为系统的被控制量。设计目的是使锅炉夹套的水温稳定至给定量；使用MCGS组态软件结合研华数据采集设备来实现具体调节效果；系统整体硬件组态界面如图1所示，控制界面如图2所示。图1硬件组态界面图图2控制组态界面图1.2系统基本工作原理将温度传感器TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号形成副回路；主回路以TT2检测到的被控量（即夹套水温）为反馈信号，与输入设定值相比较送入主调节器，主调节器输出再与副回路反馈信号比较后，经副调节器将控制信号传给执行器，以达到控制锅炉内胆水温的目的。系统原理方框图如图3所示。主对象副对象执行器调节器副调节器主调节器内胆温度检测变送器夹套温度检测变送器图3系统原理方框图2系统分析2.1控制方案分析系统的主控量为锅炉夹套的水温，副控量为锅炉内胆的水温，它是一个辅助的控制量。系统由主、副两个回路所组成，主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控量等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制；副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，已达到对主控量的控制目的，因而副调节器可采用P控制，必要时引入适当的积分环节。由于锅炉夹套的温度升降式通过锅炉内胆的热传导来实现的，显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路的调节作用可快速消除扰动的影响，故设计为串级控制结构如上图2所示。2.2串级控制系统的特点1）改善了过程的动态特性； （2）能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力； （3）提高了系统的鲁棒性； （4）具有一定的自适应能力。2.3主、副调节器控制规律在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差） ，故一般宜采用 PI或 PID 调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用 P或 PI调节器。2.4主、副调节器正、反作用方式的选择 正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数 Kc 为负（即正作用调节器） ，反之，Kc 为正（即反作用调节器）本装置所用电动调节阀的放大系数 Kv 恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数 K0为正，反之K0为负。2.5串级控制系统的整定方法 在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种： （1）逐步逼近法 所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。 （2）两步整定法 两步整定法就是第一步整定副调节器参数， 第二步整定主调节器参数。 整定的具为： 在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如 4:1）曲线法来整定副回路。记下相例度2S和振荡周期T2S。 将副调节器的比例度置于所求得的2S值上， 且把副回路作为主回路中的一个环同样方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振荡周期T1S。 根据求取的1S、T1S和2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主节器的比例度、积分时间TI和微分时间 TD的数值。 按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。 （3）一步整定法 由于两步整定法要寻求两个 4:1 的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 具体的整定步骤为： 在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据 K02/20.5 这一关系式，通过副过程放大系数 K02，求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。 按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。 改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数 K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。 如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数 TI，即可得到改善。2.6组态软件MCGS简介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 Windows95/98/NT/2000等操作系统。MCGS5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现数据采集、实时和历史数据 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。3硬件组态说明3.1数据采集数据采集卡采用研华1711，将温度传感器TT1、TT2采集来的模拟信号进行处理送入计算机使用，组态软件具体实现操作为点击“工作台”、“设备窗口”、双击“设备窗口”进入设备组态窗口，点击工具箱在“设备管理器”中找到研华PCI1711，加入设备窗口中，并对其设置项中对其“基本属性”、“通道连接”与“数据处理”进行设置，具体设置如下图所示。图4设备通道连接属性设置3.2模拟数据设备的组态由于时间紧迫，实验条件有限，对TT1、TT2采集的数据使用软件中的模拟正弦信号代替，同样点开设备管理器，在“通用设备”子菜单下“模拟数据设备”中找到“模拟设备”，选中此卡，并加入设备窗口，对其“通道链接”进行设置，以便提供所需的模拟数据。3.3变量定义及说明在实时数据库中对要使用的变量进行定义，其中主要变量定义如表1所示：表1变量定义表夹套PV：夹套内液体的温度 内胆PV：锅炉内胆液体温度夹套SV：夹套内液体温度设定值（即给定值） 内胆SV：锅炉内胆液体设定值k：主调节器的比例增益 ti：主调节器的积分时间常数td：主调节器的微分时间常数 k1：副调节器的比例增益ei：主调节器的偏差信号 q0:比例调节输出值q1:积分调节器输出值 q2：微分调节器输出值set：实验开始/停止标志位 op11、op0：为系统输出值e1、e2、ei：为偏差中间变量 ma1：手动/自动标志位ma：手动调节值opo：系统输出初始值夹套sv：温度设定初始值 op11：主调节器输出值op21：副调节器输出值 out1：手动调节时系统的输出值4程序设计与数据连接4.1按钮链接建立好上述变量后，接下来需完成与各硬件间的链接，对于按钮链接，以“停止”按钮的链接为例说明：双击“停止”按钮，进入按钮属性设置窗口，如下图所示；图5按钮构件属性设置对“按钮标题”设置即为按钮名称：停止，基本属性中其他属性依需要而定； （2）点击“操作属性”，对该按钮所要完成的操作进行设置；在此设置如下图所示；图6按钮操作属性设置窗（3）点击“可见度属性”，对按钮进行隐藏或显示条件的设置，在此设置如图7所示；图7按钮可见度属性设置窗结合图6、图7可以看出点击“停止”按钮后，系统中变量set值清零，且当set不为零时该按钮不可见；（4）由于按钮在此不需要完成复杂操作，无需编写脚本程序，根据实际情况，若有需要可点击“脚本程序”项，进入脚本程序编写窗口，完成相应程序的编写；4.2数据输入、输出的制作与连接（1）点击工具箱标签，拖拽适当大小，双击所画图形，出现如图8所示窗口， 图8动画组态属性设置窗1（2）在“输入输出连接”一栏内打上相应的对勾，在此以“显示输出”为例，勾上之后出现如图9所示对话框，可看出多出“显示输出”设置项；图9动画组态属性设置窗2（3）点击“显示输出”项，在此对其设置如图10所示，点击下图表达式项中问号，可在数据库选择需要显示的变量；图10 数据“显示输出”设置（4）输入按钮连接与输出类同，指示选择按钮输入，并对其进行相应设置即可。4.3系统初始状态初始化状态默认为停止状态，点击“开始实验”按钮后，默认为自动调节状态，各变量初始值如表2所示：表2变量初始状态值set=0k=2ti=100td=0k1=4sv1=0ei=0e1=0e2=0ei1=0ma1=0ma=0opo=0夹套sv=0op11=0op21=0out1=04.4循环程序编写界面数值显示夹套pv = TT2 内胆pv = TT1主调节器数值处理sv1 = 夹套svei=sv1 - TT2 主调节器偏差开始实验if set=1 then 主调节器增量式PID控制 q0=k*(ei-e1) 比例项 q1=0 积分项 if ti0 then q1=k*0.3*ei/ti endif q2=k*td*(ei-2*e1+e2)/0.3 微分项 e2=e1 e1=ei op11=opo+q0+q1+q2主调节器输出限幅 if op11=100 then op11=100 endif if op11=100 then op21=100 endif if op21=0 then op21=0 endif手/自动切换 if ma1=0 then ma=op21 out1=op21*50 else opo=ma op11=ma op21=ma out1=ma*50 endif停止实验else ei=0 e1=0 e2=0 ei1=0 e21=0 q0=0 q1=0 q2=0 ma=0 opo=0 op11=0 op21=0 out1=0 内胆sv=0endif5系统运行在MCGS组态界面，点击“进入运行环境”按钮，即可进入运行界面，在主调节器控制栏可输入温度给定值，比例、积分、微分等各调节器的参数进行设置，点击“手动”按钮可进入手动控制模式，拖动滑块，即可改变系统输出量，运行界面如下图所示。图11系统运行界面图依据控制要求，适当调节各参数，可以达到基本稳定。6总结串级控制系统可以说是两个单回路闭环系统组成的，副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地及时调整控制信号。锅炉内胆水温为副控，夹套水温为主控。水温传递还是比较慢的，在测试当中系统反应较单回路闭环系统，达到稳定的时间缩短，改善了系统的快速性，克服了所有副环内的扰动，主调节器是输出量稳定在给定值附近，保证了系统输出的准确性，满足了设计要求。参考文献1、吴作明主编，工控组态软件与PLC应用技术，北京航空航天大学出版社2、潘立登主编，过程控制，机械工业出版社。3、侯志林主编，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社 14