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 1 1.1 系统概述 1 1.2 系统基本工作原理 2 2系统分析 3 2.1 控制方案分析 3 2.2 串级控制系统的特点 3 2.3 主、副调节器控制规律 3 2.4 主、副调节器正、反作用方式的选择 3 2.5 串级控制系统的整定方法 4 2.6 组态软件MCGS简介 5 3硬件组态说明 6 3.1 数据采集 6 3.2 模拟数据设备的组态 6 3.3 变量定义及说明 6 4程序设计与数据连接 7 4.1 按钮链接 7 4.2 数据输入、输出的制作与连接 9 4.3 系统初始状态 10 4.4 循环程序编写 10 5系统运行 12 6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： ①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δ2S和振荡周期T2S。 ②将副调节器的比例度置于所求得的δ2S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δ1S和振荡周期T1S。 ③根据求取的δ1S、T1S和δ2S、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δ、积分时间TI和微分时间 TD的数值。 ④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： ①在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据 K02/δ2＝0.5 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δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。 ②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。 ③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。 ④如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ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=0 k=2 ti=100 td=0 k1=4 sv1=0 ei=0 e1=0 e2=0 ei1=0 ma1=0 ma=0 opo=0 夹套sv=0 op11=0 op21=0 out1=0 4.4 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sv ei=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