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1、基于MAT1.AB的锅炉水温与流量串级控制系统的设计目录摘要2Abstract31概述41.1 过程控制41.2 串级控制系统61.3 MAT1.AB软件71.4 MCGS组态软件82PID控制器原理102.1 P1.D控制器简介102.2 P1.D控制系统112.3 PID控制参数的整定及方法122.3.1 PID控制参数的整定简介122.3.2 P1.D控制参数整定方法123建立被控对象模型153.1 被控对象建模153.2 测量被控对象阶跃响应曲线163.3 求取被控对象传递函数174控制方案的设计及仿真224.1 设计控制系统框图224.2 Simu1.ink控制系统仿真234.3 仿
2、真结果分析244.4 串级控制与单回路控制系统抗干扰性能仿真265结论29致谢30参考文献31附录：英语资料及译文32本设计针对锅炉温度控制问题，综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿真技术、计算机远程控制、组态软件，设计了锅炉温度流量串级控制系统。首先,通过实验法建立锅炉的数学模型，得到锅炉温度与进水流量之间的传递函数，通过对理论设计的控制方案进行仿真，得到较好的响应曲线，为实际控制系统的实现提供先决条件。其次，使用智能仪表作为控制器，组建现场仪表过程控制系统,通过参数整定，得到较好现场控制效果。再次，实现积分分离的PID控制算法。关键词：水温流量串级控制系统PID控制仪表过程控制系统计算机
3、过程控制系统AbstractThepurposeofthisthesisistodesignthe1.iquid1.eve1.sconcatenationcontro1.systemofthedoub1.ecapacitywatertank.Thisdesignmakesfu1.1.useoftheautomaticindicatortechnique、thecomputertechnique、thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontro1.techniqueinordertorea1.izeconcatenationcontro1.ofwate
4、rtank*s1.iquid.First,Icarryouttheana1.ysisofthecontro1.1.edobjects*mode1.,andusetheexperimenta1.methodtoca1.cu1.atethetransferfunctionofthemode1.Next,IDesigntheconcatenationcontro1.systemandusethedynamicsimu1.ationtechniquetoana1.yzethecapabi1.ityofcontro1.system.Afterwards,Idesignandsetuptheindicat
5、orprocesscontro1.system,rea1.izePIDcontro1.ofthe1.iquid1.eve1.withinte1.1.igenceindicator.Fina1.1.y,Idesignandsetupthe1.ongdistancecomputercontro1.systeminvirtueofthedataco1.1.ectionmodu1.e、MCGSsoftanddigita1.PIDcontro1.1.er,accomp1.ishcontro1.systemexperimentandana1.yzetheoutcome.1概述1. 1过程控制1 .工业过程
6、控制的发展概况自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度、液位、压力、流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制、比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机
7、技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）o之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代,并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。2 .过程计算机
8、控制系统现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量、经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器、单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器一过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、
9、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（P1.D）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象、检测与执行装置外）。1 .过程计算机系统的硬件部分：（1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路
10、向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。（2）包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。（3）通用外围设备包括打印机、记录仪、图形显示器、闪存等，它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执
11、行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。2 .过程计算机系统的软件部分：（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能、精度和效率。1.2串级控制系统串级控制是在单回路P1.D控制的基础上发展起来的一种控制技术。当P1.D控制应用于单回路控制一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于整定。但是,当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。串级控
12、制针对上述情况，在原控制回路中，增加一个或几个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其它因素，从而有效地抑制了被控对象的时滞特性，提高了系统动态响应的快速性。图1.1串级控制系统框图本系统的串级控制系统如图1.1所示，采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数）,即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副
13、过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分情况进行分析：1）扰动作用于副回路2）扰动作用于主过程3）扰动同时作用于副回路和主过程。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。分析可以看到，串级控制系统改善了过程的动态特性、提高了系统控制质量、能迅速克服进入副回路的二次扰动、提高了系统的工作频率、对负荷变化的适应性较强等。其主要工程应用场合有容量滞
14、后较大的过程、纯时延较大的过程、扰动变化激烈而且幅度大的过程、参数互相关联的过程、非线性过程等。在设计控制系统的过程中，将利用到MAT1.AB软件和MCGS组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。1.3MAT1.AB软件MAT1.AB软件是由美国MathWOrkS公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MAT1.AB最早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出基于WindOWS2000
15、/xp的MAT1.AB7.0版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MAT1.AB环境下,用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。MAT1.AB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。MAT1.AB系统由五个主要部分组成：(I)MATA1.B语言体系MAT1.AB是高层次的矩阵/数组语言.具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计
16、和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。(2)MAT1.AB工作环境这是对MAT1.AB提供给用户使用的管理功能的总称.包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。(3)图形图像系统这是MAT1.AB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MAT1.AB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MAT1.AB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。(4)MAT1.AB数学函数库这是对MAT1.AB使用的各种数学算法的总称.包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。(5)MAT1.AB应用程序接口(APD这是MAT
