换热器出口温度和大水箱液位串级控制系统的研究

来源：发布时间：2014-07-15 11:40:03点击率：

摘要：随着控制理论的不断发展，过程控制在工业生产中得到了广泛应用。以换热器出口温度和大水箱液位串级控制系统为研究目标，在MCGS组态软件的环境下，采用串级控制，并对PID控制算法进行了改进。系统通过远程输入输出模块进行计算机换热器出口温度和大水箱液位串级控制，达到控制温度和液位的目的，并从理论分析和实验操作两方面进行了控制优化策略研究探讨。

引言
    过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。在过程控制系统方面，为了提高控制质量和实现一些特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统，诸如串级控制、比值控制和均匀控制。尤其是前馈控制和选择性控制的开发和工业应用，使复杂控制系统达到了一个新的水平。它不仅包括数据采集与管理、基本过程控制，而且包括先进的管理系统、调度、优化等。柔性化、分散化和集成化的综合自动化，已被应用于实际工业过程中。
    本系统以换热器出口温度和大水箱液位为研究目标，在MCGS组态环境下，设计了基于过程控制的换热器出口温度和大水箱液位控制系统。为了保证换热器出口温度的恒定，在换热器外套一个液位大水箱，利用大水箱的液位高低来控制换热器出口的温度。系统通过远程I/O模块进行计算机过程控制，达到控制温度和液位的目的，并从理论分析和实验操作两方面进行了研究。

    1·串级控制系统的设计

    串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了越来越广的应用。串级控制由主回路和副回路组成，因此对于主回路的设计类似于单回路设计系统设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。本系统以换热器出口温度与大水箱液位的串级控制为主要研究对象。如图所示：


    本系统采用串级调节系统，两个调节器、两个闭环回路和两个执行对象，两个调节器分别设置在主、副回路中，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，主、副调节器的输出分别去控制一个执行元件。这样由于系统增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用，因此作用于副环路的干扰对主变量的影响就相对比较小。

    串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环———双闭环。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，主参数允许波动的范围比较小，一般要求无余差，因此在本系统中主调节器选用PI控制规律。而副调节器起随动控制作用，为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只选用了P控制规律，不引入积分控制规律（若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用）。形象的来说，就是副回路起“粗调”作用，而主回路起“细调”任务。

    2·组态软件MCGS简介

    MCGS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，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统,如图2所示。MCGS嵌入式系统体系结构分为组态环境和运行环境两部分，组态环境相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行，用简单的模块化设计帮助用户构造自己的应用系统，组态好的应用系统通过串口线或以太网下载到嵌入式系统中实时运行。


    MCGS嵌入版组态软件分为人机界面组态和控制流程组态两部分，用户可以根据实际情况裁减所需内容。其中人机界面组态与通用版类似，可以组态出动画窗口、曲线、报表，并可以设置用户权限，安全级别等等。控制流程组态是嵌入式组态系统特有的功能，主要用于组态实现各种控制流程和控制逻辑。系统提供了丰富的功能模块和控制逻辑，来帮助用户快速的实现各种控制功能，是构成用户应用系统实时控制的核心。在控制流程中可以利用MCGS提供的100多种功能模块组成各种应用系统，嵌入式系统中的MCGS实时数据库可以用作人机界面和控制流程数据交换的枢纽，控制流程可以通过实时数据库在人机界面上显示控制过程，并实现数据后处理。组态好的应用系统下载到内嵌了实时多任务嵌入式操作系统中实时运行，从而实现了控制系统的可靠性、实时性、确定性、安全性。

    3·串级系统的组态分析

    在所有需要用到MCGS组态软件的实验当中首先都要建立一个新的工程。打开MCGS组态软件，点击“文件———新建工程”。接着是建立一个实时数据库，在这个数据库中可以建立一些新的数据库变量，作为以后数据的存储、连接等用。变量定义完成后，编辑用户窗口。首先，新建一个窗口，点击“窗口属性”给窗口命名。双击这个新建的窗口就进入组态画面。MCGS工程画面组态。在新建动态窗口下，单击“动画组态”，进入“动画组态窗口”，开始编辑画面。整体画面浏览如下图：

    如图3所示，设定换热器出口温度为SV＝20℃，三相电源通过移相控制后给锅炉加热，采用单回路控制，一般温度高于换热器出口水温10～15℃，这里锅炉温度设定为30℃。本系统采用了三个调节器，分别调节换热器出口温度、水箱液位、锅炉温度。主要有两条水路：三相电动机从锅炉内抽水，经阀3、阀17进入散热管，再经阀18回到锅炉，阀12微开，这样就形成了循环水。丹麦泵抽水，经阀23、阀20进入大水箱，利用液位高低来控制换热器出口的温度，阀15微开。主调节器采用PI控制，比例P＝20，积分I＝25，副调节器采用P控制，P＝22。启动仪表，查看实时曲线。接着待系统相对稳定后，对系统加扰动信号，通过反复调节和主调节参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。在本系统中，主要的是如何选择参数。

    3.1放大倍数的选择   从测试过程中可知，副调节器的K过小，跟随慢，一旦水温超过设定值，主控输出量P＝100%，副控的给定↑，液位相应↑，但这个相应值比较慢，水温不能立刻下降到设定值。

    3.2时间常数的选择

    一般时间常数主、副之比为3到10范围。如果时间常数接近甚至大于主过程的时间常数，副回路对改善过程特性的效果较显著，但副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动。如果接近，则主、副回路地动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这是所谓地“共振”，它不利于生产的正常进行。曲线显示：

    4·结语

    本系统成功的运行、调试和各参数的整定极为的方便极大的提高了控制的质量和工作效率，通过对换热器出口温度和大水箱液位串级控制的研究，采用方便、先进的工控组态MCGS，更直观的显示了实验的全过程，更好的完成了监控系统。

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