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1、课外研学报告题 目：基于MCGS的锅炉PID控制学 院：信息科学与工程学院 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： 基于MCGS的炉温控制系统设计报告一、课程设计内容使用MCGS5.5设计一个炉温定值控制系统上位机，要求在不使用温度控制平台上的智能仪表的情况下，对锅炉温度实现定值控制，使用经典控制理论中的PID方法，控制炉温。实验设备：1实验对象智能温度控制平台一个、计算机一台；2RS232直连通讯线一根。设计目的：1了解温度位式控制系统的结构与组成。2掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。3了解位式控制系统的品质指标和参数整定方法。4分析锅炉内胆温度定值控制与位式控制的控制效
2、果有何不同之处？二、软件MCGS组态软件简介MCGS中文名监视与控制通用系统，是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于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windows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、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。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维
3、护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。我们实验室电脑安装的
4、是MCGS5.5，MCGS 5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、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。三、硬件智能温度控制平台简介本实验装置对象主要由锅炉、电加热管及过温保护系统、温度变送器和智能仪表四部分组成。如下图所示。1、被控对象锅炉锅炉是利用电热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和隔热层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。2、电加热管及过温保护系统由一根300W电热管连接而成，用来对锅炉内胆进行加温，加热管的电阻值约为160左右。温度加热范围0100左右，超过
5、100加热过温保护系统自动断电。3、检测传感器变送装置锅炉装置中采用了一根Pt100铂热电阻温度传感器，用来检测锅炉内胆温度。Pt100测温范围：-200+420。可以将Pt100铂热电阻温度传感器的信号直接输入给智能调节器作为反馈输入信号，通过智能调节仪可将0100的温度信号变送成420mA直流电流信号输出。为其它控制器提供电流反馈信号。4、智能仪表仪表采用的是NHR-5320系列智能PID调节器，带有外给定控制和变送输出功能，可与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度物理量的测量显示，并配合各种执行器对加热设备进行PID调节和控制（固态继电器驱动电压输出控制加热器）。仪表配有RS232串行
6、接口采用标准MODBUS RTU通讯协议，可与计算机连接。控制对象采用了Pt100热电阻检测温度信号，因此需要使用变送器将热电阻信号转换为标准的电压或电流信号。这里采用的是智能仪表变送，使用的智能仪表的型号是NHR-5320。在仪表内部设定与Pt100对应的参数，通过智能仪表将Pt100热电阻输入信号变送为420mA的标准电流信号输出。四、控制算法PID介绍在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全
7、掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则
8、称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具
9、有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。五、设计前期分析及准备工作1.构建结构图目标温度 加热器 锅炉温度PT100 测量 MCGS处理 串口采集 2.控制对象分析控制对象是温度，因为温度变化缓慢，滞后明显，所以温度控制是大惯性环节。同时对温度的测量也存在滞后，因为温度测量传感器一般不处于热变化的核心，由于热惯性，温度传导需要一定时间。加热炉等大滞后环节的PID控制，一般温度到温后会向上有较大的惯性，超温很大，同时加热炉又不具备反向调节的作用，即冷却的作用，在超调以后，回到目标温度所需的时间极其漫长，调节时间太大不符合工程要求。综上可知，温度的控制仅仅依靠PID的作用是远远不够的。7
