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1、（楷体1号居中） 毕业设计（论文）（楷体初号加粗居中） 题 目：电加热锅炉盘管出口温度的串级控制 学 院： 自动化学院 专 业： 自动化 （以上宋体四号居中） / 文档可自由编辑打印摘 要（宋体、三号、加粗、居中）现代工业生产过程中，不少控制对象普遍存在纯滞后的现象，如化工、加热过程等。这种滞后的存在，对系统的控制是极为不利的，严重时甚至会破坏系统的稳定性。在电加热锅炉盘管出口温度的串级控制系统中，关键要解决其滞后的问题。基于MCGS组态软件，测出适用于由计算机、锅炉、水泵、温度变送器、电动调节阀等组成的锅炉盘管出口温度滞后系统的模型。在控制要求不太苛刻的情况下，本文分别采用单回路PID控制、
2、串级PID控制以及串级结合Smith预估补偿的方法，进行研究与仿真，针对该系统选用可行的控制方案。在MATLAB和之间通过OPC协议对过程变量、控制变量和设定值实时更新，对该系统进行控制研究。通过对该系统的仿真控制实验，结果表明该三种方案是可行的，较好地实现了温度的控制。关键词：大滞后系统； PID控制 ；串级控制；Smith预估 Abstract(Times New Roman、16磅、加粗、居中) （Times New Roman 、12磅）The pure lag widely exists in some modern industrial process, such as chemi
3、cal industry and heating processes. This lag is not conducive to the control of system , sometimes it even could cause serious damages to system stability. In the cascade control system of electrically heated boiler and coil outlet temperature，it is crucial to cope with its lag. Based on MCGS , the
4、model of boiler coil outlet temperature hysteresis system which consists of computer, boilers, pumps, temperature transmitters and electric control valve is measured . In this paper three schemes , single-loop PID control , cascade PID control and cascade-smith control , are adopted in the case of l
5、ess control demanding . The process variables，control variables and set points are live updated between MCGS and MATLAB by OPC(OLE for Process Control). Experiments demonstrate the feasibility of three schemes, which can well achieve the control of temperature.Keywords: Large time-delay system；PID c
6、ontrol；Cascade control；Smith controller 目 录（宋体、三号、加粗、居中）摘要 （中文） I （英文） II第一章 概述 1 1.1 课题意义与研究背景 1 1.2 本文研究的主要内容 2第二章 监控组态工程设计 3 2.1 系统结构介绍 4 2.2 制作工程画面 5 2.3 构建实时数据库 7 2.4 设备窗口 82.5 运行策略 8第三章 锅炉盘管出口温度的建模 103.1 建模的概念 103.2 建模步骤 103.3 建模方法 103.4 阶跃响应曲线法建模 113.5 获取模型方法 113.6 测试步骤 113.7 模型参数的确定 163.8 模型
7、校验 17第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真分析 19 4.1 盘管出口温度单回路 PID 控制 19 4.2 盘管出口温度串级 PID 控制 20 4.3 串级控制结构结合Smith预估控制器的控制方案 22 第五章 基于OPC技术的盘管出口温度的实时控制 255.1 OPC 技术 255.2 Matlab作为客户端访问OPC服务器的通信流程 265.3 基于OPC 实现MATLAB 与MCGS 的实时通讯 29 结束语 30致谢 31参考文献 32 第一章 概述1.1 课题意义与研究背景现代工业生产过程中，不少控制对象普遍存在纯滞后的现象，如化工、加热过程等。所谓具有纯滞后的过程，指的是
8、：对象的纯滞后时间与对象的惯性时间常数Tm之比/Tm0.5的过程1。这种滞后时间的存在，对系统的控制是极为不利的，严重时甚至会破坏系统的稳定性。长期以来，温度控制系统就一直是工业过程中难度较大的控制系统之一。它具有时变、大扰动、纯滞后、难以建立精确的数学模型等特性。针对它的控制算法，工程上常见有传统PID算法、串级控制法、大林算法、Smith预估控制法和智能控制法等多种方法2。PID控制即比例、积分、微分控制，其结构简单实用，参数易于调整，在长期应用中积累了丰富的经验，常用于工业生产领域。对于具有大滞后的过程控制问题，用常规的PID控制器来控制对象，超调及振荡都比较强，带来较长的稳定时间，很难
9、获得良好的控制性能。串级控制系统与单回路系统相比，它能改善过程的动态特性，提高了系统控制质量能迅速克服进入副回路的二次扰动。能提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。串级控制系统的工业应用比较广泛，有如下几种情况：1. 用于克服被控过程较大的容量滞后在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。 2. 用于克服被控过程的纯滞后被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，
10、使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。 3. 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。 4. 用于克服被控过程的非线性在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是
11、随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。大林控制算法是由美国IBM公司的大林（Dahlin）提出的一种针对工业控制过程中纯滞后特点且不同于常规PID控制的新型算法，是运用于自动控制领域中的一种算法，也是一种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方法。设计的数字控制器（算法）使闭环系统的特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。该方法克服纯滞后极其有效，其特点是把期望的闭环响应设计成为一阶惯性加纯滞后，然后反过来推出满足该闭环响应的控制器。但是大林算法的参数也很难确定，由于工业
12、生产过程被控对象的时变性和不确定性，使得该算法只能方便对模型参数确定的系统进行有效的控制3。在控制领域中的经典方法是Smith O J 在1959年提出的预估补偿算法4。Smith预估补偿是在系统的反馈回路中引入补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。其特点是预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程。如果预估模型准确，该方法能后获得较好的控制效果，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。 Smith预估控制方法可以有效地对时滞进行补偿。但Smith预估控制依赖于被控对象精确的数学模型,模型误差会大大影响控制效果。改进的Smith预估控制方法无法从根本上改变对数学模型的依赖5。如果存在负荷扰动或者被控对象模型不精确时，采用上面这种史密斯预
