換熱器出口溫度和大水箱液位串級控制系統(tǒng)的研究

    摘要：隨著控制理論的不斷發(fā)展，過程控制在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。以換熱器出口溫度和大水箱液位串級控制系統(tǒng)為研究目標，在MCGS組態(tài)軟件的環(huán)境下，采用串級控制，并對PID控制算法進行了改進。系統(tǒng)通過遠程輸入輸出模塊進行計算機換熱器出口溫度和大水箱液位串級控制，達到控制溫度和液位的目的，并從理論分析和實驗操作兩方面進行了控制優(yōu)化策略研究探討。

引言
    過程控制通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動化。在過程控制系統(tǒng)方面，為了提高控制質(zhì)量和實現(xiàn)一些特殊的工藝要求，相繼開發(fā)和應(yīng)用了各種復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)，諸如串級控制、比值控制和均勻控制。尤其是前饋控制和選擇性控制的開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用，使復(fù)雜控制系統(tǒng)達到了一個新的水平。它不僅包括數(shù)據(jù)采集與管理、基本過程控制，而且包括先進的管理系統(tǒng)、調(diào)度、優(yōu)化等。柔性化、分散化和集成化的綜合自動化，已被應(yīng)用于實際工業(yè)過程中。
    本系統(tǒng)以換熱器出口溫度和大水箱液位為研究目標，在MCGS組態(tài)環(huán)境下，設(shè)計了基于過程控制的換熱器出口溫度和大水箱液位控制系統(tǒng)。為了保證換熱器出口溫度的恒定，在換熱器外套一個液位大水箱，利用大水箱的液位高低來控制換熱器出口的溫度。系統(tǒng)通過遠程I/O模塊進行計算機過程控制，達到控制溫度和液位的目的，并從理論分析和實驗操作兩方面進行了研究。

    1·串級控制系統(tǒng)的設(shè)計

    串級控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過程控制中得到了越來越廣的應(yīng)用。串級控制由主回路和副回路組成，因此對于主回路的設(shè)計類似于單回路設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。由于副回路是隨動系統(tǒng)，對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。本系統(tǒng)以換熱器出口溫度與大水箱液位的串級控制為主要研究對象。如圖所示：
               

    本系統(tǒng)采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，兩個調(diào)節(jié)器、兩個閉環(huán)回路和兩個執(zhí)行對象，兩個調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中，兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，主、副調(diào)節(jié)器的輸出分別去控制一個執(zhí)行元件。這樣由于系統(tǒng)增加了副回路，對于進入副環(huán)內(nèi)的干擾具有很強的抑制作用，因此作用于副環(huán)路的干擾對主變量的影響就相對比較小。

    串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上多了一個副回路，形成了兩個閉環(huán)———雙閉環(huán)。在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，主參數(shù)允許波動的范圍比較小，一般要求無余差，因此在本系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器選用PI控制規(guī)律。而副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只選用了P控制規(guī)律，不引入積分控制規(guī)律（若采用積分規(guī)律，會延長控制過程，減弱副回路的快速作用）。形象的來說，就是副回路起“粗調(diào)”作用，而主回路起“細調(diào)”任務(wù)。

    2·組態(tài)軟件MCGS簡介

    MCGS是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，可運行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系統(tǒng),如圖2所示。MCGS嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩部分，組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，可以在PC機上運行，用簡單的模塊化設(shè)計幫助用戶構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，組態(tài)好的應(yīng)用系統(tǒng)通過串口線或以太網(wǎng)下載到嵌入式系統(tǒng)中實時運行。
              

    MCGS嵌入版組態(tài)軟件分為人機界面組態(tài)和控制流程組態(tài)兩部分，用戶可以根據(jù)實際情況裁減所需內(nèi)容。其中人機界面組態(tài)與通用版類似，可以組態(tài)出動畫窗口、曲線、報表，并可以設(shè)置用戶權(quán)限，安全級別等等。控制流程組態(tài)是嵌入式組態(tài)系統(tǒng)特有的功能，主要用于組態(tài)實現(xiàn)各種控制流程和控制邏輯。系統(tǒng)提供了豐富的功能模塊和控制邏輯，來幫助用戶快速的實現(xiàn)各種控制功能，是構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)實時控制的核心。在控制流程中可以利用MCGS提供的100多種功能模塊組成各種應(yīng)用系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)中的MCGS實時數(shù)據(jù)庫可以用作人機界面和控制流程數(shù)據(jù)交換的樞紐，控制流程可以通過實時數(shù)據(jù)庫在人機界面上顯示控制過程，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理。組態(tài)好的應(yīng)用系統(tǒng)下載到內(nèi)嵌了實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)中實時運行，從而實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的可靠性、實時性、確定性、安全性。

    3·串級系統(tǒng)的組態(tài)分析

    在所有需要用到MCGS組態(tài)軟件的實驗當中首先都要建立一個新的工程。打開MCGS組態(tài)軟件，點擊“文件———新建工程”。接著是建立一個實時數(shù)據(jù)庫，在這個數(shù)據(jù)庫中可以建立一些新的數(shù)據(jù)庫變量，作為以后數(shù)據(jù)的存儲、連接等用。變量定義完成后，編輯用戶窗口。首先，新建一個窗口，點擊“窗口屬性”給窗口命名。雙擊這個新建的窗口就進入組態(tài)畫面。MCGS工程畫面組態(tài)。在新建動態(tài)窗口下，單擊“動畫組態(tài)”，進入“動畫組態(tài)窗口”，開始編輯畫面。整體畫面瀏覽如下圖：



    如圖3所示，設(shè)定換熱器出口溫度為SV＝20℃，三相電源通過移相控制后給鍋爐加熱，采用單回路控制，一般溫度高于換熱器出口水溫10～15℃，這里鍋爐溫度設(shè)定為30℃。本系統(tǒng)采用了三個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)換熱器出口溫度、水箱液位、鍋爐溫度。主要有兩條水路：三相電動機從鍋爐內(nèi)抽水，經(jīng)閥3、閥17進入散熱管，再經(jīng)閥18回到鍋爐，閥12微開，這樣就形成了循環(huán)水。丹麥泵抽水，經(jīng)閥23、閥20進入大水箱，利用液位高低來控制換熱器出口的溫度，閥15微開。主調(diào)節(jié)器采用PI控制，比例P＝20，積分I＝25，副調(diào)節(jié)器采用P控制，P＝22。啟動儀表，查看實時曲線。接著待系統(tǒng)相對穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號，通過反復(fù)調(diào)節(jié)和主調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動態(tài)響應(yīng)和較高的控制精度。在本系統(tǒng)中，最主要的是如何選擇參數(shù)。

    3.1放大倍數(shù)的選擇   從測試過程中可知，副調(diào)節(jié)器的K過小，跟隨慢，一旦水溫超過設(shè)定值，主控輸出量P＝100%，副控的給定↑，液位相應(yīng)↑，但這個相應(yīng)值比較慢，水溫不能立刻下降到設(shè)定值。

    3.2時間常數(shù)的選擇

    一般時間常數(shù)主、副之比為3到10范圍。如果時間常數(shù)接近甚至大于主過程的時間常數(shù)，副回路對改善過程特性的效果較顯著，但副回路反應(yīng)較遲鈍，不能及時有效地克服擾動。如果接近，則主、副回路地動態(tài)聯(lián)系十分密切，當一個參數(shù)發(fā)生振蕩時，會使另一個參數(shù)也發(fā)生振蕩，這是所謂地“共振”，它不利于生產(chǎn)的正常進行。曲線顯示：



    4·結(jié)語

    本系統(tǒng)成功的運行、調(diào)試和各參數(shù)的整定極為的方便極大的提高了控制的質(zhì)量和工作效率，通過對換熱器出口溫度和大水箱液位串級控制的研究，采用方便、先進的工控組態(tài)MCGS，更直觀的顯示了實驗的全過程，更好的完成了監(jiān)控系統(tǒng)。