基于內(nèi)?？刂频腜ID在過程控制中的應(yīng)用研究畢業(yè)論文

1、 . . . 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告(論文)基于?？刂频腜ID在過程控制中的應(yīng)用研究所 屬 系 化工與制藥工程系 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 學(xué) 號(hào) 06110341 姓名 王大林 指導(dǎo)教師 夕松 起訖日期 2014.1-2014.5 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 東南大學(xué)四牌樓校區(qū)動(dòng)力樓119東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）誠(chéng) 信 承 諾本人承諾所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）與取得的成果是在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成，引用他人成果的部分均已列出參考文獻(xiàn)。如論文涉與任何知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，本人將承擔(dān)一切責(zé)任。學(xué)生簽名： 日期： 23 / 30基于?？刂频腜ID在過程控制中的應(yīng)用研究摘要?？刂剖腔谶^程數(shù)學(xué)模型而進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的一種新型控制策略

2、。?？刂凭哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制性能好，性能分析優(yōu)越等。隨著工業(yè)過程自動(dòng)化的普與，過程控制越來越受到控制界的廣泛關(guān)注。?？刂凭褪瞧渲兄?，它是以控制部數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過控制部模型來達(dá)到控制整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到工業(yè)過程生產(chǎn)指標(biāo)的要求。所以?？刂撇粌H是一種先進(jìn)的控制算法，而且是研究預(yù)測(cè)控制模型的控制策略的重要理論基礎(chǔ)！本論文基于東南大學(xué)過程控制實(shí)驗(yàn)室HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以該平臺(tái)中的液位過程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于可編程序控制器（PLC）的過程控制系統(tǒng)，采用?？刂疲↖MC）算法，仿真并實(shí)驗(yàn)研究IMC在該過程中的應(yīng)用效果。通過本次學(xué)習(xí)掌握IMC原理與算法，為以后在工作中的工程實(shí)際應(yīng)用打

3、下良好的鋪墊！論文在介紹了HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，闡述了液位過程建模的方法和特點(diǎn)。在機(jī)理建模，試驗(yàn)建模和混合建模中選用試驗(yàn)建模方法建立了被控過程的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)液位過程PLC控制系統(tǒng)，包括液位計(jì)、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、PLC輸入/輸出模塊的接線，以與與PC機(jī)間的通訊連接。仿真比較了IMC-PID控制與IMC的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，設(shè)計(jì)采用串級(jí)IMC控制方案，既提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。編寫基于PLC的IMC應(yīng)用軟件，以與基于PC上位機(jī)的應(yīng)用組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)液位過程的自動(dòng)控制和監(jiān)督管理，仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該方案的有效性。仿真研究算法超調(diào)和實(shí)際水箱液位

4、超調(diào)基本上都穩(wěn)定在設(shè)定值附近，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：模控制; 串級(jí)控制; IMC-PID; PLC監(jiān)控Based on internal model control for the application of PID control in the processAbstract Internal model control is based on the mathematical model of a novel control strategy for controller design.The internal model control has many advantages, su

5、ch as simple design, good control performance, superior performance analysis.Along with the development of industrial process automation, process control has attracted more and more attention in control field.The internal model control is one of them, it is to control the mathematical model, the int

6、ernal model control to achieve stable control of the whole system, and achieve the production index of industrial process requirements. So the internal model control is not only a kind of advanced control algorithm, but also is the important theoretical basis of prediction control model! In this pap

7、er, process control laboratory of Southeast University experimental platform based on HGK-1 types of process control, the level process of the platform as the research object, design based on programmable controller (PLC) of the process control system, the internal model control (IMC) algorithm, the

8、 application effect of experimental research of IMC in the process of simulation and. Through the study and master the IMC principle and algorithm, for the future work in the practical engineering application to lay a good foundation! Based on the introduction of the HGK-1 process control experiment

9、al platform, expounds the characteristics and methods of liquid level process modeling. The mechanism modeling, experimental modeling and hybrid modeling using experimental modeling method to establish the mathematical model of controlled process. Design of liquid level process control system for PL

10、C, including liquid level meter, flowmeter, control valve, PLC input / output module wiring, and inter PC communication connection. Simulation of dynamic IMC-PID control and IMC and static performance.In order to improve the control system dynamic and static performance, design the cascade IMC contr

11、ol scheme, which improves the dynamic characteristics of the system, and ensure the steady state accuracy of the system. Preparation of PLC based on IMC application software, and based on the application of configuration software PC PC, to realize the automatic control and the supervision level proc

12、ess, the simulation and experiment results show the effectiveness of the proposed scheme. Simulation Research on the algorithm of overshoot overshoot actual water level basically stable around the setting value, reached the design requirements.Key words: Internal model control; Cascade control; IMC-

13、PID; PLC control目 錄摘要Abstract目 錄第一章 引言11.1 引言 11.2 模控制的發(fā)展現(xiàn)狀與前景 11.3 本文的研究目的2 1.4 該論文基于?？刂频腜ID在過程控制中的應(yīng)用研究的主要工作容和章節(jié)如下： 3第二章 過程建模42.1 系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)介42.2 液位過程建模 72.2.1 建立過程數(shù)學(xué)模型的目的72.2.2 過程數(shù)學(xué)模型的求取方法82.2.3 液位試驗(yàn)建模92.2.4 液位建模步驟9第三章 ?？刂圃砼c仿真研究113.1 模控制器原理 113.1.1 IMC-PID原理123.2 模控制器設(shè)計(jì)133.2.1 流量的串級(jí)控制設(shè)計(jì)143.2.2 基于模控制的P

14、ID控制器設(shè)計(jì)143.3 仿真研究16第四章 液位過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)204.1 控制系統(tǒng)軟硬件選型204.1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)204.1.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)204.2 IMC算法的PLC實(shí)現(xiàn)224.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖224.2.2 IMC算法的計(jì)算流程224.2.3 IMC算法的PLC實(shí)現(xiàn)23第五章 總結(jié)24參考文獻(xiàn)25第一章 引言1.1 引言模控制是20世紀(jì)80年代初由Garcia cE和Mohed M等人提出的，其產(chǎn)生背景主要有兩個(gè)方面：一是為了對(duì)當(dāng)時(shí)提出的兩種基于非最小化和非參數(shù)模型預(yù)測(cè)控制算法MAc和DMc進(jìn)行系統(tǒng)分析；其次是作為sm岫預(yù)估器的一種擴(kuò)展，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便，魯棒性與抗干擾性大為

15、改善。因此，?？刂撇粌H是一種實(shí)用的先進(jìn)控制算法，而且是研究預(yù)測(cè)控制等基于模型的控制策略的重要理論基礎(chǔ)，以與提高常規(guī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的有力工具1。隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求越來越高，控制界對(duì)控制系統(tǒng)的研究也日益完善。在工業(yè)控制領(lǐng)域相當(dāng)多的控制問題可以用簡(jiǎn)單的PID控制器解決，但許多被控對(duì)象機(jī)理比較復(fù)雜，具有大純滯后、明顯非線性和多變量藕合性。其控制過程在其它一些干擾條件的影響下，控制過程的模型參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生變化，因此采用常規(guī)PID控制器，以一組固定不變的PID參數(shù)去適應(yīng)被控過程參數(shù)變化、干擾等不確定因素顯然難以獲得滿意的效果2。所以這就要求我們不斷改進(jìn)控制系統(tǒng)的參數(shù)與結(jié)構(gòu)

16、去適應(yīng)多變的控制對(duì)象，進(jìn)而使得控制效果達(dá)到我們工業(yè)生產(chǎn)的目的。?？刂谱鳛橐环N新型的控制方法，隨后又被推廣到MIMO系統(tǒng)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明IMC也是多變量過程調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的重要方法之一。在其他的一些領(lǐng)域如非線性過程的控制，大時(shí)滯過程的控制和魯棒性調(diào)節(jié)器的研究與控制都得到充分的發(fā)揮。與傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)相比，?？刂朴性S多優(yōu)點(diǎn)，其具有結(jié)果簡(jiǎn)單，參數(shù)整定的較少，并且在應(yīng)用過程中簡(jiǎn)化明了，在線調(diào)控也比較容易等優(yōu)點(diǎn)。?？刂频木C合性能需在控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能之間折中。?？刂茖?duì)于魯棒性和抗干擾性的改進(jìn)較為突出，而且對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)的控制也有良好的控制效果。模控制是分析和設(shè)計(jì)其他控制系統(tǒng)的有力助手，尤

17、其是對(duì)于預(yù)測(cè)控制和PID控制發(fā)揮著優(yōu)越的應(yīng)用。所以?？刂谱詮乃M(jìn)入控制界以來受到了越來越廣泛的重視，而且在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中也取得了成功的應(yīng)用，如機(jī)械過程控制，液位控制，流程控制，礦物加工控制，化工生產(chǎn)控制等。當(dāng)今的?？刂埔言诳刂平缯加袩o可取代的一席之地。1.2 ?？刂频陌l(fā)展現(xiàn)狀與前景 ?？刂?IMC)產(chǎn)生的背景主要有兩個(gè)方面：一是為了對(duì)當(dāng)時(shí)提出的兩種預(yù)測(cè)控制算法MAC和DMC進(jìn)行系統(tǒng)分析；其次是作為Smith預(yù)估器的一種擴(kuò)展，使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便，魯棒與抗擾性大為改善。在過程工業(yè)控制中，普遍使用的調(diào)節(jié)器類型是PID型。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，操作簡(jiǎn)單，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中具有優(yōu)越的應(yīng)用價(jià)值，因此PID控制器參

18、數(shù)的整定方法一直受到國(guó)外控制領(lǐng)域的開發(fā)和探索。1974年，德國(guó)學(xué)者frank首先提出?？刂平Y(jié)構(gòu)，1979 年Brosilow在推斷控制基礎(chǔ)上，證明了?？刂剖峭茢嗪皖A(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的核心，并提出幾種設(shè)計(jì)?？刂破鞯姆椒?。1982年，Gracia和Morari完整提出并發(fā)展了模控制結(jié)構(gòu),并將其命名為?？刂啤＿@二人對(duì)?？刂频男再|(zhì)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究，分析了模控制的穩(wěn)定性和魯棒性兩大性質(zhì)。 隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的推進(jìn)，?？刂瓢l(fā)生著與時(shí)俱進(jìn)的變化，其結(jié)構(gòu)由淺入深，由復(fù)雜到簡(jiǎn)單。?？刂瞥Ｓ玫脑O(shè)計(jì)方法有兩步法3、零極點(diǎn)對(duì)消法、預(yù)測(cè)控制法、有限拍法4、優(yōu)化法、IMC-PID法5等。其中基于?？刂频腜ID控制不僅

19、保留了傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，而且具有整定參數(shù)少，適用于時(shí)滯控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。到目前為止模控制的基本原理和構(gòu)造框架已得到充分的研究和應(yīng)用，現(xiàn)在的模控制與其他的控制方法結(jié)合在一起，功能相互包含、相互滲透、相互依存，從而達(dá)到了最完美的控制效果，也使得?？刂频膬?yōu)勢(shì)得到了最充分的發(fā)揮。現(xiàn)有常見的綜合控制算法有：自適應(yīng)?？刂?、魯棒模控制、模糊?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?？刂?、基于線性化方法的非線性?？刂频?。1.3 本文的研究目的?？刂剖且环N根據(jù)過程的部數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)直觀簡(jiǎn)便，在線調(diào)節(jié)參數(shù)少，且調(diào)整方針明確，調(diào)整容易，對(duì)系統(tǒng)魯棒性和抗擾性的改善有較好的效果6。?？刂婆c經(jīng)典

20、PID 控制相比，僅有一個(gè)整定參數(shù)，參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確, 特別是對(duì)于抗干擾性和大時(shí)滯系統(tǒng)控制效果的改善尤為顯著，適用于時(shí)滯系統(tǒng)的控制。在工業(yè)過程控制中，采用模控制可以提高PID 控制器的設(shè)計(jì)水平。東南大學(xué)動(dòng)力樓119實(shí)驗(yàn)室有HGK1型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（含液位過程），以與菲尼克斯PLC硬件和相關(guān)的開發(fā)軟件為這次設(shè)計(jì)基于?？刂疲↖MC）的PID液位控制提供了必要的前提條件。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要目的在于掌握IMC的工程應(yīng)用技術(shù)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以了解IMC這種先進(jìn)的控制算法，學(xué)習(xí)掌握IMC算法原理與其在液位控制過程中的實(shí)現(xiàn)方法，掌握基于階躍響應(yīng)的過程建模方法以與在MATLA

21、B環(huán)境下的IMC仿真實(shí)現(xiàn)方法，編寫IMC應(yīng)用軟件和組態(tài)軟件等。在設(shè)計(jì)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)都有一定的難度，其中所遇到的問題也是層出不窮，最大的收獲是在解決問題的過程中所獲得的經(jīng)驗(yàn)和使用的方法都會(huì)對(duì)以后的學(xué)習(xí)工作提供相當(dāng)大的幫助。1.4 該論文基于?？刂频腜ID在過程控制中的應(yīng)用研究的主要工作容和章節(jié)如下：本文基于東南大學(xué)動(dòng)力樓119實(shí)驗(yàn)室HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以該平臺(tái)中的液位過程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于可編程序控制器（PLC）的液位控制系統(tǒng)，采用?？刂疲↖MC）算法，仿真并實(shí)驗(yàn)研究IMC在該過程中的應(yīng)用效果。本文的主要容和章節(jié)安排如下：第一章 介紹了有關(guān)模控制的研究背景,?？刂频目刂频陌l(fā)展現(xiàn)狀和前

22、景以與本文的研究目的。第二章 概要介紹HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其功能，描述了HGK-1型液位控制系統(tǒng)的工作過程整個(gè)大循環(huán)，重點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)建模，機(jī)理建模和混合建模三者之間選用合適的建模方法去建立平臺(tái)中的液位-流量數(shù)學(xué)模型。第三章 仿真比較PID控制與IMC在液位過程控制中的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，分析模控制設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性。第四章 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)液位過程液位控制控制系統(tǒng)，以菲尼克斯ILC-131 ETH型PLC，利用PLC編程軟件對(duì)IMC算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并使用力控監(jiān)控軟件對(duì)此液位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組態(tài)和監(jiān)控；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制效果，并將其與傳統(tǒng)PID控制效果進(jìn)行比較分析。第五章 對(duì)研究工作進(jìn)行總結(jié)和展望，提出了

23、進(jìn)一步的研究方向。第二章 過程建模本章概要介紹了HGK-1型過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其功能，以與在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上建立的液位控制系統(tǒng)。重點(diǎn)討論采用試驗(yàn)建模法建立液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。2.1 系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)介1.對(duì)象結(jié)構(gòu)HGK-1型試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，圖2-1 HGK-1實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖HGK-1型實(shí)驗(yàn)裝置包括被控對(duì)象和控制臺(tái)兩大部分?？刂婆_(tái)如圖2-2所示圖2-2 HGK-1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制臺(tái)已組裝PLC與電源如圖2-3：圖2-3工作中的PLC從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含有：塑膠透明水箱、電動(dòng)閥、儲(chǔ)水罐、變頻器、LED面板、泵、三相電加熱裝置等等。2.過程檢測(cè)儀表系統(tǒng)中采用的過程檢測(cè)儀表包括：(1)壓力傳感

24、器管道中壓力傳感器，用來監(jiān)測(cè)管道壓力。輸出與管道液體的壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。(2)液位傳感器系統(tǒng)中的液位傳感器，通過液體所產(chǎn)生的壓力用來檢測(cè)水箱液位。輸出與被測(cè)液體的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。(3)渦輪流量傳感器用來檢測(cè)單相水泵動(dòng)力支路的流量，包括供水流量以與出水流量。它的輸出信號(hào)為頻率，通過流量積算變送儀轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號(hào)輸出。3.系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中采用的執(zhí)行器裝置有：(1)電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，用來調(diào)節(jié)管道水流量。(2)變頻器，用來調(diào)節(jié)小流量泵的出水流量。HGK-1型液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。水箱水池泵231液位傳感器 圖2-4

25、HGK-1型液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1：測(cè)管道壓力的傳感器2：流量計(jì)3：電動(dòng)閥調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)所使用的能源不同可分為3種：以壓縮空氣為能源的為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；以電為能源的為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；以高壓液體為能源的為液動(dòng)調(diào)節(jié)閥。在實(shí)驗(yàn)過程中儲(chǔ)水罐要保證有充足量的水來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的大循環(huán)。儲(chǔ)水罐中的水通過水泵打入到塑膠透明水箱中，在水箱中的水量對(duì)底部有一定的壓力，通過液位傳感器所測(cè)出的液位信號(hào)，送入PLC中，通過PLC中的所編好的程序，輸出控制信號(hào)進(jìn)電動(dòng)閥控制端，控制電動(dòng)閥的調(diào)節(jié)來保持恒定的液位。2.2 液位過程建模在控制系統(tǒng)的性能分析和方案設(shè)計(jì)中，對(duì)象數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性在控制系統(tǒng)中具有決定性的作用。對(duì)

26、象數(shù)學(xué)模型與真實(shí)控制對(duì)象比較符合就能得到穩(wěn)定的階躍曲線，為了能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，需要分別對(duì)控制系統(tǒng)和擾動(dòng)通道進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而得到更完美的控制效果。被控過程的數(shù)學(xué)模型描述了過程的各種輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）與相應(yīng)輸出量（被控量）之間的關(guān)系，即對(duì)象受到輸入與干擾作用后，被控變量響應(yīng)曲線是如何變化的、變化量為多少等，該實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的是一階特性階躍響應(yīng)曲線。2.2.1 建立過程數(shù)學(xué)模型的目的建立被控過程數(shù)學(xué)模型的主要目的可以歸納為如下幾點(diǎn)10：1）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)深刻了解大時(shí)滯特性是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的前提。大時(shí)滯控制系統(tǒng)中被控變量與檢測(cè)點(diǎn)的選擇、控制（操縱）變量的確定、控制器結(jié)構(gòu)形式的選定等都

27、與被控對(duì)象的特性有關(guān)。2）調(diào)試控制系統(tǒng)和參數(shù)修定對(duì)被控對(duì)象特性的熟悉程度是調(diào)試和模擬仿真的保證。同時(shí)，選擇控制特性規(guī)律和控制器參數(shù)的確定都和被控對(duì)象特性有關(guān)。3）制訂工業(yè)過程的優(yōu)化控制方案優(yōu)化控制往往可以在基本不增加投資與設(shè)備的情況下，獲取可觀的經(jīng)濟(jì)效益。這離不開對(duì)被控對(duì)象特性的了解，而且主要是依靠對(duì)象的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化4）優(yōu)化控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)控制算法在系統(tǒng)優(yōu)化和確定控制算法的過程中，需要以被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)。例如，預(yù)測(cè)控制、推理控制、前饋動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制等都是在已知對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行的。5）建立計(jì)算機(jī)仿真過程培訓(xùn)系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)仿真技術(shù)，使操作人員可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)各種控制

28、策略進(jìn)行定量的比較與判定。還可為操作人員提供仿真操作的平臺(tái)，從而為高速、安全、低成本地培訓(xùn)工程技術(shù)人員和操作員提供借鑒，并有可能制定大型設(shè)備的啟動(dòng)和停車操作方案。6）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)和優(yōu)化工作利用數(shù)學(xué)模型可以與時(shí)發(fā)現(xiàn)工業(yè)過程中控制系統(tǒng)的故障與其原因，并提供正確的解決途徑。2.2.2 過程數(shù)學(xué)模型的求取方法一般來說，過程數(shù)學(xué)模型的求取方法如3： (1)機(jī)理建模機(jī)理建模是根據(jù)對(duì)象或生產(chǎn)過程的部機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程等，從而得到對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 (2)試驗(yàn)建模在機(jī)理模型無法確定的情況下，可采用試驗(yàn)建模的方法得到對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)建

29、模就是針對(duì)所要研究的對(duì)象，人為地施加一個(gè)輸入作用，然后用儀表記錄表征對(duì)象特性的物理量隨著時(shí)間變化的規(guī)律，得到一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線。這些數(shù)據(jù)或曲線就可以用來表示對(duì)象特性。 這種應(yīng)用對(duì)象輸入輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來決定其模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的方法，通常稱為系統(tǒng)辨識(shí)。它的主要特點(diǎn)是不管部結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜或者簡(jiǎn)單，我們都認(rèn)為對(duì)其研究的對(duì)象是一無所知的，對(duì)于復(fù)雜的研究對(duì)象：部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用機(jī)理建模很難得到確定的模型，而試驗(yàn)建模是根據(jù)被控對(duì)象外部特性來描述對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能，所以對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象，試驗(yàn)建模比機(jī)理建模更具有實(shí)用性。 （3）混合建模將機(jī)理建模與實(shí)驗(yàn)建模結(jié)合起來，稱為混合建模?；旌辖Ｊ揭环N比較實(shí)用的方法，它先由

30、激勵(lì)分析的方法提出數(shù)學(xué)模式的結(jié)構(gòu)形式，然后對(duì)其中某些未知的或不確定的參數(shù)利用實(shí)驗(yàn)的方法給予確定。 由于該實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，不易使用機(jī)理建模法求取過程的數(shù)學(xué)模型，故采用試驗(yàn)法建模。為了得到精度較高的數(shù)學(xué)模型，本文采用基于階躍信號(hào)的時(shí)域建模法，即飛升曲線法。該方法是在被控對(duì)象上人為地加入階躍干擾后，通過測(cè)定被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性曲線，然后在matlable軟件上擬合得到，進(jìn)而得到被控對(duì)象的抽象傳遞函數(shù)。為了得到精確的測(cè)試結(jié)果，應(yīng)注意以下事項(xiàng)7： 1） 合理選擇階躍擾動(dòng)信號(hào)的幅度，既不能太大，以免影響正常生產(chǎn)，也不能過小，以防止被控過程的不真實(shí)。通常取階躍信號(hào)值為正常輸入信號(hào)的10%15%，以不影響生產(chǎn)

31、為準(zhǔn)。2）實(shí)驗(yàn)應(yīng)在一樣條件下重復(fù)做幾次，需獲得兩次以上的比較接近的響應(yīng)曲線，從而減少干擾的影響。3）實(shí)驗(yàn)應(yīng)在階躍信號(hào)做正方向和反方向的變化，同時(shí)分別測(cè)出兩個(gè)方向的階躍響應(yīng)曲線，以檢驗(yàn)被控過程的非線性程度。4）實(shí)驗(yàn)中在輸入階躍信號(hào)前，被控過程必須處于穩(wěn)定的工作狀況。在一次實(shí)驗(yàn)后，必須使被控過程穩(wěn)定一段時(shí)間再施加測(cè)試信號(hào)做第二次實(shí)驗(yàn)。5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后， 對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)要進(jìn)行處理，一些明顯偏離實(shí)際曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。2.2.3 液位試驗(yàn)建模（1） 對(duì)于HGK-1型液位控制系統(tǒng)而言，由于管道距離很短，閥門的微小動(dòng)作都會(huì)立刻造成水箱液位的變化，所以認(rèn)為對(duì)于該流量-液位模型是無滯后環(huán)節(jié)的，忽略滯后時(shí)間。機(jī)

32、理建模分析，液位模型是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，設(shè)傳遞函數(shù)為，需要求的增益和時(shí)間常數(shù)。2.2.4 液位建模步驟本次試驗(yàn)選取變頻器衡定頻率工作，用來給整個(gè)系統(tǒng)提供水量。通過多次試驗(yàn)，選擇38.6Hz。出水閥門選擇一個(gè)，全開狀態(tài)。這里建模需要用到上位機(jī)和PLC部分程序，用來手動(dòng)設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥大小。同時(shí)在上位機(jī)上定量記錄液位的實(shí)際值大小和對(duì)應(yīng)流量大小。數(shù)據(jù)結(jié)果保存一個(gè)txt文本文件中。然后在MATLAB中處理這些數(shù)據(jù)，提高建模準(zhǔn)確性。具體步驟以其中一次實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明：（1）開機(jī)上電后，啟動(dòng)變頻器，在上位機(jī)上設(shè)置閥門開度20%大小。等待液位穩(wěn)定。時(shí)間大概一個(gè)小時(shí)左右。實(shí)際情況是液位在很長(zhǎng)一段時(shí)間還會(huì)緩慢變化

33、上升。記下此時(shí)穩(wěn)定后的液位為117.042mm，流量360.1845L/h（2）修改設(shè)置閥門開度為25%。此時(shí)流量上升。（3）經(jīng)過1個(gè)小時(shí)左右，液位基本不變化。記下此時(shí)液位172.023，流量382.8462L/h（4）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，上位機(jī)以5s歸檔周期歸檔記錄數(shù)據(jù)（5）在MATLAB中處理所得數(shù)據(jù)，由于實(shí)際液位數(shù)據(jù)存在抖動(dòng)，先經(jīng)過擬合后，然后在擬合曲線上進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求取。（6）多次試驗(yàn)，在加正階躍和負(fù)階躍等一樣情況下，做多次試驗(yàn)，取得合理模型。圖2-5 實(shí)際液位曲線圖圖2-6 實(shí)際流量曲線圖圖2-7 擬合曲線由上擬合曲線在Matlable軟件上可以得出數(shù)學(xué)模型為: Y=1698.2-150

34、 （1）由（1）式可得： 放大系數(shù)（增益）K=150mm min/L （2）時(shí)間常數(shù) T=1169s （3） 由（2）（3）可得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型為 （4） 將所得模型在Simulink中仿真后，和實(shí)際數(shù)據(jù)以與擬合曲線相比較。如圖2-7所示，可看出所得模型和實(shí)際數(shù)據(jù)之間吻合的還是不錯(cuò)的，所得模型可用。在多次試驗(yàn)后，取得多組數(shù)據(jù)，建模。最后取幾組合理模型的平均值。最終選取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：（5）第三章 ?？刂圃砼c仿真研究 在第二章中，已通過試驗(yàn)建模法建立了液位-流量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，參量模型一般采用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，如描述控制對(duì)象的傳遞函數(shù)與輸入輸出關(guān)系的方程式等。本章主要對(duì)擬采用的控制方案的原理

35、與所需要的參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)仿真。3.1 ?？刂破髟砟？刂疲↖MC)從字面意思就可以知道它的含義：通過控制被控對(duì)象的部模型來控制整個(gè)操作過程！模控制的典型框圖如圖3-1所示，3-1 模控制框圖由圖3-1 可得?？刂葡到y(tǒng)傳遞函數(shù)為：+ （3.1）在模型沒有誤差，即=時(shí)，式子（3.1）可化簡(jiǎn)為： （3.2）若，由式(3.2)可得： (3.1)假設(shè)“模型可逆”，即可以實(shí)現(xiàn)，可令： (3.2)將式(3.4)帶入式(3.3)，可得 (3.3)式(3.5)表明?？刂破骺纱_保輸出跟隨設(shè)定值的變化。此時(shí)模型的輸出與過程輸出相等，反饋信號(hào)為零。因此，當(dāng)不存在模型誤差和未知干擾的條件下，?？刂葡到y(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。

36、這就清楚的表明，對(duì)開環(huán)穩(wěn)定的過程而言，反饋的目的是克服過程的不確定性8。 同樣，若,，且假設(shè)模型正確，將式(3.4)帶入式(3.3)，此時(shí)： (3.4)可見，只要模型不存在建模誤差該假設(shè)條件成立，不管干擾如何，模控制均可克服外界擾動(dòng)15。3.1.1 IMC-PID原理在過程控制的實(shí)際應(yīng)用中, 采用模控制原理能從根本上提高PID控制器的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。與經(jīng)典PID 控制相比, IMC-PID控制僅有一個(gè)整定參數(shù),參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確, 并且與其他控制方法的結(jié)合也很容易9。為求取圖3-1中輸入、擾動(dòng)與過程輸出之間的傳遞函數(shù), 將圖3-1進(jìn)行如圖3-2(a)所示的簡(jiǎn)單變換，從

37、而得到經(jīng)典的反饋形式，如圖3-2(b)所示。(a) ?？刂谱儞Q(b) IMC-PID形式圖3-1 模控制的等效方框圖由圖3-2(a)的變換可得： (3.7)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)思路清晰，步驟簡(jiǎn)單，在控制理論界和工程應(yīng)用領(lǐng)域都得到了普遍重視。然而，由于?？刂茖?duì)模型有較強(qiáng)的依賴性10，這也限制了它在工業(yè)過程中的推廣應(yīng)用。3.2 模控制器設(shè)計(jì)?？刂破魇窃凇澳Ｐ蜎]有誤差，而且可逆”這個(gè)假設(shè)條件下的理想反饋控制器。但在實(shí)際工作中，模型與實(shí)際過程總會(huì)存在誤差。此外，有時(shí)也不完全可倒，比如，中若包含純滯后環(huán)節(jié)，其倒數(shù)為純超前環(huán)節(jié)，這顯然是物理不可實(shí)現(xiàn)的14。其次，中若包含非最小相位環(huán)節(jié)（即其零點(diǎn)在右半平面），其倒

38、數(shù)則會(huì)形成不穩(wěn)定環(huán)節(jié)。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)?？刂破鲿r(shí)可先將過程模型分解如下： (3.8)式中包含了所有的純滯后和右半平面的零點(diǎn)，并規(guī)定其穩(wěn)態(tài)增益為1，令 (3.9)由第二章得出的模型：，K=150，T=1169可得：由3.10可得：這里是穩(wěn)態(tài)增益為1的低通濾波器17。其典型形式為： (3.10)式中為希望的閉環(huán)時(shí)間常數(shù)，參數(shù)是一正整數(shù)。添加濾波器，通過選擇可使的分母階次大于或等于分子的階次，從而保證是物理可實(shí)現(xiàn)的，而且是穩(wěn)定的。這里取r=1，暫時(shí)取40，可以得到： （3.11）需要注意的是，因?yàn)槭?3.10)中的控制器是基于零極點(diǎn)相消原理來設(shè)計(jì)的，因而這種形式的?？刂扑惴ú荒軕?yīng)用于開環(huán)不穩(wěn)定過程

39、13。假設(shè)模型沒有誤差，即,將式(3.8)和式(3.9)代入式(3.2)，可得 (3.12)當(dāng)無擾動(dòng)且設(shè)定值變化時(shí)，即，,此時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (3.13)式(3.13)表明濾波器與閉環(huán)性能直接相關(guān)。濾波器中的時(shí)間常數(shù)是個(gè)可調(diào)整的參數(shù)，時(shí)間常數(shù)越小，對(duì)的跟蹤滯后越小，但系統(tǒng)對(duì)模型誤差過于敏感，即魯棒性變差。時(shí)間常數(shù)增大，系統(tǒng)魯棒性增強(qiáng)，但是跟蹤滯后變大，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間增加。所以對(duì)某個(gè)具體系統(tǒng)，濾波器時(shí)間常數(shù)的取值應(yīng)在兼顧動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)魯棒性之間進(jìn)行折衷。3.2.1 流量的串級(jí)控制設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)可以采用最簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，以液位為反饋量。單回路控制系統(tǒng)一般情況下都能滿足正常生產(chǎn)的要

40、求，但是在純滯后較大，負(fù)荷和干擾變化較大或者工藝質(zhì)量要求很高的時(shí)候采用單回路的方法就不太有效。如果在液位控制系統(tǒng)中采用串級(jí)控制，就能改善過程的動(dòng)態(tài)特性，迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)的工作頻率，使得系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。所以系統(tǒng)采用串級(jí)制,結(jié)構(gòu)如圖3-3所示： 圖3-3 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖3.2.2 基于?？刂频腜ID控制器設(shè)計(jì)在化工機(jī)械等過程工業(yè)生產(chǎn)中，控制器的主要類型是PID調(diào)節(jié)器。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)，并且具有很好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能。但是在對(duì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)或安全生產(chǎn)要求較高的過程中，經(jīng)典PID控制的應(yīng)用受到了極大的限制16。IMC-PID控制器不僅保持

41、了傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在線調(diào)節(jié)容易等特點(diǎn)，還具有?？刂普▍?shù)少，參數(shù)調(diào)節(jié)與系統(tǒng)品質(zhì)、魯棒性關(guān)系明確，適用于時(shí)滯系統(tǒng)控制等優(yōu)點(diǎn)。因此，IMC-PID控制在工業(yè)控制，尤其是對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)控制過程中，得到了廣泛應(yīng)用。 添加濾波器，選擇使為半真的；或者為了尋找等效PID控制器，允許分子階次比分母階次大1，即允許非真，這是與?？刂圃O(shè)計(jì)的主要差別。由第二章得到的形式： 可以推出 (3.14)將式(3.15)表示成PID形式，尋找相應(yīng)的、。根據(jù)被控過程的不同，有時(shí)未必能導(dǎo)成理想PID結(jié)構(gòu)，在這種情況下，我們可以用經(jīng)典PID串聯(lián)一個(gè)一階濾波器來表示，濾波器時(shí)間常數(shù)為。 (3.15)根據(jù)3.16和第二章得

42、到的過程模型，可得：進(jìn)行閉環(huán)仿真，考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，調(diào)整大小。一般情況下，的初值可選為系統(tǒng)主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)的之間?？紤]IMC-PID結(jié)構(gòu)在消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差方面的性能，將式(3.10)代入式(3.14)，可得 (3.16)當(dāng)時(shí)，且 (3.17)將式(3.17)代入(3.16)中，可知其分母為零，即 (3.18)式(3.18)的意義是控制器的零頻增益為無窮大。由控制原理知道，零頻增益為無窮大的反饋控制可以消除由外界擾動(dòng)引起的余差。這表明盡管模控制器本身沒有積分項(xiàng)，但I(xiàn)MC-PID控制的結(jié)構(gòu)保證了整個(gè)模控制可以消除余差11。3.3 仿真研究基于第二章所建立的液位-流量模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)矩陣控制的參數(shù)

43、優(yōu)化選擇，仿真比較PID控制與IMC在液位過程控制中的性能。圖3-4 IMC控制仿真圖如圖3-4，這是一個(gè)串級(jí)控制的仿真圖，圖中Fcn1是非線性模塊，Transfer Fcn3是副回路的PI控制器，Gain1是為了流量和調(diào)節(jié)閥開度匹配的增益系數(shù)，設(shè)為0.05。Transfer Fcn是液位過程的傳遞函數(shù)，Transfer Fcn1是主回路的PI控制器，Gain是液位當(dāng)前值與設(shè)定值之間的增益系數(shù)，設(shè)為1。其中由可以得到P=176，I=0.151，D=0 第四章 液位過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該液位控制系統(tǒng)主要控制電動(dòng)閥按照預(yù)定的工藝與功能要求執(zhí)行動(dòng)作。它是由菲尼克斯電氣XX公司的自動(dòng)化控制產(chǎn)品與軟件產(chǎn)品設(shè)

44、計(jì)的一個(gè)完整的控制方案，其組成包括可編程序控制器，人機(jī)接口，工控軟件與監(jiān)控界面等產(chǎn)品，通過現(xiàn)場(chǎng)總線以與相應(yīng)的通訊軟件將各種設(shè)備以高速、確定的數(shù)字通訊方式連網(wǎng)。菲尼克斯電氣是電氣工程和自動(dòng)化領(lǐng)域的世界市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。其領(lǐng)域圍涉與各種不同的電氣技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品，包括可供設(shè)備和機(jī)械制造商使用的各種連接技術(shù)，用于現(xiàn)代控制柜的電氣元件，以與適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合與行業(yè)的客戶定制解決方案。4.1 控制系統(tǒng)軟硬件選型4.1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)菲尼克斯系統(tǒng)簡(jiǎn)介：菲尼克斯是一種功能模塊化的小型PLC系統(tǒng)，其具有良好的性價(jià)比使之成為中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的最佳選擇。100系列緊湊型控制器是菲尼克斯電氣Easy Automation

45、系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，采用該系列PLC與Easy Automation系統(tǒng)的其他產(chǎn)品組合提供豐富的IO模塊，軟件工具，HMI與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，安全生產(chǎn)。Inline IO 采用插拔代替接線，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)的高度靈活擴(kuò)展。其模塊有數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊，電源功率模塊，模擬量輸入輸出模塊，溫度測(cè)量模塊，通訊模塊，主站通訊模塊，位置測(cè)量模塊，計(jì)數(shù)器脈沖模塊，總線耦合器，分支模塊等。檢測(cè)儀表:壓力，液位，流量傳感器。系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu): 智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。4.1.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所有軟件運(yùn)行在Windows 7平臺(tái)上，PLC處理器中的數(shù)據(jù)區(qū)包含了底層可以得到的信息和需要控制的目標(biāo)數(shù)據(jù)。使用菲尼克斯可以方便地

46、對(duì)控制系統(tǒng)編程；WINCC軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)并提供圖形監(jiān)控和人機(jī)界面，從而完成整個(gè)控制任務(wù)。下面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的各種軟件作簡(jiǎn)要說明。100系列緊湊型控制器支持所有的通用通信方式，如以太網(wǎng)，移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)。該控制器可使用inline I/O模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單擴(kuò)展并提供一個(gè)集成式WEB服務(wù)器。作為控制中心與I/O層之間的接口，該系列控制器有效地在你的系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。簡(jiǎn)而言之，它們即使在分布式系統(tǒng)中也是適用于中小型應(yīng)用場(chǎng)合的理想解決方案。它有以下幾個(gè)類型：帶遠(yuǎn)程總線支持的緊湊型控制器ILC 151 ETH ；帶兩個(gè)以太網(wǎng)口和一個(gè)SD卡插槽的緊湊型控制器ILC 171 ETH 2TX；集成浮點(diǎn)算術(shù)單元

47、的高性能緊湊型控制器 ILC 191 ETH 2TX；還有一個(gè)是緊湊型控制器基本型應(yīng)用 ILC 131 ETH。在本次試驗(yàn)過程中所使用的PLC類型是ILC 131 ETH；它具有功能齊全，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。100系列控制器擴(kuò)展功能與特點(diǎn)：Modbus/TCP集成在固件中，可提高性能并簡(jiǎn)化配置，這樣與其他Modbus的通信甚至就更為簡(jiǎn)單；集成SD卡槽：用于快速的存儲(chǔ)擴(kuò)展與軟件的簡(jiǎn)單實(shí)用；FTP服務(wù)器；閃存文件系統(tǒng)；可作為主站，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線從站擴(kuò)展；支持眾多協(xié)議如 ,FTP,等等；免費(fèi)的編程軟件 PC WORX EXPRESS；XC型號(hào)適用于寬溫需求-40度到+60度。PC WORX 是一款適用于所

48、有菲尼克斯電氣控制器的符合IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的通用自動(dòng)化軟件，其界面能夠快速方便的顯示項(xiàng)目概況。窗口設(shè)計(jì)為文件夾，從而簡(jiǎn)化了操作。可自由安裝和拆卸的工作空間和組態(tài)工具欄可輕松滿足用戶的各種要求，使編程效率提高。數(shù)字量輸入模塊：inline IO模塊適用于節(jié)省空間的經(jīng)濟(jì)型場(chǎng)合，例如適用于僅有少數(shù)量的接線方式的機(jī)械應(yīng)用場(chǎng)合。Inline 數(shù)字量輸入模塊專門用于連接從如控制開關(guān)，限位開關(guān)或接近開關(guān)引出的數(shù)字量信號(hào)。數(shù)字量輸出模塊： inline ME 經(jīng)濟(jì)型模塊適用于節(jié)省空間的經(jīng)濟(jì)型場(chǎng)合，例如適用于僅有少數(shù)量的接線方式的機(jī)械應(yīng)用場(chǎng)合。Inline 數(shù)字量輸出模塊專門用于連接數(shù)字執(zhí)行器，例如電磁閥，

49、接觸器或視覺指示燈。電源功率模塊：inline 電源模塊用于在一個(gè)inline站對(duì)各個(gè)電壓連接進(jìn)行供電，保護(hù)和診斷。根據(jù)模塊類型可實(shí)現(xiàn)多種功能。例如IB IL 24 PWR IN-PAC 電源模塊提供：最大為8A的主電路電壓，最大為8A的IO分段電路電壓。模擬量輸出輸入模塊：其適用于連接標(biāo)準(zhǔn)傳感器以獲取標(biāo)準(zhǔn)化電流與電壓信號(hào)。例如IB IL AI 2/SF-ME 提供2路模擬量電壓和電流測(cè)量，IB IL AI 4-1提供四路電流測(cè)量，IB IL AI 4-U提供四路電壓測(cè)量。其特性為：2 線制連接技術(shù)連接的傳感器，測(cè)量值輸出分辨率為12位，負(fù)載達(dá)到500時(shí)，雙極性輸出，防短路電流輸出，小于1ms

50、的較短更新時(shí)間。溫度測(cè)量模塊：這些Inline模塊可用于連接熱電偶（UTH)和電阻溫度傳感器(RTD)。通信模塊：可用于連接帶串口設(shè)備的inline通信模塊，如條形碼掃描器）總線耦合器：INTERBUS 總線耦合器把inline站的模塊接入INTERBUS 網(wǎng)絡(luò)中?？刹捎勉~纜將可選的多個(gè)總線耦合器連接到INTERBUS遠(yuǎn)程分支上。Inline 站的總線耦合器具有如下功能：（1）刷新INTERBUS 遠(yuǎn)程總線控制信號(hào)（2）使用軟件指令斷開遠(yuǎn)程總線或已連接的I/O模塊（3）使用集成供電模塊為已連接的輸出/輸入模塊供電4.2 IMC算法的PLC實(shí)現(xiàn)4.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由第三章的討論分析，以與考慮H

51、GK-1型過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，本文決定采用IMCPID的串級(jí)控制實(shí)現(xiàn)水位的恒定的控制，如圖4-1所示。圖4-1 IMC-PID液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-1中即為液位-流量模型的傳遞函數(shù)，為流量與調(diào)節(jié)閥閥門開度之間的傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)非線性不可測(cè)。測(cè)得水箱液位值后，與預(yù)測(cè)液位進(jìn)行比較，將偏差反饋到IMC控制模塊，經(jīng)過IMC模塊計(jì)算后得到所需要的設(shè)定流量值，該流量值為環(huán)PID模塊的設(shè)定值，通過PID環(huán)后，使實(shí)際流量逼近設(shè)定流量值，輸出到水箱，即可以控制水箱液位。由于環(huán)是PID調(diào)節(jié)，可以不考慮的具體形式。4.2.2 IMC算法的計(jì)算流程IMC是一種基于模型的控制，與PID算法相比，他對(duì)模型精度的

52、依賴比較強(qiáng)。仿真可知，模型與實(shí)際模型偏差較小時(shí)，預(yù)測(cè)液位與實(shí)際液位偏差也較小，而且變化趨勢(shì)一樣；但是模型與實(shí)際模型偏差較大時(shí)，預(yù)測(cè)液位會(huì)跟實(shí)際液位保持很大的偏差，變化趨勢(shì)上也有不同。第二章建立的流量-液位模型與實(shí)際的流量-液位模型偏差很小，但是由于實(shí)際模型是閥門開度-液位模型，而環(huán)的閥門開度-流量控制受調(diào)節(jié)閥本身性能的影響，效果并不好，所以總的實(shí)際模型與理論模型必然有很大的偏差，最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明結(jié)果曲線跟模型偏差較大時(shí)的仿真曲線相似。根據(jù)圖4-1，整個(gè)控制流程可以分為以下幾步： (1)將上一次實(shí)際液位和預(yù)測(cè)液位之間的偏差與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到新的偏差，通過?？刂破饔?jì)算出液位設(shè)定值，并以液位

53、設(shè)定值通過理論模型計(jì)算出預(yù)測(cè)液位。 (2)將液位設(shè)定值送入環(huán)，由PID控制器控制閥門開度來跟蹤流量。1.由當(dāng)前偏差計(jì)算流量設(shè)定值外環(huán)入口（周期2s）2.將流量設(shè)定值分別送入內(nèi)環(huán)和理論模型3.將當(dāng)前偏差和流量設(shè)定值設(shè)為歷史值4.根據(jù)送入流量設(shè)定值計(jì)算預(yù)測(cè)液位5.根據(jù)預(yù)測(cè)液位計(jì)算出與實(shí)際液位的偏差，留待下一次循環(huán)調(diào)用6.將當(dāng)前預(yù)測(cè)液位設(shè)為歷史值返回3.控制調(diào)節(jié)閥1.比較流量實(shí)際值和設(shè)定值得到偏差內(nèi)環(huán)入口（周期0.5s）2.根據(jù)偏差，得到PID控制量返回圖4-2 模控制的計(jì)算流程圖4.2.3 IMC算法的PLC實(shí)現(xiàn)編程過程中的模塊調(diào)用關(guān)系見圖4-3。用菲尼克斯實(shí)現(xiàn)算法的詳細(xì)步驟如下：首先調(diào)用初始化程

54、序OB100，完成初始化和寫PID模塊控制參數(shù)。然后周期執(zhí)行主程序OB1：第l步用調(diào)用傳感器標(biāo)定模塊FC3;該模塊接收傳感器傳來的027648信號(hào)，并將其標(biāo)定為實(shí)際物理值。第2步調(diào)用報(bào)警模塊FC6；該模塊在液位超過500mm的時(shí)候報(bào)警。第3步對(duì)液位進(jìn)行判定，如果當(dāng)前液位非常低則暫?？刂谱饔?，直接開大閥門放水。第4步定時(shí)器每8秒調(diào)用一次外環(huán)控制模塊FC1；第5步定時(shí)器每2秒調(diào)用一次環(huán)控制模塊FC9；主模塊OB1初始化OB100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)DB運(yùn)行外環(huán)FC12s采樣時(shí)間到報(bào)警FC6標(biāo)定FC3內(nèi)環(huán)FC90.5s采樣時(shí)間到圖4-3 模塊間的調(diào)用關(guān)系 總結(jié)本文基于東南大學(xué)HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以該平臺(tái)中的液位過程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于可編程序控制器（PLC）的液位控制系統(tǒng)，采用?？刂疲↖MC）算法，仿真并實(shí)驗(yàn)研究IMC在該過程中的應(yīng)用效果。本文主要完成了如下工作：1.概要介紹了HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。采用試驗(yàn)建模方法建立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，為仿真研究提供基礎(chǔ)。2.簡(jiǎn)要介紹了?？刂频乃惴ㄔ砼c參數(shù)整定方法。通過Matlab仿真進(jìn)行IMC參數(shù)的優(yōu)化選擇，比較了PID控制與IMC在液位過程控制中的動(dòng)靜態(tài)性能和設(shè)計(jì)方法。IMC的控制性能與PID控制相當(dāng)，而理論清晰、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要整定一個(gè)參數(shù)就能得到很好的效果，比需要憑借經(jīng)