炉锅盘管出口温度滞后的串级设计--毕业设计.doc

（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）

摘要

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、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

Ⅰ

Abstract

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 chemical 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 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 less 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 control；Cascade control；Smith controller

Ⅱ

目录

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 ……………………………………………………………………… 8
2.5 运行策略 ……………………………………………………………………… 8

第三章 锅炉盘管出口温度的建模 ………………………………………………… 10
3.1 建模的概念 ……………………………………………………………………10
3.2 建模步骤 …………………………………………………………………… 10
3.3 建模方法 …………………………………………………………………… 10
3.4 阶跃响应曲线法建模 …………………………………………………………11
3.5 获取模型方法 ……………………………………………………………… 11
3.6 测试步骤 …………………………………………………………………… 11
3.7 模型参数的确定 ……………………………………………………………… 16
3.8 模型校验 ………………………………………………………………… 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 ………………………… 25
5.1 OPC 技术 ………………………………………………………………… 25
5.2 Matlab作为客户端访问OPC服务器的通信流程 ………………………… 26
5.3 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

Ⅲ

电加热锅炉盘管出口温度的串级控制

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：对象的纯滞后时间τ与对象的惯性时间常数Tm之比τ/Tm≥0.5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，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估控制方法，控制精度不能够令人满意。史密斯预估补偿控制虽然在原理上早已成功，但其控制规律在模拟仪表上不易实现，阻碍了其在工业上的应用，现在可以用计算机作为控制器，通过软件的方法实现史密斯预估补偿控制规律。在大滞后系统的控制中,人们常常将串级与Smith预估控制方法相结合，这样便可极大程度地降低大滞后带来的影响[6]。
本文将串级控制与Smith预估结合起来，通过对比，取得比单一PID控制更快的动态响应特性，更小的超调，比串级控制获得更高的稳态精度。本文将MCGS与MATLAB相结合，实现温度滞后系统的控制，尽可能改善纯滞后对系统动态性能造成的不利影响。

1.2 本文研究的主要内容
本文以过程控制实验平台的监控实现为背景。首先，在过程控制实验室中采用数据采集卡和智能仪表，开环状态下进行测锅炉盘管出口温度滞后系统的模型的工作。运用组态软件MCGS收集到了盘管、锅炉内胆共两组实时温度数据。在确定适合的采样时间后，两组数据再依次经过Matlab处理并仿真，分别得到了盘管和锅炉内胆的仿真模型。本文依次设计单回路PID、串级PID、串级-Smith预估三种控制方案分别对该系统进行仿真研究，在过程控制实验室THPCAT-2试验装置上，利用MCGS实现温度参数的实时采集和友好的界面设计，并利用OPC技术，建立MCGS 与Matlab的无缝连接，由Matlab送控制量给组态软件，实现对过程变量的采集和控制。
本文的结构安排如下：
第一章：概述
对目前工业控制的发展概况进行了叙述，随后指出了本文研究工作的背景、意义以及将解决的问题。

32

第二章 监控组态工程设计
本章对本组态软件、系统硬件做了一个简要概述，并介绍了组态部分的设计与实现方法。

第三章 锅炉盘管出口温度的建模
本章提供了系统的建模原理、方法、步骤，确定模型的参数并进行模型校验、展示结果等。

第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真分析
本章介绍了三种不同的控制算法并根据运行效果改进。系统运行试验结果表明，系统的设计是成功的，算法的控制效果良好。

第五章：基于OPC技术的盘管出口温度的实时控制
在以上几章的内容的基础上，结合OPC技术、Matlab等来实现对盘管出口温度的实时控制。

第二章 监控组态工程设计

Monitor and Control Generated System(简称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。它作为数据采集与过程控制中的专用软件，伴随着集散型控制系统的出现为人熟知，处于自动控制系统的监控层，支持各种工控设备和常见的通信协议。它能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、流程控制、动画显示、报警和安全机制、趋势曲线、报表输出等功能。利用其可视化的画面制作技术，可实现各种满足要求的仿真界面，能够快捷地开发组建高效的控制系统。用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内使用灵活的组态方式轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作，其重要性可见一斑。MCGS系统可以与广泛的数据源交换数据；它提供多种高性能的i／0驱动；它全面支持0PC标准，可以和更多的自动化设备连接。由于MCGS具有的操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，目前它已经在石油、化工、电力、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等多种工程领域获得成功的应用。
本文采用的是北京昆仑通态公司的MCGS组态软件，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。需要进行以下设计的内容：
1、主控窗口: MCGS的主控窗口是组态工程的主窗口，是所有设备窗口和用户窗口的父窗口，可以设置一个设备窗口和多个用户窗口，负责这些窗口的管理和调度，并调度用户策略的运行。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
2、设备窗口: 设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量，使系统能够从外部设备中读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对液位系统的实时控制。
3、用户窗口: 本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，是由用户来定义的，可以是一个或多个用户窗口组合而成的，它的显示和关闭由各种策略构件和菜单命令来控制。用户窗口相当于一个“容器”，用来放置图元、图符和动画构件等各种图形对象，通过对图形对象的组态设置，建立与实时数据库的连接，来完成图形、界面的设计工作。
4、实时数据库: 是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，变为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
5、运行策略: 本窗口主要完成工程运行流程的控制。如编写控制程序（脚本程序），选用各种功能构件等。

(二)、MCGS组态软件设计的几大过程:
1、工程立项搭建框架: MCGS 称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。
2、设计菜单基本体系: 为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。
3、制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于画画，用户通过MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内组合成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源
4、编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块，由这些模块实现各种人机交互操作。
5、完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。
6、编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。
7、连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。
8、工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。

2.1系统结构介绍
过程控制实验室THPCAT-2试验装置锅炉温度控制系统由锅炉、水泵、温度变送器、电动调节阀、盘管等构成。
采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。盘管位于加热装置的出水口与出口温度测量点之间，水流流经该处会有时延，用它来模拟大滞后系统。

图2.1 常规仪表侧控制对象总貌图

2.2制作工程画面
2.2.1 工程建立
进入MCGS组态环境。 在菜单文件中选择新建工程菜单项，生成新建工程，名称为“盘管水温滞后”。 工程需存放在MCGS子目录WORK的目录下，否则工程无法运行。
2.2.2 建立窗口
在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”，并修改其窗口名称为“水温控制”。如图2.2所示。

图2.2 水温控制窗口

2.2.3编辑画面
选中“水温控制”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。
（1）添加对象元件，如下图所示：

图2.3对象元件库管理图

（2）添加按钮构建，如图2.3所示：

图2.3标准按钮构建属性设置图

（3）添加实时曲线构建，并设置其属性，如下图所示：

图2.4实时曲线构建属性设置图
（4）整体画面
最后生成的画面如图所示：

图2.5 工程效果图

然后，一定要检查组态设备是否正确。若组态设备显示为有误，则应仔细检查直至确认无误后，则进入下一设计环节。

2.3构建实时数据库
在实时数据库中，至少添加三个点，属性为数值型，分别是盘管出口温度、锅炉内胆温度和控制电加热丝功率的控制量。

图2.6实时数据库

2.4设备连接
在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。打开设备工具箱，将OPC设备添加到设备组态窗口中，如图

图2.7 添加设备

添加完设备以后还要进行设备属性的修改，使得能够与计算机有很好的进行通讯。如图2.8、2.9为添加通道连接时的对应数据对象，使得计算机与设备能够有一个较好的连接接口。

图2.8 设备属性设置1

图2.9设备属性设置2
2.5运行策略
经各个部分组态配置生成的组态工程，只是一个顺序执行的监控系统，不能对系统的运行流程进行自由控制，这只能适应简单工程项目的需要。对于复杂的工程，监控系统必须设计成多分支、多层循环嵌套式结构，按照预定的条件，对系统的运行流程及设备的运行状态进行有针对性选择和精确的控制。为此，MCGS引入运行策略的概念，用以解决上述问题。
所谓“运行策略”，是用户为实现对系统运行流程自由控制所组态生成的一系列功能块的总称。MCGS为用户提供了进行策略组态的专用窗口和工具箱。
运行策略本身是系统提供的一个框架，其里面放置有策略条件构件和策略构件组成的“策略行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构建的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。
一个应用系统有三个固定的运行策略：启动策略、循环策略和退出策略。启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出时调用，循环策略由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其他部件调用。如图3.8所示。

图2.10运行策略

进行以上各个环节后，盘管出口水温滞后的工程已经基本完成。运行后，在界面中点击“实验二十一、盘管出口水温滞后控制实验”，如图2.9所示。盘管出口水温滞后工程是测量系统模型的准备与前提，是进行测模型的一个必要的软件环境。

图2.11 进入运行环境

第三章 锅炉盘管出口温度建模

对于本文中的过程控制实验室锅炉盘管出口温度滞后系统，需要建立其模型。
建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。因描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。

3.1建模的概念
建模，就是建立被控对象的数学模型。它是一个实际系统模型化的过程。对于同一个实际系统，人们可以根据不同的用途和目的建立不同的模型。
建模需要三类主要的信息源：
1、要确定明确的输入量与输出量
通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一个输入信号作为输入量，其余的输入信号则为干扰量。
2、要有先验知识
在建模中，被控对象内部所进行的物理、化学过程符合已经发现的许多定理、原理及模型。在建模中必须掌握建模对象所要用到的先验知识。
3、试验数据
过程的信息也能通过对对象的试验与测量而获得。合适的实验数据是验证模型和建模的重要依据。

3.2建模步骤
1) 明确建模目的和验前知识：目的不同，对模型的精度和形式要求不同；事先对系统的了解程度。
2) 实验设计：
变量的选择，输入信号的形式、大小，正常运行信号还是附加试验信号，数据采样速率，辨识允许的时间及确定量测仪器等。
3) 确定模型结构：选择一种适当的模型结构。
4) 参数估计：在模型结构已知的情况下，用实验方法确定对系统特性用影响的参数数值。
5) 模型校验：验证模型的有效性

3.3 建模方法
过程系统建模方法有机理法和测试法等。机理分析法建模又称为数学分析法建模或理论建模，是根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理建立过程的数学模型。测试法，是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行数学处理后得到的模型。

本文采用的是测试法中的阶跃响应曲线法来建模。阶跃响应曲线能形象、直观地描述被控过程得动态特性。

3.4阶跃响应曲线法建模
在被控系统处于开环稳定时，使输入量（调节阀）作阶跃式变化，记录被控过程输出的变化曲线，直至进入新的稳态。求出被控过程输入量与输出量之间的动态数学关系——传递函数。
该法建模时的注意事项：
①合理选择阶跃扰动信号的幅度，一般在正常输入信号的5%～15%。过小，激励弱，可能响应信号被其他干扰所淹没，是测试结果不可靠。过大，使正常生产受到干扰甚至危及安全。
②试验开始前确保被控对象处于某一选定的稳定工况，并且在其期间避免其他偶然性的扰动。
③仔细记录起始部分，因为对动态特性参数的影响很大。
④多次测试。非线性因素：在不同负荷、不同设定值条件下测试；同一负荷、同一设定值下正、反扰动，全面掌握特性。同样条件下多次测试减少干扰因素的影响。

3.5获取模型的方法

图3.1开环测模型
方法一：设由锅炉内胆到盘管出水口的管道长度为L米，热水的流速为v米/秒，则内胆的热水要经过τd秒后才能到达被控点，其中τd=L/v。如果忽略热水在盘管内流动时的热损耗，则可近似地把盘管视为一阶带纯滞后环节。本文并没有采用该法。
方法二：先测出控制量到盘管的温度模型G1(s)，再测出控制量到锅炉内胆的模型G2（s），如图3.1所示，在系统结构图中盘管与锅炉内胆是串接的。前者的传递函数除以后者的传递函数，即G1 ( s )/G2（s），可近似得到盘管的温度模型。本文采用是正是这个方法。

3.6 测试步骤
测试时选择盘管出水口温度（也可根据实验需要选择另外两个温度测试点处的温度）作为被控量，实验之前先将储水箱中贮足水量，将锅炉内胆打满水。等水溢出后，确认管路连接好以后将阀门F1-2、F1-3、F1-4、F1-13全开，其余阀门关闭，形成一个循环水的过程系统。
管路连接：将锅炉内胆出水口与工频泵进水口2连接起来，将工频泵出水口与支路1进水口连接起来，将支路1出水口与盘管进水口连接起来，将盘管出水口与储水箱进水口连接起来。
本文采用的是数据采集卡控制：
1． 首先确保“AT-4数据采集卡控制” 、“AT-1智能仪表控制”挂件的通信接口连接到计算机串口，将二者的电源输入L、N端与单相I电源L、N端对应连接。
2. TT1的1a、1b、1c端对应接到智能调节仪I的2、3、4端；智能调节仪Ｉ的输出7、5端并接本挂件上250Ω电阻后对应接到数据采集卡模拟量输入AI7、GND端；AT-4模拟输出AO1的4-20mA+、-端对应接到温控模块控制输入+、-端； AT-4模拟输出AO2的4-20mA+、-端对应接到电动调节阀控制输入+、-端。
3. 管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、温控模块开关、单相I开关，将磁力泵开关打到手动位置。
4. 核对智能调节仪参数设置，将智能调节仪作为温度变送器使用，关键参数有Sn=21,CtrL=0, DIL＝0，DIH＝100（℃）,OPL=40, OPH=200。
5. 设置一个合适的给定值（5%-15%的阶跃设定值）。选定为10%，然后将调节器改为手动运行。
6. 进入运行界面，记住开始的确切时间，并观察盘管和锅炉内胆的温度值的变化，直至稳定不发生变化时，再记下其结束时间，退出运行环境。

记下的测模型开始时间为14:11，结束时间为16：21，历时130分钟。设采样时间为二分钟， 求出每二分钟内各取盘管和锅炉内胆温度的平均值，二者各65组数据，并作为Matlab仿真的数据，绘制成一记录表，因本文篇幅所限只列出了从初始时间零到时间70的数据。如表3.1所示。
初始时间下盘管温度：18.69 ℃ ，锅炉内胆温度：20.08℃。
结束时间下盘管温度：23.71 ℃ ，锅炉内胆温度：25.5℃。

图3.2展示的是去掉初始值的锅炉内胆的阶跃响应数据。将实际测量到的锅炉内胆温度数据进行仿真，则得到图3.3。

图3.2内胆的阶跃响应数据

图3.3 实际测得的内胆阶跃响应数据

图3.4为盘管的阶跃响应曲线。将实际测量到的盘管温度数据进行仿真，则得到图3.5。

图3.4 盘管的阶跃响应

图3.5实际测得的盘管阶跃响应数据

表3.1 实时温度数据
温度（℃）

锅炉内胆
盘管
0
20.08
18.69
2
20.13
18.8
4
20.27
18.9
6
20.44
19.02
8
20.64
19.18
10
20.79
19.36
12
20.91
19.42
14
21.11
19.56
16
21.32
19.69
18
21.43
19.88
20
21.56
20.05
22
21.68
20.13
24
21.8
20.28
26
21.93
20.36
28
22.13
20.49
30
22.36
20.6
32
22.47
20.7
34
22.58
20.91
36
22.73
21.11
38
22.87
21.2
40
22.95
21.32
42
23.02
21.45
44
23.15
21.6
46
23.26
21.69
48
23.36
21.76
50
23.47
21.8
52
23.58
21.94
54
23.63
22.03
56
23.71
22.11
58
23.82
22.22
60
23.9
22.37
62
24.02
22.42
64
24.08
22.48
66
24.15
22.55
68
24.21
22.63
70
24.27
22.7

时间（min）

3. 7模型参数的确定

因为盘管、锅炉内胆的对象均具有滞后特性，所以所得的传递函数可以定为G(s)= , τ为对象的滞后时间，T为对象的时间常数，K为静态放大系数。

3. 7.1确定一阶惯性加滞后环节的特性参数
对于盘管一阶环节的模型为式3.1所示，即
（3.1）
式中的、、的求法有作图法和（两点）计算法。用作图法确定参数T、τ，简单，但误差大，适用于PID参数的工程整定 。所以本文选择了（两点）计算法，该法步骤如下：
第一：由公式3.2确定K。
（3.2）

=23.81，=18.9，=10%，则=58。

第二：运用（两点）计算法求时间常数T和滞后时间τ。

选取两个不同时刻t1和t2，t2> t1>τ,带入公式

（3.3）

两边取对数：
（3.4）
联解得：
（3.5）

本文选取的分别是14:30、15:00时刻下的盘管温度数值19.91、21.75作为t1和t2，带入公式4
4-5中，算出T=63,τ=5。
依照此法，同样选取该两个时刻下的锅炉内胆温度数值21.27、23.10作为t’1和t’2，带入公式4-5中，算出T1=64,τ1=3。
锅炉内胆的静态放大系数K由公式3.2得出为 K=62。
则控制量到盘管的温度模型为 ，锅炉内胆温度模型为 ，近似得到的盘管温度模型为。

3.8模型校验
通过参数估计得到的模型，虽然按某种准则在选定的模型类中是最好的，但是并不一定能达到建模的目的，所以还必须进行模型检验。这是辨识过程的重要一环。
在系统输入u分别作用在系统、模型的情况下，将系统输出y与模型的输出ym互为比较，若两者并无太大差别，模型的输出ym可近似为y系统输出来进行实验等其他环节。

通过实验获得有限对测试数据（xi, yi）,本文利用这些数据来求取近似函数y= f ( x) 。式中x为输出量，y为被测物理量。与插值不同的是，曲线拟合并不要求y= f ( x )的曲线通过所有离散点（xi, yi）。图3.6 、3.7是把初始值去掉了后所运用Matlab软件绘的:

图3.6锅炉内胆的温度模型

图3.7 盘管温度模型

图3.6 3.7二者都反映了这些离散点的一般趋势，没有出现过大的局部波动，拟合效果较好。

第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真分析

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。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、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。

4.1盘管出口温度单回路 PID 控制
系统结构图和方框图如图4.1所示。本方案的控制量为盘管出水口水温T，而控制量是锅炉内胆的水温，将盘管出口铂电阻检测到的温度信号TT5作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制单相调压模块的输出电压，以控制单相电加热管的加热强度，同时用供水系统以固定的频率把锅炉内胆的热水恒速输送到盘管，再流回锅炉内胆。显然本方案系统中的滞后包括了内胆容量的滞后和盘管传输的滞后，且前者的滞后时间一般要远大于后者。为了获得满意的控制效果，系统的调节器应选择PID控制，并且PID调节器的比例度δ和积分时间常数TI应设的比较大[7]。
图4.1 盘管出口温度单回路 PID 控制系统
如图4.2所示，单回路PID对该系统的控制效果并不尽人意，虽无超调，但是调节时间长。为了改善系统品质，采用串级PID控制算法或其他算法。

图4.2 盘管出口温度单回路 PID 控制仿真
4.2盘管出口温度串级 PID 控制
串级控制系统是在单回路系统的基础上发展起来的。本文中的被控过程的滞后较大，采用单回路控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度要求。
盘管出口温度串级 PID 控制系统是一个双回路系统，与上文中的单回路控制系统相比在结构上多了一个副回路。每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，主回路的对象为盘管出口温度，副回路的对象为