第10章计算机控制系统应用实例(3)

10.2.3 控制系统设计

如前所述，单回路电阻炉温度控制系统是一个典型的计算机控制系统，其控制系统结构可以简化为下图10.12所示。

图10.12 电阻炉温度控制系统结构

图中W(s)为电阻炉传递函数模型，Wh0(s)为零阶保持器模型，D(z)为数字控制器传递函数模型。

图10.13所示的电阻炉是一个典型的纯滞后一阶惯性环节，其传递函数模型为：

K??s W(s)?e (10.11)

T1s?1模型参数为放大系数K，滞后时间?，时间常数T1（变送器、固态继电器及电阻炉的比例系数乘积）。这3个模型参数可以通过参数估计的方法得到。

利用阶跃响应曲线辩识纯滞后一阶惯性环节参数的方法如下：将被控对象电阻炉进行开环控制，开环控制系统结构如图10.14所示，在电阻炉对象输入阶跃信号r0(t)，得到对象的阶跃响应曲线如图10.15所示，由阶跃响应曲线求解出K、T1、?三个参数的值，进而得到被控对象电阻炉的传递函数模型W(s)。

图10.13 电阻炉

图10.14 开环控制系统结构

图10.15 对象开环阶跃响应曲线

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参数求解方法如下： （1）过程的静态放大系数

K?y(?)?y(0)r0 (10.12)

其中y(?)为稳态温度，y(0)为初始温度，r0为给定阶跃信号。

（2）过程的时间常数T1和滞后时间?的求法

过图10.15(a) 响应曲线的拐点P作切线，交于时间轴于B点，交其稳态值的渐近线y(?)于A点，A点在时间轴上的投影为C点，则0B为过程容量滞后时间?，BC为过程的时间常数T1。

图10.15(b)是当阶跃响应曲线上的拐点不易确定时，直接取阶跃响应曲线稳态值

y(?)的28%和63%所对应的时间t1和t2，再按下式计算滞后时间?和时间常数T1：

t1???T1/3 (10.13)

t2???T1 (10.14)

求解这两个方程，可得到?、T1的值。

通过实验，得到炉温控制系统阶跃相应曲线如图10.16所示。从图上可以得到： ??40，T1?360?40?320，r0?185，y(?)?180，y(0)?42

从而得到

K?y(?)?y(0)r0?180?42185?138185?0.746

于是电阻炉的传递函数模型如下：

W(s)?0.746e?40s320s?1 (10.15)

图10.16 炉温控制系统阶跃响应曲线

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控制器D(z)采用位置式PID控制算法，如第4章（4.52）式，重写如下：

u(k)?u(k?1)??u(k) ?u(k?1)?Kp?e(k)?e(k?1)??Kie(k) (10.16) ?Kd?e(k)?2e(k?1)?e(k?2)?在整个控制过程中，控制量u(k)的值由控制量u(k?1)，误差量e(k)、e(k?1)、

e(k?2)，以及控制器参数Kp、Ki、Kd来决定。PID实时控制算法流程如图10.17

所示。

图10.17 PID算法流程

算法中的“标度变换系数”指实际物理量与检测量（或控制量）之间的转换倍数。如本系统中的温度范围为0～400℃，而热电阻PT100在经过变送器变换后得到0~5V的输出电压，所以实际温度与控制电压有80倍的转换关系，即标度变换系数。

一般来说，若被测参数与A/D转换结果之间呈线性关系，即

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y?y0ym?y0?x?x0xm?x0 (10.17)

式中，y为实际工程测量值的转换结果；ym为被测量参数量的最大值；y0为被测参数量的最小值；x为实际采样测量的数字量；xm为采样测量的量程上限对应的数字量；则在x0、xm、x和y0、ym均已知的情况下，x0为采样测量的量程下限对应的数字量。可计算出工程测量值y为：

y??(x?x0)?y0 (10.18)

式中??ym?y0xm?x0为标度变换系数。

10.2.4 系统软件设计

1、软件开发环境

进行炉温控制软件开发可以使用的工具有很多，比较常见的有Visual Basic语言，C语言，C++语言等，它们都具有较强大的功能。但是使用计算机语言开发一个系统，需要编写大量的源程序，这无疑加大了系统开发的难度。本系统的开发采用了一种工控组态软件—组态王，组态软件的使用，使炉温控制系统开发过程变得简单，而组态软件功能强大，可以开发出更出色的应用软件。

组态软件具有实时多任务处理、使用灵活、功能多样、接口开放及易学易用等特点。在开发系统的过程中，组态软件能完成系统要求的如下任务：

（1）计算机与采集、控制设备间进行数据交换； （2）计算机画面上元素同设备数据相关联； （3）处理数据报警和系统报警；

（4）存储历史数据并支持历史数据的查询； （5）各类报表的生成和打印输出； （6）最终生成的应用系统运行稳定可靠； （7）具有与第三方程序的接口，方便数据共享。

系统选用“组态王6.02”版本进行应用软件的开发。该版本软件包包括工程管理器（Project Manager），工程浏览器（Touch Explorer），工程运行系统（Touch View）和信息窗口（Information Windows）4部分组成，各自的功能如下：

（1）工程管理器。用于组态王进行工程管理，包括新建、备份、变量的导入/导出、定义工程的属性等。

（2）工程浏览器。它是组态王软件的核心部分和管理开发系统，将画面制作系统中已设计的图形画面、命令语言、设备驱动程序管理、配方管理、数据库访问配置等

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工程资源进行统一管理，并在一个窗口中以树形结构排列。这种功能与Windows操作系统中的资源管理器的功能相似。

工程浏览器中内嵌画面制作系统，即应用程序的集成开发环境，在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。画面制作系统具有先进、完善的图形生成功能，数据库提供多种数据类型，能合理地提取控制对象的特性，对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。

（3）工程运行系统。画面的运行由工程运行系统来完成，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在TouchView中才能运行。它从控制设备中采集数据，存储于实时数据库中，并负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出来；同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线绘制等监控功能，并按实际需求记录在历史数据库中。

（4）信息窗口。它是一个独立的Windows应用程序，用来记录、显示组态王开发和运行系统在运行时的状态信息，包括组态王系统的启动、关闭、运行模式；历史数据的启动、关闭；I/O设备的启动、关闭；网络连接的状态；与设备连接的状态；命令语言中函数未执行成功的出错信息等。

2、应用软件的开发

应用组态王软件开发炉温控制系统，应遵循一定的开发步骤有序进行。其开发步骤总结如下：

（1）搞清所使用的I/O设备的生产厂商、种类、型号以及使用的通信接口类型、采用的通信协议，进行I/O口设置。

（2）将所有I/O点的参数收集齐全，以备在组态王上组态时使用。 （3）按照统计好的变量，制作数据字典。

（4）按数据存储的要求构建数据库，建立记录体和模板，为数据连接做准备。 （5）根据工艺过程和组态要求绘制、设计画面结构和画面草图。 （6）根据上步的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面。

（7）将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系，规定动画属性和幅度。

（8）绘制数据流程，编写命令语言，完成数据与画面的连接，对组态内容进行分段和总体调试。

（9）设计控制算法。工业中用的比较多的控制算法有PID算法、Smith预估算法、Dahlin算法等，各种算法都有自己的优势，适用于不同的被控对象。本系统中选用PID算法进行控制。

（10）系统投入运行。

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