摘要：隨著控制理論的不斷發展，過程控制在工業生產中得到了廣泛應用。以換熱器出口溫度和大水箱液位串級控制系統為研究目標，在MCGS組態軟件的環境下，采用串級控制，并對PID控制算法進行了改進。系統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、原子能等工業部門生產過程的自動化。在過程控制系統方面，為了提高控制質量和實現一些特殊的工藝要求，相繼開發和應用了各種復雜的過程控制系統，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和工業應用，使復雜控制系統達到了一個新的水平。它不僅包括數據采集與管理、基本過程控制，而且包括先進的管理系統、調度、優化等。柔性化、分散化和集成化的綜合自動化，已被應用于實際工業過程中。
    本系統以換熱器出口溫度和大水箱液位為研究目標，在MCGS組態環境下，設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。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·串級控制系統的設計

    串級控制系統是改善控制質量的有效方法之一，在過程控制中得到了越來越廣的應用。串級控制由主回路和副回路組成，因此對于主回路的設計類似于單回路設計系統設計過程可以按照簡單控制系統設計原則進行。這里主要解決串級控制系統中兩個回路的協調工作問題。主要包括如何選取副被控參數、確定主、副回路的原則等問題。由于副回路是隨動系統，對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調節對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應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：
               

    本系統采用串級調節系統，兩個調節器、兩個閉環回路和兩個執行對象，兩個調節器分別設置在主、副回路中，兩個調節器串聯連接，主調節器的輸出作為副回路的給定量，主、副調節器的輸出分別去控制一個執行元件。這樣由于系統增加了副回路，對于進入副環內的干擾具有很強的抑制作用，因此作用于副環路的干擾對主變量的影響就相對比較小。

    串級控制系統與單回路控制系統相比有一個顯著的區別，即其在結構上多了一個副回路，形成了兩個閉環———雙閉環。在串級控制系統中，主、副調節器所起的作用是不同的。主調節器起定值控制作用，主參數允許波動的范圍比較小，一般要求無余差，因此在本系統中主調節器選用PI控制規律。而副調節器起隨動控制作用，為了保證主參數的控制質量，可以在一定范圍內變化，允許有余差，因此副調節器只選用了P控制規律，不引入積分控制規律（若采用積分規律，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”作用，而主回路起“細調”任務。

    2·組態軟件MCGS簡介

    MCGS是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制，可運行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系統,如圖2所示。MCGS嵌入式系統體系結構分為組態環境和運行環境兩部分，組態環境相當于一套完整的工具軟件，可以在PC機上運行，用簡單的模塊化設計幫助用戶構造自己的應用系統，組態好的應用系統通過串口線或以太網下載到嵌入式系統中實時運行。
              

    MCGS嵌入版組態軟件分為人機界面組態和控制流程組態兩部分，用戶可以根據實際情況裁減所需內容。其中人機界面組態與通用版類似，可以組態出動畫窗口、曲線、報表，并可以設置用戶權限，安全級別等等。控制流程組態是嵌入式組態系統特有的功能，主要用于組態實現各種控制流程和控制邏輯。系統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各種控制功能，是構成用戶應用系統實時控制的核心。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用系統，嵌入式系統中的MCGS實時數據庫可以用作人機界面和控制流程數據交換的樞紐，控制流程可以通過實時數據庫在人機界面上顯示控制過程，并實現數據后處理。組態好的應用系統下載到內嵌了實時多任務嵌入式操作系統中實時運行，從而實現了控制系統的可靠性、實時性、確定性、安全性。

    3·串級系統的組態分析

    在所有需要用到MCGS組態軟件的實驗當中首先都要建立一個新的工程。打開MCGS組態軟件，點擊“文件———新建工程”。接著是建立一個實時數據庫，在這個數據庫中可以建立一些新的數據庫變量，作為以后數據的存儲、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畫面。MCGS工程畫面組態。在新建動態窗口下，單擊“動畫組態”，進入“動畫組態窗口”，開始編輯畫面。整體畫面瀏覽如下圖：



    如圖3所示，設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℃，這里鍋爐溫度設定為30℃。本系統采用了三個調節器，分別調節換熱器出口溫度、水箱液位、鍋爐溫度。主要有兩條水路：三相電動機從鍋爐內抽水，經閥3、閥17進入散熱管，再經閥18回到鍋爐，閥12微開，這樣就形成了循環水。丹麥泵抽水，經閥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。主調節器采用PI控制，比例P＝20，積分I＝25，副調節器采用P控制，P＝22。啟動儀表，查看實時曲線。接著待系統相對穩定后，對系統加擾動信號，通過反復調節和主調節參數的調節，使系統具有較滿意的動態響應和較高的控制精度。在本系統中，最主要的是如何選擇參數。

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

    3.2時間常數的選擇

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



    4·結語

    本系統成功的運行、調試和各參數的整定極為的方便極大的提高了控制的質量和工作效率，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MCGS，更直觀的顯示了實驗的全過程，更好的完成了監控系統。