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1、锅炉出水口温度前馈控制一、设计目的随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化 的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发 成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵;在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必 须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出 现为解决上述实际工程问题提供了一
2、种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任 意组态，完成最终的自动化控制工程。组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理 和网络功能。对应于原有的HMI （人机接口软件，Human Machi ne In terface的概念，组 态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用,开发时间长,效率低，可靠性差;或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不 能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增
3、加功能都受到严重的限制。组态软件的出 现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展， 实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经 成为它的主要内容监控组态软件将会不断被赋予新的内容。二、方案选择1、组态软件目前市场上的组态软件非常的多，并且各有其优点。但是本次设计我们采用北京三维力 控科技有限公司的力控6.1软件。力控组态软件由下列组件构成：图形界面系统、I/O设备 组态系统、实时数据库系统、控制策略部分、以及实时曲线、历史曲线、报表、报警、用户 管理等非常强大的功能力控组态软件主要解决的问题：如何与采样、控制设备间
4、进行数据交换；使来自设备的数据和计算机图形画面上的各元素关联起来；处理数据报警及系统报警;存 储历史数据并支持历史数据查询；各类报表的生成和打印输出；为使用者提供灵活、多变的 组态工具，可以适应不同应用领域的共享。在本次设计中，运用力控的图形界面开发系统做出基本的监控画面，然后运用力控的 历史曲线，实时曲线，专家报表，多功能报警功能实现对系统的全面监控，而组态画 面与 实际的通讯仪表之间则通过力控的实时数据库来实现。 2、前馈控制前馈控制发生在实际工作开始之前，是未来导向的。前馈控制是管理层最渴望采取的控 制类型，因为它能避免预期出现的问题，而不必当问题出现时再补救。前馈控制是一种开环控制。前
5、馈控制采用的普遍方式，是利用所能得到的最新信息， 进行认真、反复的预测，把计划所要达到的目标同预测相比较，并采取措施修改计划，以使预 测与计划目标相吻合。前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化，并按其信 号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。图1锅炉出口温度B 需要维持恒定，选用反馈控制系统。若考虑干扰仅是流量Q ,则可组成图2前馈控制方案。 方案中选择加热管sG为操纵变量。jGPD 图1反馈控制图2前馈控制系统的传递函数可表示为( (1S G S G S G S Q S Q PC ff PD += (1 -1 式中(s G PD、(s G P
6、C 分别表示对象干扰道和控制通道的传递函数；(sGff为前馈控图3前馈控制方块图制器的传递函数。可得(sGff =(S G S G PC PD -(1-2满足(1-3式的前馈补偿装置使受控变量B图4前馈控制全补偿示不受扰动量Q变化的影响。图4表示了这种全补偿过程。在Q阶跃干扰下，调节作用c和干扰作用d的响应曲线方向相反，幅值相同。所以它们的合成结果，可使B达到理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。显然,这种理想的控制性能，反馈控制系统是做不到的。这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。在干扰作用下，受 控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。前馈控制的另一突出优点是 本身不形成闭合反馈回路，
7、不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。三、硬件设计此设计采用我校过程控制实验室的RTGKA实验对象的检测及执行装置。此装置包括： 检测装置:扩散硅压力液位传感器。分别用来检测上水箱、下水箱液位和小流量水泵的管道压 力；电磁流量计、涡轮流量计分别用来检测小流量泵动力支路流量和单相格兰富水泵动力支 路流量；Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、 热水出口、纯滞后盘管出口水温。执行装置三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管 的工作电压；电动调节阀调节管道出水量；变频器调节小流量泵。可以完成包括双水相液位 控制、锅炉温度控制、出水口温度控
8、制等多个实验。此设计只使用出水口温度控制部分。使 用的硬件包括Ptoo温度传感器用于检测锅炉内的温度；三相可控硅移相调压用于调节加热管保持锅炉内温 度恒定。电燧A曾it图5系统结构图 此外硬件部分还使用了 RTGKA型实验对象控制台包括：(1电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电流型漏电保 护器。(2远程数据采集模块面板：2块远程数据采集模块面板组成“各装置外接线端子通过面 板上自锁紧插孔引出。用于采集锅炉内的温度。(3I/。信号接口面板该面板的作用主要是将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板 上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的
9、控制系I/O信号接口FMismw* 出接li r二相SC2H :m询压 000 卫g A/0, g w,tauAOObO000A0 -口可丹 sAJQaAQbb bk卫阴r鹤世悴出Q o+31 ON 3 ?9irA6*鸽电阻温度变送;S OFOW + 二。 0T0AUYXJ n。2 wow统进行实验，如下图所示：图6 I/O信号接口面板此接口面板可分为八大模块组成，此设计只使用:1、三相SCR移相调压装置：三相电加热管0380V连续可调交流电庄提供装置：丁可调电压由420mA模拟量输出信号控制-02粕电阻:提供锅炉内胆、盘炉夹套，强剥对流换热系统的冷水和热水温度信号。温度范围为(01009c。
10、6T3温度变送器：为各个电流信号转化成（15V、0.21V等标准电压信号提供转换电路。（通过钮子开关切换可得到50欧姆或250欧姆电路,钮子开关打到ON为50欧姆，打到OFF 为250欧姆。四、软件设计1、主界面此设计是用力控组态软件监控并控制出水口温度控制系统。通过力控图形界面开发可设 计出本系统的主界面如图7:在主界面中我们可以清楚的看到设计所需的硬件设备，还可以在运行界面中看到温度变化的实时曲线以及历史曲线，还有报表的功能方便用户对系统的数据进行分析和计 算。还可设置报警功能，在系统中出现的故障随时发出报警，方便用户及时排除故障以减少 经济损失和可能出现的安全隐患。图7出水口温度前馈控制
11、系统主界面图8历史曲线及报警图9报表建立了主窗口即明确了组态任务，接下来就要对具体的对象进行连接，即：数 据库组态。在本次设计中由于忽略了许多因素的干扰，仅仅考虑流量的影响，所以只需要建 立一个输入点sr, 一个输出点sc和一个扰动点rd即可。图10数据库组态2、控制策略力控的控制策略是作为实时数据库上的一个组件，他的优点是可以和HMI 共享全局数据库。力控的控制策略生成器以过程控制算法为主，包括以下几个控制功能块: 变量功能块：为其他功能块提供变量连接数学运算功能块：完成不同变量之间的数学运算程 序跳转功能块：完成策略之间的程序跳转逻辑功能块：用于逻辑控制和逻辑运算控制算法功 能块：用于标准
12、控制算法的运算与控制在这次设计中在变量功能块中使用数据库输入/输出变 量，在控制算法功能块中使用PID控制器，组建的控制策略如图11所示：图11控制策略设置好相应的参数后可以运行系统，对系统进行调试和控制。图12运行系统不变性，但在工程实践中，由于下的五设计总结前馈控制是开环控制，在实际应用中工业对象会存在多个扰动，若均维护很少使用，往往使用前馈反馈控制系统和前馈一串级控工作量。因而一般仅选择几个制系统。在理论上，前馈控制可以实现受控变量的列原因，前馈控制系统依然会存在偏差。实际设置前馈通道，对其它干扰是丝毫没有校正作用的反馈结合起来应用，构成前馈一反馈控制系统。的也即对于补偿的效果没有检验的
13、优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对种适的偏差，系统也无法获得这一信局合化工过程控制、较有发展前途的控制方限性，在工程中往往将前馈与这样势必增加控制系统投资费用和主要干扰作前馈通道。这既发挥了前馈校正作用及时样设计的前馈控制器前馈控制系统中，不存在受控变量的反馈，手段。因此，如果控制的结果无法消除受控变量息而作进一步的校正。为了解决前馈控制的这以受控变量最终检验的长处，是法。这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出了严格的要求，希望它灵敏、线性及尽可 能小的滞环区。此外还要求控制阀前后的压差恒定，否则，同样的前馈输出将对应不同的温 度，这就无法实现精确的校正。为了解决上述两个问题，工程上将在原有的反馈控制回路中 再增设一个副回路，把前馈控制器的输出与温度控制器的输出叠加后，作为控制器的给定值。 这就是前馈一串级控制系统