过程控制系统篇(1)

关键词：过程控制 PID控制器 参数整定

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）10-0250-01

一、过程控制系简介

1.过程控制的任务

过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据工业生产对过程控制安全性、经济性和稳定性的要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。

2.过程控制系统的组成

过程控制系统是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分等这样一些过程变量时的系统。

3.过程控制的特点

（1）系统由过程检测控制仪表组成。（2）被控过程的多样性。（3）控制方案的多样性。（4）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半属参量控制。（5）定值控制是过程控制的一种主要控制形式。

4.控制系统的控制质量指标

一个控制性能良好的过程控制系统，再受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳迅速准确地恢复到给定值上。

二、压力过程控制系统设计

压力的测量和控制在生产过程自动化中具有特殊的地位。保持实际生产过程的压力为一个稳定值，对生产过程有着至关重要的作用。考虑到经济成本等问题，本系统采用单回路控制。下面对整个系统作详细介绍：

1.工作流程

1.1工艺简况

在工业生产过程中，气体测量罐设备应用十分普遍，为了保证生产的正常进行，空气进出量需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求空气罐内的气体压力需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证空气罐压力不致过大。本系统要求超调量小于5%。

1.2工作流程

本系统使用的介质为空气。空气从空气压缩机进入系统空气入口，经过节流阀的调节后，进入过滤器过滤，过滤后的空气进入减压阀1，减压阀1的出口压力一般保持在1kg/cm^调节后的空气进入减压阀2，减压阀2的出口压力一般保持在0.55kg/cm^这时空气的流向有两种方式，当扰动电磁阀打开时，空气一部分经过节流阀、扰动电磁阀流向外界；一部分进入控制阀。当扰动电磁阀没有打开时，空气全部进入控制阀，经过控制阀的空气最后流进测量罐中。

2.压力过程控系统建模

用测试法建立被控对象的数学摸型，.首要的问题就是选定模型的结构。

自衡单容过程对象的对象特性的一般形式为 ，为建立其数学模型，可通过测量其

阶跃响应的方法求得对象特性参数K、T、τ。

3.压力过程控系统的设计方案

3.1被控参数选择

被控参数的选择对于稳定生产、提高产品的产量和质量、改善劳动条件、保护环境卫生等具有重要意义。若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制仪表，均不能达到预期的控制效果。由于本系统是模拟实际生产过程的一套实验过程控制系统，被控参数压力在系统设计之前已决定。

3.2控制参数选择

扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，以使被控参数尽力维持在给定值。在分析与设计控制回路时，要深入研究过程的特性，认真分析各种扰动，正确选择控制参数。

在本系统中，被控参数是压力，模拟的生产过程是测量罐，测量罐的容积和湿度在某一实验中几乎是不变的，因而测量罐中的压力只能由气体的物质的量决定，控制参数也就唯一确定了，即：气体的物质的量。

3.3执行器

调节阀的选择：执行器由执行机构和调节阀组成。在过程控制中他接受调节器输出的控制信号并转换成角位移或直线位移，来改变调节阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。

调节阀的尺寸选择根据对象的惯性特征选管径。在生产过程中，调节阀气开、气关形式的选择，主要是从工艺生产的安全角度来考虑，当气源一旦中断时，阀门处于全开还是全关状态，在生产上要能保证设备和人身的安全。所谓气开式，即当信号压力P>0.02Mpa时，阀开始打开，也就是说“有气”时阀开，气关式则相反。

因为调节阀的特性对整个过程控制系统的品质有很大的影响。理想流量特性就是在调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。阀芯的形状有快开、直线、抛物线和等百分比等4种，其相应的流量特性有直线流量特性、对数（或称等百分比）流量特性、抛物线流量特性、快开流量特性。

综上考虑，本系统根据选用气开式气动调节阀V-5110，其流量特性为直线流量特性。动力源由空气压缩机提供的。

3.4测量变送

测量和变送是解决一个信息获得和传递问题。信息的测量和边送必需迅速可靠地反映被控参数的实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。本系统选用差压式压力传感器作为检测和反馈元件，将测量罐的压力值转化为电信号，被测压力值为大气压力值加压差。

3.5调节器

本系统选用东芝EC-311型调节器

通常，选择调节器动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。

广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分动作。如工艺容许有残差，可选用比例微分动作；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分动作。

过程控制系统篇(2)

关键词：三容液位控制系统；过程控制；智能控制

中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-9324（2012）09-0024-02

本文研究的对象是我院过程控制实训室的三容液位过程控制实训系统，该实训系统是一套利用了自动化控制技术、计算机、通讯、自动化控制等技术的多功能实训装置。该实训系统为《过程控制》等课程服务。三容液位过程控制实训系统可根据情况需要灵活组态，模拟线性、非线性；一阶、阶次；单容、多容及耦合、非耦合等特性，并能在控制过程中直观地反映出系统动态反应，方便获得动静态性能指标，从而验证控制策略的优劣，因而研究三容液位过程控制实训系统的控制对实施和学习《自动化控制原理》课程有很好的指导意义。

一、三容液位过程控制实训系统的工作原理[1]

三容液位过程控制实训系统主要硬件构成为三个玻璃水箱、气动调节阀、差压变送器、电磁阀、电/气转换器、液位传感器、空气压缩机、水泵、计算机等，基本结构如图1所示。

图1 三容液位过程控制实训系统基本结构图

水流是经过手动阀v0后分成两路再经过气动调节阀vc1、vc2和手动阀v1～v6后进入三个水箱的。一路可以通过手动阀v1、v3、v5的开关不同来实现单容、双容和三容的控制。假设想控制3号水箱液位h3，让v5开，v1、v3关，则是单容水箱控制；若让v3开，v1、v5关，则为双容水箱控制；而若让v1开，v3、v5关，则为三容水箱控制。而调节阀vc2和手阀v2、v4、v6成为另一路水流的干扰环节，选择分别进入三个水箱的手动阀v2、v4、v6的开关不同，可改变加入干扰环节的位置，都也会影响实验的效果。

二、智能控制算法研究

1.BP网络PID控制器设计[2]。BP神经网络PID控制器主要利用了神经网络的非线性映射能力和自适应能力[3]。系统结构如图所示，控制器由两部分组成：（1）可通过自动调节参数实现对被控参数的闭环控制。（2）也可根据系统运行过程的状态自动调节参数达到某种性能指标的最优化。BP神经网络PID控制器结果如图2所示。

图2 BP神经网络PID控制结构图[4]

输出节点分别为可调PID控制器的三个参数KP、K1、KD，即

O1（3）（k）=Kp，O2（3）（k）=k1，O3（3）（k）=KD。各节点的输入输出关系为：

net■■（k）=■wij（3）oi（2）（k）-?兹l（3）ol（3）（k）=g[netl（3）（k）] 式（2-1）

上式按照沿着J（k）对wi（k）的负梯度方向检索调整即使用梯度下降法修正加权系数w（k），并引入惯性项，从而使BP算法的收敛速度得到提高，于是：

?荭wli（3）（k）=?浊?啄l（3）（k）oi（2）（k）?琢?荭wli（3）（k-1） 式（2-2）

其中，?啄l（3）（k）=e（k+1）·sgn■·■·g'[netl（3）（k）]，（l=1，2，3）。

与此类似，可求得隐层权值系数的调节规律为：

?荭wij（2）（k）=?浊?啄i（2）（k）oj（1）（k）+?琢?荭wij（2）（k-1） 式（2-3）

其中，?啄i（2）（k）=f'[neti（2）（k）]·■?啄l（3）（k）wli（3）（k），（i=1,2,…，Q）。

式中，g'（·）=g（x）（1-g（x）），f'（·）=（1-f2（x））/2。 2.BP网络PID智能控制仿真研究。三容液位过程控制系统的线性数学模型为：

G（s）■ 0≤h≤30■ 30＜h≤60■ 60＜h≤70■ 70＜h≤100

在MATLAB环境中，利用M语言编写控制程序。设定目标液位高度为单位阶跃输入，BP网络结构为2-3-

3,两套仿真的初始给定水位为：h1f=12cm，h2f=10cm，下面改变系统的干扰量，当t=195s时，将水箱3下面的出水阀门调节调节到原来的30；在t=345s时将出水阀拧到原来的60%，通过仿真我们得到输出响应曲线。

图3 BP神经网络智能PID控制输出相应曲线

通过以上仿真图我们可以看到采用BP神经网络PID控制器时，水位上升速度相对较慢，但是在BP神经网络PID控制器控制下系统超调量小，出现扰动时，能迅速的消除扰动。改变输入量以后，发现BP神经网络PID控制器跟踪特性仍然表现不错，系统输出与输入的误差几乎为零。说明BP神经网络PID控制器对参数具有很好的适应性，鲁棒性较好。

参考文献：

[1]赵科，王生铁，张计科.三容水箱的机理建模[J].控制工程，2006.

[2]卢娟.BP神经网络PID在三容系统中的控制研究[D].合肥：合肥工业大学硕士论文，2009.

[3]余建勇.网络控制系统及其预测控制算法研究[D].浙江工业大学硕士论文，2005.

过程控制系统篇(3)

啤酒生产是我国的一个传统产业，随着我国经济的发展以及人们生活水平的提高，啤酒企业得到了空前的发展。在啤酒的生产过程中，其自动控制系统的优劣，对于啤酒生产企业的经济效益会产生直接影响。具体表现为啤酒的生产成本、啤酒生产的控制精度以及企业的生产效率等因素。为了保障啤酒生产企业能够降低生产成本、提高啤酒的质量、扩大市场份额，就需要对啤酒生产过程中的自动控制系统进行优化设计。

关键词：

工业自动化；自动化系统；工业电气

引言

随着我国科技水平的不断提高，在我国的啤酒行业中，电气自动化技术得到了空前地发展。当前，我国的啤酒行业在应用自动控制技术的前提下，正朝着规模化、集团化的方面发展。尽管如此，我国的啤酒生产企业仍存在需要改进的地方。其一，啤酒的档次低，品种少。其二，部分企业自动控制水平较差，主要以人工控制为主。其三，啤酒生产过程中对于能源以及原材料的消耗比较大。因此，如何提高啤酒的质量与市场占有率，优化啤酒生产过程中的自动控制系统，成为啤酒生产企业亟待解决的问题。

1自动控制系统的组成及功能

自动控制系统主要是对啤酒生产过程进行控制、检测以及管理。该系统主要包括两个组成部分。其一，连续调节控制系统；其二，逻辑连锁控制系统。根据啤酒生产的特点及要求，可以采用分散就地控制、集中调度管理的方式，形成一套完整的自动控制系统。该系统主要包括以下几方面的功能。

1.1糖化过程控制在自动控制系统中，对于糖化过程进行控制具体表现为以下几点。其一，对浸渍水、调浆水、洗槽水、麦汁冷却温度的控制。其二，对糊化锅、糖化锅、煮沸锅等温度的控制。其三，对过滤槽、澄清槽、防溢锅的自动控制。对于糖化过程进行控制是比较复杂的，主要包括糊化、糖化、过滤、煮沸以及澄清等工序。在实际生产过程中，各工序是间歇进行的，并且各个工序在时间上需要进行交叉作业。糖化过程的自动控制涉及的设备较多，因此对于自动控制系统提出了更为严格的要求。

1.2发酵过程控制在自动控制系统中，对于发酵过程进行控制主要包括：温度、压力、液位、酵母扩培、清酒过滤等工序。通过对个工序的参数进行全方位的检测，不仅能够对啤酒的发酵过程进行控制，还能保证啤酒的质量能够达到标准，最终提高企业的产品竞争力，获取更多的经济效益。

1.3灌装生产线在自动控制系统中，对灌装生产线进行控制主要包括以下几道工序。如：卸箱、洗瓶、灌装压盖、杀菌、贴标、装箱等。运用自动控制系统实现对灌装生产线的全面控制管理，可以减少对原材料的浪费，在大规模生产中节约成本。适应现代灌装设备的高速、高产、高性能等特点。

2啤酒生产过程自动控制系统存在的问题

2.1自动控制系统的网络缺陷通常情况下，啤酒生产企业为了实现自动控制系统的稳定性及可操作性，主要是以生产过程为单位设计主控系统。其中，比较常见的全自动控制系统，主要包括以下两个部分。其一，糖化过程的计算机控制系统。其二，发酵过程的计算机控制系统。这两个主控系统在控制行为中，尤其是测控要求和控制策略这两个方面具有较为明显的差异。啤酒生产过程中自动控制系统的运行效率会受到一定的限制。首先，PLC在可连接的操作站数量上的限制。其次，MPI通信速率的限制。

2.2自动控制系统手动与自动切换存在的问题啤酒生产过程中的自动控制系统，对于开关的手动操作切换的灵敏度具有很高的要求。自动控制系统在正常的运行过程中，为了满足有可能出现的特殊情况，要求每个泵、阀能随时切换到手动状态。但是，泵、阀能在切换的过程中，会存在一定的安全隐患。为了保障工作人员的安全，需要协调处理手动与自动切换中安全性与灵活性。

2.3自动控制系统的温度控制不完善啤酒生产过程中的自动控制系统，在实际运行时，对糊化锅、煮沸锅、糖化锅以及发酵罐的温度控制，存在着一定的缺陷。温度控制是自动控制系统中比较薄弱的环节。啤酒的各生产工序具有多变性，如果自动控制系统对于温度控制的效果不佳，那么就需要大量的人工进行干预。这样不仅增加企业的人工成本，还会影响啤酒生产的连续性，降低企业的生产效率。

3啤酒生产过程自动控制系统优化设计

3.1自动控制系统的网络优化措施为了满足啤酒生产过程自动控制系统对于网络的通信要求，企业应该在车间级和控制级中分别添加PLC全映射服务器，这样可以在各操作站与PLC之间、不同的操作站之间，创建了高效率的通信桥梁，实现信息的快速传递。与此同时，为了保障数据的准确性，PLC的硬件设备应当采用工业服务器。在对工业服务器进行功能设计时，需要考虑两个方面的问题。其一，服务器要具备可靠的远程传输方式。其二，服务器要具备高效的数据采样方式。

3.2改进自动控制系统中手动与自动切换的措施为了满足啤酒生产过程自动控制系统在手动与自动切换时可以既安全又灵活，需要采取以下几个方面的措施。其一，在工作人员进行手动操作时，上位机软件应当立即自动检查，判断工作人员在手动操作时是否具有安全性。其二，当工作人员进行手动操作时，下机位软件应当随时检查自动控制系统飞返回状态。举例来讲，在检查泵、阀等动力线的畅通状态时，当发现存在隐患，正处于不安全的状态时，应当立即发出警告信号或采取强制手段进行处理，保证工作人员的安全。其三，啤酒生产过程自动控制系统在正常的运转过程中，当发现存在非法操作时，应当及时发出警告信号，以便于工作人员能够强制开关，避免发生安全事故。具体的非法操作主要包括以下几种情况，如有料情况下的管道排放、管道的堵塞、管道的交叉等。

3.3自动控制系统中建立温度控制虚拟仪器在啤酒的生产过程中，自动化控制系统的稳定性，与啤酒的质量、企业的生产效率呈正相关性。因此，在自动控制系统中建立智能化的温度控制虚拟仪器，有助于加强对温度的控制，提高我国啤酒生产企业的自动化水平。在实际生产过程中，建立温度控制虚拟仪器需要注意以下几点。其一，根据生产需要，选用合适的传感器，借助冷端补偿方式提升其测量精度。与此同时，结合实际的系统控制器结构，组建温度控制硬件设备。其二，利用恰当的变送器将温度信号转变为工业标准信号源，经过A/D转换后，将温度信号送入以LabVIEW为平台的虚拟仪器中。其三，采用电动调节阀，对冷媒介质的流量进行有效控制，从而实现控制温度的高低。以虚拟仪器为控制平台的温度控制系统，这样不仅具有良好的智能性和灵活性，实现对温度的最佳控制，提高啤酒的质量，还能够减少大量的工作人员进行相应的体力劳动，降低啤酒的生产成本。

4结束语

综上所述，我国的啤酒行业中，电气自动化技术在我国的啤酒行业中得到不断地发展。但是，我国的啤酒生产企业仍存在需要改进的地方，需要优化啤酒生产过程中的自动控制系统。文章首先介绍了在啤酒的生产过程中，自动化控制系统的组成及功能。具体包括：糖化过程控制、发酵过程控制、灌装生产线控制。其次，分析了啤酒生产过程自动控制系统存在的主要问题。具体包括：自动控制系统的网络缺陷、自动控制系统手动与自动切换存在的问题、自动控制系统的温度控制不完善等。最后，提出啤酒生产过程自动控制系统优化设计的具体措施。包括：自动控制系统的网络优化措施、改进自动控制系统中手动与自动切换的措施、在自动控制系统中建立温度控制虚拟仪器等。

参考文献

[1]张子军.啤酒发酵的控制系统设计[J].现代农业装备，2010.

[2]李知博.浅论啤酒生产过程全自动化控制应用[J].科技创新导报，2012.

过程控制系统篇(4)

关键词：过程控制系统；A3000；教学改革

作者简介：商志根（1979-），男，江苏盐城人，盐城工学院电气工程学院，讲师。（江苏 盐城 224051）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）32-0095-02

“过程控制系统”是自动化专业的重要课程，其先修课程包括自动控制原理、传感器及检测技术、可编程控制器等，在专业培养方案中起加强学生专业知识学习的作用。[1]“过程控制系统”作为一门综合性很强的课程，学生通过对该课程的学习，掌握过程控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法，应对控制理论在实际过程控制系统的运行和设计中的应用有较全面的认识了解，培养学生利用过程控制课程所学知识，从事电力、冶金石化、轻纺及其它工业企业生产过程自动化装置的研究、设计和开发的能力。如果课程教学仅以理论推导和证明为主，不与实际对象联系，会使学生出现厌学情绪。针对上述问题，结合笔者的教学体会，利用A3000仿真平成专家PID控制算法设计、[2]预测控制算法[3]等，扩宽学生的理论深度，激发学生的学习兴趣。在课堂上讲解复杂控制原理，丰富学生知识，鼓励学生通过实验来验证算法的效果。

一、A3000的应用实例

A3000过程控制系统仿真平台总体物理系统如图1所示（控制系统有30多种，现场系统具有现场总线）。在此平台上，学生可完成单闭环流量控制、单容和双容液位定制控制、锅炉水温定值控制等简单实验，也可完成闭环双水箱液位串级控制、专家PID液位控制、管道压力和流量解耦控制等复杂实验。A3000过程控制系统可帮助学生熟悉过程控制对象。

1.实例要求

以基于可编程控制器（PLC）和变频器的下水箱液位控制为例，在已利用组态王建立下水箱液位控制工程的基础上，引导学生在组态王的应用程序命令语言中实现专家PID控制，即依据误差和误差的变化趋势实时改变PID的三个参数。此实例的难度在于变频器使用、PLC程序编程和专家PID规则的实现。

所用到的变频器为三菱变频器，它具有几种不同的工作模式，它可以实现对电机的启停以及调速控制。而控制变频器的是PLC，系统中所使用的是S7-200系列PLC具体型号为S7-200 CPU222N。PLC的主要工作是完成数据采集并控制变频器，从而控制电机的运行。对PLC进行编程的软件为STEP7 Micro/WIN，该软件可直接在计算机上使用。

2.组态王与PID

组态软件选择组态王（Kingview），以此在计算机上实时显示运行参数。组态王是一个具有开放、易用等特征的通用组态软件。使用组态王，学生可将注意力集中在控制对象的分析。在课时数有限的情况下，组态王使得学生实现更复杂的控制算法成为可能。

可编程控制器和变频器的相关知识都已通过过程控制系统的先修课程掌握，学生可快速完成编写PLC的PID控制算法程序。

在组态王中编写应用程序之前，需使用临界比例度法进行PID参数整定，并得到PID的三个参数为：Kp=20、TI=17、TD=4。普通PID控制器的运行结果如图2所示。

3.专家PID及其运行

对实时改变PID参数的专家经验不做过多介绍，仅以其中一条规则做详细说明。当且时，其中表示离散化的当前采样时刻的误差值；和分别表示上个和上上个时刻采样的误差值，说明此时误差处于极值状态，并将此条件再分为两种情况：若，也就是误差的绝对值比较大，要加强控制作用，PID的三个参数变为、、；若，也就是误差的绝对值比较小，要减弱控制作用，PID的三个参数变为、、。

设计与此规则对应的组态王的应用程序命令，得到程序：

if （（＼＼本站点＼errk*＼＼本站点＼deltaerrk）

{if（Abs（ ＼＼本站点＼errk ）>15）

{＼＼本站点＼S7200P=20*1.2；

＼＼本站点＼S7200I=9999；

＼＼本站点＼S7200D=0；}

else

{＼＼本站点＼S7200P=20*0.8；

＼＼本站点＼S7200I=9999；

＼＼本站点＼S7200D=0；}}

学生可依据上述程序写出整个专家PID控制的应用程序命令，通过A3000仿真平台，得到专家PID控制的液位控制运行结果，如图3所示。由图2和图3可知，与普通PID相比较，专家PID的控制更精确、更快速，在设计中采用专家PID控制可改善控制效果。在实现专家PID控制过程中，无需掌握被控对象的数学模型，只需实时计算误差和误差的变化趋势。通过此例，学生可理解专家PID控制算法的原理，并掌握如何实现专家PID控制算法，可提高学生的理论分析能力和实践能力。

二、A3000和MATLAB相结合的应用实例

在组态王的应用程序命令语言中，可实现简单的编程，但对于复杂的控制算法，这种实现方式明显运算能力不足。MATLAB是一个高精度的科学计算语言，运算能力强大，[4]可弥补组态王运算能力不足的缺点。利用MATLAB可方便实现矩阵运算等任务，可较为容易地实现复杂的控制算法。

1.实例要求

本实例要求学生在A3000过程控制实验系统的基础上，设计温度预测控制系统。利用组态王、MATLAB等相关软件的功能，建立起组态王与MATLAB之间的DDE通信，并将建立起的工程在A3000平台上运行调试，从而完成温度预测控制系统的设计。预测控制的算法有很多种，本实例采用预测控制算法中的动态矩阵控制方法。被控的锅炉温度即是一个渐近稳定的对象。预测控制具有多步测试、滚动优化和反馈校正等特征，这些优点使得预测控制在实际应用中能够产生很好的控制效果和鲁棒性，对于一些相对复杂的工业生产过程，预测控制也能起到比较理想的控制作用。掌握预测控制原理，可拓宽学生知识面，帮助学生熟悉过程控制的新技术。

MATLAB是一个优秀的数学软件，其版本的不断升级加强和完善了其强大的功能。在数值运算中，数值的稳定性和运算的可靠性要好于其他高级语言。许多在其他高级语言中复杂的编程问题在MATLAB语言编程中，有时只需一条专用的指令就可实现。许多MATLAB指令都以应用为目的设计出来的，从而使得面向对象的计算机程序思想变得很具体。对于自动化专业的学生，MATLAB是其必须掌握的仿真工具，控制系统仿真训练等课程已使其掌握了MATLAB的基本应用能力。

因为使用的是动态矩阵控制方法，故预测控制的内部模型即温度的阶跃响应。因为学生利用MATLAB可以方便地实现矩阵等运算，并且通过工控机等相关课程的学习，对DDE通信的概念已较为熟悉，所以在学生理解动态矩阵控制算法的基础上，让学生编写算法的MATLAB程序是可行的。

2.DDE通信与预测控制

在工业监控系统中，工控组态软件通过驱动程序来从工业现场设备中采集数据，然后传送给MATLAB进行复杂的运算处理，再将结果传送到组态软件，最后由组态软件将数据输出到工业现场设备上进行控制。组态软件和MATLAB都可以作为服务器和客户应用程序，这里MATLAB作为客户应用程序，组态王充当MATLAB的服务器，同时作为设备驱动程序的客户。当组态王采集的数据发生变化，希望直接传给MATLAB进行处理时，双方动态数据交换以热链的方式完成。

在课堂上完成动态矩阵控制的相关原理的讲解，并分析控制算法的MATLAB程序。在讲解过程中，突出预测控制的三个基本特征：预测模型、滚动优化和优化控制与反馈。对于预测模型，使学生清楚一些非参数模型，诸如脉冲响应或者阶跃响应之类，只要是属于线性稳定的对象，通常也是能够用来作为预测模型。对于滚动优化，要让学生清楚优化性能指标在每一个采样时刻只会涉及到未来的有限时间，当到达下一个采样时刻的时候，这一优化时域同时也会向前推移。所以无论在哪一个时刻，预测控制都会有与此时刻相对应的优化功能指标。对于优化控制与反馈，让学生明白在预测控制中，反馈不但没有被抛弃，反而得到了更充分的运用。尽管预测控制得到的是全局次优解，但是其优化始终建立在实际的基础上的，其控制效果可达到实际上的最优。

3.预测控制运行

学生需完成组态王界面制作、变量定义、动画连接、MATLAB程序编写等工作。组态王软件负责从下位机采集数据与向上位机输出数据，MATLAB负责后台计算。结合组态王和MATLAB的长处使得动态矩阵控制算法便于应用到实际控制系统中。图4为学生通过实验得到的预测控制运行结果。虽然此实例有一定难度，但对于自动化专业的学生而言，本实例设计是可完成的，并且可激发学生的学习兴趣。

三、结束语

在A3000控制系统仿真平台的基础上设计专家PID液位控制和温度预测控制等复杂控制。在课程的理论教学中，讲解复杂控制的相关原理，拓宽学生的知识面，提高学生在复杂控制方面的理论层次。在实践教学中，要求学生实现复杂控制算法以验证其优越性，并要求学生掌握复杂控制算法的多种实现方式，提高学生对过程控制系统课程的兴趣，进而提高该课程的理论教学和实践教学的质量。

参考文献：

[1]邵裕森，戴先中.过程控制工程[M].第二版.北京：机械工业出版社，2011.

[2]刘金琨.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3]丁宝苍.预测控制的理论与方法[M].北京：机械工业出版社，

过程控制系统篇(5)

河南省心连心化肥有限公司河南新乡453700

摘要：本文就分析了串级控制系统的特点和设计，并分析了基于MATLAB 的增量式PID 算法应用在其中的应用，通过分析发现PID参数整定方法能够很好地实现串级控制系统的精度和稳定性。

关键词 ：MATLAB；串级控制；PID 整定

笔者在此介绍了一种采用基于MATLAB 的增量式PID 控制的双容无自衡串级贮槽液料控制系统，并在PID 参数整定方法的作用下实现了控制系统的良好控制效果。

1 串级控制系统的相关特点和设计分析

在对纯滞后和时间常数较大的对象控制中可使用串级控制系统，其对于系统控制质量的提高主要表现在以下几个方面，第一，是它能够很好地克服副回路中的二次干扰；第二，它能够使控制对象的时间常数减小；第三，它能够使动态特性在被控过程中得到改善，依此使控制系统的工作频率得以提高；第四，这种串级控制系统还能很好地适应操作条件和负荷的变化。

主回路和主参数的设计选择。在某些条件下，最直接有效的质量指标也可被选为主参数，不然在选择主参数时相关人员还可以选择一个与产品质量有单值函数关系的参数，但是灵敏度和工艺过程的合理性是这个被选主参数必须满足的条件。

副回路和副参数的设计与选定。较强的抑制扰动能力和较快的调节速度是串级控制系统副回路具备的主要优势，所以相关人员可以把尽可能多的一些扰动干扰放在副回路的设计中以充分利用副回路自身的优势，使其减少干扰对主参数的影响以提高其控制质量。

2 基于MATLAB 的串级控制系统分析

本文介绍的是一个串联式双容无自衡液位过程，由上方的进料管液料流进贮槽S1，然后再经过管道液料又流进贮槽S2，这时液料的流出受到变频调速器的控制，如果此变频调速器的工作频率是固定不变的，那么一个积分时间常数不变的积分环节就会在贮槽S2 中构成，在当前的工艺生产过程中液料位通常被要求在贮槽S2 中保持某一定值，令被控制量为h，使S1 中进料体积流量q 为控制变量，在这种情况下这个串联式双容无自衡液位过程的机构式可列为：

在这个串级控制系统中(如上图所示)，副参数被选择为贮槽S1，主参数被选择为贮槽S2 的液位h，当控制系统运行时来自反馈的贮槽液位测量值就会被变频器收集并实现与设定值的对此，之后相关数据值就会被送入PID 模块进行计算，并实现输出频率的自动更改，以对液料流量和电机的转速实现调整，从而使贮槽液位实现稳定，和贮槽S1、S2 分别对应的液位传感器1 和2 将对其对应的贮槽信号的检测结果在A /D 转换的作用下传送到计算机，然后分别与两个PID 调节器设定值对比，并实现对其差别进行判断和计算。

MATLAB 的两个PID 算法程序被上位机所调用，PID1 的输入信号就是贮槽S2 液料位信号与事先的系统设定值对比得到的偏差；然后该偏差会在PID1 中实现运算并将信号输出，然后就将其作为槽S1 的系统设定值，然后将贮槽S1 液料位信号与该设定值进行对比，再将此偏差输入PID2 进行运算，然后利用D/A 转换应用于运算结果，从而使电机的输出频率被改变，实现了对水泵转速的调整，从而使控制系统实现了对贮槽S1 控制，进而也控制了S2 的目的。

3 串级系统的PID 参数整定

在串级系统的整定中试凑法、两步和一步整定法是主要运用的工程整定方法。具体如下，首先应选一适当的副调节器，对其设置要根据纯比例控制规律并放大倍数KC2，在主调节器的设置中也应先置于纯比例控制规律作用下，然后将实现整个控制系统的工作，并在这个过程中利用相关单回路整定方法使主调节器参数实现调整，并在施行干扰的情况下，观察相关的运行状况，并在KC1 和KC2 相互匹配原理的支持下实现对调节器参数的改进，经过对系统的多次调试，当液位在贮槽S2 中实现快速稳定于设定值时，反馈值也与设定值相同，当液位稳定后将扰动干扰加于贮槽S1，如果在副回路的校正作用下液位还受到影响的话，为了克服这种扰动的干扰主回路应该对此进一步实施调节，而保证扰动影响的消除，使液位处在设定值上。

依据此系统的工程整定方法中一步整定法对系统的参数进行整定如下：副调节器的放大倍数KC2 设定为2，然使将积分系数Ki2被设定为1000，之后对主调节器的参数整定根据4颐1 衰减曲线法实施，可以得到啄S1 为12.5%，TS1 为7s，参数整定后的实时控制曲线如下：

综上所述，这种采用基于MATLAB 的增量式PID 控制的双容无自衡串级贮槽液料控制系统，在PID 参数整定方法的作用下实现了控制系统的良好控制效果。

参考文献：

[1]何东健,刘忠超,范灵燕.基于MATLAB 的PID 控制器参数整定及仿真[J].西安科技大学学报,2006,26(4):511-514.

过程控制系统篇(6)

该工程为一行政金融中心，建筑面积约七千平方米，整个弱电系统分四个子系统，分别为办公自动化系统、综合布线系统、安全防范系统、通讯网络系统，主要采用主流、中高档的产品，软件，总造价 ，项目监理部受业主委托对整个弱电智能化系统进行全过程控制。在工程实施的四个阶段，监理进行了监督、管理、咨询、建议，并取得较好的效果。

一 、招标阶段的监理控制

在招标阶段，业主最关心的是智能化系统功能的确定、方案论证、标书的起草及发放、投标单位的确定及考察、投标方案的审查及施工单位的选定。为此，监理围绕业主的要求主要进行如下几方面的工作：

1、协助业主对智能化系统进行功能确定及方案论证

根据业主对智能化系统所需要完成的任务、要求及要达到的功能，参照装饰设计的总体平面布局，监理运用专业人员的知识，协助业主明确智能化系统所需达到的功能、明确系统所需控制的区域，机房的设置位置、控制线路的走向、执行机构的设置方案，及初步确定网络系统的型式、材料设备的档次（国产还是进口）等。这期间需明确三个不等于：

即 A、在建筑物内采用了综合布线不等于实现了建筑智能化

B、在建筑物内设置的信息插座越多不等于智能化水平越高

C、系统集成不等于集中控制

还必须做到三个统一：

即 A、需求必须与经济可能统一

B、需求必须与技术可能统一

C、理论与实践要统一

系统集成应遵循统一规划，分期实施的原则。即各个子系统的信息接口、协议等应符合国家标准，在订货时统一预留，各子系统的供应商应共同遵守，承诺技术协议，为集成创造条件。待各子系统运行正常，条件成熟后再搞集成。

明确之后即可以协助业主进行标书的起草，确定评标方案及评分标准。由于在此之前进行的弱电智能化工程招标项目不多，没有足够经验，因此我们对评标方案及评分标准的确定格外慎重，在广泛听取各方面的意见的基础上，制定一套科学、合理、合法的评标方法，确保合理低价标中标。

本工程系统情况：

2、协助业主对投标单位进行考察

选择一个好的设计、施工单位是系统实施的关键。由于本工程的特殊性，我们采取邀请招标的方式，在招标前我们先对一些有意向的单位根据其提供的书面材料进行资格预审，从中选出实力较强者，由业主组织监理及有关专家对其进行有针对性的考察，重点考察投标单位的 ：

A、设计、施工资质；设计、施工资质是否满足国家的相应规定；

B、技术力量和售后服务情况，人员的组成，售后服务的响应时间，为业主提供培训情况等；

C、工程实体考察，着重对已完成的智能系统的设计、施工质量、开通率、系统运行情况和售后服务情况等进行核查。

考察完成后，监理将各单位的情况列表分析比较，形成考察报告向业主汇报，以便作为确定邀请招标单位的依据。

3、开标

对于各投标单位的投标方案，监理主要着重于审查：

A、其智能系统是否符合《智能建筑设计标准》（GB／T50314－2000）、《建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范》（GB／T50312－2000）、《民用电气设计规范》（JGJ／T16－92）、《建筑智能化系统工程设计标准》（DB32／181－1998）、《智能建筑设计防火规范》（DBJ08－47－95）等设计规范的要求；

B、投标方案中提及的设备监控系统是否满足标书中要求的功能；

C、方案中控制点的分布是否合理，是否满足扩充要求，现场执行机构是否能满足功能控制要求。并组织专家对方案中网络控制系统、控制网络技术．控制网络中的硬件等是否具有实用性、稳定性、扩充性、简单性、先进性、及易操作性，为业主开标提供技术依据。

4、确定方案，进行方案深化设计

进行开标，由评标委员会（由业主在全国邀请智能化方面的专家组成）根据招标文件进行商务标和技术标的综合评定、确定系统方案，确定设计、施工单位，进而签定设计、施工合同，进行进一步深化设计。

二、设计阶段的监理控制

智能系统的设计一般由智能系统设计、施工单位在装饰设计的基础上进行深化设计，其设计依据为装饰设计图纸、设计规范、产品应用设计标准和标书中确定的智能系统功能等。监理在设计阶段的主要工作是：

1、检查智能系统设计是否符合规范要求。

2、检查线管走向是否合理、经济，是否和其它管线相矛盾。

3、检查现场控制器设置位置是否合理、经济。数标书和原标书中确定的相符合，有无更改和增减。更改增减是否合理。

4、检查系统与强电系统的接口设计。

智能系统设计图纸经确认后即可用于现场施工。

三、施工阶段的监理控制

在施工单位提出开工申请后，专业监理工程师应认真审查施工单位报送的资质证书、施工许可证、安全许可证、项目经理证书等资料是否具备，是否在有效期内。同是对施工方案、形象进度计划进行审查，审查其施工方案中是否具有切实可行的技术措施，关键部位的施工方法是否符合设计和规范要求，形象进度计划是否能满足整体工程总体进度计划，在各项审查符合要求后，才可同意其开工。

施工单位进场施工后，监理主要把好以下关键点：

1、设备、材料的验收。设备、材料的好坏是智能系统是否能满足功能要求的一个重要因素，也是监理质量控制的一个关键点。普通材料如管材、线材、接线盒等要求提供合格证、质保书并按规范要求进行验收；重要设备、材料都为国外进口，需提供原产地证明、进口报关单、商检证明等相关资料；特殊材料还需进行安装前的测试，如五类线、超五类线、光纤等线材需进行传输速率测试、衰减测试、近端患扰测试；控制网络的网桥、网关及网络控制器需进行模拟通信测试；现场执行机构需进行模拟信号动作测试及通电测试等，以免安装后调试时因此类设备出现问题面增加查找难度。

2、施工工序的验收。在施工过程中应对每道工序按规范要求严格进行验收，并做好记录。验收重点为：管线是否按图纸施工、支架设置是否正确、管线是否横平竖直符合规范要求、墙体内暗敷的管线埋设深度是否满足墙体装饰的要求、末端软管预留长度是否符合规范要求、管内穿线是否编号一一对应、配电箱安装位置及箱内接线是否正确、执行机构安装是否符合要求等。如本工程管线施工前期曾出现过由于管线埋深不够、固定不牢而导致墙体开裂。

3、中央监控室的验收 .中央监控室是智能系统的核心，验收时应会同业主一同进行，主要核对中央监控室内的设备是否按标书中的要求配置，其布局是否合理、美观，是否为后期发展留有余地，能否满足功能要求。

4、关系协调。由于智能系统设备安装需满足一定的安全要求后方可进行，防止遗失或损坏，监理需协调各方关系，提前将需安装设备房间的门窗和地面做好，为智能系统施工单位的安装提供方便。确保系统按图施工、按规范施工，顺利进入调试阶段。

四、调试验收阶段的监理控制

智能系统调试验收在施工单位自验合格的基础上进行。施工单位自验收合格后，准备好系统监控点设定表、系统框图、各楼层监控点分布平面图、自检调试记录、调试验收程序及调试人员、器具配备等相关资料报监理，监理会同业主及相关单位一同进行，调试验收主要包括以下几点：

1、监控中心人机界面的验收。

人机界面是否良好、数据调用简单明了、监控功能内容直观齐全、报表显示简明易读、打印报表设置合理。

2、各控制点的独立动作及数据信号号和模拟信号的反馈情况验收。

验收人员分成二批，分别带对讲机以便联络，一批验收人员察看现场各控制点的动作情况，一批人员在控制中心察看各控制点反馈信号情况。根据调试验收程序的安排，逐一检查各控制点，由控制中心发出动作信号，检查现场动作是否正确；或由现场动作，检查控制中心信号的反馈是否正确，同是核查控制点的动作执行状况是否和控制中心显示状态一致，并调用、打印反馈信号数据，以便进一步核查。对已检查的控制点做好记录，动作符合要求的可进入联合调试。控制点动作或信号反馈不符合要求的，需仔细检查出问题的所在，整改合格后，再进行验收，及联合调试。

3、系统的联合调试

各控制点调试验收合格后，可进行联合调试。联合调试主要检查独立系统的联动顺序是否正确，是否符合设计联动要求。联动调试合格后，即可交付。

4、竣工阶段的监理工作

竣工阶段的监理主要工作是：

1）核查施工单位提交的竣工资料是否齐全，是否符合要求。

2）核查施工图纸是否和现场相符。

3）根据合同审核竣工结算，向业主提交审核意见，并协助审计工作。

4）督促施工方做好培训与善后服务工作。

过程控制系统篇(7)

【关键词】管理模式；系统管控；科技应用

1 传统管理模式

传统的规模化工厂主要靠人力进行管控，虽然有些先进的企业导入了ERP系统等去控制材料采购、生产计划及库存管理，但在制造流程本身有很多环节还是靠人力管理。人力管理的优点是实施起来比较快，前期投入比较少，但可靠性不高，而且效率低下，等人员意识到问题发生了到采取对策会造成大量不良品的产出，不利于成本的管控。随着科学技术的不断发展，越来越多的企业认识到信息化建设的重要性，随之衍生出来更多的系统化管理的机会。

2 系统管控在工厂的实际应用

以下就笔记本为例向大家介绍一下系统管控在实际生产流程中的防呆应用。

2.1 笔记本生产流程的简单介绍

笔记本的生产流程基本可以分为：

1）备料，按工单需求将所需材料准备好。

2）组装，作业员按SOP完成相应组装动作。

3）测试，在测试环境下完成相应功能测试。

4）老化，系统进行自动老化测试。

5）包装，外观检验及按工单需求贴标签，放说明书，电源线等附件。

6）维修。产线打下的不良品由修护人员维修后重流产线。

2.2 系统管控在生产各阶段中的应用

2.2.1 系统管控在备料中的应用。

随着客制化需求的不断增加，很多工厂开始由BTO（build to order）转型到CTO（configuration to order）的模式，这对备料提出了更高的要求。如何在快速的流水线上正确挑出所需的材料？？PTL（Pick？to light）亮灯捡料系统发挥了不可替代的作用。物料架上不同材料库位对应有指示灯，当一台机器的流程卡刷入系统时，系统自动对应到BOM（bill？of material）并将对应的材料的库位灯亮起，这时作业员有两个动作，第一，需将亮灯的库位的材料取出，这个是完成了捡料的动作；第二，刷材料本体上的条码将灯灭掉，这个是为了确认该材料是正确的。如果备料人员上错料或者存在混料，那灯灭不掉，机器无法通过该站，即使往下流也会被系统卡住在捡料站。

2.2.2 系统管控在生产线组装中的应用

随着自动化的逐步发展，自动锁螺丝机的应用也越来越广泛。我们在实际生产中发现自动锁螺丝机偶尔会存在锁歪、漏锁、划牙等问题，简单的通过在线检验人员的目检漏失率很高，如何通过系统控制将这些问题及时检出呢？目前我们的做法是通过侦测螺丝机的扭力和行程来判断是否锁到位，如果有异常设备自动停止在当前位置并报警，作业员在相应位置做标识后可以按键继续锁下面其他孔位，但是鉴于有可能人员忘记做标识，后续我们考虑直接将螺丝机和系统对接，一旦发生问题系统自动记录不良从而将机器锁定在当站，避免漏入后续站别。

2.2.3 系统管控在产线功能测试中的应用

功能测试是整个制造过程中最容易出现漏洞的地方，我们在实际生产中也遇到了各式各样的被测试人员钻空子的例子，主要是一些需要人为判断的地方。1）譬如画面检测，我们要求检查人员在各个色阶下去检查屏幕显示有无亮线或坏点，但是作业员是认真的检查了还是走个过场我们无法实际判断，所以我们加入了在各色阶画面的不同位置随机显示数字的方法，只有把显示的数字键入系统才可以通过该项测试，这样一来检查人员必须真正去看屏幕了才可以完成该项目，保证了测试的实际执行。2）灯光检测，像一些硬盘灯、无线灯、键盘大小写灯和静音灯等等，为保证检查的效果我们用程式管控随机让几个灯亮，检验人员必须逐个检查数过之后，键入他看到的闪的灯的数量，如果和程式设定的相同才可以通过此站，这样就避免了人员检验的漏失。3）屏幕切换和喇叭测试也是相似的逻辑，我们的具体做法是外接显示器上会随机显示数字，喇叭左右声道会随机播放数字，以前就是单纯靠人眼和耳朵去判定结果，缺少人机互动，现在将眼见或耳闻的结果输入系统，由系统来判断对错，避免了测试人员在岗不做事的行为。4）拍照，以前单纯靠人眼判定，现在我们一般采用拍照读取线外固定二维码的方法，如果拍照后模糊识别不出治具上的二维码则此项测试不通过。其实，上面对于屏幕和灯光的检测的方法并不是唯一的方法，更好的还有通过CCD？（Charge Coupled Device）成像后对比标准模板的做法，只不过后者的成本相对较高，但相应的拦截不良的能力也更高。

2.2.4 系统管控在生产线老化测试中的应用

老化测试主要有两大问题，第一个问题，如何将完成测试的紧急出货的机器在第一时间送到包装线？传统做法是人去找，但效率不高，而且等意识到要出货了通常所剩时间不多，如果再碰上机器是测试不过的情况，根本没有足够的周期来完成维修和测试流程。所以我们现在与出货系统对接，采取系统管控的方式提前预警这种问题，在老化区最终测试通过的画面上显示从机成测试后开始累计的时间和状态颜色，紧急出货的机台显示红色背景，这样下架的人员可以快速通过颜色识别下架的优先顺序，解决了以前无序的状态。第二个问题，如何对多次测试不过的机台及时进行相应处理？之前每个区域有指定的处理异常的人员，但是由于人员执行力的问题，不能及时把不良机台交给相应工程师处理，现在系统自动侦测老化测试时间和次数，如果机台多次在老化区域出现测试不通过或者测试时间过长，系统会自动发送邮件通知到相关责任人进行异常处理。。？

2.2.5 系统管控在生产线包装中的应用

除了之前提到的捡料时要用到的PTL亮灯捡料系统之外，在包装线最重要的是对机器的离线管控。我们通常的做法是控制站与站之间的间隔时间，如果超出规定时间系统自动指回到回流点，重新过相应检查站别。另外，针对键盘我们采用的是AOI检验设备，CCD拍照后对比系统建立的模板，侦测键盘错漏键和标签错误的问题，比传统的人眼对比效率和可靠性都好很多。

2.2.6 系统管控在生产线产品维修中心的应用

传统的维修管理方式是先进先出，但当工厂产能比较紧张的情况下，我们经常遇到机器卡在维修中心，因为没有及时处理而耽误出货的情况，这就要求我们缩短维修等待时间，把紧急出货的机器优先做处理。我们建立以一套维修机台管控系统，所有进入维修中心的机器序列号会被刷入系统，系统根据出货需求做出维修优先级判断，第二天出货的机台会显示红色要求在前一天完成维修。另外，系统登记了维修人员的能力水平，通过不良代码把维修难度较大的机台分配给能力较强的维修人员，减少二次回流率，从而大大提高维修效率。