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摘要热工对象的动态特性测试对工业生产设备的设计和制造都有着非常重要的意义。文中利用和利时 MACS 自动控制系统作为软件支持，THJ-3 型高级过程控制系统实验装置作为热工特性测试对象，通过对和利时 MACS 系统的组态，构建独立完善的热工对象特性测试的控制系统，并实现对 THJ-3 型高级过程控制系统实验装置的控制和数据监控。通过此热工对象特性测试平台完成对单容水箱和双容水箱的阶跃响应曲线的测绘。并通过对响应曲线的分析和计算求出单容水箱和双容水箱的传递函数，建立数学模型，深入分析影响水箱动态特性的因素，为工业生产提供理论支持。 27560
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毕业论文关键词 动态特性 和利时 水箱 数学模型
Title Thermal object characteristic test based on MACS
Abstract The dynamic characteristic test of the thermal engineering object is very important for the design and manufacture of the industrial production equipment. With the use of Macs automatic control system as the software support, senior THJ-3 process control system experimental device as the object of thermal performance test, through the configuration of Macs system, build perfect thermal characteristic test of the control system, and implemented on THJ-3 advanced process control system experimental device control and data monitoring.The step response curve of the single tank and the double tank is completed by the thermal object characteristic test platform.Through the analysis and calculation of the response curve, the transfer function of the single tank and the two tanks is calculated, and the mathematical model is established, and the factors that influence the dynamic characteristics of the water tank are analyzed. theoretical support for industrial production is provided. Key words Dynamic characteristic water tank mathematical MACS
目 次
1 绪论 1
1.1研究的问题及意义 .. 1
1.2热工对象装置简介 .. 1
1.3 和利时MACS 系统的发展及其在工业中的应用 .. 2
1.4 数据辨识简介 3
1.5 本文的主要内容 .. 3
2 热工对象特性测试平台的搭建 . 5
2.1 热工对象设备及连接 5
2.2 和利时MACS 系统组态 . 10
3 数据采集及辨识 .. 27
3.1 单容水箱 . 27
3.2 双容水箱 . 32
结论 .. 38
致谢 .. 39
参考文献 40
1 绪论 1.1研究的问题及意义 单容水箱和双容水箱在工业生产中应用非常广泛，是很多生产流程中不可缺少的一部分，其液位控制问题也是工业生产中的一个重要环节。而在工业生产的快速发展和工业技术的快速革新的今天，水箱液位控制精确度、响应的速度和稳定性的要求越来越受到人们的重视，要求也越来越高。在实际工业中，情况还更加复杂，通常还有非线性和延时等特点。要想达到理想化的控制效果非常困难。一个完整准确的数学模型是我们想要达到高精度、高稳定性控制效果的理论基础。所以，深入研究水箱的动态特性并建立完整准确的水箱液位数学模型就拥有其特殊的重要意义。 时代在不断进步，人们对现代工业产品的要求也越来越高。正是这些不断提高的需求推动了人类对先进控制理论的研究，从而带动了工业技术的发展和控制技术的进步。但是从目前的情况来看，学术的研究成果和实际生产应用并没有达到完美的同步，大规模批量生产应用的技术比最新的科研成果一般要延后几年甚至几十年。这主要是因为在理论研究阶段，很多研究项目没有实际背景支持，一但运用到实际中时就会出现很多问题，降低了研究的实用性。 在当前条件下，实验室还没办法完全还原实际生产条件，所以我们就应当开发应用那些能典型反应对象特性的装置。多水箱流程控制系统就是一个有纯延时、非线性等特点的综合型系统，是过程控制对象中的典型。在实际的工业生产中也得到了非常广泛的应用。在使用传统的调节方法对此类系统进行调节控制时，会由于其多输入输出等特点和系统关联的问题，导致调节效果下降，使得对此类系统的控制变得很困难。多水箱流程系统就是这种具有多输入、多输出、高延迟、非线性等特点的综合性系统，其液位数学模型的建立拥有非常重要的工业意义。 1.2热工对象装置简介 本文在研究单容水箱和双容水箱的动态特性时，研究对象采用的是天煌科技实业有限公司制造的“THJ-3型高级过程控制系统实验装置”。 该系统的设计是为了实现实验的工程化、参数化。实验的对象使用的是在当今工业中最常用的水箱和锅炉。实验仪表全部使用具有人工智能通讯接口及算法的智能控制阀，系统控制软件采用和利时 MACS自动控制系统。该实验装置设计了多种扩展连接口，可以和多种 DCS控制系统兼容连接。同时，其水箱和锅炉真实模拟了工业生产中的实际情况，为让实验变得更加有实际意义。 在当前社会环境下，教育改革正在深入人心，各个高校的老师都意识到了学生实际研究能力教育的重要性，但目前各大高校的教学体系中理论和现实严重脱节，而这套系统就是在这样的环境下应运而生。其系统总结构图如图1.1。 “THJ-3 型过程控制系统实验装置”是以工业生产为基础的热工对象模拟装置，它把自动化技术、仪表监测技术，计算机控制技术，通讯技术等全部融合在一起，搭建了 THJ-3 多功能实验装置，该装置是一套根据工业生产与教育、实验之间的差距，综合了国内外同类实验装置的特点和长处，经过多次实验和不断地改进而诞生的一套全新的实验装置。该装置包括流量、温度、液位、压力等热工参数的实验，可以进行参数的分析辨识，单回路系统的控制，串级控制，前馈—反馈控制，比例控制等多种形式的自动控制实验。其外部控制系统还可以是 DDC，DCS，PLC，FCS 等多种控制系统。是对复杂控制系统和对热工对象特性研究的最佳工具。 1.3 和利时MACS系统的发展及其在工业中的应用 在经过了二十多年的发展和进步之后，DCS 已经发生了天翻地覆的变化。这种变化来自两方面的动力：1、用户需求的不断提高；2、电子与信息技术的快速发展。那些只能实现一般的仪表监测控制和普通的数据检测功能的DCS 已经不再能满足用户的需求，同时，随着电 子与信息技术的进步，DCS 所用到的电子元件越来越优质，价格却越来越便宜，其中各种等级的 OEM部件和HMI软件的快速成长和发展大大降低了 DSC 的开发难度和开发成本。 1.4 数据辨识简介 热工过程自动控制系统的控制质量是由被控对象的各个环节的动态特性与控制系统的结构的契合度来决定的。通常情况下，我们把对被控对象的输入和输出的关系的表述，被定义为被控对象的数学模型，详细的数学模型可以大大提高控制系统的设计和控制质量，而要建立被控对象的数学模型，目前主要有两种方法，一种是测试法，另一种就是机理分析法。 机理分析法需要分析整个过程的运动规律，运用已知的定律、定理和规律等，对所研究的对象提出合理化的简化和假设，使问题简单化，从而建立起对象的数学模型，通常这种方法也被称为理论建模。 通常情况下，被控对象的输入和输出的数据都是可以测量的，其动态特性也都一定会体现在输入输出数据里面，所以我们可以忽略或跳过中间过程，直接利用被控对象的输入输出数据来建立其数学模型。这就是辨识，也可以称为测试法。所谓辨识的实质就是测量被控对象在人为控制下的输入输出数据和正常情况下的输入输出响应，通过数学的处理和计算，估计出数学模型。辨识主要包括以下几点：实验设计、结构分析、参数分析、模型检验。辨识的过程大致可以总结为以下几步：先确定辨识分析的目的，利用已有的知识和经验，初步确定模型的结构，然后采集数据并进行模型的参数和结构辨识， 最后通过验证并获得最终模型。 由于热工生产过程一般都伴随能量和物质的传递，过程复杂多变，要通过机理分析法得到其数学模型非常困难。所以辨识法是现在我们使用的热工对象特性获得的主流方法。 1.5 本文的主要内容 本文需要学习 THJ-3 型热工对象模拟系统实验装置，了解其总体构造，数据采集和传输方式，数据信号类型，各个子系统和设备的参数，及操作方式。学会该系统和 THJ-3 型分布式过程控制系统的连接方式，信号传输类型，接口参数等。在此基础上，通过学习和利时 macs自动控制系统，熟悉和利时自动控制系统的组态流程和操作流程，并使用和利时自动控制系统进行组态，实现对单容水箱和双容水箱的控制，完成对实验平台的搭建。 在实验平台搭建完成后，通过和利时 macs 自动控制系统的操作员站，实现对水箱系统的控制和数据采集。在此平台上，使用阶跃响应的测试方法，在水箱 F1-9和F1-10 处于不同开度的情况下进行多组实验和测试，最后通过对实验数据的结果参数的辨识和计算，求出其传递函数，从而实现对单容水箱和双容水箱的液位特性测试。再比较水箱系统在不同状态下的数学模型，分析影响水箱数学模型的因素，为工业上对水箱液位的控制提供理论依据。