基于和利时MACS的水箱液位控制系统设计(2)
这些锅炉液位设定值或水蒸气蒸发量可以看成是锅炉液位控制系统的扰动量。对于这个控制回路来说，液位设定值发生变化之后，或者该液位系统受到扰动，液位应该能够迅速、准确并平稳地回到设定值，以保证生产。
然而在液位控制系统中，由于液位控制纯滞后、大惯性的特性，因此液位变化缓慢，控制时其效果不理想系统响应的调节时间较长[3]，设计一个良好的控制算法对于保证液位控制系统的快速性、准确性以及稳定性十分必要。
1.2 过程控制的发展
自动化技术在工业工业生产中不断地发展，逐渐产生了过程控制技术。它在工业生产中的应用先后经历了20世纪40年代前后到该世纪60年代的仪表自动化阶段、20世纪70年代到80年代的计算机控制阶段以及20世纪90年代至今的综合控制阶段[4-5]。在过程工业界，自仪表自动化开始，过程控制的核心系统已广泛应用简单 PID控制回路[6]，从仪表自动化后期，比值、前馈、串级等复杂的控制系统得到了较快发展和运用，这时已经可以进行大多较复杂控制。但在控制过程中，依然有 10%~20%控制过程无法实现或控制不理想，主要由于被控对象具有非线性、时变性、滞后等特征[7] 随着过程工业发展日趋壮大，控制质量与经济效益日渐成为矛盾，开发出更先进控制方法以适应生产发展要求被迫切需要，于是，现代控制理论逐渐成长起来，它以状态空间方法来研究控制理论，内容涵盖了输出反馈、解耦控制、鲁棒控制、自适应控制等理论[8]，然而，生产的发展依旧不断带来新的控制问题，待人们进行探索，但随着数学理论与计算机技术的发展，过程控制技术已经有质的飞跃。目前部分发达国家的某些领域已经进入工业3.0（电子信息化时代），德国甚至已经提出了工业4.0（物联网时代），而我国与许多不够发达国家仍处于工业2.0（电气化与自动化时代），在自动控制领域，还仍然在大量使用直接数字控制（ DDC）、计算机监控（SCC）、集散(/分布式)控制系统（DCS）等控制技术。但无论在发展中国家还是发达国家，PID控制仍大范围应用于工业控制中得到了，在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中大量的控制回路仍充斥着PID结构的踪影，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的[2]。因此本文的研究还是以PID控制为核心单回路与串级控制。
1.3 集散型控制系统
本课题所关注的集散控制系统(distributed control system, DCS)综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术等先进技术, 采用多层分级的结构形式, 适应现代化生产的控制与管理需求 [9]。一个分散控制系统一般由现场控制站、操作员站、工程师站、系统网络组成，能够实现分散控制，集中管理。
自1975年美国Honeywell公司宣布其世界上第一套集散控制系统TDC2000诞生以来，经过近三十年的发展，美国、德国、日本等国家的多家控制系统供应商都先后推出了各自品牌的DCS产品，并经历了几代产品的发展和应用，我国也出现了具有自主知识产权的DCS产品[10]。目前国内比较有代表性的DCS厂家主要有浙大中控、上海新华与和利时公司,其中MACS系统即和利时公司最新的DCS控制系统，其采用全分散的模块化结构，既利用了现场总线的优点，又保持了兼容常规仪表的低成本优势[11]。借由该平台，许多研究人员对自动控制的研究不断深入，研究手段也越来越丰富。鉴于MACS系统的优良特性，该系统被本课题所采纳。
1.4 工作安排
本文主要研究利用PID 算法对双容水箱的单回路和串级控制，对测得的水箱传递函数进行仿真并进行控制器参数整定，全文详细阐述了PID 控制由建模、仿真到试验的过程。