基于MATLAB的過程控制

1、基于matlab的過程控制系統(tǒng)仿真研究摘 要水箱和換熱器是過程控制中的典型對象，本設(shè)計主要以水箱液位控制系統(tǒng)和換熱器溫度控制系統(tǒng)為例，通過建立數(shù)學(xué)模型，確定對象的傳遞函數(shù)。利用matlab的simulink軟件包對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了深入的分析。在水箱液位控制系統(tǒng)中，通過建立數(shù)學(xué)模型以及實驗中對實驗數(shù)據(jù)的分析，分別確定了單容、雙容、三容水箱對象的傳遞函數(shù)。在simulink軟件包中建立了各系統(tǒng)的仿真模型。通過對仿真曲線的研究，分析了控制器參數(shù)對系統(tǒng)過渡過程的影響。在換熱器溫度控制系統(tǒng)中，根據(jù)自動控制系統(tǒng)工藝過程，利用降階法確定了對象的傳遞函數(shù)。在軟件包simulink中搭建了

2、單回路、串級、前饋反饋控制系統(tǒng)模型，分別采用常規(guī)的pid、實際pid和smith預(yù)估器對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，通過仿真曲線的比較，分析了各種控制系統(tǒng)的特點。關(guān)鍵詞：過程控制；matlab；仿真；水箱；換熱器 simulation and research of process contro1system based on matlababstractwater tank and heat exchanger are typical object in the process control in the design,the control system of tank level and he

3、at interchange is used as an example.the transfer function object is defined by setting up the mathematical model.i carry on simulation research on the system by using matlabs simulink simulation.and deeply analyze the result of the simulation. in the system, which control the level of the tank. the

4、 transfer function of a single-tank, double-tank, three-tank is defined by setting up mathematical model and analyzing date. simulation model of all system set up simulink simulation. the effect that controller parameter composes on the system is analyzed through the research on the simulation cuver

5、s.in the control system of heat inter change. the design uses reduction method and defines the transfer function of the object.according to the technical process in the automatic system.the control system model of single loop, cascade, feed forward-feedback is established. simulation research on the

6、re system is carried on through using conventional pid, the actual pid and smith predictor , while the characteristics those control system are compared.key words: process control; matlab; simulation; water tanks; heat exchanger目 錄摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 過程控制簡介11.2 過程控制的發(fā)展11.3 控制系統(tǒng)仿真的含義21.4 矩陣實驗室m

7、atlab簡介21.5 動態(tài)系統(tǒng)軟件包simulink簡介31.6 控制系統(tǒng)仿真的一般步驟4第二章 過程控制系統(tǒng)概述52.1 過程控制中常見的控制系統(tǒng)52.1.1 單回路控制系統(tǒng)52.1.2 串級控制系統(tǒng)52.1.3 前饋控制系統(tǒng)62.1.4 前饋反饋控制系統(tǒng)72.2 通道特性對控制質(zhì)量的影響82.2.1 干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響82.2.2 控制通道特性對控制質(zhì)量的影響82.3 控制器參數(shù)對系統(tǒng)的影響102.4 控制器控制規(guī)律的選擇102.5 控制器參數(shù)整定11第三章 液位控制系統(tǒng)的仿真研究123.1 單容水箱液位控制系統(tǒng)123.1.1 單容水箱數(shù)學(xué)模型123.1.2 控制方案143.1

8、.3 單容水箱的simulink仿真143.2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)173.2.1 雙容水箱數(shù)學(xué)模型173.2.2 控制方案193.2.3 雙容水箱的simulink仿真193.3 三容水箱液位控制系統(tǒng)233.3.1 三容水箱的系統(tǒng)建模233.3.2 三容水箱的simulink仿真243.4 本章小結(jié)25第四章 換熱器溫度控制系統(tǒng)仿真研究274.1 換熱器的數(shù)學(xué)模型274.1.1 換熱器構(gòu)造及工作原理274.1.2 被控參量的選擇284.1.3 被控對象的特性294.1.4 被控對象數(shù)學(xué)模型的建立294.2 單回路控制系統(tǒng)334.2.1 常規(guī)pid控制344.2.2 實際pid控制系統(tǒng)仿真36

9、4.2.3 史密斯(smith)預(yù)估控制系統(tǒng)仿真394.3 串級控制系統(tǒng)414.3.1 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)414.3.2 串級控制系統(tǒng)的pid仿真424.3.3 串級控制系統(tǒng)的smith預(yù)估控制454.4 前饋串級控制系統(tǒng)464.4.1 換熱器前饋串級控制的數(shù)學(xué)模型464.4.2 前饋控制規(guī)律的實施474.4.3 simulink仿真484.5 本章小結(jié)51結(jié)束語52參考文獻(xiàn)54致謝56第一章 引 言1.1 過程控制簡介過程控制系統(tǒng)是表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參

10、量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少1。1.2 過程控制的發(fā)展在現(xiàn)代工業(yè)控制中, 過程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。在本世紀(jì)30 年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天, 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動控制兩個發(fā)展時期。在自動控制時期內(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個發(fā)展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。從過程控制采用的理論與技術(shù)手段來看，可以粗略地把它劃為三個階段：開始到70 年代為第一階段，70 年代至90 年代初為第二階段，90 年代初為第三階段開始。其中70 年代既是古典控制應(yīng)用發(fā)展的

11、鼎盛時期，又是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的初期，90 年代初既是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的繁榮時期，又是高級控制發(fā)展的初期。第一階段是初級階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎(chǔ)，采用常規(guī)氣動、液動和電動儀表，對生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制，在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、pid 策略為主，同時針對不同的對象與要求，創(chuàng)造了一些專門的控制系統(tǒng)，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滯后的smith 預(yù)估器，克服干擾的前饋控制和串級控制等等，這階段的主要任務(wù)是穩(wěn)定系統(tǒng)，實現(xiàn)定值控制。這與當(dāng)時生產(chǎn)水平是相適應(yīng)的。第二階段是發(fā)展階段，以現(xiàn)代控制理論為主要基礎(chǔ)，以微型計算機和高檔儀表為工具，對較復(fù)雜的工

12、業(yè)過程進(jìn)行控制。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進(jìn)控制系統(tǒng)和高級控制策略，如克服對象特性時變和環(huán)境干擾等不確定影響的自適應(yīng)控制，消除因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預(yù)測控制等。這階段的主要任務(wù)是克服干擾和模型變化，滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。1975 年，世界上第一臺分散控制系統(tǒng)在美國honeywell 公司問世，從而揭開了過程控制嶄新的一頁。分散控制系統(tǒng)也叫集散控制系統(tǒng)，它綜合了計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和顯示技術(shù)，采用多層分級的結(jié)構(gòu)形式,按總體分散、管理集中的原則，完成對工業(yè)過程的操作、監(jiān)視、控制。由于采用了分散結(jié)構(gòu)和冗余等技術(shù)，使系統(tǒng)的可靠性極高

13、，再加上硬件方面的開放式框架和軟件方面的模塊化形式，使得它組態(tài)、擴展極為方便，還有眾多的控制算法(幾十至上百種) 、較好的人機界面和故障檢測報告功能。經(jīng)過20 多年的發(fā)展，它已日臻完善，在眾多控制系統(tǒng)中，顯示出出類拔萃的風(fēng)范，因此，可以毫不夸張地說，分散控制系統(tǒng)是過程控制發(fā)展史上的一個里程碑。第三階段是高級階段，目前正在來到2。1.3 控制系統(tǒng)仿真的含義控制系統(tǒng)仿真是建立在控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)之上的控制系統(tǒng)動態(tài)過程試驗，目的是通過試驗進(jìn)行系統(tǒng)方案論證，選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，驗證系統(tǒng)的性能指標(biāo)等如果這種試驗是在計算設(shè)備上實現(xiàn)的，就稱為計算機仿真3。1.4 矩陣實驗室matlab簡介矩陣實驗室(matl

14、ab)語言是mathworks公司于1982年推出的， 它集數(shù)值分析、信號處理、系統(tǒng)控制和圖形處理于一體，構(gòu)成了一個方便的界面友好的用戶環(huán)境。在我國，自動控制領(lǐng)域已廣泛地應(yīng)用這種語言。1992年的math works公司推出了交互式模型輸人與模擬環(huán)境動態(tài)系統(tǒng)軟件（simulnk），使得matlab在自動控制系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用得到很大發(fā)展。 一種語言之所以能迅速的普及。顯示出如此旺盛的生命力，matlab有其不同于其它語言的特點。與c、fortran、pascal等高級語言相比。matlab不但在數(shù)字語言的表達(dá)與解釋方面表現(xiàn)出人機交互高度一致。還具有如下特點：(1)超強的數(shù)值運算功能 在matlab

15、環(huán)境中，有超過500種的數(shù)字、統(tǒng)計、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可供使用，而且使用簡單快捷；(2)強大的數(shù)據(jù)可視化功能 matlab的圖形功能使用戶可以進(jìn)行視覺數(shù)據(jù)處理和分析；(3)開放的架構(gòu)和可延拓的特性(除內(nèi)部函數(shù)外) 所有matlab主包文件和各工具包都是可讀可改的源文件，用戶可以檢查算法，修改現(xiàn)在函數(shù)。甚至加入自己的函數(shù)。構(gòu)成新的工具包；(4)豐富的工具箱 最常用的有控制系統(tǒng)工具箱、圖像處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、信號處理工具箱、小波工具箱等等4。1.5 動態(tài)系統(tǒng)軟件包simulink簡介simulink是運行在matlab環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動態(tài)系統(tǒng)的軟件包，如圖1.1所示為simu

16、link軟件系統(tǒng)組成。它包括一個龐大的結(jié)構(gòu)方塊圖模型，用戶可以既快捷又方便地對系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真而不必寫任何代碼程序，并且simulink可以在屏幕上顯示數(shù)據(jù)以及輸出數(shù)據(jù)和圖形。simulink本身就是一種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具，它是matlab的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的工具平臺；用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型。同時，simulink也為控制領(lǐng)域提供大量的仿真模型，以滿足控制領(lǐng)域不同用戶的需要。simulink模型可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)，如模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)。同時，simulink是開放式

17、的，允許用戶定制自己的模塊和模塊庫，而且它比較詳實的幫助系統(tǒng)便于應(yīng)用。對于建模，simulink提供了一個圖形化的用戶界面(gui)，可以直接用鼠標(biāo)點擊和拖拉模塊的圖標(biāo)建模。這是以前需要用編程語言明確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所無法比擬的。simulink包括一個由信號源、接受器、線性和非線性組件以及中間的連接器件組成的模塊庫，同時可以根據(jù)用戶自己的需要創(chuàng)建相應(yīng)的模塊。圖1.1 simulink 軟件系統(tǒng)組成目前，隨著軟件的不斷升級和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，simulink已經(jīng)在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，世界上很多知名的大公司已經(jīng)使用simulink作為產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的工具。1.6

18、控制系統(tǒng)仿真的一般步驟(1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。如對象特性測試、pid參數(shù)測試、簡單系統(tǒng)的投運、簡單均勻控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用、前饋反饋系統(tǒng)的投運等實驗內(nèi)容的數(shù)學(xué)模型。(2)建立系統(tǒng)的仿真模型，即設(shè)計算法，并用計算機程序?qū)崿F(xiàn)。它是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且能被計算機所接受并能在計算機上運行。(3)運行仿真模型，進(jìn)行仿真實驗，再根據(jù)仿真實驗的結(jié)果，進(jìn)一步修正系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真模型5。第二章 過程控制系統(tǒng)概述2.1 過程控制中常見的控制系統(tǒng)2.1.1 單回路控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。再所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，因此，它又稱為簡單控制系統(tǒng)。

19、圖2.1 單回路控制系統(tǒng)方框圖圖2.1所示為一個單回路控制系統(tǒng)。它能夠抵制施加在系統(tǒng)上的干擾因素，系統(tǒng)過渡過程具有過渡時間較小、最大偏差較小、系統(tǒng)穩(wěn)定性較高等特點。采用單回路比例積分控制系統(tǒng)即可抵制干擾因素對液位的影響，能滿足一般生產(chǎn)工藝對液位過程控制的要求。2.1.2 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。圖2.2 串級控制系統(tǒng)方框圖如圖2.2所示，前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量(主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），

20、是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。2.1.3 前饋控制系統(tǒng)下圖2.3為前饋控制系統(tǒng)方塊圖。圖2.3 前饋控制系統(tǒng)方塊圖前饋控制系統(tǒng)特點：(1)前饋控制是按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。(2)前饋控制是一種開環(huán)控制，控制效果得不到檢驗。(3)前饋控制使用的是視過程特性而定

21、的“專用”控制器。(4)前饋控制只能抑制可測而不可控的擾動對被調(diào)參數(shù)的影響。在設(shè)計和應(yīng)用前饋控制時，首先要了解擾動的性質(zhì)。如果擾動是可測可控的，則只要設(shè)計一個定值控制系統(tǒng)就行了，如果擾動是不可測的，那就不能進(jìn)行前饋控制；如果擾動是可測而不可控的，則可設(shè)計和應(yīng)用前饋控制。(5)一種前饋控制作用只能克服一種干擾。由于前饋控制作用是按干擾進(jìn)行工作的，而且整個系統(tǒng)是開環(huán)的，因此根據(jù)一種干擾設(shè)置的前饋控制只能克服這一干擾，而對于其他干擾，由于這個前饋控制器無法感受到也就無能為力了。2.1.4 前饋反饋控制系統(tǒng) 單純的前饋往往不能很好的補償干擾，存在著不少局限性，這主要表現(xiàn)在單純的前饋控制不存在被控變量的

22、反饋，既對于補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段，這樣，在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時，系統(tǒng)無法得到這一信息而做進(jìn)一步的校正。其次，由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為補償它們對被控變量的影響，勢必要設(shè)計多個前饋通道，這就增加了投資費用和維護(hù)工作量。此外，前饋控制模型的精度也受多種因素的限制，對象特性要受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生飄逸，必導(dǎo)致和的變化，因此，一個固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。為了解決這一局限性，可以將前饋與反饋結(jié)合起來使用，構(gòu)成所謂前饋反饋控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點，將反饋控制不易克服的主要干擾進(jìn)行前饋控制，而對其他干擾進(jìn)行反饋控制，這樣，既發(fā)揮可前饋校

23、正及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多種干擾，并對被控變量始終給予校驗的優(yōu)點，因而是過程控制中較有發(fā)展前途的控制方式。利用輸入或擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。這類按輸入或擾動的開環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋-前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統(tǒng)，對于滯后較大的控制對象，其反饋控制作用不能及時影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動的主要外擾動參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時，利用外擾信號直接控制輸出（實施前饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補償外擾對整個系統(tǒng)

24、的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號實施前饋控制的方式稱為擾動控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統(tǒng)輸出的影響2。2.2 通道特性對控制質(zhì)量的影響2.2.1 干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響 干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)余差也越大，既控制質(zhì)量越差。干擾通道時間常數(shù)越大，個數(shù)越多，或者說干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥，干擾對被控參數(shù)的影響就越小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越高。干擾通道有、無純滯后對控制質(zhì)量沒有影響，所不同的只是兩者在影響時間上相差一個純滯后時間。即當(dāng)有純滯后時，干擾對被控參數(shù)的影響要向后推遲一個純滯后時間。 2.2.2 控制通道特性對控制質(zhì)量的影響(1)放大倍

25、數(shù)的影響放大倍數(shù)對控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面進(jìn)行分析。從靜態(tài)方面分析，由式，似乎可以得出當(dāng)、不變時，控制通道放大倍數(shù)愈大，系統(tǒng)的余差愈小的結(jié)論。然而這是不對的。因為，對一個控制系統(tǒng)來說，在一定的穩(wěn)定程度（即一定的衰減比）情況下，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是一個常數(shù)，即，這樣才能維持系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度。系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)無關(guān)。即在一定穩(wěn)定性前提下，系統(tǒng)的控制質(zhì)量與控制通道放大倍數(shù)無關(guān)。上述結(jié)論只是對線性系統(tǒng)而言，而對于非線性系統(tǒng)，由于隨著負(fù)荷的變化而變化，這時如欲由來補償則有困難，因此，此時的變化將會影響系統(tǒng)的質(zhì)量。然而，從控制角度看，愈大，則表示控制參數(shù)對被控參數(shù)的影響愈大，這

26、表示通過對它的調(diào)節(jié)來克服干擾影響更為有效。此外，在相同衰減比情況下，與的乘積為一常數(shù)，當(dāng)愈大時則愈小，而小則大。大比較容易調(diào)整。如果反過來，小則不易調(diào)整。因為當(dāng)小于3時，調(diào)節(jié)器則相當(dāng)于一位式調(diào)節(jié)器，已失去作為連續(xù)調(diào)節(jié)器的作用。因此，從控制的有效性及調(diào)節(jié)器參數(shù)易調(diào)整性來考慮，則希望控制通道放大倍數(shù)愈大愈好。(2)時間常數(shù)t0的影響控制通道時間常數(shù)愈大，經(jīng)過的容量數(shù)愈多，系統(tǒng)的工作頻率將愈低，控制愈不及時，過渡過程時間也愈長，系統(tǒng)的質(zhì)量愈低。隨著控制通道時間常數(shù)的減小，系統(tǒng)工作頻率會提高，控制就較為及時，過渡過程也會縮短，控制質(zhì)量將獲得提高。然而也不是控制通道時間常數(shù)愈小愈好。因為時間常數(shù)太小，系

27、統(tǒng)工作過于頻繁，系統(tǒng)將變得過于靈敏，反而會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，系統(tǒng)質(zhì)量會變差。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動得都比較厲害，就是由于流量對象時間常數(shù)比較小的緣故。(3)純滯后0和容量滯后c的影響控制通道的滯后包括純滯后0和容量滯后c兩種。它們對控制質(zhì)量的影響不利，尤其是0的影響最壞。控制通道純滯后的存在不僅會使系統(tǒng)控制不及時，使動態(tài)偏差增大，而且還會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。這是因為純滯后的存在，使得調(diào)節(jié)器不能及時獲得控制作用效果的反饋信息，會使調(diào)節(jié)器出現(xiàn)失控。當(dāng)需要增加控制作用時會使控制作用增加得太多，而一但需要減少控制作用時則又會使控制作用減少得太過分，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低

28、。因此，控制通道純滯后的存在，對控制質(zhì)量起著很壞的影響，會嚴(yán)重地降低控制質(zhì)量。控制通道的容量滯后c同樣會造成控制作用不及時，使控制質(zhì)量下降。但是c的影響比純滯后c對系統(tǒng)的影響緩和。另外，若引入微分作用，對于克服c對控制質(zhì)量的影響有顯著的效果。2.3 控制器參數(shù)對系統(tǒng)的影響比例系數(shù)kp ， 作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，也就是對偏差的分辨率越高，但kp過大，將產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定， 取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，尤其是使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。積分系數(shù)ki, 作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki越

29、大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但ki過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分系數(shù)kd, 作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。pid控制器的微分作用環(huán)節(jié)是響應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報。但kd過大，則會使響應(yīng)過程過分提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且統(tǒng)的抗干擾性能較差。2.4 控制器控制規(guī)律的選擇通常，選擇調(diào)節(jié)器動作規(guī)律時應(yīng)根據(jù)對象特性、負(fù)荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及系統(tǒng)投入方便等?；驹瓌t：(1) 廣義對象控制通

30、道時間常數(shù)較大或容積延遲較大時，應(yīng)引入微分動作。如工容許有殘差，可選用比例微分動作；如工藝要求無殘差時，則選用比例積分微分動作。如溫度、成分、ph值控制等。(2) 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無殘差時，可選擇比例積分動作。如管道壓力和流量的控制。(3) 廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高時，可選擇比例動作，如貯罐壓力、液位的控制。4) 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積延遲很大，負(fù)荷變化亦很大時，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)。如果被控對象傳遞函數(shù)可用近似，則可根據(jù)對象的可控比/t選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律。當(dāng)/t0.2時，選擇比例或

31、比例積分動作；當(dāng)0.21.0時，采用簡單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，應(yīng)選用如串級、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。2.5 控制器參數(shù)整定 一個控制系統(tǒng)的質(zhì)量取決于對象特性、控制方案、干擾的形式和大小，以及控制器參數(shù)等各種因素。一旦系統(tǒng)按所設(shè)計的方案安裝就緒，對象特性與干擾位置等基本上都已固定下來，這時候系統(tǒng)的質(zhì)量主要取決于控制器參數(shù)整定了。合適的控制器參數(shù)會帶來滿意的控制效果，不合適的控制器參數(shù)會使系統(tǒng)質(zhì)量變壞。但是，決不能因此而認(rèn)為控制器參數(shù)整定是萬能的。對于一個控制系統(tǒng)來說，如果對象特性不好，控制方案選的不合理，或是儀表選擇和安裝不當(dāng)，那么無論怎樣整定控制器參數(shù)，也是達(dá)不到質(zhì)量指標(biāo)要求的。因此，只能

32、說在一定范圍內(nèi)，控制器參數(shù)整定合適與否，對控制質(zhì)量具有重要的影響。系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間ti和微分時間td的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實質(zhì)，就是通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的這些參數(shù)，使其特性與被控對象特性相匹配，來改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，以達(dá)到最佳的控制效果。人們常把這種整定稱作“最佳整定”，這時的調(diào)節(jié)器參數(shù)叫做“最佳整定參數(shù)”。 對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)器參數(shù)（、ti、td）的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求6。第三章 液位控制系統(tǒng)的仿真研究液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題,例如飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過

33、程都需要對液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｋ湟何坏目刂谱鳛檫^程控制的一種,由于其自身存在滯后,對象隨負(fù)荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點,傳統(tǒng)的控制不能達(dá)到滿意的控制效果。本設(shè)計建立一個簡化的數(shù)學(xué)模型。來實現(xiàn)水箱液位控制系統(tǒng)仿真研究7。3.1 單容水箱液位控制系統(tǒng)3.1.1 單容水箱數(shù)學(xué)模型假如某單容液位過程如上圖3.1所示。該過程中，儲蓄中液位高度h為被控參數(shù)（即過程的輸出），流入儲蓄罐的體積流量q1為過程的輸入量，q1 的大小可通過閥門1的開度來改變；流出儲蓄的體積量q2為中間變量（即為過程的干擾），它取決于用戶需要，其大小可以通過閥門2的開度來改變。 圖3.1 單容液位過程根據(jù)動態(tài)物料

34、平衡關(guān)系有： 式(3.1)c為儲罐的截面積（容量系數(shù)）靜態(tài)時有： , 假設(shè) 為閥2的液阻，微分方程為： 式(3.2)傳遞函數(shù)為 式(3.3) t為被控過程的時間常數(shù)，k為被控過程的放大系數(shù)，2。假設(shè)流經(jīng)l長管道所需時間為，則具有純滯后的單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 式(3.4) 式(3.5)根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)可以近似得到如圖3,2的反應(yīng)曲線圖3.2 單容水箱液位對象反應(yīng)曲線根據(jù)反應(yīng)曲線及實驗數(shù)據(jù)可得參數(shù)k、t分別為0.32、70。所以單容水箱的傳遞函數(shù)為： 式(3.6)3.1.2 控制方案設(shè)計采用簡單的單回路控制系統(tǒng)，控制方案如圖3.3所示。圖3.3 單容水箱控制結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示，其被控制

35、量為水箱液位h，控制量是入水量。如果水箱液位比期望的液位值低，就要加大入水量；如果水箱液位比期望的液位值要高，就要減少入水量。如果水箱液位正好等于期望的液位值，入水量就可以保持不變。 單回路控制方框圖如下圖3.4所示：圖3.4 單容水箱控制方框圖若水箱只是為了起緩沖作用而需要控制液位時，則控制精度要求不高，控制器選用簡單易行的p調(diào)節(jié)規(guī)律即可；若水箱作為計量槽使用時，則需要精確控制液位，即需要消除穩(wěn)態(tài)誤差，則可選用pi調(diào)節(jié)規(guī)律。3.1.3 單容水箱的simulink仿真pid控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器，由于pid控制器具有簡單、固定的形式，允許操作人員用簡單、直接的方式來調(diào)控系統(tǒng)。而

36、且，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性。因此，目前在工業(yè)過程控制中，pid控制方式占據(jù)主導(dǎo)地位。pid控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： 式(3.7)其中：u(t)控制器的輸出；e(t)控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號；kp控制器的比例系數(shù)；ti控制器的積分時間；td控制器的微分時間。pid控制的關(guān)鍵在于kp、ti、td三個參數(shù)的整定。其控制原理如圖4.6所示8：圖3.5 pid控制原理方框圖單容水箱的單回路控制系統(tǒng)的控制器采用pi調(diào)節(jié)規(guī)律，pi的控制模型表達(dá)式如下： 式(3.8)如圖3.6所示為單容水箱的單回路控制仿真模型：圖3.6 單容水箱pid控制仿真圖3.7

37、 單容水箱pid控制仿真曲線當(dāng)控制器參數(shù)ti=20，同時逐漸增大比例系數(shù)kp，其仿真結(jié)果如圖3.7所示，圖中分別為kp等于0.5，3，5時的階躍響應(yīng)曲線。通過圖3.7中的仿真曲線，可以看出比例系數(shù)kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此kp的值不能取的過大。如果kp取值較小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。故比例系kp選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時間少而又穩(wěn)定的系統(tǒng)。圖3.8 單容水箱pid控制仿真曲線當(dāng)控制器參數(shù)kp=3，同時逐漸增大積分系數(shù)ki，其仿真結(jié)果如圖3.

38、8所示，在圖中分別為ki等于0.015，0.075，0.3時的階躍響應(yīng)曲線。通過圖3.8的仿真曲線可以得出： ki越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但ki過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若減小ki有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3.2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)3.2.1 雙容水箱數(shù)學(xué)模型 雙容水箱的數(shù)學(xué)模型如下圖3.9所示。圖3.9 雙容水箱數(shù)學(xué)模型 根據(jù)動態(tài)平衡關(guān)系，可列出如下方程： , 式(3.9) , 式(3.10)上述過程經(jīng)整理可得傳遞函數(shù) 式（3.11）式中，t1為槽1的時間常數(shù)，t1=r2c1； t2

39、為槽2的時間常數(shù)，t2=r3c2。雙容過程也可以近似為有時延的單容過程 式(3.12) 其階越響應(yīng)曲線如圖3.10所示：圖3.10 雙容水箱階越響應(yīng)曲線圖因為上水箱和下水箱的對象特性是相同的所以雙容水箱的對象傳函可以近似為： 式(3.13)3.2.2 控制方案設(shè)計中雙容水箱的控制也同樣采用單回路控制方案，控制方案如圖3.11 所示。其單回路液位控制系統(tǒng)方框圖與圖3.4相同。圖3.11 雙容水箱控制方案3.2.3 雙容水箱的simulink仿真在單容水箱控制仿真中，選一組控制效果最好的控制器參數(shù)（kp=3，ki=0.15）作用于雙容水箱對象模型上，仿真比較曲線如圖3.12所示。圖中曲線1為單容水

40、箱的仿真曲線，曲線2為雙容水箱的仿真曲線。,圖3.12 單、雙容水箱simulink仿真曲線比較由圖3.12中的仿真曲線比較可以看出控制器參數(shù)的重要性，同一組控制器參數(shù)作用于不同的對象，所得到的控制效果差別很大，所以控制器的參數(shù)整定在過程控制中十分重要，合適的控制器參數(shù)會帶來滿意的控制效果，不合適的控制器參數(shù)會使系統(tǒng)質(zhì)量變壞。 本設(shè)計中雙容水箱的單回路控制系統(tǒng)的控制器采用pid調(diào)節(jié)規(guī)律，模擬pid的控制模型表達(dá)式如下： 式(3.14)雙容水箱液位控制的simulink建模如圖3.13所示：圖3.13 雙容水箱simulink仿真模型表3.1 4：1衰減曲線法整定公式控制器的參數(shù)用4：1衰減曲線

41、法整定。在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將pid控制器的積分時間ti放到最大，微分時間td放在最小，比例度放于適當(dāng)數(shù)值（一般為100%），然后使由大往小逐漸改變（kp由小往大逐漸改變），并在每改變一次值時，通過改變給定值給系統(tǒng)是施加一階躍干擾，同時觀察過渡過程變化情況。如果衰減比大于4：1，應(yīng)繼續(xù)減?。╧p增大），當(dāng)衰減比小于4：1時應(yīng)增大，直至過渡過程呈現(xiàn)4：1衰減時為止。通過上述過程，可以找到4：1衰減振蕩時的比例度及振蕩周期ts。根據(jù)上表3-1給出的經(jīng)驗公式，可以算出采用不同類型控制器使過渡過程出現(xiàn)4：1振蕩的控制器參數(shù)值。按表3-1經(jīng)驗公式算出控制器參數(shù)后，按照先比例、后積分、最后微分的程序，依次將

42、控制器的參數(shù)放好。不過在放積分、微分之前，應(yīng)將放在比計算值稍大（約20%）的數(shù)值上，待積分、微分放好后，再將放到計算值上。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗證一下過渡過程是否呈4：1衰減振蕩。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下，直到達(dá)到滿意為止9。通過多次嘗試得出當(dāng)反應(yīng)曲線為4：1時，=0.025（kp=40，ts=125）。圖3.14 雙容水箱4:1仿真曲線根據(jù)公式表pid控制器參數(shù)為，ti=37.5，td=12.5。按公式將控制器參數(shù)放好后，得到曲線不是很滿意，適當(dāng)調(diào)整kp當(dāng)kp=13時可以得到如圖3.14的仿真曲線，曲線呈4：1衰減振蕩。人工調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，當(dāng)控制器參數(shù)kp=13，ki=0

43、.1,同時逐漸增大積分系數(shù)kd，其仿真結(jié)果如圖3.15所示，在圖中分別為kd等于10，100，150時的階躍響應(yīng)曲線。圖3.15 雙容水箱pid仿真比較曲線增大微分時間kd，使超調(diào)量減小，但kd過大會使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間增加。 3.3 三容水箱液位控制系統(tǒng)3.3.1 三容水箱的系統(tǒng)建模三容水箱同樣采用單回路控制系統(tǒng)，其控制方案如圖3.16所示。其單回路液位控制系統(tǒng)方框圖與圖3.4相同。 圖3.16 三容水箱的控制方案本系統(tǒng)可以看成是由三個單容對象串連構(gòu)成。水流量為q1，由調(diào)節(jié)閥控制，流出量q2則由負(fù)載閥來改變。水位h的變化反映了流入量q1和流出量q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。當(dāng)水的流入量與流

44、出量相等的時候，水位保持不變。當(dāng)控制閥突然開大，水的流入量階躍增多，水位開始上升。隨著水位的升高，水箱內(nèi)水的靜壓力增大，則水的流出量也隨之增多，最終會使得流入量和流出量相等，水位就再次平衡穩(wěn)定下來。三容水箱可以看成是一個三階系統(tǒng)也可以看成是一個一階滯后系統(tǒng)，本設(shè)計中三容水箱的傳遞函數(shù)可以近似為10： 式(3.14)3.3.2 三容水箱的simulink仿真pid控制系統(tǒng)仿真如圖3.17。圖3.17 pid仿真模型控制器參數(shù)由人工多次嘗試得出，通過仿真曲線的比較可以得到一組較好的控制器參數(shù)kp=0.1，ki=0.005，kd=1。圖3.18是仿真得到的響應(yīng)曲線。由圖可知，三容水箱系統(tǒng)平衡大約需要

45、800秒，并有較大的超調(diào)量。圖3.18 三容水箱pid仿真曲線對于三容水箱這樣復(fù)雜系統(tǒng)而言，上升時間和超調(diào)量是一對矛盾。為了使下水箱的液位較快達(dá)到設(shè)定值，勢必向上水箱大量注水。當(dāng)下水箱液位接近或達(dá)到設(shè)定值時，此時減小甚至停止注水也為時已晚。因為上水箱和中水箱此時也有大量的儲水，正是這些水流向下水箱導(dǎo)致了超調(diào)。如果等到超調(diào)量減小，下水箱液位再次接近或達(dá)到設(shè)定使才開始注水，會因為上水箱和中水箱會儲水而使得下水箱液位依然不可能維持。這也正說明了三容水箱的大慣性。3.4 本章小結(jié)本章主要利用單、雙、三容水箱液位控制系統(tǒng)，簡要分析了液位控制系統(tǒng)工藝流程及其運行過程的靜、動態(tài)特性，對常見的pid控制算法實

46、施控制的原理進(jìn)行了分析與研究，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用matlab系統(tǒng)仿真工具對單、雙、三容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，研究了系統(tǒng)的運行特性，對系統(tǒng)運行過程中的物理量進(jìn)行了控制，并且進(jìn)行了pid參數(shù)的相關(guān)分析。對于水箱液位控制系統(tǒng)，控制器參數(shù)選擇適當(dāng)就可以實現(xiàn)無靜差，且具有較好的動態(tài)過程控制。p參數(shù)不宜選擇過大，否則系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。i參數(shù)應(yīng)選擇較小的積分時間，可以出現(xiàn)衰減振蕩過程。通常對大多數(shù)的自動控制系統(tǒng)的動態(tài)過程出現(xiàn)衰減振蕩過程是人們所期望的，但也不宜過小，過小的話系統(tǒng)會趨向不穩(wěn)定。 d參數(shù)調(diào)整得當(dāng)，可以使過渡過程縮短，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少動態(tài)偏差。如果微分時間過大，系統(tǒng)變得非常敏感，

47、控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量將變差，甚至變成不穩(wěn)定。 在單容水箱控制系統(tǒng)中，采用pi調(diào)節(jié)作用，對抗干擾性能的要求就能很好地滿足。在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，將單容液位水箱控制系統(tǒng)試用成功的控制器參數(shù)應(yīng)用到雙容液位控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)中，從仿真曲線的分析比較中證明了控制器參數(shù)整定的重要性。在三容水箱控制系統(tǒng)中，由于其對象模型復(fù)雜，所以沒有得到很好的控制效果。第四章 換熱器溫度控制系統(tǒng)仿真研究4.1 換熱器的數(shù)學(xué)模型換熱器傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，在實現(xiàn)傳熱過程的各種設(shè)備中，蒸汽加熱換熱器應(yīng)用最多。本設(shè)計就是研究汽水加熱系統(tǒng)溫度的控制。4.1.1 換熱器構(gòu)造及工作原理凡是用來使熱量從一種流體傳給另一種

48、流體的設(shè)備，統(tǒng)稱為熱交換器，簡稱換熱器。換熱器按其作用原理可以分為表面式換熱器、回?zé)崾綋Q熱器和混合式換熱器三類。其中，表面式換熱器是目前使用最廣泛的一種換熱器，如各種管式、板式換熱器。一般來說，管殼式換熱器易于制造、生產(chǎn)成本較低、選材范圍廣、傳熱表面的清洗比較方便、適應(yīng)較強、處理量較大，具有高度工作可靠性，能夠承受高壓、高溫。雖然在結(jié)構(gòu)緊湊性，傳熱強度和單位傳熱面積的金屬耗量方面它確實有著缺點，但是由于其優(yōu)點，使之能在近代出現(xiàn)的新興換熱器的今天，依然充滿生命力，居于統(tǒng)治地位。所以在本系統(tǒng)采用管殼式換熱器。如圖4.1所示：圖4.1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)如圖，熱流體在管外流動，冷流體在管內(nèi)流動，冷、熱

49、流體通過管璧交換熱量，最終使冷流體的溫度達(dá)到所需值。4.1.2 被控參量的選擇影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多，但并非對所有影響因素都要進(jìn)行控制。被控參數(shù)是一個輸出參數(shù)，應(yīng)為獨立變量，與輸入量之間應(yīng)有單值函數(shù)關(guān)系。它應(yīng)對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率（或效能）及安全具有決定性的作用。因此，要從對自動控制的要求出發(fā)，合理選擇被控參數(shù)。 溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確的測量和有效的控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。對

50、于換熱器過程控制系統(tǒng)，人們最關(guān)心的是對換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調(diào)節(jié)，而在這兩項當(dāng)中，溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位。因為出口水溫直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全性，即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù)。而從圖4.1可以看出，換熱器出口水的溫度不但與蒸汽的流量、溫度、壓力有關(guān)，而且與冷流體的流量、入口溫度等均有關(guān)系。但是，一般來說冷流體流量g1（負(fù)荷）、蒸汽溫度、壓力、水的進(jìn)口溫度都是不可控的，它們是擾動，最容易想到，也是最常用的控制方案是取載熱體流量（即蒸汽流量）作為操縱變量組成的控制系統(tǒng)。 為實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)，首先要用溫度測量元件（包括感溫元件）把溫度參數(shù)測量出來，然后將測

51、得的數(shù)值轉(zhuǎn)換成可發(fā)送的信號送到溫度調(diào)節(jié)的比較元件中去和溫度的設(shè)定值進(jìn)行比較。溫度的設(shè)定值通過調(diào)節(jié)器的給定元件給出，故又稱為給定值。比較的結(jié)果，即溫度值的給定值與實測值之間的差值，稱為偏差值。這個偏差值在調(diào)節(jié)器中經(jīng)過某些運算和放大處理后，再由調(diào)節(jié)器將處理結(jié)果送到執(zhí)行機構(gòu)去控制閥門的開度，從而調(diào)節(jié)流量的變化，使得換熱器出口的溫度調(diào)整到設(shè)定值。4.1.3 被控對象的特性如圖4.1汽水換熱器是較有代表性的多容對象，蒸汽從水管外流過，將它所攜帶的熱量傳給水管，水被加熱后流出換熱器。顯然，在沿管子水流方向的溫度分布是不同的，故是一種具有分布參數(shù)的對象。由于冷熱兩種流體不接觸，蒸汽與水管、水管本身、水管與冷

52、水進(jìn)行熱交換時都存在熱阻（對流熱阻與傳導(dǎo)熱阻）和容積上的差別，而且阻力與容積并不止一個，就是說這是一個三容過程。當(dāng)改變蒸汽流量后，因為對象的大設(shè)備、大存儲容量、大慣性及阻力，使被控參數(shù)不可能立即響應(yīng)而有延遲，需要經(jīng)過一個物料傳輸過程和能量傳輸過程才影響到熱流體出口的溫度，這表明被控參數(shù)不能及時反應(yīng)控制作用的效果。同理，被控參數(shù)也不能及時反應(yīng)系統(tǒng)所承受擾動的影響，因為一旦擾動發(fā)生（如冷流體溫度、流量變化或熱流體流量變化），調(diào)節(jié)器也要經(jīng)過一段時間延遲后，才能借助測量裝置傳遞過來的信號感受到這種影響。在這種情況下，控制過程的超調(diào)量及過渡過程時間必然較大。因此，結(jié)合以上的分析可知，此系統(tǒng)具有大滯后、大

53、時變、非線性特性。4.1.4 被控對象數(shù)學(xué)模型的建立在實際工程問題中，為了分析一個對象的動態(tài)特性，或者為了改進(jìn)控制手段、降低生產(chǎn)成本和提高工作效率而設(shè)計一個系統(tǒng)，都必須知道系統(tǒng)的被控對象的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型，常常采用兩種方法：解析法和系統(tǒng)辨識。解析法把被控對象分解為若干子系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，分別根據(jù)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及其它有關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的定律、公式，考慮到各個環(huán)節(jié)之間的相互聯(lián)系，推導(dǎo)出被控對象的數(shù)學(xué)模型。一般來說，這種方法適用于一些比較簡單的被控對象。對于一些比較復(fù)雜的被控對象，不可能用解析法推導(dǎo)出它們的完整數(shù)學(xué)模型，或者推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型由于過分復(fù)雜，而不便于對被控對象動態(tài)特性的進(jìn)行分析和進(jìn)行控

54、制器的設(shè)計；而且在系統(tǒng)運行中，受控對象的參數(shù)可能是變化的。即使是模糊控制等魯棒性較好的控制器在受控對象參數(shù)變化較大的情況下，其控制效果也不會很好，在這種情況下，采用實驗研究的方法，即系統(tǒng)辨識的方法。在工業(yè)過程中，對受控對象的辨識又可分為兩類：一類是非參數(shù)模型辨識方法；一類是參數(shù)模型辨識方法。非參數(shù)模型辨識方法是假定過程是線性的前提下，不必事先確定模型的具體結(jié)構(gòu)，可適用于任意復(fù)雜的過程。參數(shù)模型辨識方法必須假定一種模型結(jié)構(gòu)，通過極小化模型與過程之間的誤差來確定模型的參數(shù)。非參數(shù)模型辨識方法一般有：階躍響應(yīng)法；脈沖響應(yīng)法；頻率響應(yīng)法；相關(guān)分析法等?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常是指動態(tài)數(shù)學(xué)模型。自動控制系

55、統(tǒng)最重要的數(shù)學(xué)模型是微分方程，它反映部件或系統(tǒng)動態(tài)運行的規(guī)律，此外，還有狀態(tài)空間模型、傳遞函數(shù)模型與零極點增益模型。4.1.4.1數(shù)學(xué)模型的低階近似法換熱器是連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)中最常見的操作單元之一。從嚴(yán)格的傳熱理論分析，換熱器的傳熱過程一般要采用偏微分方程來描述。而在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的熱交換器是屬于分布參數(shù)對象，具有流體的溫度是距離和時間的函數(shù)；時滯和時間常數(shù)較大；內(nèi)部過程的物理特性復(fù)雜，影響因素多等特點。其動態(tài)特性較復(fù)雜，用偏微分方程來描述，列寫和求解比較麻煩和復(fù)雜，難于應(yīng)用于實際計算和控制。通常要對這樣的對象采用傳遞函數(shù)來表示比較簡單。而換熱器是一個多容時滯對象，所得模型階次高，比較復(fù)雜。本次設(shè)計采用低階近似的方法處理復(fù)雜的高