精餾塔建模降階控制系統(tǒng)解耦MATLAB仿真化學(xué)設(shè)備專業(yè)

1、目錄目錄1摘要2Abstract3第一章引言411精餾塔相關(guān)情況分析412精餾塔的模型化5I3精餾塔過(guò)程工藝描述5第2章 精餾塔控制方法821精餾塔常規(guī)控制方案822精餾塔先進(jìn)控制的定義8221先進(jìn)控制的主要特點(diǎn)9222精餾塔PID先進(jìn)控制的發(fā)展?fàn)顩r1023 PID先進(jìn)控制的核心內(nèi)容1224模型預(yù)測(cè)控制13第三章 精餾塔的模型化1431模型建立的基本方法1432二元精餾塔過(guò)程模型化14321精餾塔過(guò)程的模型推導(dǎo)14322機(jī)理模型的求解1733高階線性模型的降階21第四章先進(jìn)控制算法2241精餾塔基本控制方案2242精餾塔PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2343精餾塔解耦控制2544預(yù)測(cè)控制算法的DMC實(shí)現(xiàn)2

2、6第五章MATLAB仿真275.1 MATLAB介紹275.2 C語(yǔ)言與MATLAB接口編程介紹29521 為什么要編寫C語(yǔ)言與MATLAB之間的接口函數(shù)29523 GUI編程305.3算法流程圖33總結(jié)35參考文獻(xiàn)36致 謝37摘要精餾塔是化工、石油、醫(yī)藥等領(lǐng)域常見(jiàn)的生產(chǎn)過(guò)程，是較為典型的單元生產(chǎn)過(guò)程。由于精餾塔過(guò)程變量多、變量關(guān)系復(fù)雜，使建?？刂婆c優(yōu)化成為理論與實(shí)踐研究中十分重要的環(huán)節(jié)。本文針對(duì)某廠實(shí)際精精餾塔生產(chǎn)過(guò)程，深入分析了精餾塔過(guò)程的特點(diǎn)，較系統(tǒng)地研究了二元精餾塔過(guò)程模型、對(duì)一些可以應(yīng)用于實(shí)際的先進(jìn)控制算法進(jìn)行了探討，針對(duì)實(shí)際精餾塔過(guò)程，對(duì)工藝及過(guò)程進(jìn)行了深入分析，在分析幾種理論精

3、餾塔過(guò)程建模方法的基礎(chǔ)上，研究并建立二元精餾塔過(guò)程的仿真模型，由于塔板數(shù)較多，模型的階次較高，對(duì)其進(jìn)行了降階設(shè)計(jì)，該模型較精確可行且收斂穩(wěn)定，有利于工程應(yīng)用。在對(duì)模型進(jìn)行仿真檢驗(yàn)中，模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，滿足較高的工程精度要求。針對(duì)反映實(shí)際精精餾塔過(guò)程的模型，對(duì)先進(jìn)控制算法進(jìn)行了探討，主要是結(jié)合解耦控制，模型預(yù)測(cè)控制等較有可能應(yīng)用于實(shí)際的控制算法控制方案進(jìn)行研究，仿真結(jié)果表明了控制方案與算法的有效性，適合生產(chǎn)投運(yùn)。關(guān)鍵詞：精餾塔建模；降階控制；系統(tǒng)解耦；MATLAB仿真AbstractColumn is chemical, petroleum, pharmaceutical, e

4、tc, are the common production process is typical unit production process. Because distillation process variables, more complex variable, and the optimal control model in theory and practice research becomes very important segment. In this paper, the actual production of pure propylene distillation p

5、rocess, deeply analyzes the process of distillation, systematically studied binary distillation process model, some can be applied in the actual advanced control algorithm, this paper probes into the process of distillation, practical technology and process are analysed, and several theoretical anal

6、ysis on the process of distillation modeling method based on the research and establish the dual distillation process simulation model, because many plates, the order of model, analyses the design and the reduced order model is accurate and feasible and convergence stable engineering application. In

7、 the model, the model simulation test results with the site actual measurements, the relatively close higher accuracy requirements of project. According to the actual essence of propylene distillation process of advanced control algorithm model, this paper probes into the main is combined with decou

8、pling control, such as model predictive control can be applied in practical control algorithm is studied control scheme, the simulation results indicate that the control scheme and the validity of the algorithm is suitable for the production and operation.Keywords: distillation modeling, Introduced.

9、simulation control, System decoupling, MATLAB simulation第一章引言11精餾塔相關(guān)情況分析精餾塔的模型化與先進(jìn)控制算法綜述精餾塔是應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)過(guò)程。精餾塔裝置是耗能最大的單元之一。此外，精餾塔是一個(gè)典型的多輸入多輸出對(duì)象，它的通道很多，動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)，各塔的工藝結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，因此建立合適模型對(duì)精餾塔的控制由為重要。另一方面，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)變，國(guó)內(nèi)的眾多過(guò)程工業(yè)企業(yè)目益感受到國(guó)際間競(jìng)爭(zhēng)所帶來(lái)的壓力和挑戰(zhàn)。在這種大的背景下，積極開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力是過(guò)程

10、工業(yè)迎接挑戰(zhàn)的重要策略?，F(xiàn)代控制理論和人工智能幾十年來(lái)的發(fā)展以為先進(jìn)控制奠定了應(yīng)用理論基礎(chǔ)，而控制計(jì)算機(jī)尤其是集散控制系統(tǒng)(DCS)的普及與提高則為先進(jìn)控制的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺(tái)?？偠灾?，企業(yè)的需要，控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是先進(jìn)控制(Advance Contr01)發(fā)展強(qiáng)有力的推動(dòng)力。先進(jìn)控制是對(duì)那些不同于常規(guī)單回路控制，并具有比常規(guī)PID控制更好的控制效果的控制策略的統(tǒng)稱，而非專指某些計(jì)算機(jī)控制算法。12精餾塔的模型化精餾塔是化工煉油生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)分離過(guò)程，其目的是將混合物中各組分分離，達(dá)到規(guī)定的純度，精餾塔過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，即在同

11、一溫度下，各組分的蒸汽壓不同這一性質(zhì)，液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到汽相中，而汽相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的。隨著石油化工的迅速發(fā)展，精餾塔操作應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于所分離的物料組分不斷增多，對(duì)分離作用產(chǎn)生的產(chǎn)品的純度要求亦不斷提高，這就對(duì)精餾塔的控制提出了更高的要求。而一般來(lái)說(shuō)，化工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型的建立有兩類不同的途徑，一種是從內(nèi)在機(jī)理出發(fā)，導(dǎo)出機(jī)理模型，二是依據(jù)輸入輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)，得出數(shù)學(xué)模型，當(dāng)然，也有把二者結(jié)合起來(lái)的方法I3精餾塔過(guò)程工藝描述經(jīng)脫硫后的液化石油氣，自裝置外進(jìn)入脫丙烷塔進(jìn)料罐，由脫丙烷塔進(jìn)料泵抽出，經(jīng)原料預(yù)熱器升溫至679后進(jìn)脫丙烷塔第28塊塔板

12、上。塔頂氣體(48，4。C)先后經(jīng)脫丙烷塔頂空冷器，脫丙烷塔頂后冷氣冷凝冷卻到456進(jìn)入脫丙烷塔回流罐，一部分由脫丙烷塔回流泵送至塔頂作回流。另一部分出脫乙烷塔進(jìn)料泵抽出，經(jīng)脫乙烷塔迸料加熱器加熱到631進(jìn)脫乙烷塔第14塊塔板上。脫丙烷塔底液體出塔后一部分經(jīng)丙烷重沸器循環(huán)返塔，另一部分自壓進(jìn)入輕重碳四分離塔中部，作為該塔進(jìn)料。脫乙烷塔塔頂氣體(52)經(jīng)冷凝器冷凝進(jìn)入脫乙烷塔回流罐，不凝氣至催化裂解裝置或至燃料氣管網(wǎng)(催化裂解裝置不開工時(shí))，冷凝液經(jīng)脫乙烷塔回流泵打回塔頂作回流。塔底物流(645)一部分經(jīng)脫乙烷塔重沸器循環(huán)返塔，另一部分自壓進(jìn)入精丙烯塔第124塊塔板，作為該塔進(jìn)料。精丙烯塔為三塔

13、串聯(lián)。c塔塔頂氣體進(jìn)入B塔塔底，B塔塔頂氣體進(jìn)入A塔塔底。A塔塔頂氣相精丙烯(483)先后經(jīng)精丙烯塔塔頂空冷器，精丙烯塔頂后冷器冷凝冷卻至4596C進(jìn)入精丙烯塔回流罐，然后由精丙烯塔回流泵抽出。一部分返回A塔塔頂作回流，另一部分經(jīng)精丙烯冷卻器冷卻至出裝置。A塔塔底液體經(jīng)精丙烯塔中間泵抽出，送入c塔塔頂?shù)?21塊塔板，C塔塔底液體一部分經(jīng)兩臺(tái)并聯(lián)精丙烯塔重沸器循環(huán)返塔，另一部分丙烷餾分經(jīng)丙烷冷卻器冷卻至40出裝置。輕重碳四分離塔塔頂氣體輕碳四餾分經(jīng)輕重碳四分離塔頂冷凝器冷凝冷卻至47進(jìn)入回流罐。輕重碳四分離塔塔底液體一部分經(jīng)輕重碳四分離塔重沸器循環(huán)返塔，另一部分經(jīng)碳四碳五冷卻器冷卻至40C，由輕

14、重碳四分離塔底送出裝置。塔頂餾出液和塔底釜液的平均采出量之和應(yīng)該等于平均迸料量，而且這兩個(gè)采出量的變動(dòng)應(yīng)該比較和緩，以利于上下工序的平穩(wěn)操作，塔內(nèi)及塔頂，塔底容器的蓄液應(yīng)介于規(guī)定的上下限之間。此外，塔內(nèi)壓力恒定與否對(duì)塔的平穩(wěn)操作有很大的影響。為了使精丙烯塔操作正常進(jìn)行，必須滿足一些約束條件，例如，塔內(nèi)汽液兩相的流速即不能過(guò)高，亦不能過(guò)低，因?yàn)榱魉龠^(guò)高，會(huì)引起液泛，而流速過(guò)低，引起塔板效率大幅度降低，最好在稍低于液泛的流速下操作。流速的控制，還要考慮塔的工作彈性。對(duì)于浮閥塔來(lái)說(shuō)，由于工作范圍較寬，通常很容易滿足條件。但對(duì)于某些工作范圍較窄的篩板塔和乳化填料塔就必須很好地注意。所以許多塔中，裝有測(cè)

15、量塔底與塔頂問(wèn)壓差的儀表有的還附有報(bào)警裝置。再沸器的加熱溫差不能大到超過(guò)“臨界溫差”等。影響精餾塔的操作因素很多。精餾塔是建立在物料平衡和熱量平衡的基礎(chǔ)上。一切因素均通過(guò)物料平衡和熱量平衡影響塔的正常操作。影響物料平衡的因素主要是進(jìn)料流量，進(jìn)料組分和采出量的變化等。影響熱平衡的因素主要是進(jìn)料溫度(熱焓)的變化，此外，還有環(huán)境溫度的變化等。同時(shí)，物料平衡和熱平衡之間又是相互影響的。為了克服擾動(dòng)的影響，常用的控制方法是改變餾出液采出量D，采出量B，回流量。蒸汽量V，冷劑Q中某些相的流量。第2章 精餾塔控制方法21精餾塔常規(guī)控制方案在過(guò)程工業(yè)界，在40年代開始，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡(jiǎn)單反

16、饋控制回路已成為過(guò)程控制的核心系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，主要采_用頻域分析方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)和綜合。按偏差的比例，積分，微分控制簡(jiǎn)稱PID控制。PID控制是過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用的一種控制。PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整在長(zhǎng)期的工作實(shí)踐中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別是在工業(yè)過(guò)程控制中，人們常用PID調(diào)節(jié)器。自50年代末發(fā)展起來(lái)的以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論，為過(guò)程控制帶來(lái)了狀態(tài)反饋，輸出反饋，解耦控制，白適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計(jì)算機(jī)控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，強(qiáng)大的計(jì)算能力可以用來(lái)求解許多過(guò)去認(rèn)為是無(wú)法求解計(jì)算的問(wèn)

17、題，這一切都孕育著過(guò)程控制領(lǐng)域的新突破。作為一個(gè)整體，先進(jìn)控制應(yīng)包括從數(shù)據(jù)采集處理，數(shù)學(xué)模型建立，先進(jìn)控制策略和工程實(shí)施的全部?jī)?nèi)容。22精餾塔先進(jìn)控制的定義先進(jìn)控制是那些不同于常規(guī)單回路控制并具有比常規(guī)PID控制更好的控制策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計(jì)算機(jī)算法。這些控制策略的先進(jìn)性在于它們目前在工業(yè)過(guò)程中尚很少使用，由于先進(jìn)控制的內(nèi)涵豐富，同時(shí)帶有很強(qiáng)的時(shí)代特征，因此至今對(duì)先進(jìn)控制還沒(méi)有嚴(yán)格的統(tǒng)一的定義，盡管如此，先進(jìn)控制的任務(wù)確是明確的，既用來(lái)處理那些采用常規(guī)、效果不好甚至無(wú)法控制的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制的問(wèn)題，先進(jìn)控制應(yīng)用得當(dāng)可帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。以石化企業(yè)為例，一個(gè)先進(jìn)控制的年效益在百萬(wàn)元以上，其

18、投資回報(bào)率在一年左右，豐厚的回報(bào)是其惹人矚目之處，通過(guò)實(shí)施先進(jìn)控制提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，減少過(guò)程能量損耗，接近控制優(yōu)化值，從而將生產(chǎn)裝置推向更接近其約束邊界條件下運(yùn)行，最終達(dá)到增強(qiáng)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性，提高目標(biāo)產(chǎn)品收率，增加裝置處理量，降低運(yùn)行成本，最終達(dá)到減少環(huán)境污染等目的221先進(jìn)控制的主要特點(diǎn)(1)與傳統(tǒng)的PID控制不同，先進(jìn)控制是一種基于模型的控制策略，如模型預(yù)測(cè)控制和推斷控制等。目前基于知識(shí)的控制，如智能控制和模糊控制正成為先進(jìn)控制的一個(gè)重要方向(2)先進(jìn)控制通常用于處理復(fù)雜的多變量過(guò)程控制、問(wèn)題，如大時(shí)滯多變量耦合，被控變量和控制變量存在某種約束等。先進(jìn)控制是

19、建立在常規(guī)單回路控制之上的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)約束控制，可使系統(tǒng)適應(yīng)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)和操作要求。(3)先進(jìn)控制的實(shí)施需要足夠的計(jì)算能力作為支持平臺(tái)。由于先進(jìn)控制受控制算法的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)硬件兩方面因素的影響，早期的先進(jìn)控制算法通常是在上位機(jī)上實(shí)施的。隨著DCS功能的增強(qiáng)，更多的先進(jìn)控制策略可以與基本控制回路一起在DCS上實(shí)現(xiàn)。后一種方式可有效地增強(qiáng)先進(jìn)控制的可靠性，可操作性和可維護(hù)性。從全廠的綜合自動(dòng)化的角度看，先進(jìn)控制恰好起承上啟下的地位，性能良好的先進(jìn)控制是在線優(yōu)化得以實(shí)施的前提，進(jìn)而可將企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的經(jīng)營(yíng)決策、生產(chǎn)管理和調(diào)度的有關(guān)信息及時(shí)落實(shí)至全廠生產(chǎn)裝置的實(shí)際運(yùn)行_中并可真正實(shí)現(xiàn)全廠綜合優(yōu)化控制

20、。先進(jìn)控制在工廠綜合優(yōu)化控制的作用如圖21所示。圖21先進(jìn)控制在工廠的綜合優(yōu)化控制作用222精餾塔PID先進(jìn)控制的發(fā)展?fàn)顩r在過(guò)程工業(yè)界，從40年代開始，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡(jiǎn)單反饋控制回路已成為過(guò)程控制的核心系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，主要采用頻率響應(yīng)方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)和綜合。目前PID控制仍廣泛使用。即便是大量使用DCS控制的最現(xiàn)代化裝置中，這類回路仍占總回路數(shù)的80一90。這是因?yàn)镻ID控制算法是對(duì)人的簡(jiǎn)單而有效的操作方式的總結(jié)與模仿，足以維護(hù)一般的工業(yè)過(guò)程的平穩(wěn)操作與運(yùn)行，而且這類算法簡(jiǎn)單且應(yīng)用，歷史悠久，工業(yè)界比較熟悉且容易接受。然而單回路PID控制并不能適用于

21、所有的過(guò)程和不同的要求。從50年代開始，逐漸發(fā)展了串級(jí)比值前饋均勻和Smith預(yù)估等復(fù)雜控制系統(tǒng)，既當(dāng)時(shí)的先進(jìn)控制系統(tǒng)。在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊的控制要求。雖然它們從理論上看仍是經(jīng)典控制的產(chǎn)物，但是在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上各有特色，目前仍在不斷的改進(jìn)和應(yīng)用。在工業(yè)過(guò)程中，仍有10一20的控制問(wèn)題采用上述控制策略無(wú)法奏效，所涉及的過(guò)程往往具有強(qiáng)耦合性不確定性非線性信息不完全性和大純滯后等特征。并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過(guò)程的核心部分，直接關(guān)心到產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)率和消耗等有關(guān)指標(biāo)。隨著過(guò)程工業(yè)日益走向大型化連續(xù)化，對(duì)過(guò)程的控制品質(zhì)提出了更高的要求，控制與經(jīng)濟(jì)的矛盾FI益

22、尖銳，迫切需要一類合適的先進(jìn)控制策略。自50年代末發(fā)展起來(lái)的以狀念空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論，為過(guò)程控制帶來(lái)了狀態(tài)反饋輸出反饋解耦控制白適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；對(duì)于狀態(tài)不能直接測(cè)量的情形也有觀測(cè)器和估計(jì)器等工具。然而當(dāng)現(xiàn)代控制理論真正應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制時(shí)，卻遇到了前所未有的困難，以致產(chǎn)生它是否適用于過(guò)程控制的困惑。究其原因，人們發(fā)現(xiàn)，除了上述多變量控制自身的不足外(例如解耦控制在約束處理和控制變更時(shí)缺乏靈活性)，工業(yè)過(guò)程的復(fù)雜性使得建立起正確的模型也比較困難。此外現(xiàn)代控制理論所需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也在一定程度上限制了它被過(guò)程控制界所熟悉和了解，與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計(jì)算機(jī)

23、控制在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，強(qiáng)大的計(jì)算能力可以用來(lái)求解許多過(guò)去認(rèn)為無(wú)法求解的計(jì)算問(wèn)題，這一切都孕育著過(guò)程控制領(lǐng)域的新突破。1980年前后，來(lái)自過(guò)程控制屆兩位探索者JRichalet和CRCutler分析報(bào)道了其各自研究的有關(guān)解決實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境下帶約束多變量耦合系統(tǒng)的控制問(wèn)題的成果。這一事實(shí)表明過(guò)程工業(yè)已開始接受現(xiàn)代控制概念，從而引發(fā)了預(yù)測(cè)控制在工業(yè)過(guò)程的廣泛應(yīng)用。整個(gè)80年代，出現(xiàn)了許多模型預(yù)測(cè)控制的工程化軟件，通過(guò)在模型識(shí)別優(yōu)化算法控制結(jié)構(gòu)分析參數(shù)整定和有關(guān)的穩(wěn)定性和魯棒性的研究等一系列工作，基于模型控制的理論體系已經(jīng)能夠形成，并成為目前過(guò)程控制應(yīng)用最成功也最有前途的先進(jìn)控制策略，近年來(lái)人工

24、智能的技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步并在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域中取得了較廣泛的應(yīng)用。就過(guò)程控制而言，專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊系統(tǒng)是最有潛力的三種工具，專家系統(tǒng)可望在過(guò)程故障診斷監(jiān)督控制檢測(cè)儀表和控制回路有效性檢驗(yàn)中獲得成功應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可為非線性過(guò)程建模提供有效的方法，進(jìn)而可用于過(guò)程軟測(cè)量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。模糊系統(tǒng)不僅是行之有效的模糊控制理論基礎(chǔ)，而且有望成為表達(dá)確定性和不確定性的兩類混合并提煉這些經(jīng)驗(yàn)使之成為知識(shí)進(jìn)而改善已有的控制系統(tǒng)的工具，這是先進(jìn)控制的重要內(nèi)容。由于許多重要的工業(yè)過(guò)程都表現(xiàn)出內(nèi)在的非線性，如PH中和過(guò)程使得那些基于模型的控制策略和傳統(tǒng)的控制很難奏效，早期的解決辦法有變?cè)鲆婵刂坪歪槍?duì)特定過(guò)

25、程來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，近來(lái)有關(guān)基于非線性模型機(jī)理和經(jīng)驗(yàn)的控制有了很大的發(fā)展，但是非線性控制尚屬開發(fā)之中的先進(jìn)控制策略，實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用尚不多見(jiàn)?？刂葡到y(tǒng)的魯棒性是體現(xiàn)系統(tǒng)性能的重要標(biāo)志，它體現(xiàn)了模型與實(shí)際過(guò)程有出入的情況下控制品質(zhì)的變化情況，在經(jīng)典控制理論中，穩(wěn)定裕度可反映系統(tǒng)魯棒性，當(dāng)穩(wěn)定裕度大時(shí)，控制系統(tǒng)品質(zhì)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，既有較好的魯棒性，現(xiàn)代控制理論則為魯棒性的分析提供了更多方法，尤其是魯棒控制器單獨(dú)提出之后。這一領(lǐng)域研究一直是控制理論解的研究熱點(diǎn)并逐漸成為一個(gè)獨(dú)立分支，事實(shí)上，魯棒控制的目的就是要設(shè)計(jì)出所希望下的操作條件下都具有良好性能的控制器，這一點(diǎn)符合過(guò)程控制器的需要，與其說(shuō)魯棒控

26、制器是一種先進(jìn)控制策略，倒不如說(shuō)它是一種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，它可以用于各種_類型控制器(包括從PID控制到復(fù)雜的多變量控制器)的設(shè)計(jì)與整定，魯棒控制之所以在過(guò)程工業(yè)中應(yīng)用較少的主要原因是在于其原理過(guò)于復(fù)雜尤其是對(duì)于多變量問(wèn)題，要使之成為解決任何控制問(wèn)題的當(dāng)然選擇，尚需做大量的改進(jìn)和簡(jiǎn)化工作，應(yīng)當(dāng)看到使先進(jìn)控制具有魯棒性是今后發(fā)展的重要方向。23 PID先進(jìn)控制的核心內(nèi)容a多變量動(dòng)態(tài)模型辨識(shí)技術(shù)獲取動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是先進(jìn)控制的基礎(chǔ)。對(duì)于復(fù)雜工業(yè)過(guò)程，需要強(qiáng)有力的辨識(shí)軟件，以便在提出一些過(guò)程虛假數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上把分段數(shù)據(jù)有機(jī)的組合起來(lái)，最終用實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝置試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，獲得多輸入多輸出的實(shí)際

27、模型。實(shí)際過(guò)程模型化是一門專門的技術(shù)，它涉及到過(guò)程動(dòng)態(tài)學(xué)系統(tǒng)辨識(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)以及人工智能等多種知識(shí)，盡管目前類似模型預(yù)測(cè)控制這樣的先進(jìn)控制均采用工業(yè)試驗(yàn)的方法來(lái)獲取控制模型，但是那些準(zhǔn)確并可靠的機(jī)理模型和智能模型建立也有望成為有效的控制模型。b先進(jìn)控制策略先進(jìn)控制策略采用了合理的控制目標(biāo)和控制結(jié)構(gòu)，可更好的適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的需要先進(jìn)控制主要解決(1)個(gè)別重要過(guò)程變量控制性能的改善，主要采用單變量模型預(yù)測(cè)控制與原控制回路構(gòu)成所謂的透明控制的方式(2)解決約束多變量過(guò)程的協(xié)調(diào)問(wèn)題，主要采用帶協(xié)調(diào)層的多變量預(yù)測(cè)控制策略(3)推斷質(zhì)量控制利用軟測(cè)量的結(jié)果實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的質(zhì)量卡邊控制，涉及到主要控制策略有模型預(yù)測(cè)控

28、制、推斷控制、質(zhì)量卡邊控制、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制、正在興起與研發(fā)的模糊控制、神經(jīng)控制、非線性控制和魯棒控制24模型預(yù)測(cè)控制模型預(yù)測(cè)控制一經(jīng)問(wèn)世即在復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，顯示出強(qiáng)大的生命力，其成功主要在于它突破了傳統(tǒng)的控制思想的約束，不僅較好地符合工業(yè)過(guò)程的實(shí)際要求，雨且體現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論的優(yōu)化思想模型預(yù)測(cè)控制利用生產(chǎn)過(guò)程的響應(yīng)來(lái)建立描述過(guò)程動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型并根據(jù)某種優(yōu)化指標(biāo)來(lái)確定控制量時(shí)間系列，從而使未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)被控量與經(jīng)柔化后的期望軌跡之間的誤差為最小，由于預(yù)測(cè)控制算法采用在線滾動(dòng)優(yōu)化并在優(yōu)化過(guò)程中不斷通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際輸出與模型預(yù)測(cè)輸出之差來(lái)進(jìn)行反饋校正，因此模型預(yù)測(cè)控制能在一定程度上克服由

29、于預(yù)測(cè)模型的誤差和某些不確定干擾等影響從而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性第三章 精餾塔的模型化31模型建立的基本方法所謂的模型就是用物理或數(shù)學(xué)的手段，對(duì)實(shí)際過(guò)程(原型)所發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行描述的工具。主要特征與實(shí)際過(guò)程一致?；?duì)象動(dòng)態(tài)模型的建立有許多方法，但從獲得模型的途徑來(lái)分，可分為機(jī)理模型、辨識(shí)模型和機(jī)理辨識(shí)模型等三種方法。(一)機(jī)理模型是直接根據(jù)物理、化學(xué)的基本原理建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理，利用基本的物理、化學(xué)定律(如質(zhì)量守恒定率、能量守恒定率、動(dòng)量守恒定率等)，以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，來(lái)推導(dǎo)物理、化學(xué)關(guān)系式的數(shù)學(xué)模型，建立原始微分方程，即化工動(dòng)念學(xué)方法，所得到的模型稱為機(jī)理模型。(二)辨識(shí)模

30、型就是對(duì)現(xiàn)有的化工過(guò)程進(jìn)行專門實(shí)驗(yàn)，獲取輸入、輸出數(shù)據(jù)或根據(jù)過(guò)程正常生產(chǎn)的輸入、輸出數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)成動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法。(三)機(jī)理一辨識(shí)模型是兩種建模方法的結(jié)合。首先通過(guò)機(jī)理分析，確定各參數(shù)之間的關(guān)系，列出原始方程，然后再根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、過(guò)程的輸入、輸出值來(lái)估計(jì)參數(shù)方程中的各系數(shù)，即參數(shù)估計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型。本次精餾塔過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型通過(guò)機(jī)理建模型方法求得32二元精餾塔過(guò)程模型化321精餾塔過(guò)程的模型推導(dǎo)精餾塔動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型主要是從精餾塔的內(nèi)在機(jī)理出發(fā)，依據(jù)物料衡算、熱量衡算、汽液平衡關(guān)系建立的。精餾塔的操作如圖31所示。全塔共有176塊塔板，加料板是第124塊(自上而下計(jì))塔板。進(jìn)料為飽和液體，

31、流量為F(mols)，易揮發(fā)組分的摩爾分率。塔頂汽相經(jīng)全部冷凝后進(jìn)入回流罐。回流罐的蓄液量為M。易揮發(fā)組分的摩爾分率。回流罐的溫度恰好為它的飽和溫度，回流液由泵送回至第一塊塔板，回流量為M(mots)，餾出液的流量為D(tools)。塔底和再沸器的蓄液量為M，易揮發(fā)組分的摩爾分率。由于M為定值，總的物料和易揮發(fā)組分的物料衡算式分別是：由物料衡算關(guān)系可列出微分方程：1 回流罐2 精餾塔段第rl塊板3.加料板ns4 提餾段第j塊板5 再沸器和塔底將上列各式組合在一起，就可得到矩陣形式的狀態(tài)方程上式中，三。和y為控制變量，和，為擾動(dòng)變量，x為狀態(tài)變量，輸出變量可以根據(jù)需要確定。本次論文中三。和V為控

32、制變量，并且認(rèn)為該精餾塔無(wú)擾動(dòng)不需要P相。不難看出，對(duì)于上下濃度差較大的塔板。遇到變化時(shí)，初始的變化度較快，即響應(yīng)快；對(duì)于濃度差眵。較大遇到礦變化時(shí)，初始化的速度較快，即響應(yīng)快。322機(jī)理模型的求解精餾塔過(guò)程是既涉及傳熱又涉及傳質(zhì)的過(guò)程，相互影響的因素較多，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常假設(shè)塔內(nèi)恒摩爾流動(dòng)，即：(1)摩爾氣流。精餾塔操作時(shí)，在精餾塔的提餾段內(nèi)，每層塔板上升的氣體摩爾流量都是相等的，在精餾塔段內(nèi)也是如此。但兩段的上升蒸汽摩爾流量卻不一定相等，即：(2)摩爾液流精餾塔操作時(shí)，在精餾塔的精餾塔段內(nèi)，每層板下降的液體摩爾流量都是相等的在提餾段內(nèi)也是如此。但兩段的液體摩爾流量卻不一定相等，即：恒摩爾

33、流動(dòng)必須滿足以下條件：(1)各組分的摩爾汽化潛熱相等；(2)塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略；(3)汽液接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略。丙烷精餾塔過(guò)程基本上符合上述條件，可將此系統(tǒng)在精餾塔內(nèi)的汽液視為恒摩爾流動(dòng)。由于所選的精餾塔板間溫度差和濃度差均較小，因此沒(méi)有采用逐板計(jì)算法，而是每隔10塊板選一塊作為研究對(duì)象，構(gòu)成了20階的模型。下面介紹一下具體建模過(guò)程：1摩爾百分含量的求解己知：(1)進(jìn)料量：F=7Ofh各組分質(zhì)量百分率分別為：丙烯96、丙烷4(3)回流量：三。=120t，h各組分質(zhì)量百分率分別為：丙烯9961、丙烷O39(3)塔頂采出量：D=64th各組分質(zhì)量百分率分別為：丙烯996

34、1、丙烷O39(4)塔底流出量：W=06th各組分質(zhì)量百分率分別為：丙烯588351、丙烷411649所以可得：因進(jìn)料為飽和料液進(jìn)料，如圖22所示，則有：回流比為：根據(jù)質(zhì)量守恒可知：圖2-2飽和料液進(jìn)料情況所以釜液中摩爾百分含量為：己知：塔頂溫度為483，塔頂溫度為62，這里認(rèn)為每?jī)砂逯g的溫度差是相同的，用差值算法算出每板溫度，再由溫度求出每層板上的飽和蒸汽壓，最后用兩種物質(zhì)在某一溫度下的飽和蒸汽壓的比得到相對(duì)揮發(fā)度a。丙烯、丙烷在40、50、60、70。C的飽和蒸汽壓為：己知： 在精餾塔段：代入式(1)可求得Z。，再把Z，的值代入精餾塔操方程可求的E，再把只代入上式可求的x，依次可求得只在

35、提餾段X。(以由上步可求得)，代入式(210)，同理可依次求得X。上述值可通過(guò)計(jì)數(shù)字計(jì)算機(jī)求得。2蓄液量的求解蓄液量是在建模過(guò)程中所需的一個(gè)很重要的數(shù)據(jù)，它受到溫度、狀態(tài)、物質(zhì)等方面的影響，下面就對(duì)不同溫度下丙烯和丙烷組成的混合物在每塊板上的蓄液量進(jìn)行計(jì)算。33高階線性模型的降階從精餾塔的動(dòng)態(tài)方程可以看出，即使作了不少假設(shè)，但精餾塔的動(dòng)態(tài)方程還是比較復(fù)雜，作為控制用的數(shù)學(xué)模型，必須進(jìn)行降階。常用的降階方法有兩大類，第一類是根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)或頻率響應(yīng)得到低階模型，時(shí)間或頻率響應(yīng)值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段或計(jì)算機(jī)仿真求得；第二類是根據(jù)保留高階系統(tǒng)主極點(diǎn)的原則進(jìn)行。后一類比較實(shí)用的方法有達(dá)維遜(Davis

36、on)法和馬歇爾(Marshall)法，它們實(shí)際上也是一種集結(jié)法。設(shè)原來(lái)高階模型方程式為”維狀態(tài)向量：U為R維控制向量。對(duì)上述高階模型的降階，就是尋求一個(gè)低階系統(tǒng)使?fàn)顟B(tài)向量Z的維數(shù)P(N，X)又稱集結(jié)向量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，分量保留原始系統(tǒng)中狀態(tài)向量的物理意義，并在數(shù)值上盡量接近。第四章先進(jìn)控制算法41精餾塔基本控制方案精餾塔是一個(gè)多變量對(duì)象，在許多個(gè)受控變量和操作變量中，選定一種變量配對(duì)，就組成了一種精餾塔的控制方案。解決精餾塔控制中的變量配對(duì)問(wèn)題可歸結(jié)成以下三條準(zhǔn)則：當(dāng)僅需要控制塔一端的產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用物料平衡方式來(lái)控制該產(chǎn)品的質(zhì)量；塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應(yīng)當(dāng)作為操縱變量去控制塔的產(chǎn)品質(zhì)量

37、；當(dāng)塔的兩端產(chǎn)品均需要按質(zhì)量控制時(shí)，一般對(duì)產(chǎn)品純度較少雜質(zhì)較多的一端的質(zhì)量控制選用物料平衡控制；而含純產(chǎn)品較多，雜質(zhì)較少的一端的質(zhì)量控制選用能量平衡控制。當(dāng)選用頂部產(chǎn)品餾出物流量D或底部采出液流量B作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱為物料平衡控制，而當(dāng)選用頂部回流或再沸器加熱劑量來(lái)為操縱變量時(shí)，則稱為能量平衡控制。當(dāng)頂部和底部產(chǎn)品均需符合質(zhì)量規(guī)格時(shí)，可以使用兩個(gè)質(zhì)量控制系統(tǒng)，分別按兩個(gè)產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行控制，采用兩個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量控制的主要原因是操作接近規(guī)格限，從而使操作成本特別是能量消耗減少。這里我們要求塔頂采出液中丙烯占996，若只控制塔頂?shù)馁|(zhì)量就會(huì)造成能量損失很大，并且一旦受到干擾很難再恢復(fù)正常，所以采

38、用了控制塔頂塔底兩處的質(zhì)量來(lái)確保丙烯的質(zhì)量。基本控制方案：質(zhì)量指標(biāo)反饋控制方案。它是在進(jìn)料成分和進(jìn)料流量擾動(dòng)時(shí)設(shè)置的，因此，進(jìn)料量F不能選作控制手段，也就是說(shuō)F是一個(gè)變量，所以，用一個(gè)單回路來(lái)控制，盡量使其流量穩(wěn)定下來(lái)。要使精餾塔能夠F常工作，必須保證塔內(nèi)壓力不能過(guò)高，冷凝器對(duì)壓力大小起著直接的作用，所以用測(cè)得塔頂?shù)膲毫θタ刂评淠饕旱拈y的開度，使生產(chǎn)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；亓鞴抟何坏母叩椭苯佑绊懙剿敳沙隽康亩嗌?，同時(shí)也影響到回流量，回流量的多少直接影響到塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量，所以，需要用回流罐的液位來(lái)控制D的量。同樣，塔底液位的高低影響塔底的曰采出量，塔底由于再沸器加熱，塔底流量受到影響，所以可用塔底液

39、位控制B，使塔底產(chǎn)品達(dá)到58。上升蒸汽量V和回流量是影響塔頂塔底采出物質(zhì)量的最主要的因素。塔頂用第一塊板的溫度來(lái)控制，塔底盡量保持再沸器所給溫度穩(wěn)定，用一個(gè)單回路控制它的流量。本次論文中只對(duì)礦和三。進(jìn)行控制，所以設(shè)計(jì)了兩個(gè)反饋系統(tǒng)，兩個(gè)控制器。42精餾塔PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)按偏差的比例，積分，微分控制簡(jiǎn)稱PID控制。PID控制是過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用的一種控制。PID控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期的工作實(shí)_踐中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別是在工業(yè)過(guò)程控制中，人們常用PID調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：式中“(f)是；ID調(diào)書器的輸出，eO)是P調(diào)節(jié)器的輸入，Kp為比例系數(shù)，z為積分時(shí)間常數(shù)，瓦

40、為微分時(shí)間常數(shù)。PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為圖4-1精餾塔系統(tǒng)方塊其中：圖4-2產(chǎn)品濃度仿真曲線圖分析：改變K，的值時(shí)，當(dāng)K。(5000時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響較小。從圖32所示的曲線可得，此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)較為理想，但仍舊存在著較大的余差。結(jié)論：通過(guò)上述分析，在此過(guò)程中假設(shè)沒(méi)有引入干擾，微分環(huán)節(jié)的作用不明顯，為此我們?nèi)∥濉?0。采用簡(jiǎn)單的控制理論很難實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。由曲線可看到，只改變調(diào)節(jié)器的一個(gè)參數(shù)，塔頂和塔底產(chǎn)品的質(zhì)量都發(fā)生了變化，系統(tǒng)存在著較大的關(guān)聯(lián)影響。且系統(tǒng)存在著較大的余差。所以采用簡(jiǎn)單控制理論不會(huì)有滿意的控制效果。應(yīng)尋找一種先進(jìn)的控制方案實(shí)現(xiàn)對(duì)精餾塔的控制。43精餾塔解耦控制由于精餾塔系統(tǒng)存在著嚴(yán)

41、重的關(guān)聯(lián)影響，采用簡(jiǎn)單控制不會(huì)有滿意的控制效果。所以擬采用精餾塔過(guò)程的解耦控制消除通道中的關(guān)聯(lián)，以便提高控制效果。典型的解耦控制系統(tǒng)如圖4-3所示，圖中F為解耦算式。圖4-3解耦控制方塊圖解耦算式F的作用是使G岱j F餌j的乘積為對(duì)角線矩陣，具體方法有如下三種：(a) 對(duì)角線矩陣法本法要求G(S)F(S)=diagGo(S)，即(b)可見(jiàn)，通過(guò)解耦使整個(gè)系統(tǒng)像原來(lái)單回路控制一樣。解耦算式F岱)可由上式求得預(yù)測(cè)模型的功能是根據(jù)對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸入控制其未來(lái)輸出這里只強(qiáng)調(diào)模型的功能而不強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)形式模型預(yù)測(cè)并不要求限定模型的形式，關(guān)鍵只在于模型的預(yù)測(cè)功能，在此意義上預(yù)測(cè)控制所利用的模型實(shí)際只是

42、服務(wù)于預(yù)測(cè)的信息處理方式。(2)滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法，它通過(guò)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來(lái)確定未來(lái)的控制作用，這一性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來(lái)行為，例如可以取對(duì)象輸出在未來(lái)采樣點(diǎn)上跟蹤某一期望軌跡的方差最小，預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化是一種有限時(shí)段的滾動(dòng)優(yōu)化，在每一采樣時(shí)刻優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及到從該時(shí)刻起未來(lái)有限的時(shí)間而到下一采樣時(shí)刻這一優(yōu)化時(shí)段同時(shí)向前推移因此預(yù)測(cè)控制不是一個(gè)對(duì)全局相同的優(yōu)化指標(biāo)，而是在每一時(shí)刻有一個(gè)相對(duì)于該時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)，預(yù)測(cè)控制中優(yōu)化不是一次離線進(jìn)行而是反復(fù)在線進(jìn)行，這就是滾動(dòng)優(yōu)化的含義，滾動(dòng)優(yōu)化使模型失配、時(shí)變、干擾等因素引起的不確定性能及時(shí)得到彌補(bǔ)，提高控制系統(tǒng)的效果。(3)反饋

43、校正由于實(shí)際系統(tǒng)中存在非線性、時(shí)變模型失配干擾等因素的影響在預(yù)測(cè)控制算法中，基于不變模型的預(yù)測(cè)輸出不可能與系統(tǒng)的實(shí)際輸出完全一致而在滾動(dòng)實(shí)施優(yōu)化過(guò)程中，又要求模型輸出與系統(tǒng)實(shí)際輸出保持一致，為此在預(yù)測(cè)算法中采用檢測(cè)實(shí)際輸出與模型輸出的誤差進(jìn)行反饋校正來(lái)彌補(bǔ)這一缺欠，使?jié)L動(dòng)優(yōu)化建立在預(yù)測(cè)模型輸出誤差反饋矯正的基礎(chǔ)上，這種利用實(shí)際信息對(duì)模型預(yù)測(cè)的校正是克服系統(tǒng)中存在的不確定性提高控制系統(tǒng)精度和魯棒性的有效措施。44預(yù)測(cè)控制算法的DMC實(shí)現(xiàn)DMC(Dynamic Matrix Contr01)控制包括以下三個(gè)部分預(yù)測(cè)模型在DMC中首先需要測(cè)定對(duì)象單位階躍響應(yīng)的采樣值，其中T為采樣周期，對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能

44、可以近似為有限集合；加以描述，向量稱為模型向量，N則稱為建模時(shí)域。在k時(shí)刻，假定控制作用保持不變時(shí)對(duì)未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的輸出有初始預(yù)測(cè)值。則當(dāng)k時(shí)刻控制有一增量時(shí)，即可計(jì)算出在其作用下的未來(lái)時(shí)刻的輸出值：同樣，在M個(gè)連續(xù)的控制增量作用下未來(lái)各時(shí)刻的輸出值，其中Y的下標(biāo)表示控制量變化的次數(shù)。第五章MATLAB仿真5.1 MATLAB介紹MATLAB 是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和simulink兩大部分。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，和 Math

45、ematic、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C,FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以

46、直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。MATLAB的優(yōu)勢(shì)如下：（1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本

47、的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。（2）簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言Matlab一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。

48、而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。（3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C+ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和

49、線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。（4）出色的圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)

50、有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱MATLAB對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)

51、采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語(yǔ)言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)

52、程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。（7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。5.2 C語(yǔ)言與MATLAB接口編程

53、介紹521 為什么要編寫C語(yǔ)言與MATLAB之間的接口函數(shù)MATLAB是矩陣語(yǔ)言，是為向量和矩陣操作設(shè)計(jì)的，一般來(lái)說(shuō)，如果運(yùn)算可以用向量或矩陣實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)算速度是非?？斓?。但若運(yùn)算中涉及到大量的循環(huán)處理，MATLAB的速度的令人難以忍受的。解決方法之一為，當(dāng)必須使用for循環(huán)時(shí)，把它寫為CMEX文件，這樣不必在每次運(yùn)行循環(huán)中的語(yǔ)句時(shí)MATLAB都對(duì)它們進(jìn)行解釋。對(duì)于大量現(xiàn)有的C或者Fortran程序可以無(wú)須改寫成MATLAB專用的M文件格式而在MATLAB中執(zhí)行。對(duì)于那些MATLAB運(yùn)算速度過(guò)慢的算法，可以用C或者Frotran語(yǔ)言編寫以提高效率。52.2 編譯器的安裝與配置 要使用MATLAB

54、編譯器，用戶計(jì)算機(jī)上應(yīng)用事先安裝與MATLAB適配的以下任何一種ANSI C/C+編譯器：5.0、6.0版的MicroSoft Visual C+(MSVC)5.0、5.2、5.3、5.4、5.5版的Borland C+LCC(由MATLAB自帶，只能用來(lái)產(chǎn)生MEX文件)下面是安裝與配置MATLAB編譯器應(yīng)用程序MEX的設(shè)置的步驟：(1)在MATLAB命令窗口中運(yùn)行mex setup，出現(xiàn)下列提示：Please choose your compiler for building external interface (MEX) files:Would you like mex to locat

55、e installed compilers y/n?(2)選擇y，MATLAB將自動(dòng)搜索計(jì)算機(jī)上已安裝的外部編譯器的類型、版本及所在路徑，并列出來(lái)讓用戶選擇：Select a compiler:1 Borland C+Builder version 6.0 in C:Program FilesBorland2 Digital Visual Fortran version 6.0 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio3 Lcc C version 2.4 in D:MATLAB6P5P1syslcc4 Microsoft Visual C/C+ ve

56、rsion 6.0 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio0 NoneCompiler:(3)選擇其中一種(在這里選擇了3)，MATLAB讓用戶進(jìn)行確認(rèn)：Please verify your choices:Compiler: Lcc C 2.4Location: D:MATLAB6P5P1syslccAre these correct?(y/n):(4)選擇y，結(jié)束MATLAB編譯器的配置。至于MATLAB與C語(yǔ)言的接口程序的編寫請(qǐng)參考專業(yè)文獻(xiàn)。523 GUI編程通常在開發(fā)一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用程序時(shí)都會(huì)盡量做到界面友好，最為常用的方法就是使用圖形界面。提

57、供圖形用戶界面的應(yīng)用程序能夠使用戶的學(xué)習(xí)和使用方法容易。用戶不需要知道應(yīng)用程序究竟是怎樣執(zhí)行各種命令的，而只需要了解可見(jiàn)界面組建的使用方法：用戶也不需要知道命令是怎樣執(zhí)行的，只要通過(guò)與界面交互就可以使指定的行為得以正確執(zhí)行。在MATLAB中，圖形用戶界面是一種包含多種對(duì)象的圖形窗口。用戶必須對(duì)每一個(gè)對(duì)象進(jìn)行頁(yè)面布局和編程，從而使用戶激活GUI每個(gè)對(duì)象時(shí)都能夠執(zhí)行相應(yīng)的行為。另外，用戶必須保存和發(fā)布所創(chuàng)建的GUI，使得GUI能夠真正的得到運(yùn)用。MATLAB為用戶開發(fā)圖形界面提供了一個(gè)高效方便的集成環(huán)境：MATLAB圖形用戶界面環(huán)境GUIDE（MATLABs Graphical User Interface Development Environment）。上述所有工作都能夠使用GUIDE方便的實(shí)現(xiàn)。GUIDE主要是一個(gè)