基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)用文檔基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄摘要 2Abstract 31概述 41.1過程控制 41.2串級控制系統(tǒng) 61.3MATLAB軟件 71.4MCGS組態(tài)軟件 82PID控制器原理 102.1PID控制器簡介 102.2PID控制系統(tǒng) 112.3PID控制參數(shù)的整定及方法 122.3.1PID控制參數(shù)的整定簡介 122.3.2PID控制參數(shù)整定方法 123建立被控對象模型 153.1被控對象建模 153.2測量被控對象階躍響應(yīng)曲線 163.3求取被控對象傳遞函數(shù) 174控制方案的設(shè)計(jì)及仿真 224.1設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖 224.2Simulink控制系統(tǒng)仿真 234.3仿真結(jié)果分析 244.4串級控制與單回路控制系統(tǒng)抗干擾性能仿真 265結(jié)論 29致謝 30參考文獻(xiàn) 31附錄：英語資料及譯文 32摘要本設(shè)計(jì)針對鍋爐溫度控制問題，綜合應(yīng)用過程控制理論以及近年來興起的仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了鍋爐溫度流量串級控制系統(tǒng)。首先，通過實(shí)驗(yàn)法建立鍋爐的數(shù)學(xué)模型，得到鍋爐溫度與進(jìn)水流量之間的傳遞函數(shù)，通過對理論設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行仿真，得到較好的響應(yīng)曲線，為實(shí)際控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供先決條件。其次，使用智能儀表作為控制器，組建現(xiàn)場儀表過程控制系統(tǒng)，通過參數(shù)整定，得到較好現(xiàn)場控制效果。再次，實(shí)現(xiàn)積分分離的PID控制算法。關(guān)鍵詞：水溫流量串級控制系統(tǒng)PID控制儀表過程控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)AbstractThepurposeofthisthesisistodesigntheliquidlevel'sconcatenationcontrolsystemofthedoublecapacitywatertank.Thisdesignmakesfulluseoftheautomaticindicatortechnique﹑thecomputertechnique﹑thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontroltechniqueinordertorealizeconcatenationcontrolofwatertank'sliquid.First,Icarryouttheanalysisofthecontrolledobjects'model,andusetheexperimentalmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Next,IDesigntheconcatenationcontrolsystemandusethedynamicsimulationtechniquetoanalyzethecapabilityofcontrolsystem.Afterwards,Idesignandsetuptheindicatorprocesscontrolsystem,realizePIDcontroloftheliquidlevelwithintelligenceindicator.Finally,Idesignandsetupthelongdistancecomputercontrolsysteminvirtueofthedatacollectionmodule﹑MCGSsoftanddigitalPIDcontroller，accomplishcontrolsystemexperimentandanalyzetheoutcome.1概述1.1過程控制1．工業(yè)過程控制的發(fā)展概況自本世紀(jì)30年代以來，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。過程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材等工業(yè)部門。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度、液位、壓力、流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過程。其后，串級控制、比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)，以極大值和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計(jì)所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應(yīng)用于解決過程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時(shí)變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時(shí)新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化己進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）時(shí)代，并依托人工智能，控制理論和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展。2．過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，而對生產(chǎn)質(zhì)量﹑經(jīng)濟(jì)效益的要求，對生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快﹑精度高﹑存儲(chǔ)量大﹑編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，目前以微處理器﹑單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器—過程計(jì)算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過程控制中得到十分廣泛的作用。在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算﹑邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID）進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對象﹑檢測與執(zhí)行裝置外）。1．過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：（1）由中央處理器﹑時(shí)鐘電路﹑內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集﹑數(shù)據(jù)處理﹑邏輯判斷﹑控制量計(jì)算﹑越限報(bào)警等，通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮系統(tǒng)安全可靠的協(xié)調(diào)工作。（2）包括各種控制開關(guān)﹑數(shù)字鍵﹑功能鍵﹑指示燈﹑聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺(tái)是人機(jī)對話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計(jì)算機(jī)向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信號。（3）通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)﹑記錄儀﹑圖形顯示器﹑閃存等，它們用來顯示﹑存儲(chǔ)﹑打印﹑記錄各種數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。I/O通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬量I/O通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號）變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；同時(shí)將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。2．過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計(jì)算機(jī)本身資源，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。（2）應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集﹑濾波程序﹑控制量計(jì)算程序﹑生產(chǎn)過程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能﹑精度和效率。1.2串級控制系統(tǒng)設(shè)定值R串級控制是在單回路PID控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制技術(shù)。當(dāng)PID控制應(yīng)用于單回路控制一個(gè)被控量時(shí)，其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制參數(shù)易于整定。但是，當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)有幾個(gè)因素影響同一個(gè)被控量時(shí)，如果只控制其中一個(gè)因素，將難以滿足系統(tǒng)的控制性能。串級控制針對上述情況，在原控制回路中，增加一個(gè)或幾個(gè)控制內(nèi)回路，用以控制可能引起被控量變化的其它因素，從而有效地抑制了被控對象的時(shí)滯特性，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。設(shè)定值R-m2m1-m2m1e1c1擾動(dòng)f2(t)e2c2擾動(dòng)f1(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對象主對象-+本系統(tǒng)的串級控制系統(tǒng)如圖1.1所示，采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)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(gè)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)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)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。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)的位置不同，分情況進(jìn)行分析：1）擾動(dòng)作用于副回路2）擾動(dòng)作用于主過程3）擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過程。在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。分析可以看到，串級控制系統(tǒng)改善了過程的動(dòng)態(tài)特性、提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量、能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)、提高了系統(tǒng)的工作頻率、對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等。其主要工程應(yīng)用場合有容量滯后較大的過程、純時(shí)延較大的過程、擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過程、參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程、非線性過程等。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對它們的主要內(nèi)容進(jìn)行說明。1.3MATLAB軟件MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過10余年的不斷改進(jìn)，現(xiàn)今已推出基于Windows2000/xp的MATLAB7.0版本。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應(yīng)用變得更加快捷和便利。MATLAB系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成：(1)MATALB語言體系MATLAB是高層次的矩陣／數(shù)組語言．具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。(2)MATLAB工作環(huán)境這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱．包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。(4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫這是對MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。(5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API)這是MATLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。MATLAB還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(ControlSystemToolbox)提供對線性系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（SystemIdentificationToolbox）可以對控制對象的未知對象進(jìn)行辨識(shí)和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運(yùn)行仿真，適應(yīng)線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。1.4MCGS組態(tài)軟件計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動(dòng)化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面MCGS工控組態(tài)軟件發(fā)揮著重要的作用.MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)軟件是一套幾基于Windows平臺(tái)的32位工控組態(tài)軟件，集動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、冶金、紡織、航天、建筑、材料、制冷、通訊、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種行業(yè)。MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)部分組成。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持，用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作后，生成擴(kuò)展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，其與MCGS運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程”。MCGS運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe支持,以用戶指定的方式運(yùn)行,并進(jìn)行各種處理,完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。利用MCGS軟件組建工程的過程簡介：(1)工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫顯示的。(2)工程立項(xiàng)搭建框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動(dòng)畫刷新的周期。經(jīng)過此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。(3)設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。(4)制作動(dòng)畫顯示畫面：動(dòng)畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過程。前一部分用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫圖形的驅(qū)動(dòng)源。(5)編寫控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。(6)完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。(7)編寫程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫顯示和控制流程是否正確。(8)連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。(9)工程完工綜合測試：最后測試工程各部分的工作情況，完成整個(gè)工程的組態(tài)工作，實(shí)施工程交接。2PID控制器原理2.1PID控制器簡介PID控制器可以方便地實(shí)施多種控制算法，多年以來，在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器），是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)；選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，是使調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)對象能很好地匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。1、比例（P）調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快速。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差。2、積分（I）調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)器的突出特點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除以后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。但是，單純的積分調(diào)節(jié)動(dòng)作過于緩慢，因而在改善靜態(tài)準(zhǔn)確度的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時(shí)間內(nèi)延長，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，總是把比例作用的及時(shí)性和積分作用消除靜差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器（簡稱PI調(diào)節(jié)器），其傳遞函數(shù)為Gc(S)=Kp(1+1/T1S)3、微分（D）調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)器能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡可能地消除在萌芽狀態(tài)之中。但是單純的微分調(diào)節(jié)對靜態(tài)偏差毫無抑制作用，因此不能單獨(dú)使用，總要和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來，稱為PD調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器。PD調(diào)節(jié)器由于有微分的作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，比例系數(shù)的增加能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過大，以利于抗高頻干擾。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：Gc(S)=Kp(1+TDS)PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一處調(diào)節(jié)器。它將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既可達(dá)到快速敏捷，又可達(dá)到平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可得到滿意的調(diào)節(jié)效果。它的傳遞函數(shù)為Gc(S)=Kp(1+1/T1S+TDS)2.2PID控制系統(tǒng)c(t)+c(t)++r(t)比例P積分I微分D被控對象圖2.1PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-c(t)將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對過程對象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。控制規(guī)律為:或以傳遞函數(shù)形式表示：其中－比例系數(shù),－積分時(shí)間常數(shù)－微分時(shí)間常數(shù)2.3PID控制參數(shù)的整定及方法2.3.1PID控制參數(shù)的整定簡介過程控制器采用的控制器通常都有一個(gè)或多個(gè)需要調(diào)整的參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)（如旋鈕、開關(guān)）或相應(yīng)設(shè)備。通過調(diào)整這些參數(shù)使控制器特性與被控過程特性配合好，獲得滿意的系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性稱為控制器參數(shù)整定。由于人們在參數(shù)調(diào)整中，總是力圖達(dá)到最佳的控制效果，所以常稱“最佳整定”，相應(yīng)的控制器參數(shù)稱為“最佳參數(shù)整定”。衡量控制器參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定一個(gè)明確的反應(yīng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)，一般分為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。需要指出的是，不同生產(chǎn)過程對于控制過程的品質(zhì)要求不完全一樣，因而對系統(tǒng)整定性能指標(biāo)的選擇有較大的靈活性。作為系統(tǒng)整定的性能指標(biāo)，它應(yīng)能綜合反映系統(tǒng)控制質(zhì)量，同時(shí)又便于分析與計(jì)算。2.3.2PID控制參數(shù)整定方法控制器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，理論計(jì)算整定法與工程整定法。顧名思義，理論計(jì)算整定法是在已知過程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，通過理論計(jì)算來求取“最佳整定參數(shù)”；而工程整定法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行的控制器參數(shù)整定方法。由于無論是用解析法或?qū)嶒?yàn)法求取的過程數(shù)學(xué)模型都只能近似反映過程的動(dòng)態(tài)特性，因而理論計(jì)算所得到的整定參數(shù)值可靠性不夠高，在現(xiàn)場使用中還需進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。相反工程整定法雖未必得到“最佳整定參數(shù)”，但由于其不需知道過程的完整數(shù)學(xué)模型，使用者不需要具備理論計(jì)算所必須的控制理論知識(shí)，因而簡便、實(shí)用，易于被工程技術(shù)人員所接受并優(yōu)先使用。下面將介紹本次設(shè)計(jì)中在現(xiàn)場調(diào)試調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)所采用的一種整定方法，現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)整定法。這種方法是人們在長期的工程實(shí)踐中，從各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定性分析中總結(jié)出來的一種行之有效，并且得到廣泛運(yùn)用的工程整定方法。（1）經(jīng)驗(yàn)法若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表2.1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=（1/3～1/4）TD計(jì)算。表2-1經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)δ（%）T1(min)TD(min)溫度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1壓力30～700.4～3液位20～80（2）臨界比例度法這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)T1=∞，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖2.2所示。根據(jù)臨界比例度δs和振蕩周期Ts，按表二所列的經(jīng)驗(yàn)版式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。圖2.2具有周期Ts的等幅振蕩圖表2-2臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ（%）sT1（S）TD（S）P2δsPI2.26δsTs/1.2PID1.6δs0.5Ts0.125Ts（3）阻尼振蕩法（衰減曲線法）在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階路擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖2.3所示的4：1衰減過程為止。這時(shí)的比例度稱為4：1衰減比例度，用δs表示之。相鄰兩波峰間的距離稱4：1衰減周期Ts。和Ｔs，運(yùn)用表三所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。圖2.34:1衰減曲線法圖表2.3阻尼振蕩法計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ（％）ＴI(min)TD(min)PδSPI1.2δs0.5TSPID0.8δs0.3TS0.1TS3建立被控對象模型3.1被控對象建模本系統(tǒng)以鍋爐水溫為主要控制對象，以進(jìn)水流量為輔助控制對象。目的是在一定加熱功率下，控制水溫的恒定。其流程圖如圖3.1所示：圖3.1測量被控對象階躍響應(yīng)流程圖溫度給定值+m2m1溫度給定值+m2m1e1流量擾動(dòng)e2c2溫度擾動(dòng)主控制器流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥流量水溫溫度輸出值--圖3.2鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)框圖在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學(xué)模型。被控對象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在水溫-流量串級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何在一定的電熱功率下控制好水溫的恒定。進(jìn)水流量是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計(jì)算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。3.2測量被控對象階躍響應(yīng)曲線在本設(shè)計(jì)中通過實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測定被控對象溫度和流量在輸入階躍信號后的響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。在測定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1)通過智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開度，實(shí)現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入?？刂七M(jìn)水量供水階躍輸入信號控制進(jìn)水量供水階躍輸入信號階躍響應(yīng)輸出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥溫度圖3.3水溫-流量模型測定原理圖編寫程序如下：流量pv=pv1溫度pv=pt/測量值顯示輸出Ifset=0thenOutput=6Endif/set為0時(shí)輸出6mA電流給調(diào)節(jié)閥Ifset=1thenOutput=8Endif/set為1時(shí)輸出8mA電流給調(diào)節(jié)閥其中set為外部輸入信號，可由按鈕設(shè)定，Output為輸出信號，大小即為輸出電流值，單位mA。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入信號范圍為4—20mA電流信號。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥階躍信號給定。6mA電流對應(yīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為（6-4）/（20-4）=12.5%。8mA電流則對應(yīng)（8-4）/（20-4）=25%的開度。階躍前后流量測量值分別為6.5和10.2。階躍值為10.2-6.5=3.7。實(shí)際測得階躍如圖3.4：圖3.4試驗(yàn)測得階越響應(yīng)曲線從階躍時(shí)刻起以20s為采樣周期，采得溫度數(shù)據(jù)序列如下：33.7133.3432.8732.9032.1232.0131.7631.5631.8031.3231.6931.5331.1631.2030.9831.0930.5730.9130.9030.5830.3230.3330.2530.2530.2430.4830.1030.1629.8530.3130.09當(dāng)給出階躍信號后，溫度響應(yīng)曲線逐漸下降至穩(wěn)定，為符合一般習(xí)慣，方便處理，將數(shù)據(jù)以第一次采樣值為標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換為逐漸上升至穩(wěn)定的曲線。轉(zhuǎn)換方法y=33.71-x。式中y為處理后數(shù)據(jù)，x為處理前數(shù)據(jù)。得到如下數(shù)據(jù)序列：00.370.840.811.591.701.952.151.912.392.022.182.552.512.732.623.142.802.813.103.393.383.463.463.473.433.613.553.863.403.62另外由試驗(yàn)測得給定閥的開度分別為12.5、25、40、80時(shí)對應(yīng)傳感器測得流量值為6.5、10.2、14.6、26.2。3.3求取被控對象傳遞函數(shù)由于實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計(jì)算法求解水箱模型會(huì)使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)算水箱模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點(diǎn)的值作為Y軸坐標(biāo)零點(diǎn)，后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理，作為Y軸上的各階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)；將對應(yīng)Y軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集時(shí)間作為曲線上各X點(diǎn)的值。在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：>>x=0:20:600;>>y=[00.370.840.811.591.701.952.151.912.392.022.182.552.512.732.623.142.802.813.103.393.383.463.463.473.433.613.553.863.403.62];>>p=polyfit(x,y,4);>>xi=0:20:600;>>yi=polyval(p,xi);>>plot(x,y,xi,yi)在MATLAB中繪出曲線如下：圖3.5流量階躍響應(yīng)擬合曲線如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)≈-1.5723e(-10)t4+2.0754e(-7)t3-9.8826e(-5)t2+0.024429t-0.030998其中，的一次項(xiàng)的系數(shù)為0.024429，即函數(shù)在零點(diǎn)處(=0)的切線斜率為=0.024429。再利用切線法，算出傳遞函數(shù):為傳遞函數(shù)的放大系數(shù)，為穩(wěn)定值，y(0)為初值，為階躍的擾動(dòng)值，大小為3.7，為零點(diǎn)處的斜率。計(jì)算結(jié)果開環(huán)傳遞函數(shù)：由試驗(yàn)測得給定閥的開度分別為12.5、25、40、80時(shí)對應(yīng)傳感器測得流量值為6.5、10.2、14.6、26.2，綜合仿真效果選用1次函數(shù)擬合閥的流量特性，以下為擬合程序：x=[12.5254080]y=[6.510.214.626.2]p=polyfit(x,y,1);xi=[12.5254080];yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi)可得電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增益曲線如下：圖3.6調(diào)節(jié)閥增益曲線從而可得電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增益,考慮到從給出閥的控制信號到調(diào)節(jié)閥響應(yīng)，再影響流量，實(shí)際是個(gè)微小的慣性環(huán)節(jié)，但由于時(shí)間常數(shù)相對鍋爐非常小，對控制的影響不大，在本設(shè)計(jì)中忽略不計(jì)。為進(jìn)一步檢驗(yàn)該傳遞函數(shù)的正確性，使用simulink仿真，組建如下系統(tǒng)：圖3.7檢驗(yàn)傳遞函數(shù)仿真系統(tǒng)階躍信號幅值設(shè)為3.7，采樣時(shí)間為20s,仿真時(shí)間600s。階躍信號源（step）給出階躍信號，作用于被控對象傳遞函數(shù)（TransferFcn）結(jié)果輸出到示波器,仿真后由示波器所觀察到結(jié)果如圖：圖3.8檢驗(yàn)傳遞函數(shù)仿真曲線為將圖3.5和圖3.8內(nèi)兩條曲線在同一張圖內(nèi)繪制以便比較,程序如下：>>x=0:20:600;>>y=[00.370.840.811.591.701.952.151.912.392.022.182.552.512.732.623.142.802.813.103.393.383.463.463.473.433.613.553.863.403.62];>>p=polyfit(x,y,4);>>xi=0:20:600;>>yi=polyval(p,xi);>>plot(x,y,x,a,xi,yi)數(shù)列a中的數(shù)據(jù)是以步長20s仿真600s得到的，因此含有31個(gè)數(shù)據(jù)，a與擬合結(jié)果步長相同，由于兩階躍曲線給定階躍信號幅值相同，可認(rèn)為兩條曲線所在坐標(biāo)系相同，得到圖3.9:圖3.9擬和曲線與仿真曲線比較仿真曲線僅在200-400s間誤差較大約為10%，導(dǎo)致誤差的原因可能是擬合時(shí)以二次曲線一部分取代慣性環(huán)節(jié)造成的,也可能是由于傳感器測量誤差導(dǎo)致的。誤差在接受范圍內(nèi)，仿真曲線基本能反映數(shù)據(jù)曲線的變化，因而可以認(rèn)為傳遞函數(shù)基本準(zhǔn)確。4控制方案的設(shè)計(jì)及仿真有了被控對象的傳遞函數(shù)就可以確定控制方案，從而在理論上設(shè)計(jì)控制器，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，進(jìn)而對實(shí)際控制起指導(dǎo)意義。4.1設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提條件，它根據(jù)控制工藝的具體流程，反映系統(tǒng)信息的流動(dòng)控制過程，本設(shè)計(jì)采用串級控制，考慮流量變化快，時(shí)間慣性小，應(yīng)較快得到抑制，選擇流量作為副被控參數(shù)，副環(huán)是隨動(dòng)控制，追求快速性，因而采用P調(diào)節(jié)，P調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥的開度改變流量，流量傳感器將檢測信號送回P調(diào)節(jié)器并形成負(fù)反饋，此閉環(huán)作為內(nèi)環(huán)。溫度變化相對緩慢，時(shí)間慣性大，作為主被控參數(shù)，主環(huán)是定值控制，追求準(zhǔn)確性，采用PID調(diào)節(jié)。經(jīng)分析可得控制工藝流程圖：圖4.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過流程圖可知：將給定值與溫度傳感器反饋信號的差值輸入主調(diào)節(jié)器，進(jìn)行PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)控制算。主調(diào)節(jié)器輸出信號作為內(nèi)環(huán)的給定值，與流量傳感器反饋信號的差值送P調(diào)節(jié)器運(yùn)算并輸出，以控制調(diào)節(jié)閥，通過流量變化，影響鍋爐溫度。得到控制系統(tǒng)框圖：流量給定值流量給定值圖4.2控制系統(tǒng)框圖4.2Simulink控制系統(tǒng)仿真Simulink可以動(dòng)態(tài)地模擬出在給多種信號作用下所構(gòu)造控制系統(tǒng)的響應(yīng)，只需將控制系統(tǒng)框圖內(nèi)對象改寫為傳遞函數(shù)形式。模擬PID控制器的傳遞函數(shù)D(s)=U(s)/E(s)=Kp(1+1/TiS+TdS)可理解為同一信號分別經(jīng)比例（圖4.3中fcn1）、積分(圖4.3中fcn2)、微分(圖4.3中fcn3)運(yùn)算后相加；P調(diào)節(jié)器為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcn4)；鍋爐傳遞函數(shù)已求得(圖4.3中fcn)；首先假設(shè)調(diào)節(jié)閥為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcn5)，可構(gòu)造如下系統(tǒng)圖，其中PID、P、閥的參數(shù)均未整定：圖4.3simulink控制系統(tǒng)線性仿真考慮到實(shí)際使用中，由于閥有動(dòng)作死區(qū)，即位于0開度時(shí)可能有流量或小開度時(shí)無流量，達(dá)到最大開度時(shí)，控制信號盡管繼續(xù)增大但已經(jīng)失去調(diào)節(jié)作用等原因（圖4.5中閥的流量特性可說明），結(jié)合圖4.6測得閥的流量特性，將閥的傳遞函數(shù)作為非線性環(huán)節(jié)處理，得到非線性系統(tǒng)圖：圖4.4simulink控制系統(tǒng)非線性仿真圖4.4中PID、P參數(shù)已經(jīng)整定，Saturation和Coulomb&Viscousfriction兩個(gè)環(huán)節(jié)組合形成閥的流量特性。Saturation為限幅環(huán)節(jié)，上限幅值為100，下限幅值為0，Coulomb&Viscousfriction為粘滯摩擦環(huán)節(jié)，函數(shù)設(shè)為y=0.30x+2.9。4.3仿真結(jié)果分析通過參數(shù)的調(diào)節(jié)可以得到較好的響應(yīng)曲線。圖4.5控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖4.5中的響應(yīng)曲線是在階躍信號初值0，終值20，階躍時(shí)刻為0；主調(diào)節(jié)器參數(shù)為；副調(diào)節(jié)器參數(shù)為；仿真時(shí)間2000s時(shí)得到的。余差（靜態(tài)偏差）C：是系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。由于仿真環(huán)境為理想狀態(tài)，未考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的各種情況，余差必然為零。衰減率Ψ：是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)?？啥x為，系統(tǒng)只有一個(gè)波峰，不存在震蕩，因而可認(rèn)為衰減比為0，Ψ=1。最大偏差A(yù)（超調(diào)量σ）：對于定值系統(tǒng)來說，最大偏差是指被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差，隨動(dòng)系統(tǒng)通常采用超調(diào)量指標(biāo)，即，由圖知最大偏差約為0.6，超調(diào)量為3%。過渡過程時(shí)間：是指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)定值±5%的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間，是衡量控制快速性的指標(biāo)。由圖知，≈220s時(shí)對應(yīng)值20.6，即進(jìn)入穩(wěn)定值±5%的范圍內(nèi)，可認(rèn)為過渡完成。綜合動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)，可認(rèn)為階躍響應(yīng)曲線相當(dāng)理想，但由于是仿真結(jié)果，未考慮模型精確度，測量精度，以及真實(shí)系統(tǒng)中所存在的未知干擾等問題，只可作為設(shè)計(jì)參考，調(diào)節(jié)器參數(shù)、實(shí)際響應(yīng)曲線未必與仿真一致，實(shí)際控制中可能達(dá)不到這么好的控制效果。通過仿真參數(shù)的調(diào)節(jié)也得到了PID控制器參數(shù)對控制效果的影響。比例控制Kp對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)KP加大使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，KP偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。KP太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。KP太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。KP可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果KP的符號選擇不當(dāng),對象狀態(tài)(PV值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(SP值)越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況KP的符號就一定要取反。積分控制KI對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制KD對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，KD偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。KD偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長。只有KD合適，才能使超調(diào)量偏小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。4.4串級控制與單回路控制系統(tǒng)抗干擾性能仿真為了體現(xiàn)串級控制的優(yōu)勢，必須將串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力和單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力加以比較。圖4.6串級控制抗干擾能力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.7單回路控制抗干擾能力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制的特點(diǎn)在于抗二次干擾能力強(qiáng)，因此分別構(gòu)造圖4.6，在串級控制系統(tǒng)副回路中加入階越信號來模擬流量的干擾，同時(shí)為了能夠?qū)?shù)據(jù)與單回路控制系統(tǒng)抗干擾效果在同一張圖內(nèi)進(jìn)行相比較，需要設(shè)置工作區(qū)域B，存儲(chǔ)方式為數(shù)列。單回路控制系統(tǒng)是采用PID控制器直接控制流量。在同樣位置加入流量的階躍干擾信號，將仿真結(jié)果輸出到工作區(qū)域C中,存儲(chǔ)方式為數(shù)列。只有當(dāng)單回路控制系統(tǒng)的階越響應(yīng)曲線與串級控制系統(tǒng)的階越響應(yīng)曲線比較近似，并施加同樣的干擾信號，其抗干擾能力才具有可比性。在無干擾信號時(shí)，調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)參數(shù)，使響應(yīng)曲線接近同樣階躍信號作用下串級控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。再加入干擾信號，對于圖4.6和圖4.7中的兩個(gè)控制系統(tǒng)仿真，其仿真時(shí)間均設(shè)為4000s，采樣時(shí)間設(shè)為20s。干擾信號階越時(shí)刻為2000s，階越初值0，階越終值18。仿真后結(jié)果分別存儲(chǔ)于工作區(qū)域B、C中，將兩系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)在同一張圖內(nèi)進(jìn)行比較，需在Matlab中編寫程序如下：x=0:20:4000;plot(x,b,x,c)grid圖4.8兩種控制系統(tǒng)抗干擾能力比較圖圖4.8、4.9、4.10中綠色曲線是單回路控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，藍(lán)色曲線是串級控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。首先放大圖中兩系統(tǒng)階躍響應(yīng)部分，在圖4.9中可見兩控制系統(tǒng)在上升段基本重合，調(diào)節(jié)時(shí)間基本相同，單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量偏大，綜合各種指標(biāo)可認(rèn)為兩系統(tǒng)在階躍信號下控制效果大致相同。在兩控制系統(tǒng)控制效果相同的情況下，加入干擾信號，如圖4.10，單回路控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差達(dá)到0.4，為穩(wěn)態(tài)值的2%，在曲線末端甚至出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。而串級控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差僅在0.1左右，可認(rèn)為系統(tǒng)仍處于的特點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)，兩者抗干擾能力十分懸殊。充分證明了串級控制抑制二次干擾能力強(qiáng)。圖4.9兩種控制系統(tǒng)階越響應(yīng)比較圖（放大）圖4.10擾動(dòng)時(shí)刻響應(yīng)曲線（放大）5結(jié)論致謝首先，我要衷心感謝我的指導(dǎo)老師孫虹老師，沒有她的悉心指導(dǎo)，我也不會(huì)這么順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。其次，我要感謝我的母校，四年來，在母校的栽培下，使我順利的完成了學(xué)業(yè)，并且給我的學(xué)生時(shí)代劃上了完美的句點(diǎn)。最后，我要感謝我的父母，是他們的無私奉獻(xiàn)供養(yǎng)了我上大學(xué)，我才會(huì)有今天的成績，衷心的感謝他們！本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從一接到任務(wù)書，就在孫虹老師的悉心指導(dǎo)下，還有我自己的查閱資料，我了解到了串級控制的作用，還有PID控制的作用，也知道了MATLAB軟件使得工程應(yīng)用變得更加快捷和方便。同時(shí)了解綜合應(yīng)用過程控制理論以及近年來興起的仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了鍋爐溫度流量串級控制系統(tǒng)。從而一步步的順利完成任務(wù)。在此過程當(dāng)中，我學(xué)到了很多有用的東西，讓我把整個(gè)本科知識(shí)又回顧了一遍，為以后進(jìn)入社會(huì)打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)在查閱資料的過程當(dāng)中也學(xué)到許多，新的或者以前未掌握的知識(shí)，在此，我要感謝學(xué)校能夠給我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，讓我從中受益匪淺。參考文獻(xiàn)[1]胡壽松主編.自動(dòng)控制原理（第五版）.科學(xué)出版社.2007[2]張曉華主編.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD.機(jī)械工業(yè)出版社.1999[3]于海生主編.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2007[4]劉文定，王東林主編.過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機(jī)械工業(yè)出版社.2009[5]薛定宇主編.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)——MATLAB語言與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.2006[6]TheMathWorks.Icn《MATLABHELP》2004[7]ICPDAS《UserManual》2000[8]邵裕森，戴先中《過程控制工程》北京機(jī)械工業(yè)出版社2000PID控制簡介當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp，Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面是兩個(gè)改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問題而產(chǎn)生的。現(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過程中插入一個(gè)測試信號。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù)。PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡單的有時(shí)卻是最好的控制器目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的