【正文】 畢業(yè)設(shè)計論文基于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)進行了仿真研究，并對仿真結(jié)果進行了深入的分析。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 heat interchange is used as an transfer function object is defined by setting up the mathematical carry on simulation research on the system by using Matlab’s simulink deeply analyze the result of the simulation. In the system, which control the level of the tank. The transfer function of a singletank, doubletank, threetank is defined by setting up mathematical model and analyzing date. Simulation model of all system set up simulink simulation. The effect that controller parameter poses on the system is analyzed through the research on the simulation cuvers.In the control system of heat inter change. The design uses reduction method and defines the transfer function of the to the technical process in the automatic control system model of single loop, cascade, feed forwardfeedback is established. Simulation research on there system is carried on through using conventional PID, the actual PID and Smith predictor , While the characteristics those control system are pared.Key words: Process Control。 Matlab。 Simulation。 Water tanks。 Heat exchanger目 錄摘 要 IAbstract II第一章 引 言 1 過程控制簡介 1 過程控制的發(fā)展 1 控制系統(tǒng)仿真的含義 2 矩陣實驗室Matlab簡介 2 動態(tài)系統(tǒng)軟件包Simulink簡介 3 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 5 過程控制中常見的控制系統(tǒng) 5 單回路控制系統(tǒng) 5 串級控制系統(tǒng) 5 前饋控制系統(tǒng) 6 前饋—反饋控制系統(tǒng) 7 通道特性對控制質(zhì)量的影響 8 干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響 8 控制通道特性對控制質(zhì)量的影響 8 控制器參數(shù)對系統(tǒng)的影響 10 控制器控制規(guī)律的選擇 10 控制器參數(shù)整定 11第三章 液位控制系統(tǒng)的仿真研究 12 單容水箱液位控制系統(tǒng) 12 單容水箱數(shù)學(xué)模型 12 控制方案 14 單容水箱的Simulink仿真 14 雙容水箱液位控制系統(tǒng) 17 雙容水箱數(shù)學(xué)模型 17 控制方案 19 雙容水箱的Simulink仿真 19 三容水箱液位控制系統(tǒng) 23 三容水箱的系統(tǒng)建模 23 三容水箱的Simulink仿真 24 本章小結(jié) 25第四章 換熱器溫度控制系統(tǒng)仿真研究 27 換熱器的數(shù)學(xué)模型 27 換熱器構(gòu)造及工作原理 27 被控參量的選擇 28 被控對象的特性 29 被控對象數(shù)學(xué)模型的建立 29 單回路控制系統(tǒng) 33 常規(guī)PID控制 34 實際PID控制系統(tǒng)仿真 36 史密斯(Smith)預(yù)估控制系統(tǒng)仿真 39 串級控制系統(tǒng) 41 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 41 串級控制系統(tǒng)的PID仿真 42 串級控制系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制 45 前饋—串級控制系統(tǒng) 46 換熱器前饋—串級控制的數(shù)學(xué)模型 46 前饋控制規(guī)律的實施 47 Simulink仿真 48 本章小結(jié) 51結(jié)束語 52參考文獻 54致謝 56第一章 引 言 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]。 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)是一歷史較為久遠的分支。在本世紀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)雜的工業(yè)過程進行控制。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，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]。 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]。 矩陣實驗室Matlab簡介矩陣實驗室(MATLAB)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]。 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。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)，可以直接用鼠標點擊和拖拉模塊的圖標建模。這是以前需要用編程語言明確地用公式表達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。 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。 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