【正文】 , 集中控制階段和集散控制階段。這與當時生產(chǎn)水平是相適應(yīng)的。 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。第三階段是高級階段，目前正在來到 [2]。 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。 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。 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 Simulink軟件系統(tǒng)組成。 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)。 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。 (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)。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)。 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。 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。 (2)前饋控制是一種開環(huán)控制，控制效果得不到檢驗。 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。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工作量。 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]。即當有純滯后時，干擾對被控參數(shù)的影響要向后推遲一個純滯后時間 f? 。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constKKC ?? 0 ，這樣才能維持系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度。 然而，從控制角度看， 0K 愈大，則表示控制參數(shù)對被控參數(shù)的影響愈大，這表示通 過對它的調(diào)節(jié)來克服干擾影響更為有效。因為當 ? 小于 3％時，調(diào)節(jié)器則相當于一位式調(diào)節(jié)器，已失去作為連續(xù)調(diào)節(jié)器的作用。然而也不是控制通道時間常數(shù)愈小愈好。它們對控制質(zhì)量的影響不利，尤其是τ 0的影響最壞。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，會嚴重地降低控制質(zhì)量。 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。 微分系數(shù) Kd, 作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 基本原則： (1) 廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積延遲較大時，應(yīng)引入微分動作。如管道壓力和流量的控制。當τ /T 時，選擇比例或比例積分動作；當 τ /T≤ 時，選擇比例微分或比例積分微分動作；當τ /T 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、前饋等復雜控制系統(tǒng)。但是，決不能因此而認為控制器參數(shù)整定是萬能的。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，以達到最佳的控制效果。水箱液位的控制作為過程控制的一種 ,由 于其自身存在滯后 ,對象隨負荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復雜的特點 ,傳統(tǒng)的控制不能達到滿意的控制效果。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。 HL C入 水L T 圖 單容水箱控制結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示，其被控制量為水箱液位 H，控制量是入水量。 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)。 PID 控制的關(guān)鍵在于 Kp、 Ti、 Td 三個參數(shù)的整定。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。 雙容水箱液位控制系統(tǒng) 雙容水箱數(shù)學模型 雙容水箱的數(shù)學模型如下圖 所示。 入 水HL CL T 圖 雙容水箱控制方案 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=）作用于雙容水箱對象模型上，仿真比較曲線如圖 所示。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 放在最小， 比例 度放于適當數(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。 按表 31 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，依次將控制器的參數(shù)放好。 通過多次嘗試得出當反應(yīng)曲線為 4： 1 時， ? =（ Kp=40， Ts=125） 。 圖 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。水流量為 Q1，由調(diào)節(jié)閥控制，流出量Q2則由負載閥來改變。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。由圖可知，三容水箱系統(tǒng)平衡大約需要 800 秒，并有較大的超調(diào)量。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致了超調(diào)。 對于水箱液位控制系統(tǒng)， 控制器參數(shù)選擇適當就可以實現(xiàn)無靜差，且具有較好的動 態(tài)過程控制。 D 參數(shù)調(diào)整得當，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。在三容水箱控制系統(tǒng)中，由于其對象模型 復雜 ，所以沒有得到很好的控制效果。換熱器按其作用原理可以分為表面式換熱器、回熱式換熱器和混合式換熱器三類。所以在本系統(tǒng)采用管殼式換熱器。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。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例。 而從圖 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。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。由于冷熱兩種流體不接觸，蒸汽與水管、水管本身、水管與冷水進行熱交換時都存在熱阻（對流熱阻與傳導熱阻）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。因此，結(jié)合以上的分析可知，此系統(tǒng)具有大滯后、 大時變、非線性特性。一般來說，這種方法適用于一些比較簡單的被控對象。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)，可適用于任意復雜的過程。自動控制系統(tǒng)最重要的數(shù)學模型是微分方程，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。其動態(tài)特性較復雜，用偏微分方程來描述，列寫和求解比較麻煩和復雜，難于應(yīng)用于實際計算和控制。若將動態(tài)特性用低階近似的方法處理，即將換熱器這個三容時滯對象用一階滯后環(huán)節(jié)來近似描述，換熱器的動態(tài)特性可取為 ： seTsKsG ???? 1)( 式 () 式中： K—— 放大系數(shù)。通過采用非參數(shù)模型的辨識方法，即對換熱器作階躍響應(yīng)實驗（即在所研究對象的輸入端加入一個擾動，測取其相應(yīng)曲線），采用時間域法，獲取對象特性參數(shù) K、 T、τ。 本系統(tǒng)研究對象是一個汽 — 水表面式換熱器。若吻合，換熱器動態(tài)模型求解完畢。 T C蒸 汽冷 流 體T T 圖 蒸汽換熱器控制原理圖 如圖 所示，其被控制量為熱流體出口溫度，控制量是蒸汽流量。 控 制 器 控 制 閥 換 熱 器變 送 器給 定偏 差 測 量溫 度+干 擾 量 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本設(shè)計的主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)載熱體（蒸汽）的流量來控制換 熱器出口水的溫度維持所需值，提高出水的品質(zhì)，保證工藝產(chǎn)品的質(zhì)量，并最大限度地利用能源。 如圖 中的曲線（ 1）所示，峰值時間： tp=110s；調(diào)節(jié)時間 很長，大概需要 700s。 3） PID 控制器的參數(shù)由 ITAE 準則整定 ITAE 準則：比例增益 KTKp94 )( ?? ? ；積分增益T TKK pi)( ?? ?；)( TTKK pd ?? 。對所研究的系統(tǒng)，經(jīng)過多次嘗試不同的參數(shù)，得到以下一組參數(shù)，可以取得較好的控制性能。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常采用以下三種實際微分 PID控制算式。 史密斯 (Smith)預(yù)估控制系統(tǒng)仿真 由于工業(yè)過程都具有不同程度的時間滯后，給過程控制帶來了困難。它的特點是預(yù)先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然。隨著τ /T 值的增加，控制難度相應(yīng)增加，當τ接近或者超過 T 時，采用普通的 PID 控制效果很差，一般采用 Smith 預(yù)估計控制。 算式二的結(jié)構(gòu)模型如圖 所示 E ( s )U ( s )1122??sTTsTd +++Ud( s ) 1KsTK11Up( s )Ui( s ) 圖 算 式 二結(jié)構(gòu)模型 算式三： )111()()()(sKTsTsTKsEsUsDdddip ????? 式 () 算式三的結(jié)構(gòu)模型如圖 所示 , sTi1E ( s )U ( s )+++pKUd( s )Up( s )Ui( s )sKTsTKdddp?1 圖 算式二結(jié)構(gòu)模型 三種算法的實際 PID 仿真模型由 Simulink 搭建，如圖 所示： 圖 三種算法的仿真模型 圖 三種實際 PID 仿真曲線 通過人工調(diào)整控制器的參數(shù)得出三種算式仿真出的曲線，如圖 所示是三種實際PID 的 仿真 曲線比較。 如圖 中的曲線（ 4）所示 ,σ％＝ 10％；過程控制的峰值時間： tp=120s；過程控制的調(diào)節(jié)時間 ts=320s。 如圖 中的曲線（ 3）所示， 超調(diào)量 σ％＝ 50％；峰值時間： tp=150s；調(diào)節(jié)時間 ts=700s。 經(jīng)計算： Kp=1,238， Ki=， Kd=7,333。 整定公式是：比例增益 ?KTKp ?；積分時間常數(shù) ??iT ；微分時間常數(shù)TTd ? 。如果出口水溫度正好等于期望的溫度值，蒸汽流量就可以保持不變。 從以上仿真曲線可以發(fā)現(xiàn)：它的變化趨勢和圖 的曲線基本一致，基本能 夠反映被控對象的實際特性，這說明所建立的數(shù)學模型是滿意的 [14]。 CohnCoon 公式： uyK ??? 式 () )( ttT ?? 式 () )31( ttT ?? 式 () Δ u—— 系統(tǒng)的階躍輸入幅值； Δ y—— 系統(tǒng)的相應(yīng)輸出響應(yīng)Δ y=y(∞ )y(0)； y(∞ )—— 系統(tǒng)輸 出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值； y(0)—— 系統(tǒng)輸出響應(yīng)的初始值； —— 飛升曲線為 Δ y 時的時間； —— 飛升曲線為 Δ y 時的時間。如果一個系統(tǒng)能夠很好地克服階躍干擾的影響，那么對于其他形式的干擾就不難克服。反映了過程響應(yīng)的快慢； τ —— 滯后時間（它是由多容對象處理為單容對象而引入的容量滯后 時間與由工藝介質(zhì)傳輸距離引起的純滯后時間兩部分組成）。而換熱器是一個多容時滯對象，所得模型階次高，比較復雜。從嚴格的傳熱理論分析，換熱器的傳熱過程一般要采用偏微分方程來描述。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。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。 建立數(shù)學模型，常常采用兩種方法：解析法和系統(tǒng)辨識。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。 被控對象的特性 如圖 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。 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，然后將測得的數(shù)值