【正文】 轉(zhuǎn)換成可發(fā)送的信號(hào)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。 對(duì)于換熱器過(guò)程控制系統(tǒng)，人們最關(guān)心的是對(duì)換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，而在這兩項(xiàng)當(dāng)中，溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)又處于首位。 溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn) 中普遍而且重要的物理參數(shù)。 被控參量的選擇 影響一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程正常操作的因素很多，但并非對(duì)所有影響因素都要進(jìn)行控制。一般來(lái)說(shuō)，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(qiáng)、處理量較大，具有高度工作可靠性，能夠承受高壓、高溫。本設(shè)計(jì)就是研究汽 — 水加熱系統(tǒng)溫度的控制。 在單容水箱控制系統(tǒng)中， 采用 PI 調(diào)節(jié)作用 ， 對(duì)抗干擾性能的要 求 就 能很好地滿足。 I 參數(shù)應(yīng)選擇較小的積分時(shí)間，可以出現(xiàn)衰減振蕩過(guò)程。這也正說(shuō)明了三容水箱的大慣性。為了使下水箱的液位較快達(dá)到設(shè)定值，勢(shì)必向上水箱大量注水。 圖 PID 仿真模型 控制器參數(shù)由人工多次嘗試得出，通過(guò)仿真曲線的比較可以得到一組較好的控制器參數(shù) Kp=， Ki=， Kd=1。當(dāng)水的流入量與流出量相等的時(shí)候，水位保持不變。其單回路液位控制系統(tǒng)方框圖與圖 相同。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(shí)可以得到如圖 的仿真曲線，曲線呈 4： 1 衰減振蕩。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗(yàn)證一下過(guò)渡過(guò)程是否呈 4： 1 衰減振蕩。 通過(guò)上述過(guò)程，可以找到 4： 1 衰減振蕩時(shí)的比例度 s? 及振蕩周期 Ts。 , 圖 單、雙容水箱 Simulink 仿真曲線比較 由圖 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(duì)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(guò)程控制中十分重要，合適的控制器參數(shù)會(huì)帶來(lái)滿意的控制效果，不合適的控制器參數(shù)會(huì)使系統(tǒng)質(zhì)量變壞。雙容過(guò)程也可以近似為有時(shí)延的單容過(guò)程 sesT RsQ sHsG 01)( )()( 0 312 ????? 式 () 其階越響應(yīng)曲線如圖 所示： 圖 雙容水箱階越響應(yīng)曲線圖 因?yàn)樯纤浜拖滤涞膶?duì)象特性是相同的所以雙容水箱 的對(duì)象傳函可以近似為： 11404900 )( 2 ??? sssG 式 () 控制方案 設(shè)計(jì)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 所示。 圖 單容水箱 PID 控制仿真曲線 當(dāng)控 制器參數(shù) Kp=3，同時(shí)逐漸增大積分系數(shù) Ki，其仿真結(jié)果如圖 所示，在圖中分別為 Ki 等于 ， ， 時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 通過(guò)圖 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。因此，目前在工業(yè)過(guò)程控制中， PID 控制方式占據(jù)主導(dǎo)地位。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。 假設(shè) 0q 流經(jīng) l 長(zhǎng)管道所需時(shí)間為 0? ，則具有純滯后的單容過(guò)程的微分方程和傳遞函數(shù)為 )(00 ???????? tqKhdt hdT 式 () seTs KsQ sHsG 01)( )()( 0 ????? 式 () 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以近似得到如圖 3,2 的反應(yīng)曲線 圖 單容水箱液位對(duì)象反應(yīng)曲線 根據(jù)反應(yīng)曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得參數(shù) K、 T 分別為 、 70。 來(lái)實(shí)現(xiàn)水箱液位 控制系統(tǒng)仿真 研究 [7]。 對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)（δ、 Ti、 Td）的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求 [6]。因此，只能說(shuō)在一定范圍內(nèi)， 控制 器參數(shù)整定合適與否，對(duì)控制質(zhì)量具有重要的影響。一旦系統(tǒng)按所設(shè)計(jì)的方案安裝就緒，對(duì) 象特性與干擾位置等基本上都已固定下來(lái)，這時(shí)候系統(tǒng)的質(zhì)量主要取決于控制器參數(shù)整定了。 4) 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)或容積延遲很大，負(fù)荷變化亦很大時(shí)，簡(jiǎn)單 控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)。如溫度、成分、 pH 值控制等。但 Kd過(guò)大，則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程過(guò)分提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且統(tǒng)的抗干擾性能較差。 積分系數(shù) Ki, 作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但是 τ c 的影響比純滯后 τ c 對(duì)系統(tǒng)的影響緩和。這是因?yàn)榧儨蟮拇嬖?，使得調(diào)節(jié)器不能及時(shí)獲得控制作用效果的反饋信息，會(huì)使調(diào)節(jié)器出現(xiàn)失控。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動(dòng)得都比較厲害，就是由于流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較小的緣故。 (2)時(shí)間常數(shù) T0的影響 控制 通道時(shí)間常數(shù)愈大，經(jīng)過(guò)的容量數(shù)愈多，系統(tǒng)的工作頻率將愈低，控制愈不及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間也愈長(zhǎng)，系統(tǒng)的質(zhì)量愈低。 ? 大比較容易調(diào)整。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(wú)關(guān)。從靜態(tài)方面分析，由式 )1()( 0KKKy Cf ??? ，似乎可以得出當(dāng) fK 、 CK 不變時(shí)，控制通道放大倍數(shù) 0K愈大，系統(tǒng)的余差愈小的結(jié)論。 干擾通道時(shí)間常數(shù) fT 越大，個(gè)數(shù)越多，或者說(shuō)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(duì)被控參數(shù)的影響就越小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越高。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(duì)于滯后較大的控制對(duì)象，其反 饋控制作用不能及時(shí)影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過(guò)大波動(dòng)，直接影響控制品質(zhì)。為了解決這一局限性，可以將前饋與反饋結(jié)合起 來(lái)使用，構(gòu)成所謂前饋 — 反饋控制系統(tǒng)。 由于前饋控制作用是按干擾進(jìn)行工作的，而且整個(gè)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(duì)于其他干擾，由于這個(gè)前饋控制器無(wú)法感受到也就無(wú)能為力了。 (4)前饋控制只能抑制可測(cè)而不可控的擾動(dòng)對(duì)被調(diào)參數(shù)的影響。 前饋控制系統(tǒng) 下圖 為前饋控制系統(tǒng)方塊圖。 整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。它能夠抵制施加在系統(tǒng)上的干擾因素 ， 系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程具有過(guò)渡時(shí)間較小、最大偏差較小、系統(tǒng)穩(wěn)定性較高等特點(diǎn) 。 (3)運(yùn)行仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)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]。 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。 對(duì)于建模， Simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶界面 (GUI)，可以直接用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖 拉模塊的圖標(biāo)建模。 Simulink本身就是一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具，它是 MATLAB的一個(gè)附加組件，用來(lái)提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建 模與動(dòng)態(tài)仿真的工具平臺(tái)； 用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型。甚至加入自己的函數(shù)。顯示出如此旺盛的生命力， MATLAB有其不同于其 它語(yǔ)言的特點(diǎn)。 矩陣實(shí)驗(yàn)室 Matlab 簡(jiǎn)介 矩陣實(shí)驗(yàn)室 (MATLAB)語(yǔ)言是 Mathworks公司于 1982年推出的， 它集數(shù)值分析、信號(hào)處理、系統(tǒng)控制和圖形處理于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的界面友好的用戶環(huán)境。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(kuò)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(jī)界面和故障檢測(cè)報(bào)告功能。這階段的建模理論、在線辨識(shí)和實(shí)時(shí)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(jí)控制策略，如克服對(duì)象特性時(shí)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(cè)控制等。其中70 年代既是古典控制應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時(shí)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(shí)期，又是高級(jí)控制發(fā)展的初期。在本世紀(jì) 30 年代就已有應(yīng)用。這里 “過(guò)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(guò)程。 Matlab。 通過(guò)對(duì)仿真曲線的研究，分析了 控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng) 過(guò)渡過(guò)程 的影響。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于 MATLAB 的過(guò)程控制系統(tǒng)仿真研究 摘 要 水箱和換熱器是過(guò)程控制中的典型對(duì)象， 本設(shè)計(jì)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(guò)建立數(shù)學(xué)模型，確定對(duì)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。 關(guān)鍵詞： 過(guò)程控制； MATLAB；仿真；水箱；換熱器 Simulation and Research of Process Contro1 System Based on MATLAB Abstract Water 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。 Heat exchanger 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................ II Abstract......................................................................................................................................III 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 1 過(guò)程控制簡(jiǎn)介 ............................................................................................................. 1 過(guò)程控制的發(fā)展 ......................................................................................................... 1 控制系統(tǒng)仿真的含義 ................................................................................................. 2 矩陣實(shí)驗(yàn)室 Matlab 簡(jiǎn)介 .......................................................................................