【正文】 力、液位的控制。如工容許有殘差，可選用比例微分動(dòng)作；如工藝要求無(wú)殘差時(shí)，則選用比例積分微分動(dòng)作。PID控制器的微分作用環(huán)節(jié)是響應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，也就是對(duì)偏差的分辨率越高，但Kp過(guò)大，將產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定， 取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，尤其是使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞?？刂仆ǖ赖娜萘繙螃觕同樣會(huì)造成控制作用不及時(shí)，使控制質(zhì)量下降?？刂仆ǖ兰儨蟮拇嬖诓粌H會(huì)使系統(tǒng)控制不及時(shí)，使動(dòng)態(tài)偏差增大，而且還會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)太小，系統(tǒng)工作過(guò)于頻繁，系統(tǒng)將變得過(guò)于靈敏，反而會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，系統(tǒng)質(zhì)量會(huì)變差。因此，從控制的有效性及調(diào)節(jié)器參數(shù)易調(diào)整性來(lái)考慮，則希望控制通道放大倍數(shù)愈大愈好。此外，在相同衰減比情況下，與的乘積為一常數(shù)，當(dāng)愈大時(shí)則愈小，而小則大。系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)無(wú)關(guān)。 控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響(1)放大倍數(shù)的影響放大倍數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。 通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)余差也越大，既控制質(zhì)量越差。這類按輸入或擾動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。此外，前饋控制模型的精度也受多種因素的限制，對(duì)象特性要受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生飄逸，必導(dǎo)致和的變化，因此，一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。(5)一種前饋控制作用只能克服一種干擾。(3)前饋控制使用的是視過(guò)程特性而定的“專用”控制器。二次擾動(dòng)：作用在副被控過(guò)程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖，前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)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(cè)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。 單回路控制系統(tǒng)方框圖。它是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且能被計(jì)算機(jī)所接受并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。 Simulink 軟件系統(tǒng)組成目前，隨著軟件的不斷升級(jí)和計(jì)算機(jī)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(jì)和開(kāi)發(fā)的工具。同時(shí)，Simulink是開(kāi)放式的，允許用戶定制自己的模塊和模塊庫(kù)，而且它比較詳實(shí)的幫助系統(tǒng)便于應(yīng)用。它包括一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)方塊圖模型，用戶可以既快捷又方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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。還具有如下特點(diǎn)：(1)超強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算功能 在MATLAB環(huán)境中，有超過(guò)500種的數(shù)字、統(tǒng)計(jì)、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可供使用，而且使用簡(jiǎn)單快捷；(2)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能 MATLAB的圖形功能使用戶可以進(jìn)行視覺(jué)數(shù)據(jù)處理和分析；(3)開(kāi)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)。 一種語(yǔ)言之所以能迅速的普及。 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(dòng)態(tài)過(guò)程試驗(yàn)，目的是通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)方案論證，選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能指標(biāo)等．如果這種試驗(yàn)是在計(jì)算設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的，就稱為計(jì)算機(jī)仿真[3]。分散控制系統(tǒng)也叫集散控制系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)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(jí)的結(jié)構(gòu)形式,按總體分散、管理集中的原則，完成對(duì)工業(yè)過(guò)程的操作、監(jiān)視、控制。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(jì)算機(jī)和高檔儀表為工具，對(duì)較復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制。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 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。 Heat exchanger目 錄摘 要 IAbstract II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 2 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)軟件包Simulink簡(jiǎn)介 3 控制系統(tǒng)仿真的一般步驟 4第二章 過(guò)程控制系統(tǒng)概述 5 過(guò)程控制中常見(jiàn)的控制系統(tǒng) 5 單回路控制系統(tǒng) 5 串級(jí)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(duì)控制質(zhì)量的影響 8 干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 8 控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 8 控制器參數(shù)對(duì)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(duì)象的特性 29 被控對(duì)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(shí)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(jí)控制系統(tǒng) 41 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 41 串級(jí)控制系統(tǒng)的PID仿真 42 串級(jí)控制系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制 45 前饋—串級(jí)控制系統(tǒng) 46 換熱器前饋—串級(jí)控制的數(shù)學(xué)模型 46 前饋控制規(guī)律的實(shí)施 47 Simulink仿真 48 本章小結(jié) 51結(jié)束語(yǔ) 52參考文獻(xiàn) 54致謝 56第一章 引 言 過(guò)程控制簡(jiǎn)介過(guò)程控制系統(tǒng)是表征生產(chǎn)過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)。 過(guò)程控制的發(fā)展在現(xiàn)代工業(yè)控制中, 過(guò)程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。從過(guò)程控制采用的理論與技術(shù)手段來(lái)看，可以粗略地把它劃為三個(gè)階段：開(kāi)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(kāi)始。1975 年，世界上第一臺(tái)分散控制系統(tǒng)在美國(guó)Honeywell 公司問(wèn)世，從而揭開(kāi)了過(guò)程控制嶄新的一頁(yè)。第三階段是高級(jí)階段，目前正在來(lái)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)軟件（SIMULNK），使得MATLAB在自動(dòng)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(yǔ)言的表達(dá)與解釋方面表現(xiàn)出人—機(jī)交互高度一致。 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)軟件包Simulink簡(jiǎn)介Simulink是運(yùn)行在MATLAB環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的軟件包。Simulink模型可以用來(lái)模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)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(gè)由信號(hào)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(kù)，同時(shí)可以根據(jù)用戶自己的需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的模塊。(2)建立系統(tǒng)的仿真模型，即設(shè)計(jì)算法，并用計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單的一種，因此，它又稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)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。一次擾動(dòng)：作用在主被控過(guò)程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。(2)前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，控制效果得不到檢驗(yàn)。如果擾動(dòng)是可測(cè)可控的，則只要設(shè)計(jì)一個(gè)定值控制系統(tǒng)就行了，如果擾動(dòng)是不可測(cè)的，那就不能進(jìn)行前饋控制；如果擾動(dòng)是可測(cè)而不可控的，則可設(shè)計(jì)和應(yīng)用前饋控制。其次，由于實(shí)際工業(yè)對(duì)象存在著多個(gè)干擾，為補(bǔ)償它們對(duì)被控變量的影響，勢(shì)必要設(shè)計(jì)多個(gè)前饋通道，這就增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。利用輸入或擾動(dòng)信號(hào)的直接控制作用構(gòu)成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這種按外擾信號(hào)實(shí)施前饋控制的方式稱為擾動(dòng)控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響[2]。即當(dāng)有純滯后時(shí)，干擾對(duì)被控參數(shù)的影響要向后推遲一個(gè)純滯后時(shí)間。因?yàn)?，?duì)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在一定的穩(wěn)定程度（即一定的衰減比）情況下，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是一個(gè)常數(shù)，即，這樣才能維持系統(tǒng)