【正文】 制系統(tǒng)方框圖與圖 相同。 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。這也正說(shuō)明了三容水箱的大慣性。 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。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。 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)。 為實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，首先要用溫度測(cè)量元件（包括感溫元件）把溫度參數(shù)測(cè)量出來(lái)，然后將測(cè)得的數(shù)值轉(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。同理，被控參數(shù)也不能及時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)所承受擾動(dòng)的影響，因?yàn)橐坏_動(dòng)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(guò)一段時(shí)間延遲后，才能借助測(cè)量裝置傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)感受到這種影響。即使是模糊控制等魯棒性較好的控制器在受控對(duì)象參數(shù)變化較大的情況下，其 控制效果也不會(huì)很好，在這種情況下，采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，即系統(tǒng)辨識(shí)的方法。從嚴(yán)格的傳熱理論分析，換熱器的傳熱過(guò)程一般要采用偏微分方程來(lái)描述。反映了過(guò)程響應(yīng)的快慢； τ —— 滯后時(shí)間（它是由多容對(duì)象處理為單容對(duì)象而引入的容量滯后 時(shí)間與由工藝介質(zhì)傳輸距離引起的純滯后時(shí)間兩部分組成）。 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(shí)的時(shí)間； —— 飛升曲線為 Δ y 時(shí)的時(shí)間。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。 經(jīng)計(jì)算： Kp=1,238， Ki=， Kd=7,333。 如圖 中的曲線（ 4）所示 ,σ％＝ 10％；過(guò)程控制的峰值時(shí)間： tp=120s；過(guò)程控制的調(diào)節(jié)時(shí)間 ts=320s。隨著τ /T 值的增加，控制難度相應(yīng)增加，當(dāng)τ接近或者超過(guò) T 時(shí)，采用普通的 PID 控制效果很差，一般采用 Smith 預(yù)估計(jì)控制。 史密斯 (Smith)預(yù)估控制系統(tǒng)仿真 由于工業(yè)過(guò)程都具有不同程度的時(shí)間滯后，給過(guò)程控制帶來(lái)了困難。對(duì)所研究的系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)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。 如圖 中的曲線（ 1）所示，峰值時(shí)間： tp=110s；調(diào)節(jié)時(shí)間 很長(zhǎng)，大概需要 700s。 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。 本系統(tǒng)研究對(duì)象是一個(gè)汽 — 水表面式換熱器。若將動(dòng)態(tài)特性用低階近似的方法處理，即將換熱器這個(gè)三容時(shí)滯對(duì)象用一階滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似描述，換熱器的動(dòng)態(tài)特性可取為 ： seTsKsG ???? 1)( 式 () 式中： K—— 放大系數(shù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)最重要的數(shù)學(xué)模型是微分方程，它反映部件或系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)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(diǎn)增益模型。一般來(lái)說(shuō)，這種方法適用于一些比較簡(jiǎn)單的被控對(duì)象。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(jìn)行熱交換時(shí)都存在熱阻（對(duì)流熱阻與傳導(dǎo)熱阻）和容積上的差別，而且阻力與容積并不止一個(gè)， 就是說(shuō)這是一個(gè)三容過(guò)程。 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。它應(yīng)對(duì)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。換熱器按其作用原理可以分為表面式換熱器、回?zé)崾綋Q熱器和混合式換熱器三類(lèi)。 D 參數(shù)調(diào)整得當(dāng)，可以使過(guò)渡過(guò)程縮短，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少動(dòng)態(tài)偏差。因?yàn)樯纤浜椭兴浯藭r(shí)也有大量的儲(chǔ)水 ，正是這些水流向下水箱導(dǎo)致了超調(diào)。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(huì)使得流入量和流出量相等，水位就再次平衡穩(wěn)定下來(lái)。 圖 雙容水箱 PID 仿真比較曲線 增大微分時(shí)間 Kd，使超調(diào)量減小， 但 Kd 過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間增加。 按表 31 經(jīng)驗(yàn)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。 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(duì)象模型上，仿真比較曲線如圖 所示。如果 Kp 取值較小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞。 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(jiǎn)單、固定的形式，允許操作人員用簡(jiǎn)單、直接的 方式來(lái)調(diào)控系統(tǒng)。該過(guò)程中，儲(chǔ)蓄中液位高度 h 為被控參數(shù)（即過(guò)程的輸出），流入儲(chǔ)蓄罐的體積流量 q1為過(guò)程的輸入量， q1 的大小可通過(guò)閥門(mén) 1 的開(kāi)度來(lái)改變；流出儲(chǔ)蓄的體積量 q2 為中間變量（即為過(guò)程的干擾），它取決于用戶需要，其大小可以通過(guò)閥門(mén) 2 的開(kāi)度來(lái)改變。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)， 就是通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的這些參數(shù)，使其特性與被控對(duì)象特性相匹配，來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，以達(dá)到最佳的控制效果。當(dāng)τ /T 時(shí)，選擇比例或比例積分動(dòng)作；當(dāng) τ /T≤ 時(shí)，選擇比例微分或比例積分微分動(dòng)作；當(dāng)τ /T 時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，應(yīng)選用如串級(jí)、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。 基本原則： (1) 廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容積延遲較大時(shí)，應(yīng)引入微分動(dòng)作。 控制器參數(shù)對(duì)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。它們對(duì)控制質(zhì)量的影響不利，尤其是τ 0的影響最壞。因?yàn)楫?dāng) ? 小于 3％時(shí)，調(diào)節(jié)器則相當(dāng)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。因?yàn)椋瑢?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constKKC ?? 0 ，這樣才能維持系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度。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]。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。 (2)前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，控制效果得不到檢驗(yàn)。 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。 (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)。 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)。 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。第三階段是高級(jí)階段，目前正在來(lái)到 [2]。這與當(dāng)時(shí)生產(chǎn)水平是相適應(yīng)的。通過(guò)對(duì)過(guò)程參量的控制，可使生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少 [1]。在 軟件包 Simulink 中 搭建了單回路、串級(jí)、前饋 — 反饋控制系統(tǒng)模型， 分別采用 常規(guī) 的 PID、實(shí)際 PID 和 Smith 預(yù)估器 對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行了仿真研究 ， 通過(guò) 仿真 曲線的 比較 ，分析了 各 種控制系統(tǒng)的 特點(diǎn) 。 利用 Matlab 的 Simulink軟件包 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并 對(duì)仿真結(jié)果 進(jìn)行了深入的分析 。 Simulation。過(guò)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(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。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。在我國(guó)，自動(dòng)控制領(lǐng)域已廣泛地應(yīng)用這種語(yǔ)言。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(hào)處理工具箱、小波工具箱等等 [4]。這是以前需要用編程語(yǔ)言明 確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所無(wú)法比擬的。 第二章 過(guò)程控制系統(tǒng)概述 過(guò)程控制中常見(jiàn)的控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱單回路控制系統(tǒng)。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。 在設(shè)計(jì)和應(yīng)用前饋控制時(shí)，首先要了解擾動(dòng)的性質(zhì)。在該系統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，將反饋控制不易克服的主要干擾進(jìn)行前饋控制，而對(duì)其他干擾進(jìn)行反饋控制，這樣，既發(fā)揮可前饋校正及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多種干擾，并對(duì)被控變量始終給予校驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，因而是過(guò)程控制中較有發(fā)展前途的控制方式。 干擾通道有、無(wú)純滯后對(duì)控制質(zhì)量沒(méi)有影響，所不同的只是兩者在影響時(shí)間上相差一個(gè)純滯后時(shí)間 f? 。 上述結(jié)論只是對(duì)線性系統(tǒng)而言，而對(duì)于非線性系統(tǒng)，由于 0K 隨著負(fù)荷的變化而變化，這時(shí)如欲由 CK 來(lái)補(bǔ)償則有困難，因此，此時(shí) 0K 的變化將會(huì)影響系統(tǒng)的質(zhì)量。隨著控制通道時(shí)間常數(shù)的減小，系統(tǒng)工作頻率會(huì)提高，控制就較為及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程也會(huì)縮短，控制質(zhì)量將獲得提高。當(dāng)需要增加控制作用時(shí)會(huì)使控制作用增加得太多，而一但需要減少控制作用時(shí)則又會(huì)使控制作用減少得太過(guò)分，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。 Ki越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但Ki過(guò)大，在響應(yīng)過(guò) 程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)；若 Ki過(guò)小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 (2) 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無(wú)殘差時(shí)，可選擇比例積分動(dòng)作。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。 第三章 液位控制系統(tǒng)的仿真研究 液位控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題 ,例如飲料、食品加工、溶液過(guò)濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程都需要對(duì)液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤? 所以單容水箱的傳遞函數(shù)為 ： 170 )( ???? sTsKsG 式 () 控制方案 設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，控制 方 案如圖 所示。 PID 控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： ])()(1)([)(0? ???t dip dttdeTdtteTteKtu 式 () 其中： u(t)—— 控制器的輸出； e(t)—— 控制器輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)； Kp—— 控制器的比例系數(shù)； Ti—— 控制器的積分時(shí)間； Td—— 控制器的微分時(shí)間。 通過(guò)圖 的仿真曲線可以得出： Ki 越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但 Ki 過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)；若減小 ki 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng) 靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 本設(shè)計(jì)中 雙容水箱的單回路控制系統(tǒng)的控制器采用 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，模擬 PID 的控制模型表達(dá)式如下： sKsKKsTsTKsG dicdic ??????? 1)111()( 式 () 雙容水箱液位控制的 Simulink 建模如圖 所示： 圖 雙容水箱 Simulink 仿真模型 表 4： 1 衰減曲線法整定公式 控制器的參數(shù)用 4： 1 衰減曲線法整定。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下 ? ，直到達(dá)到滿意為止 [9]。 入 水HL CL CQ 1Q 2 圖 三容水箱的控制方案 本系統(tǒng)可以看成是由三個(gè)單容對(duì)象串連構(gòu)成。 圖 是仿真得到的響應(yīng)曲線。 本章小結(jié) 本章主要利用單、雙、三容水箱液位控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)要分析了液位控制系統(tǒng)工藝流程及其運(yùn)行過(guò)程的靜、動(dòng)態(tài)特性，對(duì)常見(jiàn)的 PID 控制算法實(shí)施控制的原理進(jìn)行了分析與研究，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用 MATLAB 系統(tǒng)仿真工具對(duì)單、雙、三容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，研究了系統(tǒng)的運(yùn)行特性，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的物理量進(jìn)行了控制，并且進(jìn)行了 PID 參 數(shù)的相關(guān)分析。在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，將單容液位水箱控制系統(tǒng)試用成功的控制器參數(shù)應(yīng)用到雙容液位控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)中 ， 從仿真曲線的分析比較中 證明了控制器參數(shù)整定的重要性。雖然在結(jié)構(gòu)緊湊性，傳熱強(qiáng)度和單位傳熱面積的金屬耗量方面它確實(shí)有著缺點(diǎn)，但是由于其優(yōu)點(diǎn)，使之能在近代出現(xiàn)的新興換熱器的今天，依然充滿生命力，居于統(tǒng)治地位。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制。溫度的設(shè)定值通過(guò)調(diào)節(jié)器的給定元件給出，故又稱為