【正文】 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(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(shí)施 .................................................................................... 47 Simulink 仿真 .................................................................................................. 48 本章小結(jié) ................................................................................................................... 51 結(jié)束語 ...................................................................................................................................... 52 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 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(dòng)控制系統(tǒng)。 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(gè)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。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。 一種語言之所以能迅速的普及。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。 主 控 界 面復(fù) 雜 控 制 系 統(tǒng) 界 面簡 單 控 制 系 統(tǒng) 界 面P I D參數(shù)的測試簡單系統(tǒng)投運(yùn)串 級控 制系 統(tǒng)的 應(yīng)用前 饋反 饋系 統(tǒng)的 投運(yùn)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡單均勻控制對象特性的測試數(shù) 據(jù) 分 析 ， 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 界 面實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 保 存 界 面 圖 Simulink 軟件系統(tǒng)組成 目前，隨著軟件的不斷升級和計(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)和開發(fā)的工具。 控 制 器 控 制 閥 對 象變 送 器偏 差 測 量液 位+給 定 圖 單回路控制系統(tǒng)方框圖 圖 所示為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。二次擾動(dòng)： 作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。 (5)一種前饋控制作用只能克服一種干擾。這類按輸入或擾動(dòng)的開環(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)。 控制通道特性對控制質(zhì)量的 影響 (1)放大倍數(shù) 0K 的影響 放大倍數(shù) 0K 對控制質(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。此外，在相同衰減比情況下， 0K 與 CK 的乘積為一常數(shù)，當(dāng) 0K 愈大時(shí) CK 則愈小，而 CK 小則 ? 大。因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)太小，系統(tǒng)工作過于頻繁，系統(tǒng)將變得過于靈敏，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。 控制通道的容量滯后 τ c 同樣會(huì)造成控制作用不及時(shí)，使控制質(zhì)量下降 。 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)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。 (3) 廣義對象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高時(shí)，可選擇比 例動(dòng)作，如貯罐壓力、液位的控制。對于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，如果對象特性不好，控制方案選的不合理，或是儀表選擇和安裝不當(dāng)，那么無論怎樣整定控制器參數(shù)，也是達(dá)不到質(zhì)量指標(biāo)要求的。 本 設(shè)計(jì)建立一個(gè)簡化的數(shù)學(xué)模型 。如果水箱液位比期望的液位值低，就要加大入水量；如果水箱液位比期望的液位值要高，就要減少入水量。其控制原理如圖 所示 [8]： K pK i / sK d sG ( s )+Y ( s )R ( s ) 圖 PID 控制原理方框圖 單容水箱的單回路控制系統(tǒng)的控制器采用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律， PI 的控制模型表達(dá) 式 如下： sKKsTKsG icicc 1)11()( ???? 式 () 如圖 所示為單容水箱的單回路控制仿真 模型 ： 圖 單容水箱 PID 控制仿真 圖 單容水箱 PID 控制仿真曲線 當(dāng)控制器 參數(shù) Ti=20，同時(shí)逐漸增大比例系數(shù) Kp，其仿真結(jié)果如圖 所示，圖中分別為 Kp 等于 ， 3， 5 時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 圖 雙容水箱數(shù)學(xué)模型 根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系， 可列出如下方程： 2111 qqdthdC ????? , 212 Rhq ??? 式 () 3222 qqdthdC ????? , 323 Rh??? 式 () 上述過程經(jīng)整理可得傳遞函數(shù) 111)()( )()()( 2 3121 22 ????? T RsTsQsQ sHsQsG 式（ ） 式中， T1為槽 1 的時(shí)間常數(shù)， T1=R2C1； T2為槽 2 的時(shí)間常數(shù)， T2=R3C2。如果衰減比大于 4： 1， ? 應(yīng)繼續(xù)減?。?Kp 增大），當(dāng)衰減比小于 4： 1 時(shí) ? 應(yīng)增大，直至過渡過程呈現(xiàn) 4： 1 衰減時(shí)為止。 圖 雙容水箱 4:1 仿真曲線 根據(jù)公式表 PID 控制器參數(shù)為 ?s? ， Ti=， Td=。水位 H 的變化反映了流入量 Q1和流出量 Q2不等而引起水箱中蓄水 或泄水的過程。 圖 三容水箱 PID 仿真曲線 對于三容水箱這樣 復(fù)雜 系統(tǒng)而言，上升時(shí)間和超調(diào)量是一對矛盾。 P 參數(shù)不宜選擇過大，否則系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。 第四章 換熱器溫度控制系統(tǒng)仿真研究 換熱器的數(shù)學(xué)模型 換熱器傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，在實(shí)現(xiàn)傳熱過程的各種設(shè)備中，蒸汽加熱換熱器應(yīng)用最多。如圖 所示 ： 管 板冷 流 體入 口 熱 流 體 入 口外 殼管 子橫 隔 板熱 流 體出 口冷 流 體出 口 圖 管殼式換熱器結(jié)構(gòu) 如圖，熱流體在管外流動(dòng)，冷流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷、熱流體通過管璧交換熱量，最終使冷流體的溫度達(dá)到所需值。準(zhǔn)確的測量和有效的控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。這個(gè)偏差值在調(diào)節(jié)器中經(jīng)過某些運(yùn)算和放大處理后，再由調(diào)節(jié)器將處理結(jié)果送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制閥門的開度，從而調(diào)節(jié)流量的變化，使得換熱器出口的溫度調(diào)整到設(shè)定值。 被控對象數(shù)學(xué)模型的建立 在實(shí)際工程問題中，為了分析一個(gè)對象的動(dòng)態(tài)特性，或者為了改進(jìn)控制手段、降低生產(chǎn)成本和提高工作效率而設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，都必須知道系統(tǒng)的被控對象的數(shù)學(xué)模型。參數(shù)模型辨識方法必須假定一種模型結(jié)構(gòu)， 通過極小化模型與過程之間的誤差來確定模型的參數(shù)。通常要對這樣的對象采用傳遞函數(shù)來表示比較簡單。這是因?yàn)殡A躍干擾作為一種突然變化的干擾，屬于最不利于系統(tǒng)的一種干擾形式。階躍響應(yīng)仿真曲線如圖 。 常規(guī) PID 控制 如圖 是由 SIMULINK 模塊實(shí)現(xiàn)的 PID 控制系統(tǒng)的仿真圖 圖 PID 控制系統(tǒng)的仿真圖 圖 PID 控制仿真曲線 1） PID 控制器的參數(shù)由 ZN（ Zieglar— Nichols）法來整定。 所以 Kp=， Ki=， Kd=1,548。 算式一： 由于實(shí)際的控制回路都可能存在高頻干擾，因此設(shè)一級低通濾波器，則傳遞函數(shù)為： )11(1)( )()( sTsTsT KsE sUsD dif p ????? 式 () 式中 ddf KTT ? 下圖 為算式一的結(jié)構(gòu)模型： pKsTi1 sdE ( s )U ( s )sKTKddp?1+++ 圖 算 式 一 結(jié)構(gòu)模型 算式二： )11(11)()()(1122 sTKsTTsTsEsUsDd????? 式 () T1——實(shí)際積分時(shí)間； T2——實(shí)際微分時(shí)間； K1——實(shí)際放大倍