【正文】 的要求一般都不是很嚴(yán)格，允許它有波動(dòng)和有余差。因?yàn)榫S持副變量的穩(wěn)定并不是目的，設(shè)置副變量的目的就是在于保證和提高主變量的控制質(zhì)量。在干擾作用下，為了維持主變量的不變，副變量就要變。另外，從串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主環(huán)是一個(gè)定值系統(tǒng)，主控制器起著定值控制的作用。為了主變量的穩(wěn)定，主控制器必須具有積分作用，因此，主控制器通常都選用比例積分控制器。有時(shí)，對(duì)象控制通道容量滯后比較大（像溫度對(duì)象和成分對(duì)象等），為了克服容量滯后，就需要選用比例積分微分三作用的控制器為主控制器。然而副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副控制器最好不帶積分作用，因?yàn)榉e分作用會(huì)使跟蹤變的緩慢。副控制器的微分作用也是不需要的，因?yàn)楫?dāng)副控制器有微分作用時(shí)，一旦主控制器和輸出稍有變化，控制閥就將大幅度的變化，這對(duì)控制也是不利的。只有當(dāng)副對(duì)象容量滯后較大時(shí)，可適當(dāng)加一點(diǎn)微分作用。在一般情況下，副控制器只需采用比例式就可以了。只有當(dāng)主控制器采用具有積分作用的控制器時(shí)，不論干擾作用在副環(huán)還是作用在主環(huán)，都能保證主變量無余差。然而副控制器有積分作用而主控制器無積分作用，只有干擾作用于副環(huán)，主變量才無余差；如果干擾作用于主環(huán)，主變量仍然會(huì)有余差。串級(jí)系統(tǒng)的整定比單回路復(fù)雜。因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作，各回路之間相互聯(lián)系，相互影響。改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個(gè)整定參數(shù)，對(duì)主、副回路的過渡過程都有影響，這種影響程度取決于主、副對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、而且待整定的參數(shù)比單回路多，因此，串級(jí)系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣。常用的工程整定方法有：試湊法，兩步整定法和一步整定法。兩步法就是在主、副回路都閉合的情況下，按單回路系統(tǒng)方法各整定一次副回路和主回路，然后按這兩步求得的特征值查表計(jì)算，就可以取得較為滿意的主、副調(diào)節(jié)參數(shù)。而一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次設(shè)置好，然后按一般單回路系統(tǒng)的整定方法直接整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 串級(jí)PID控制仿真曲線本系統(tǒng)采用試湊法整定主副控制器的參數(shù)，經(jīng)過多次嘗試得到一組較好的控制器參數(shù)：副控制器的Kp=。主控制器Kp=、Ki=、Kd=6。超調(diào)量σ％＝15％；調(diào)節(jié)時(shí)間ts=330s。 串級(jí)控制系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制與上述單回路控制系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制原理一樣，： Smith預(yù)估控制仿真原理圖 Smith預(yù)估控制與PID控制仿真曲線系統(tǒng)中主副控制器參數(shù)與串級(jí)PID控制時(shí)的控制器參數(shù)相同，（2）所示，（1）為串級(jí)PID控制仿真曲線。超調(diào)量σ％＝0；調(diào)節(jié)時(shí)間ts=260s。 前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)降低故障率、提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗等提出越來越高的要求，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和控制功能要求也越來越高。為此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，組成“復(fù)雜”一些的控制系統(tǒng)，如前饋、串級(jí)、比值、分程等控制系統(tǒng)。 換熱器前饋—串級(jí)控制的數(shù)學(xué)模型 換熱器前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖換熱器的前饋串級(jí)控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)既能消除一些擾動(dòng)對(duì)出口溫度的影響，又能在冷物料變化的同時(shí)及時(shí)改變蒸汽流量，從而保持溫度的穩(wěn)定。 換熱器前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖： 式() 式中為副回路等效對(duì)象的傳遞函數(shù)： 式()應(yīng)用不變性條件： ， 式()帶入式 得的傳遞函數(shù)為： 式()當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路是一個(gè)很好的隨動(dòng)系統(tǒng)，其工作頻率高于主回路的工作頻率的10倍，則可把副回路近似處理為：此時(shí)前饋控制器的傳函為： 式() 前饋控制規(guī)律的實(shí)施換熱器中的冷物料流量是一個(gè)可測(cè)而不可控的擾動(dòng)，所以可以設(shè)計(jì)一個(gè)前饋控制器來克服這一干擾。設(shè)計(jì)中被控對(duì)象干擾通道的傳遞函數(shù)可以近似為一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)： 式() 換熱器傳函為： 式()則前饋控制器的傳遞函數(shù)為： 式()式中；。 則 式() Simulink仿真。兩種控制系統(tǒng)的仿真模型都采用的是常規(guī)的模擬PID控制。 換熱器加入了一個(gè)干擾后的串級(jí)控制系統(tǒng)與前饋—反饋控制系統(tǒng) 換熱器控制系統(tǒng)的仿真曲線比較通過人工試探法選擇合適的PID參數(shù)進(jìn)行仿真，—串級(jí)控制的仿真曲線比較。圖中曲線（1）為沒有前饋控制其時(shí)的仿真曲線，曲線（2）為加入前饋控制器的仿真曲線。由仿真曲線可以看出，常規(guī)的模擬PID控制換熱器的出口溫度效果不是很理想，都有較大的超調(diào)和振蕩。所以引入含有實(shí)際微分的PID控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)中采用實(shí)際微分PID控制算式一。： 換熱器實(shí)際PID仿真結(jié)構(gòu) 實(shí)際PID仿真曲線，圖中（1）為沒有加前饋控制器的仿真曲線，圖（2）是加入前饋控制器的仿真曲線。通過仿真曲線的比較，可以看出前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)比串級(jí)控制系統(tǒng)要好很多。 本章小結(jié)本章主要設(shè)計(jì)了換熱器的單回路、串級(jí)、前饋—反饋的控制系統(tǒng)，并且分別利用Simulink仿真出常規(guī)PID、實(shí)際PID、Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的仿真曲線。通過曲線分析比較出各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及分析比較出各種控制算法的優(yōu)劣。通過仿真曲線的研究，對(duì)于換熱器溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)擾動(dòng)只在給定值階躍擾動(dòng)時(shí)，只要用串級(jí)Smith預(yù)估控制便可以達(dá)到較好的效果。基于Smith預(yù)估器的控制系統(tǒng)能有效克服大純滯后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,可靠性好,非常適用于換熱器的溫度控制系統(tǒng),對(duì)其他工業(yè)過程的溫控也有借鑒意義。當(dāng)有反饋不易克服的擾動(dòng)時(shí)，采用實(shí)際PID前饋—反饋控制可以達(dá)到一個(gè)較好的效果。前饋—反饋控制是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)，因而是過程控制中較有發(fā)展前途的控制方式。結(jié)束語水箱液位控制系統(tǒng)是模擬現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)液位等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、控制，觀察其變化特性，研究過程控制規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，具有過程控制動(dòng)態(tài)過程的一般特性：大慣性、大時(shí)滯、非線性，難以對(duì)其進(jìn)行精確描述，這些特性和工業(yè)控制過程十分類似，因而成為研究控制理論的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本次設(shè)計(jì)中不足之處是設(shè)計(jì)三容水箱控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)控制對(duì)象只進(jìn)行了常規(guī)PID控制，其反應(yīng)曲線不是很理想，應(yīng)該采用模糊PID算法，根據(jù)理論，模糊PID算法應(yīng)該可以很好的控制三容水箱這一對(duì)象，因?yàn)槟：齈ID控制不依賴于信息的精確程度，當(dāng)控制過程的輸入輸出存在潛在的擾動(dòng)、動(dòng)態(tài)特性的變化或其它不確定因素時(shí)都能達(dá)到較好的控制效果，并且具有響應(yīng)速度快，超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，因而在控制三容水箱這一復(fù)雜控制系統(tǒng)中會(huì)優(yōu)于常規(guī)PID控制。本設(shè)計(jì)對(duì)換熱器溫度控制系統(tǒng)所做的主要工作如下:(1) 對(duì)于換熱器溫度控制現(xiàn)狀的分析。傳統(tǒng)PID控制方式是當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的控制方式。通過傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行詳細(xì)的分析，找到了這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)和不足。(2) 針對(duì)換熱器溫度控制的特點(diǎn)和存在主要問題提出了串級(jí)控制的解決方案和前饋—反饋控制的解決方案。對(duì)于換熱器出口溫度控制系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍、最大偏差大、抗干擾能力差、純滯后大以及外部干擾因素多的特點(diǎn)，串級(jí)控制系統(tǒng)中主回路采用了“帶有Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂啤狈桨福睦碚撋戏治隽似淇尚行?。?duì)于反饋控制不宜克服的干擾，也從理論與仿真中分析驗(yàn)證了前饋—反饋的可行性。(3) 在單回路流量控制系統(tǒng)中，分別試用傳統(tǒng)PID控制算法和Smith控制算法對(duì)換熱器的流量進(jìn)行控制，并得出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。換熱器的過程控制研究是一門涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的綜合過程。本設(shè)計(jì)雖然在換熱器出口溫度控制中所提出的控制方案取得了比較滿意的控制效果，但是將這些控制方案應(yīng)用在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中還有相當(dāng)?shù)碾y度，還需要經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展。為了盡快將先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，還應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面入手: (1) 加快新理論新技術(shù)的理論研究。任何先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)都是要有堅(jiān)實(shí)的理論研究為基礎(chǔ)的。加快理論研究的步伐，才能跟上時(shí)代發(fā)展的潮流，為多次的實(shí)驗(yàn)，調(diào)試，應(yīng)用贏得寶貴的時(shí)間。(2) 提高制造工藝和生產(chǎn)技術(shù)。先進(jìn)的生產(chǎn)理論往往需要有高精尖的生產(chǎn)技術(shù)為前提。努力提高我們國(guó)家的整體制造水平和工藝，才能將先進(jìn)的生產(chǎn)理論盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。(3) 在實(shí)踐中不斷完善和發(fā)展。將先進(jìn)的理論應(yīng)用于實(shí)踐中總會(huì)遇到這樣那樣的問題，理論研究需要在實(shí)踐中不斷完善和發(fā)展，并在實(shí)踐中驗(yàn)證其正確與否。參考文獻(xiàn)1 孫洪程. 過程控制工程設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.2 翁維勤，孫洪程. 過程控制系統(tǒng)及工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.3 薛定宇. 控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.4 陳淑紅. 利用SIMULINK和優(yōu)化工具箱實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)優(yōu)化. 《現(xiàn)代電子技術(shù)》2002年第9期總第140期. 5 潘永湘，楊延西，趙躍. 過程控制與自動(dòng)化儀表[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)餓出版社，2007.6 張建龍, 王征. 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