【導讀】練，使得理論教學與生產(chǎn)實踐相結(jié)合。培養(yǎng)大學生的科研創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神。事求是，不弄虛作假，不抄襲他人成果。嚴格遵守紀律，按時按要求完成指導教師安排的工作。求完成且在規(guī)定時間內(nèi)無改進的，不得進行下一步的設計工作。①研究蒸發(fā)車間生產(chǎn)工藝；卻液溫度控制等；③分析、研究控制回路的特點，參數(shù)變化范圍，寫出被控對象的數(shù)學模型；④制定控制方案；⑤采用MATLAB中的Simulink工具箱進行系統(tǒng)仿真，畫出仿真圖，各種仿真曲線；⑦寫畢業(yè)設計論文。①、氧化鋁生產(chǎn)工藝參考書；②、西門子S7系列PLC使用說明書；③、測量儀表手冊；④、控制網(wǎng)通信原理；⑤、DCS系統(tǒng)設計方案；⑥、有關自動控制系統(tǒng)方面的參考資料。⑦、MATLAB使用說明。自___05____年___3____月____9___日起，至___05_____年____6___月___20__日止。于母液蒸發(fā)過程的自動控制可以穩(wěn)定礦漿的制備以及后續(xù)流程的生產(chǎn)過程，對增加產(chǎn)量，生產(chǎn)過程，同時最大限度地提高熱能利用率，以減少蒸發(fā)的能量消耗。仿真，并給出仿真的結(jié)果和分析。

　　

【正文】 ⑥ 生物系統(tǒng)； ⑦ 金融系統(tǒng)。 為了建立各種各樣的系統(tǒng)的模型， Simulink 提供了一些基本庫（由Simulink 基本模塊庫提供）和針對特定領域的擴展庫。用戶可以使用這些庫中的模型模塊搭建自己的模型。用戶為了實現(xiàn)特定領域的系統(tǒng)建模與仿真，購買 Matlab 產(chǎn)品是通常需要選擇 Simulink 基本模塊和自己所屬領域的擴展模塊。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 33 頁 4 控制方案與系統(tǒng)的仿真 控制方案 原液從三效到一效的延遲時間是一小時左右，在這過程中，由于時延的存在，使 得被調(diào)量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，即使測量信號到達調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)機關接受調(diào)節(jié)信號后立即動作，也需要經(jīng)過純時延時間以后，才能波及被調(diào)量，使之受到控制。因此，這樣的過程必然會產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長的超調(diào)時間。如果用一般的 PID 控制系統(tǒng)來控制的話，對于工廠的生產(chǎn)成本來說太昂貴，經(jīng)濟效益不好。所以我們將采用有預估功能的 PID 控制系統(tǒng)來完成 工 廠所提出的對原液的濃度和蒸汽的流量和溫度的監(jiān)控要求。 預估控制概述 長期以來，在生產(chǎn)現(xiàn)場最常用、最廣泛使用的控制策略是 PID 控制，但是隨生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大以及對產(chǎn)品質(zhì)量 和生產(chǎn)率要求的提高，只是簡單的常規(guī) PID 調(diào)節(jié)技術已不能滿足生產(chǎn)要求了，于是根據(jù)生產(chǎn)實踐要求，產(chǎn)生了先進控制技術。 預估控制算法是一類基于模型的計算機控制算法的總稱，它起始于20 世紀 50 年代末期，并且一開始就與實際工業(yè)應用緊緊結(jié)合在一起。預估算法把非經(jīng)典的階躍響應或脈沖響應模型、滾動式的優(yōu)化方法作為其鮮明特點，并以應用軟件包的形式在過程控制中得到了初步的成功應用。十多年來，由于預估控制在應用中所表現(xiàn)出來的簡易性及控制的魯棒性，使它得到了工業(yè)控制界的廣泛重視和應用。在多種多樣的預估算法中，比較有代表性的是模型算 法控制（ MAC）、動態(tài)矩陣控制（ DMC）、具有動態(tài)反饋的預估控制（ SPFC）、廣義預估控制（ GPC）和通用預估算法（ UPC）等等。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 34 頁 目前，商業(yè)化的預估控制技術軟件包已在國外很多領域內(nèi)得到應用。在我國，目前也有一些單位開展了這方面的研究和探索，也在轉(zhuǎn)窯溫度控制、電廠加藥系統(tǒng)、鋼廠等生產(chǎn)系統(tǒng)中得到了應用，并取得了好的控制效果。 目前出現(xiàn)的各類預估控制算法，雖在表現(xiàn)形式上各不相同，但都具有某些相同的特點。一般歸結(jié)為預估模型、滾動優(yōu)化、反饋修正三個方面，稱為預估控制的三條基本原理。預估算法均采用離散模型。 預估控制的 三個重要特性：模型預估、滾動優(yōu)化、反饋修正，正好是一般控制理論中模型、控制、反饋概念的具體體現(xiàn)，根據(jù)對象的特點和控制的要求，建立預估模型；它可以把實際對象中不確定因素包含在優(yōu)化過程中，形成動態(tài)的優(yōu)化控制；由于優(yōu)化指標的特殊形式，可以簡化控制律的計算和設計參數(shù)的整定。預估算法所體現(xiàn)的預估優(yōu)化模式是對傳統(tǒng)最優(yōu)控制的修正，一改最優(yōu)控制方法建模困難的問題，使建模過程簡化，并考慮了不確定性，提高了魯棒性，抑制干擾能力增強，更加符合復雜工業(yè)控制系統(tǒng)的實際要求。 Smith 預估控制的基本原理 在各類預估控制算 法中，最具代表性的是 Smith 預估控制器， 在 1957 年提出的預估控制器，從理論上成功解決了純滯后的設計問題，稱為 Smith 預估器。 眾所周知，工業(yè)被控過程一般都包含純時間滯后，克服純滯后是改善滯后過程控制質(zhì)量的一個關鍵性問題。大滯后過程控制問題一直是工業(yè)控制中公認的難題之一。自從 50 年代 Smith 提出預估控制以來，近三十年來內(nèi)雖然已出現(xiàn)許多控制算法，但 Smith 預估控制至今仍被認為是解決大滯后的最有效途徑。 基本的 Smith預估控制系統(tǒng)原理如圖 ，其中 s0p e)s(G)s(G ???（ )s(G0 不含有滯后因子）表示具有純滯后過程的傳遞函數(shù)， )s(Gc 表示控制器的傳遞函數(shù)， )e1)(s(G s0 ??? 表示補償函數(shù)。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 35 頁 )( sG c sesG ??)(0)1)((0 sesG ???＋－C(s)R(s)＋＋)( sE )( su 圖 基本的 Smith 預估控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 scc esGsG sGsGsG ???? )()(1 )()()(00 （ ） 從式（ ）可以看 出，系統(tǒng)經(jīng)補償后，消除了純滯后環(huán)節(jié)部分對控制系統(tǒng)的影響，因為式中的 se?? 在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，僅將控制作用推移一個時間 ? 。 將圖 基本的 Smith 預估控制系統(tǒng)進行等效變換，可以得到圖 所示的等效框圖 。 ＋－C(s)R(s) )( sGc)(? sC)( sE )( su)(0 sGsesG ??)(0 圖 Smith 預估控制系統(tǒng)等效框圖 從圖 Smith 預估控制系統(tǒng)等效框圖可以看出，控制器 )(sGc 的輸出 )(su 分為兩路，一路送往被控對象；一路加到被控對象不帶純滯后部分的模型 )(0sG 上，輸出沒有滯后的信號 )(?sC ，與給定值比較，得出偏差 )(sE作為控制器的輸入。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 36 頁 Smith 預估控制的局限性 在設計控制系統(tǒng)時，依照某一對象的傳遞函數(shù) sesG ??)(0 設計 Smith預估器，一旦對象的參數(shù)在運行過程中發(fā)生變化，或者 對象的傳遞函數(shù)本來就不精確，按原參數(shù)設計的預估器就不能夠完全補償對象的純滯后。事實上，對于大多數(shù)過程控制系統(tǒng)來說，其被控對象的精確傳遞函數(shù)是寫不出來的，而對象的純滯后時間 ? 則可通過試驗方法獲得。 綜合誤差的計算 誤差綜合環(huán)節(jié)是預估模糊控制的重要環(huán)節(jié)之一，它對系統(tǒng)的實際誤差e 和預估誤差 e? 采用加權求和的形式來計算，我們可以通過改變權系數(shù)的大小來調(diào)整預估數(shù)據(jù)和實際測量數(shù)據(jù)在控制中所占的作用大小。綜合誤差?e 可用如下公式來表示： eee ?)1( ?? ???? （ ） 式中 : ?e －綜合誤差； e－實際誤差＝給定值－測量值； e? －預估誤差＝給定值－預估值； ? －誤差權系數(shù) ,取值為 [0,1]。 由上式可以看出，權系數(shù) ? 的值越大，綜合誤差 ?e 中預估誤差所占的比例越大，即預估數(shù)據(jù)在控制中所起的作用越大。在本系統(tǒng)中， ? 的取值為 。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 37 頁 數(shù)學模型的建立 參數(shù)的選擇 測量點說明 變量名 變量說明（一） 變量名 變量說明（二） PT101 I 效汽室壓力 0～ PT201 I 效液室壓力 0～ PT102 II 效汽室壓力 0～ PT202 II 效液室壓力 ～ PT103 III 效汽室壓力 0～ PT203 III 效液室壓力 ～ PT106 Ⅰ 閃蒸汽壓力 ～ PT107 Ⅱ 閃蒸汽壓力 ～ TE101 I 效汽室溫度 0～ 170℃ TE201 I 效汽室溫度 TE102 II 效汽室溫度 0～ 170℃ TE202 II 效汽室溫度 TE103 III 效汽室溫度 0～ 170℃ TE203 III 效汽室溫度 TE104 I 閃蒸汽溶液溫度 0～ 150℃ TE204 I 閃溶液溫度 TE105 II 閃溶液溶液溫度 0～150℃ TE205 II 閃溶液溫度 TE106 11冷凝水溫度 0～ 100℃ TE206 11冷凝水溫度 TE107 12冷凝水溫度 0～ 100℃ TE207 12冷凝水溫度 TE108 2冷凝水溫度 0～ 100℃ TE208 2冷凝水溫度 TE109 3冷凝水溫度 0～ 100℃ TE209 3冷凝水溫度 TE110 原液溫度 0～ 100℃ TE210 原液溫度 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 38 頁 TE111 新蒸汽溫度 0～ 300℃ TE211 新蒸汽溫度 LT101 11冷凝水液位 0～ 2m LT201 11冷凝水液位 LT102 12冷凝水液位 0～ 2m LT202 12冷凝水液位 LT103 2冷凝水液位 0～ 2m LT203 2冷凝水液位 LT104 3冷凝水液位 0～ 2m LT204 3冷凝水液位 FT101 原液流量 0～ 300m3/h FT201 原液流量 FT102 新蒸汽流量 0～ 50m3/h FT202 新蒸汽流量 DT101 原液密度 ～ DT102 蒸發(fā)器出料密度 變量名 變量說明（三） 變量名 變量說明（四） PT301 I 效汽室壓力 PT401 I 效汽室壓力 PT302 II 效汽室壓力 PT402 II 效汽室壓力 PT303 III 效汽室壓力 PT403 III 效汽室壓力 TE301 I 效汽室溫度 TE401 I 效汽室溫度 TE302 II 效汽室溫度 TE402 II 效汽室溫度 TE303 III 效汽室溫度 TE403 III 效汽室溫度 TE304 I 閃溶液溫度 TE404 I 閃溶液溫度 TE305 II 閃溶液溫度 TE405 II 閃溶液溫度 TE306 11冷凝水溫度 TE406 11冷凝水溫度 TE307 12冷凝水溫度 TE407 12冷凝水溫度 TE308 2冷凝水溫度 TE408 2冷凝水溫度 TE309 3冷凝水溫度 TE409 3冷凝水溫度 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 39 頁 TE310 原液溫度 TE410 原液溫度 TE311 新蒸汽溫度 TE411 新蒸汽溫度 LT301 11冷凝水液位 LT401 11冷凝水液位 LT302 12冷凝水液位 LT402 12冷凝水液位 LT303 2冷凝水液位 LT403 2冷凝水液位 LT304 3冷凝水液位 LT404 3冷凝水液位 FT301 原液流量 FT401 原液流量 FT302 新蒸汽流量 FT402 新蒸汽流量 DT301 原液密度 DT401 原液密度 DT302 蒸發(fā)器出料密度 DT402 蒸發(fā)器出料密度 被控參數(shù)的選擇 根據(jù)上述生產(chǎn)工藝情況，原液密度要求維持在某給定值上下，這是保證生產(chǎn)出符合要求的鋁制品的工藝指標。所以我們選擇原液濃度為被控參數(shù)。 控制參數(shù)的選擇 從工藝流程圖來看，影響濃度有三個量，即蒸 汽溫度、蒸汽 流量和原液流量。而蒸汽流量和溫度則必須保持恒定，這樣才能在對原液 的蒸發(fā)過程中保持恒定的作用。原液的濃度才能保持所要求的恒定濃度 ,所以我們選擇原液流量為控制參數(shù) . 模型的選定 1 被控對象模型的選定 在本設計中，由于蒸發(fā)車間是一個大慣性，純滯后的工業(yè)對象。因此，我們可以將系統(tǒng)的傳遞函數(shù)近似為一階加純時延系統(tǒng)，所以我們可以近似 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 52 頁 第 40 頁 出被控對象的模型為： s() 1KG S eTS ??? ? 其中， K 為放大系統(tǒng)； T 為對象的時間常數(shù)，單位是秒；τ為純滯后時 間，單位是秒。 為了確定模型中的參數(shù)，采用階躍響應法，即對系統(tǒng)施加一個確定的階躍信號，測定出系統(tǒng)隨時間而變化的響應曲線，根據(jù)曲線推導出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。經(jīng)試驗，從突然改變原液流量到檢測出Ⅰ效出料密度改變的時間約滯后 1 小時，則檢測純滯后的時間 ?? 3600 秒。 根據(jù)目前的生產(chǎn)工藝及多年生產(chǎn)經(jīng)驗的積累，在進料原液為最小流量時 (即加于原液泵變頻器的電壓 u= 時 )，如果該蒸發(fā)器組中的原液經(jīng)過長時間的蒸發(fā)，則原液密度最大提高 3m a x /4 6 cmgd ?△ 。在 u= 下，正常生產(chǎn)時，原液由 III 效經(jīng) II 效再到 I 效出料其時間為 1 小時，在這個過程中，密度提高 3cm/?△ 。 當輸出控制電壓 u 增加時，原液泵變頻器的頻率隨之加大，轉(zhuǎn)速升高，原液流量增大，打料多因此同樣的蒸發(fā)時間下，出料密度較低；反之，減小電壓 u，頻率隨之減小，泵轉(zhuǎn)速降低，原液流量減小，打料少，在同樣的蒸發(fā)時間下出料密度增加?？紤]到控制電壓與出料密度的上述反比關系 )1()( Tteuktd ???△ （ ） 以此來確定模型的參數(shù)放大系數(shù) k和時間常數(shù) T。把最小輸出控制電壓 u