【正文】 。畢竟“經(jīng)師易得，人師難求”，希望借此機(jī)會向李老師表示最衷心的感謝！最后要感謝的是我的父母，他們不僅培養(yǎng)了我對中國傳統(tǒng)文化的濃厚的興趣，讓我在漫長的人生旅途中使心靈有了虔敬的歸依，而且也為我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計提供了巨大的支持與幫助。從課題的選擇到設(shè)計的最終完成，李老師始終都給予了細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。將先進(jìn)的理論應(yīng)用于實(shí)踐中總會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。努力提高我們國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。(2) 提高制造工藝和生產(chǎn)技術(shù)。任何先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)都是要有堅實(shí)的理論研究為基礎(chǔ)的。本設(shè)計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。(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。對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?，并從理論上分析了其可行性。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。本設(shè)計對換熱器溫度控制系統(tǒng)所做的主要工作如下:(1) 對于換熱器溫度控制現(xiàn)狀的分析。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)過程中對液位等參數(shù)進(jìn)行測量、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，具有過程控制動態(tài)過程的一般特性：大慣性、大時滯、非線性，難以對其進(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。當(dāng)有反饋不易克服的擾動時，采用實(shí)際PID前饋—反饋控制可以達(dá)到一個較好的效果。通過仿真曲線的研究，對于換熱器溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)擾動只在給定值階躍擾動時，只要用串級Smith預(yù)估控制便可以達(dá)到較好的效果。 本章小結(jié)本章主要設(shè)計了換熱器的單回路、串級、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。： 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。所以引入含有實(shí)際微分的PID控制系統(tǒng)。圖中曲線（1）為沒有前饋控制其時的仿真曲線，曲線（2）為加入前饋控制器的仿真曲線。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。設(shè)計中被控對象干擾通道的傳遞函數(shù)可以近似為一個一階滯后環(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；。 換熱器前饋—串級控制的數(shù)學(xué)模型 換熱器前饋—串級控制系統(tǒng)原理圖換熱器的前饋串級控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)既能消除一些擾動對出口溫度的影響，又能在冷物料變化的同時及時改變蒸汽流量，從而保持溫度的穩(wěn)定。 前饋—串級控制系統(tǒng)隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對降低故障率、提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗等提出越來越高的要求，對控制系統(tǒng)的精度和控制功能要求也越來越高。 串級控制系統(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PID控制時的控制器參數(shù)相同，（2）所示，（1）為串級PID控制仿真曲線。主控制器Kp=、Ki=、Kd=6。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)。常用的工程整定方法有：試湊法，兩步整定法和一步整定法。因?yàn)閮蓚€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。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)，主變量仍然會有余差。在一般情況下，副控制器只需采用比例式就可以了。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，一旦主控制器和輸出稍有變化，控制閥就將大幅度的變化，這對控制也是不利的。有時，對象控制通道容量滯后比較大（像溫度對象和成分對象等），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。另外，從串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主環(huán)是一個定值系統(tǒng)，主控制器起著定值控制的作用。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。在串級系統(tǒng)中主變量是生產(chǎn)工藝的主要指標(biāo)，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)安全，工藝上對它的要求比較嚴(yán)格，一般來說，主變量不允許有余差。 串級控制系統(tǒng)方框圖該過程的副對象可近似為一階慣性時滯環(huán)節(jié),經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為: 式() 串級控制系統(tǒng)的PID仿真 換熱器串級控制系統(tǒng)仿真由SIMULINK模塊實(shí)現(xiàn)。主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾能徹底加以克服。 串級控制系統(tǒng)原理圖在串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于引入一個閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對作用于主對象的干擾也能起到加速克服的作用。從圖中的響應(yīng)曲線可以明顯的看出常規(guī)的PID仿真得到的響應(yīng)曲線有超調(diào)量，明顯不如Simth預(yù)估控制的好。： Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的仿真圖系統(tǒng)中PID參數(shù)采用手動整定的Kp=，Ki=，Kd=3，（2）所示，（1）為PID控制仿真曲線。 基本的Smith預(yù)估控制圖為被控對象的傳遞函數(shù)，τ為純滯后時間，G0(S)為對象的無滯后傳遞函數(shù)，Gc(S)為PID控制器的傳遞函數(shù)，G0s(1eτs)為Smith補(bǔ)償函數(shù)。Smith預(yù)估補(bǔ)償控制器是建立在模型基礎(chǔ)上的一種控制算法，它能使具有大純滯后的系統(tǒng)具有更好的控制性能。滯后時間τ與采樣周期T之比，反映了控制的難度。通過曲線比較，可以看出，對于本設(shè)計中的換熱器對象模型，應(yīng)用算是一的實(shí)際PID控制時效果比較好，其調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量優(yōu)于其他兩種控制。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： 式()式中： 算式一結(jié)構(gòu)模型算式二： 式()T1——實(shí)際積分時間； T2——實(shí)際微分時間； K1——實(shí)際放大倍數(shù)。 實(shí)際PID控制系統(tǒng)仿真理想微分PID控制的實(shí)際效果并不理想，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用含有實(shí)際微分的PID控制算式。Kp=，Ki=，Kd=3。4）人工整定由以上結(jié)果可見，用這些經(jīng)典的方法算出的PID參數(shù)不一定能滿足控制要求，實(shí)際控制過程中，也是通過手動調(diào)節(jié)這些參數(shù)以獲得好的控制性能的。所以Kp=，Ki=，Kd=1,548。（2）所示，超調(diào)量σ％＝30％；峰值時間：tp=105s；調(diào)節(jié)時間ts=750s。2）PID控制器的參數(shù)由CohenCoon法來整定：整定公式：比例增益；積分時間常數(shù)；微分時間常數(shù)。經(jīng)計算Kp=，Ki=，Kd=。 常規(guī)PID控制 PID控制系統(tǒng)的仿真圖 PID控制仿真曲線1） PID控制器的參數(shù)由ZN（Zieglar—Nichols）法來整定。換熱器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下，輸出量為被控參數(shù)，傳感器把它測回到輸入端，與給定值比較，在由控制器控制執(zhí)行器對被控參數(shù)進(jìn)行操作。如果出口水溫度比期望的溫度值低，就要加大蒸汽流量；如果出口水溫度比期望的溫度值要高，就要減少蒸汽流量。 換熱器出口水溫在加熱蒸汽流量作用下的階躍響應(yīng)曲線 階躍響應(yīng)仿真曲線 單回路控制系統(tǒng)對控制品質(zhì)要求不高的應(yīng)用場合，多采用單回路控制，這也是目前蒸汽加熱換熱器的通?？刂品桨?。若吻合，換熱器動態(tài)模型求解完畢。CohnCoon公式： 式() 式() 式()Δu——系統(tǒng)的階躍輸入幅值；Δy——系統(tǒng)的相應(yīng)輸出響應(yīng)Δy=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； —— Δy時的時間； —— Δy時的時間。本系統(tǒng)研究對象是一個汽—水表面式換熱器。如果一個系統(tǒng)能夠很好地克服階躍干擾的影響，那么對于其他形式的干擾就不難克服。通過采用非參數(shù)模型的辨識方法，即對換熱器作階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（即在所研究對象的輸入端加入一個擾動，測取其相應(yīng)曲線），采用時間域法，獲取對象特性參數(shù)K、T、τ。反映了過程響應(yīng)的快慢；τ——滯后時間（它是由多容對象處理為單容對象而引入的容量滯后時間與由工藝介質(zhì)傳輸距離引起的純滯后時間兩部分組成）。若將動態(tài)特性用低階近似的方法處理，即將換熱器這個三容時滯對象用一階滯后環(huán)節(jié)來近似描述，換熱器的動態(tài)特性可取為： 式()式中：K——放大系數(shù)。而換熱器是一個多容時滯對象，所得模型階次高，比較復(fù)雜。其動態(tài)特性較復(fù)雜，用偏微分方程來描述，列寫和求解比較麻煩和復(fù)雜，難于應(yīng)用于實(shí)際計算和控制。從嚴(yán)格的傳熱理論分析，換熱器的傳熱過程一般要采用偏微分方程來描述。自動控制系統(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。非參數(shù)模型辨識方法一般有：階躍響應(yīng)法；脈沖響應(yīng)法；頻率響應(yīng)法；相關(guān)分析法等。非參數(shù)模型辨識方法是假定過程是線性的前提下，不必事先確定模型的具體結(jié)構(gòu)，可適用于任意復(fù)雜的過程。即使是模糊控制等魯棒性較好的控制器在受控對象參數(shù)變化較大的情況下，其控制效果也不會很好，在這種情況下，采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，即系統(tǒng)辨識的方法。一般來說，這種方法適用于一些比較簡單的被控對象。建立數(shù)學(xué)模型，常常采用兩種方法：解析法和系統(tǒng)辨識。因此，結(jié)合以上的分析可知，此系統(tǒng)具有大滯后、大時變、非線性特性。同理，被控參數(shù)也不能及時反應(yīng)系統(tǒng)所承受擾動的影響，因?yàn)橐坏_動發(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)過一段時間延遲后，才能借助測量裝置傳遞過來的信號感受到這種影響。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)行熱交換時都存在熱阻（對流熱阻與傳導(dǎo)熱阻）和容積上的差別，而且阻力與容積并不止一個，就是說這是一個三容過程。 被控對象的特性—水換熱器是較有代表性的多容對象，蒸汽從水管外流過，將它所攜帶的熱量傳給水管，水被加熱后流出換熱器。比較的結(jié)果，即溫度值的給定值與實(shí)測值之間的差值，稱為偏差值。 為實(shí)現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)，首先要用溫度測量元件（包括感溫元件）把溫度參數(shù)測量出來，然后將測得的數(shù)值轉(zhuǎn)換成可發(fā)送的信號送到溫度調(diào)節(jié)的比較元件中去和溫度的設(shè)定值進(jìn)行比較。，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。對于換熱器過程控制系統(tǒng)，人們最關(guān)心的是對換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調(diào)節(jié)，而在這兩項(xiàng)當(dāng)中，溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。 溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。它應(yīng)對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率（或效能）及安全具有決定性的作用。 被控參量的選擇影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多，但并非對所有影響因素都要進(jìn)行控制。所以在本系統(tǒng)采用管殼式換熱器。一般