【正文】 endts=。 error_2=error_1。y_2=y_1。u_1=u(k)。u_3=u_2。endu_5=u_4。if u(k)=110 % Restricting the output of controller u(k)=110。kd=。 %Not using integration separationendkp=。 else beta=。 elseif abs(error(k))=10amp。 elseif abs(error(k))=20amp。if M==1 %Using integration separation if abs(error(k))=30amp。ei=ei+error(k)*ts。%I separationrin(k)=40。for k=1:1:200time(k)=k*ts。error_2=0。y_3=0。y_1=0。u_4=0。u_2=0。)。[num,den]=tfdata(dsys,39。zoh39。,80)。sys=tf([1],[60,1],39。最后感謝自動(dòng)化學(xué)院和我的母?！暇┕I(yè)大學(xué)四年來對(duì)我的大力栽培。然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料，到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[1] [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .2022.[2] PID 控制及 MATLAB 仿真（第 2 版）[M ].北京：.[3]基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 [M].北京：.[4] 全燃?xì)忮仩t群過程控制系統(tǒng) [J]..(26）：48～52.[5] 高級(jí)編程 [M].北京：.[6]—工程、運(yùn)行與維護(hù) [M].北京：.[7] 控制工程工具箱技術(shù)手冊(cè) [M].北京：.[8] [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .1993.[9] PID 在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用研究 [J].微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化).2022.（22）: 72～74.[10] [J]..(2）: 66～69.[11]Stephen 著 MATLAB Programming for Enghineers(Second Edition)英文影印版[M].北京：.[12] [J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).:104～109.[13] [J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2022.(3): 51～53.[14] MATLAB 的 PID 算法在串級(jí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)..(28):61～63.[15] [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).:143～145.[16] [J].河北煤炭 2022(4):71～74.[17] [J].化學(xué)工程師，:67～68.[18] MATLAB 計(jì)算及仿真 [M]. 國(guó)防工業(yè)出版社，.[19] [J].(21):4. [20] [J].:40～44.[21] [J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào).：511～515.[22] [M].長(zhǎng)沙:.[23] PID 參數(shù)的整定 [J].:47～48.致 謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師程明的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。SIMULINK 的運(yùn)算功能、制圖功能很強(qiáng)，對(duì)傳統(tǒng)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn) PID 控制器尋優(yōu)及模擬，對(duì)一般的控制結(jié)構(gòu)也有模擬分析的功能，但對(duì)滯后環(huán)節(jié)的處理功能不夠，對(duì)純離散的數(shù)學(xué)模型或帶滯后的微分模型的控制結(jié)構(gòu)，除了標(biāo)準(zhǔn)型之外，不能自動(dòng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)；另外，它的界面不夠智能化，不利于屏幕操作；它的信號(hào)發(fā)生器太少，不利于用各種干擾信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；它也沒有控制結(jié)構(gòu)的總體參數(shù)設(shè)定功能，不利于對(duì)模型進(jìn)行模擬仿真。本文將過程控制中常見對(duì)象鍋爐水位的控制與 MATLAB 有機(jī)結(jié)合，通過對(duì)鍋爐水位三沖量控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究，針對(duì)各種干擾對(duì)鍋爐水位控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，對(duì)實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。本文中只論述了常規(guī) PID 控制，至于還有的先進(jìn) PID 控制未討論，它們與常規(guī) PID 控制相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成智能 PID 控制。在這篇文章中，比較詳細(xì)地進(jìn)行了仿真部分控制算法。因此，常規(guī) PID 控制的應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。 不足與改進(jìn)之處PID 控制算法由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理意義明確、魯棒性強(qiáng)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，使它在工業(yè)控制中處于主導(dǎo)地位，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。Simulink 包含 Sink（輸出方式） 、Sources（輸入源） 、Continous（連續(xù)環(huán)節(jié)） 、Nonlinear（非線性） 、Discrete（離散環(huán)節(jié)） 、Signals System（信號(hào)與系統(tǒng)） 、Math（數(shù)學(xué)模塊）和 Functions Tables（函數(shù)和查詢表）等模型庫(kù)。M 文件包括 M 命令集和 M 函數(shù)，M 函數(shù)需要用到輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)來傳遞信息，如同 C 語言的函數(shù)一樣。 關(guān)鍵技術(shù)本文所論述的常規(guī)數(shù)字 PID 控制和鍋爐汽包水位控制仿真研究需要有實(shí)現(xiàn)的方法，在這里，用到了 MATLAB 軟件。水位控制有單沖量、雙沖量、三沖量控制三種方案，由于時(shí)間不足，篇幅限制，在這篇論文中，只討論了三沖量控制。以上都是單回路控制系統(tǒng)，之后又討論了串級(jí)控制系統(tǒng)、純滯后系統(tǒng)的大林控制算法和 Smith 控制算法。其中與積分相關(guān)的討論了積分分離 PID 控制算法、抗積分飽和 PID 控制算法、變速積分 PID 控制算法，與微分相關(guān)的有不完全微分 PID 控制、微分先行 PID 控制。第五章 總結(jié) 課題的主要研究?jī)?nèi)容本課題的主要研究?jī)?nèi)容是基于常規(guī)算法的 PID 控制理論及其對(duì)該算法進(jìn)行 MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)。 蒸汽流量干擾最后考慮蒸汽流量干擾作單位階躍變化時(shí)，輸出水位的 響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)模擬圖如圖 36 所示，其響應(yīng)曲線模擬圖如圖 47 所示。 水流量干擾再考慮水流量干擾作單位階躍變化時(shí)，輸出水位的響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)模擬圖如圖 45 所示，其響應(yīng)曲線模擬圖如圖 46 所示。圖 43 三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定輸入對(duì)輸出響應(yīng)模擬結(jié)構(gòu)圖根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，每個(gè)輸入信號(hào)對(duì)輸出的作用可分別進(jìn)行分析，圖 43 為水位給定作階躍變化與輸出水位響應(yīng)的模擬結(jié)構(gòu)圖，其模擬響應(yīng)的曲線如圖 44 所示。fD、f W——分別為蒸汽流量及給水流量的擾動(dòng)；PI——水位調(diào)節(jié)器；K V——調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)；、G O1——給水流量的作用下，水位變化的傳遞函數(shù)；G F2——蒸汽流量擾動(dòng)下水位變化的傳遞函數(shù)；α D、α W——分別為蒸汽流量及給水流量的分流系數(shù)；H 0——水位給定信號(hào)?？刂品桨福河扇龥_量液位、給水流量、蒸汽流量共同控制，給水流量作為內(nèi)環(huán)隨動(dòng)控制，而液位作為外環(huán)校正控制，由蒸汽流量作前饋補(bǔ)償及虛假水位補(bǔ)償。控制目標(biāo)，在給定值177。但是熱負(fù)荷由蒸汽壓力控制系統(tǒng)來保證，因而它的影響是次要的。因此，蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，非但沒有自平衡能力，而且存在“虛假現(xiàn)象” ，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須予以考慮。2. 蒸汽負(fù)荷對(duì)水位的干擾當(dāng)蒸汽用戶設(shè)備用氣量突然增大，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量但由于蒸汽負(fù)荷量突然增大時(shí)，汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中的汽化強(qiáng)度增加，蒸發(fā)面以下汽包容積增加，因而在蒸汽負(fù)荷量突然增大的起始瞬間，液位不會(huì)下降，反而上升。1. 給水流量對(duì)水位的干擾在平衡狀態(tài)突然加大給水量，雖然給水量大于蒸發(fā)量，但由于溫度較低的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)后，要從原有飽和汽水中吸取一部分熱量，使得水面下汽包容積有所減少，進(jìn)入水系統(tǒng)的水首先去填補(bǔ)汽水管路中汽包讓出的空間，只有當(dāng)汽包容積不再變化時(shí)，水位才隨給水量的增加呈線性上升。：監(jiān)測(cè)汽包水位、蒸汽流量、給水流量，將汽包水位作為主控變量，給水流量作為輔助被控變量的串級(jí)控制系統(tǒng)與蒸汽流量作為前饋信號(hào)組成前饋—串級(jí)反饋控制方式。：只通過檢測(cè)汽包水位來控制給水量。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整進(jìn)水量的多少來達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。它的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對(duì)給水流量的調(diào)節(jié),使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，由于鍋爐汽包水位對(duì)蒸氣流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性。 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 水位控制系統(tǒng)介紹汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，水位過高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。調(diào)節(jié)手段是改變減溫水流量。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，過熱蒸汽的溫度是鍋爐生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，一般由鍋爐和汽輪機(jī)生產(chǎn)的工藝確定。要保持煤氣與空氣比例、燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性，還要維持爐膛負(fù)壓，所以鍋爐燃燒過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)是一個(gè)復(fù)雜的問題。然而，鍋爐控制系統(tǒng)還含有燃燒過程控制系統(tǒng)和過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。鍋爐設(shè)備的主要控制要求如下。燃燒過程的廢氣將飽和蒸汽過熱，并經(jīng)省煤器對(duì)鍋爐的給水和空氣預(yù)熱，最后煙氣經(jīng)引鳳機(jī)送煙囪排空。常見鍋爐設(shè)備的工藝流程如圖 41 所示。圖 41 鍋爐設(shè)備的主要工藝流程圖鍋爐在運(yùn)行中由于水的循環(huán)流動(dòng)，不斷地將受熱面吸收的熱量全部帶走，不僅使水升溫或汽化成蒸汽，而且使受熱面得到良好的冷卻，從而保證了鍋爐受熱面在高溫條件下安全的工作。在燃燒設(shè)備部分，燃料燃燒不斷放出熱量，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^熱的傳播，將熱量傳遞給鍋爐受熱面，而本身溫度逐漸降低，最后由煙囪排出。 鍋爐工藝簡(jiǎn)介 鍋爐是由“鍋” （即鍋爐本體水壓部分） 、 “爐” （即燃燒設(shè)備部分） 、附件儀表及附屬設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)完整體。圖344 Smith階躍響應(yīng)結(jié)果圖 345 不加入 Smith 時(shí)的階躍響應(yīng)結(jié)果很明顯，加入 Smith 后的控制效果更佳。在PI控制中，KP=,KI=。其響應(yīng)結(jié)果如下圖所示。取S=2，針對(duì)M=1,M=2,M=3三種情況進(jìn)行仿真。按Smith算法設(shè)計(jì)控制器。)(76.???seGP5.)()(76.?ssRY?2. 純滯后系統(tǒng)的 Smith 控制算法設(shè)被控對(duì)象為：采樣時(shí)間為20s。M=46和圖247所示。按串級(jí)控制的基本原理，采用Simulink進(jìn)行編程，在連續(xù)方式下進(jìn)行仿真，其仿真程序如下圖所示：圖335 串級(jí)控制的Simulink 仿真程序在這個(gè)串級(jí)控制中，主調(diào)節(jié)器采用PI控制，取K P=50，K I=5，副調(diào)節(jié)器采用P控制，KP=200。由于副對(duì)象的傳遞函數(shù)為一階，故副回路閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：主調(diào)節(jié)器采用PI控制，取K P=，K I=，副調(diào)節(jié)器按控制規(guī)律設(shè)計(jì)。方法一：1)(022??sTG1)(01??s在離散方式下進(jìn)行仿真，采用M語言進(jìn)行編程。寫成離散形式為：只采用PID正弦跟蹤控制方法的結(jié)果與采用前饋PID控制方法的跟蹤結(jié)果如圖所示.)(??104.)(??ssQsssG2513)(??)(13)(1325)( trtrtuf ????)(13)(1325)( krkrkuf ????圖328 PID正弦跟蹤（M=1） 圖329 PID正弦跟蹤誤差（M=1）圖330 PID加前饋補(bǔ)償正弦跟蹤（ M=2） 圖331 PID加前饋補(bǔ)償正弦跟蹤誤差（M=2）由結(jié)果可見通過前饋補(bǔ)償可大大提高系統(tǒng)的跟蹤性能。其控制結(jié)果如圖2－33所示圖326 不帶死區(qū)PID控制（ M=1） 圖327 帶死區(qū)PID控制（M=2）由仿真結(jié)果可以看出引入帶死區(qū)PID控制后，控制器輸出更加平穩(wěn)。)1()(sTksEuIppI??)(kDpI 160)(8???seG7. 帶死區(qū)的 PID 控制設(shè)被控對(duì)象為：采樣時(shí)間為1ms。取M=2，采用普通PID方法，其方波響應(yīng)控制結(jié)果如圖2－29和圖2－30所示。采用PID控制器進(jìn)行階躍響應(yīng)。(2) 微分先行 PID 控制PID控制部分傳遞函數(shù)為：式中，T I為積分時(shí)間常數(shù)。由仿真結(jié)果可以看出，引入不完全微分后，能有效地克服普通 PID 的不足。 圖 316 不完全微分控制階躍響應(yīng)（ M=1） 圖 317 不完全微分控制器輸出（M=1）圖 318 不完全微分余差(M=1) 圖 319 普通 PID 控制階躍響應(yīng)（M=2）圖 320 普通 PID 控制器輸出（ M=2） 圖 321 普通 PID 控制余差（M=2）低通濾波器為：取 M=1，采用具有不完全微分 PID 方法，其控制階躍響應(yīng)結(jié)果如圖 316 所示。6. 與微分相關(guān)的 PID 控制算法(1)不完全微分 PID 控制采用第一種不完全微分算法，被控對(duì)象為時(shí)滯系統(tǒng)傳遞函數(shù)： 160)(8???sesGs在對(duì)象的輸出端加幅值為 的隨機(jī)信號(hào)。ssssGp )(3???104.)(ssQ圖313 普通PID控制階躍響應(yīng)（ M=1）圖314 無濾波器時(shí)PID控制階躍響應(yīng)（ M=2）圖315 加入濾波器后PID控制階躍響應(yīng)（ M=3）仿真結(jié)果表明，該濾波器對(duì)高頻信號(hào)具有很好的濾波作用。采用 M 語言進(jìn)行仿真。圖311 變速積分階躍響應(yīng)（ M=1）160)(8???seG圖312 普通PID控