【正文】 。 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。第一階段是初級(jí)階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎(chǔ)，采用常規(guī)氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)儀表，對(duì)生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制， 在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、 PID 策略為主，同時(shí)針對(duì)不同的對(duì)象與要求，創(chuàng)造了一些專門的控制系統(tǒng)，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滯后的 Smith 預(yù)估器，克服干擾的前饋控制和串級(jí)控制等等，這階段的主要任務(wù)是穩(wěn)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定值控制。 第二階段是發(fā)展階段，以現(xiàn)代控制理論為主要基礎(chǔ)，以微型計(jì)算機(jī)和高檔儀表為工具，對(duì)較復(fù) 雜的工 業(yè)過程進(jìn)行控制。這階段的主要任務(wù)是克服干擾和模型變化，滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。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(jí)的結(jié)構(gòu)形式 ,按總體分散、管 理集中的原則，完成對(duì)工業(yè)過程的操作、監(jiān)視、控制。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，它已日臻完善，在眾多 控制系統(tǒng)中，顯示出出類拔萃的風(fēng)范，因此，可以毫不夸張地說，分散控制系統(tǒng)是過程控制發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。 控制系統(tǒng)仿真的含義 控制系統(tǒng)仿真是建立在控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)之上的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程試驗(yàn)，目的是通過試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)方案論證，選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能指標(biāo)等．如果這種試驗(yàn)是在計(jì)算設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的，就稱為計(jì)算機(jī)仿真 [3]。在我國(guó)，自動(dòng)控制領(lǐng)域已廣泛地應(yīng)用這種語言。 一種語言之所以能迅速的普及。與 C、 Fortran、 Pascal等高級(jí)語言相比 。還具有如下特點(diǎn)： (1)超強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算功能 在 MATLAB環(huán)境中，有超過 500種的數(shù)字、統(tǒng)計(jì)、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可供使用，而且使用簡(jiǎn)單快捷； (2)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能 MATLAB的圖形功能使用戶可以進(jìn)行視覺數(shù)據(jù)處理和分析； (3)開放的架構(gòu)和可延拓的特性 (除內(nèi)部函數(shù)外 ) 所有 MATLAB主包文件和各工具包都是可讀可改的源文件，用戶可以檢查算法，修改現(xiàn)在函數(shù)。構(gòu)成新的工具包； (4)豐富的工具箱 最常用的有控制系統(tǒng) 工具箱、圖像處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、信號(hào)處理工具箱、小波工具箱等等 [4]。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(duì)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。 同時(shí)， Simulink也為控制領(lǐng)域提供大量的仿真模型，以滿足控制領(lǐng)域不同用戶的需要。同時(shí)， Simulink是開放式的，允許用戶定制自己的模塊和模塊庫(kù)，而且 它 比較詳實(shí)的幫助系統(tǒng)便于應(yīng)用。這是以前需要用編程語言明 確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所無法比擬的。 主 控 界 面復(fù) 雜 控 制 系 統(tǒng) 界 面簡(jiǎn) 單 控 制 系 統(tǒng) 界 面P I D參數(shù)的測(cè)試簡(jiǎn)單系統(tǒng)投運(yùn)串 級(jí)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(jiǎn)單均勻控制對(duì)象特性的測(cè)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(jí)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。如對(duì) 象特性測(cè)試、 PID參數(shù)測(cè)試、簡(jiǎn)單系統(tǒng)的投運(yùn)、簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用、前饋 — 反饋系統(tǒng)的投運(yùn)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)學(xué)模型。它是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且能被計(jì)算機(jī)所接受并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。 第二章 過程控制系統(tǒng)概述 過程控制中常見的控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱單回路控制系統(tǒng)。 控 制 器 控 制 閥 對(duì) 象變 送 器偏 差 測(cè) 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)。 采用單回路比例積分控制系統(tǒng)即可抵制干擾因素對(duì)液位的影響，能滿足一般生產(chǎn)工藝對(duì)液位過程控制的要求。 主 控 制 器 副 控 制 器 控 制 閥 副 對(duì) 象 主 對(duì) 象副 變 送 器主 變 送 器 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 如圖 所示， 前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量 (主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。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)。 G f f ( s )G P D ( s )G P C ( s )F ( s )Y ( s ) 圖 前饋控制系統(tǒng)方塊圖 前饋控制系統(tǒng)特點(diǎn)： (1)前饋控制是按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時(shí)。 (3)前饋控制使用的是視過程特性而定的 “ 專用 ” 控制器 。 在設(shè)計(jì)和應(yīng)用前饋控制時(shí)，首先要了解擾動(dòng)的性質(zhì)。 (5)一種前饋控制作用只能克服一種干擾。 前饋 — 反饋控制系統(tǒng) 單純的前饋往往不能很好的補(bǔ)償干擾，存在著不少局限性，這主要表現(xiàn)在單純的前饋控制不存在被控變量的反饋，既對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn) 的手段，這樣，在前饋?zhàn)饔玫目刂平Y(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時(shí)， 系統(tǒng)無法得到這一信息而做進(jìn)一步的校正。此外，前饋控制模型的精度也受多種因素的限制，對(duì)象特性要受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生飄逸，必導(dǎo)致)(SGPD 和 )(SGPC 的變化，因此，一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。在該系統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，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。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)。如果引起輸出量較大波動(dòng)的主要外擾動(dòng)參量是可量測(cè)和可控制的，則可在反饋控制的同時(shí)，利用外擾信號(hào)直接控制輸出（實(shí)施前 饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補(bǔ)償外擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。 通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 干擾通道放大倍數(shù) fK 越大 ，系統(tǒng)余差也越大，既控制質(zhì)量越差。 干擾通道有、無純滯后對(duì)控制質(zhì)量沒有影響，所不同的只是兩者在影響時(shí)間上相差一個(gè)純滯后時(shí)間 f? 。 控制通道特性對(duì)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(duì)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。然而這是不對(duì)的。 系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)無關(guān)。 上述結(jié)論只是對(duì)線性系統(tǒng)而言，而對(duì)于非線性系統(tǒng)，由于 0K 隨著負(fù)荷的變化而變化，這時(shí)如欲由 CK 來補(bǔ)償則有困難，因此，此時(shí) 0K 的變化將會(huì)影響系統(tǒng)的質(zhì)量。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。如果反過來，? 小則不易調(diào)整。因此，從控制的有效性及調(diào)節(jié)器參數(shù)易調(diào)整性來考慮，則希望控制通道放大倍數(shù) 0K 愈大愈好。隨著控制通道時(shí)間常數(shù)的減小，系統(tǒng)工作頻率會(huì)提高，控制就較為及時(shí)，過渡過程也會(huì)縮短，控制質(zhì)量將獲得提高。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。 (3)純滯后τ 0和容量滯后τ c 的影響 控制通道的滯后包括純滯后τ 0 和容量滯后τ c 兩種。 控制通道純滯后的存在不僅會(huì)使系統(tǒng)控制不及時(shí)，使動(dòng)態(tài)偏差增大，而且還會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。當(dāng)需要增加控制作用時(shí)會(huì)使控制作用增加得太多，而一但需要減少控制作用時(shí)則又會(huì)使控制作用減少得太過分，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。 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 。另外，若引入微分作用，對(duì)于克服 τ c 對(duì)控制質(zhì)量 的影響有顯著的效果。 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，也就是對(duì)偏差的分辨率越高，但 Kp過大，將產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定， 取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，尤其是使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 Ki越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但Ki過大，在響應(yīng)過 程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若 Ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 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(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。 控制器控制規(guī)律的選擇 通常，選擇調(diào)節(jié)器動(dòng)作規(guī)律時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入 方便等。如工容許有殘差，可選用比例微分動(dòng)作；如工藝要求無殘差時(shí)，則選用比例積分微分動(dòng)作。 (2) 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無殘差時(shí)，可選擇比例積分動(dòng)作。 (3) 廣義對(duì)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。 如果被控對(duì)象傳遞函數(shù)可用1)( ?? ?TsKesG sp ?近似，則可根據(jù)對(duì)象的可控比τ /T 選擇調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律。 控制器參數(shù) 整定 一個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量取決于對(duì)象特性、控制方案、干擾的形式和大小，以及控制器參數(shù)等各種因素。合適的控制器參數(shù)會(huì)帶來滿意的控制效果，不合適的控制器參數(shù)會(huì)使系統(tǒng)質(zhì)量變壞。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，如果對(duì)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。 系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間 TI和微分時(shí)間 TD的具體數(shù)值。人們常把這種整定稱作“最佳整定”，這時(shí)的調(diào)節(jié)器參數(shù)叫做“最佳整定參數(shù)”。 第三章 液位控制系統(tǒng)的仿真研究 液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題 ,例如飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對(duì)液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?本 設(shè)計(jì)建立一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型 。 單容水箱液位控制系統(tǒng) 單容水箱數(shù)學(xué)模型 假如某單容液 位 過程如上圖 所示。 圖 單容液 位過程 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有： dthdCqq ?????21 式 () C 為儲(chǔ)罐的截面積（容量系數(shù)） 靜態(tài)時(shí)有： 2021 qq ? , 0?dtdh 假設(shè) 22 Rhq ??? 為閥 2 的液阻 ，微分方程為： 122 qRhdt hdCR ?????? 式 () 傳遞函數(shù)為 11)()( 2 2)(1 ????? Ts KCsR RQ sHsG s 式 () T 為被控過程的時(shí)間常數(shù)， CRT 2? ， K 為被控過程的放大系數(shù)， 2RK? [2]。 所以單容水箱的傳遞函數(shù)為 ： 170 )( ???? sTsKsG 式 () 控制方案 設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，控制 方 案如圖 所示。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。 單回路控制方框圖如下圖 所示： 控 制 器 控 制 閥 水 箱變 送 器給 定偏 差 測(cè) 量液 位+ 圖 單容水箱控制方框圖 若水箱只是為了起緩沖作用而需要控制液位時(shí)，則控制精度要求不高，控制器選用簡(jiǎn)單易行的 P 調(diào)節(jié)規(guī)律即可；若水箱作為計(jì)量槽使用時(shí)，則需要精確控制液位，即需要消除穩(wěn)態(tài)誤差，則可選用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律。而且，在很寬的操作條件范圍 內(nèi)都能保持較好的魯棒性。 PID 控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： ])()(1)([)(0? ???t dip dttdeTdtteTteKtu 式 () 其中： u(t)—— 控制器的輸出； e(t)—— 控制器輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)； Kp—— 控制器的比例系數(shù)； Ti—— 控制器的積分時(shí)間； Td—— 控制器的微分時(shí)間。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 ici