【正文】 數(shù)模型辨識(shí)方法；一類是參數(shù)模型辨識(shí)方法。參數(shù)模型辨識(shí)方法必須假定一種模型結(jié)構(gòu)，通過極小化模型與過程之間的誤差來(lái)確定模型的參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常是指動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。換熱器是連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)中最常見的操作單元之一。而在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的熱交換器是屬于分布參數(shù)對(duì)象，具有①流體的溫度是距離和時(shí)間的函數(shù)；②時(shí)滯和時(shí)間常數(shù)較大；③內(nèi)部過程的物理特性復(fù)雜，影響因素多等特點(diǎn)。通常要對(duì)這樣的對(duì)象采用傳遞函數(shù)來(lái)表示比較簡(jiǎn)單。本次設(shè)計(jì)采用低階近似的方法處理復(fù)雜的高階模型，模型結(jié)構(gòu)的建立和參數(shù)求解依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)，所建立模型有階次低、近似精度高的特點(diǎn)。指對(duì)象的輸出參數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出變化量與輸入變化量之比值，它反映對(duì)象的靜態(tài)特性，也稱靜態(tài)增益；T——時(shí)間常數(shù)。 K、T、τ參數(shù)的確定由上節(jié)分析知道，換熱器動(dòng)態(tài)特性的階數(shù)可降階處理為“一階”，故僅需要對(duì)其特性參數(shù)K、T、τ進(jìn)行辨識(shí)、確定。這是因?yàn)殡A躍干擾作為一種突然變化的干擾，屬于最不利于系統(tǒng)的一種干擾形式。故工程界常把對(duì)階躍干擾的響應(yīng)作為判別系統(tǒng)抗干擾能力好壞的標(biāo)準(zhǔn)，而且在熱工生產(chǎn)過程中，很多輸入擾動(dòng)的形式接近于階躍變化，如閥門的一次開大或一次關(guān)小等；而且，階躍響應(yīng)的方法也是描述對(duì)象動(dòng)態(tài)相應(yīng)最簡(jiǎn)捷的一種方法，因此，在換熱器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，輸入擾動(dòng)常采用階躍變化的形式。其放大系數(shù)K，時(shí)間常數(shù)T和滯后時(shí)間τ的求解具體實(shí)現(xiàn)步驟]如下：(1) 換熱器系統(tǒng)做階躍響應(yīng)測(cè)試，得出一組數(shù)據(jù)(2) 根據(jù)（1）中數(shù)據(jù)作換熱器階躍響應(yīng)曲線圖（）(3) 在換熱器階躍響應(yīng)曲線圖中，利用CohnCoon公式求對(duì)象的參數(shù)。(4) 得出換熱器動(dòng)態(tài)模型： 式()(5) 求得的G(S)做階躍響應(yīng)仿真，與（2）中所作曲線比較，是否吻合。從以上仿真曲線可以發(fā)現(xiàn)：，基本能夠反映被控對(duì)象的實(shí)際特性，這說(shuō)明所建立的數(shù)學(xué)模型是滿意的[14]。 蒸汽換熱器控制原理圖，其被控制量為熱流體出口溫度，控制量是蒸汽流量。如果出口水溫度正好等于期望的溫度值，蒸汽流量就可以保持不變。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)載熱體（蒸汽）的流量來(lái)控制換熱器出口水的溫度維持所需值，提高出水的品質(zhì)，保證工藝產(chǎn)品的質(zhì)量，并最大限度地利用能源。整定公式是：比例增益；積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)。（1）所示，峰值時(shí)間：tp=110s；調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)，大概需要700s。經(jīng)計(jì)算： Kp=1,238，Ki=，Kd=7,333。3）PID控制器的參數(shù)由ITAE準(zhǔn)則整定ITAE準(zhǔn)則：比例增益；積分增益；。（3）所示，超調(diào)量σ％＝50％；峰值時(shí)間：tp=150s；調(diào)節(jié)時(shí)間ts=700s。對(duì)所研究的系統(tǒng)，經(jīng)過多次嘗試不同的參數(shù)，得到以下一組參數(shù)，可以取得較好的控制性能。（4）所示,σ％＝10％；過程控制的峰值時(shí)間：tp=120s；過程控制的調(diào)節(jié)時(shí)間ts=320s。在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常采用以下三種實(shí)際微分PID控制算式。 算式二結(jié)構(gòu)模型算式三： 式(), 算式二結(jié)構(gòu)模型三種算法的實(shí)際PID仿真模型由Simulink搭建，： 三種算法的仿真模型 三種實(shí)際PID仿真曲線通過人工調(diào)整控制器的參數(shù)得出三種算式仿真出的曲線。 史密斯(Smith)預(yù)估控制系統(tǒng)仿真由于工業(yè)過程都具有不同程度的時(shí)間滯后，給過程控制帶來(lái)了困難。隨著τ/T值的增加，控制難度相應(yīng)增加，當(dāng)τ接近或者超過T時(shí)，采用普通的PID控制效果很差，一般采用Smith預(yù)估計(jì)控制。它的特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出過程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被延遲了的被調(diào)量超前反映到控制量，使控制提前動(dòng)作，從而明顯地減小超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過程。從圖中可得到： 式()由上式可知，當(dāng)設(shè)置了Smith補(bǔ)償函數(shù)后，反饋信號(hào)F中已不存在時(shí)間滯后，僅與G0(S)和U有關(guān)，因此起到了補(bǔ)償作用。 Smith預(yù)估控制與PID控制的仿真曲線超調(diào)量σ％＝0；調(diào)節(jié)時(shí)間（5%誤差帶）ts=110s。 串級(jí)控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 單回路控制系統(tǒng)一般情況下都能滿足正常生產(chǎn)要求，但是當(dāng)對(duì)象的容量滯后較大，負(fù)荷或干擾變化比較劇烈、比較頻繁，或是工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求很高時(shí)，采用單回路控制方法就不再有效了，于是就出現(xiàn)了串級(jí)控制系統(tǒng)。副回路具有先調(diào)，粗調(diào)，快調(diào)的特點(diǎn)。在串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主，副回路相互配合，充分發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，大大提高了調(diào)節(jié)質(zhì)量。 PID控制系統(tǒng)仿真圖串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器的類型是根據(jù)控制的要求來(lái)進(jìn)行選擇的。而對(duì)副變量的要求一般都不是很嚴(yán)格，允許它有波動(dòng)和有余差。在干擾作用下，為了維持主變量的不變，副變量就要變。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。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。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。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(wú)余差。串級(jí)系統(tǒng)的整定比單回路復(fù)雜。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。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)。 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=。超調(diào)量σ％＝15％；調(diào)節(jié)時(shí)間ts=330s。超調(diào)量σ％＝0；調(diào)節(jié)時(shí)間ts=260s。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(lái)克服這一干擾。 則 式() Simulink仿真。 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。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。本次設(shè)計(jì)中采用實(shí)際微分PID控制算式一。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。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?；赟mith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。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。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。傳統(tǒng)PID控制方式是當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的控制方式。(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。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。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。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。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。(3) 在實(shí)踐中不斷完善和發(fā)展。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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