基于MATLAB的过程控制系统仿真研究毕业设计论文

1、毕业设计论文基于 MATLAB 的过程控制系统仿真研究摘要水箱和换热器是过程控制中的典型对象，本设计主要以水箱液位控制系统和换热器 温度控制系统为例，通过建立数学模型，确定对象的传递函数。利用 Matlab 的 Simulink 软件包对系统进行了仿真研究，并对仿真结果进行了深入的分析。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。在水箱液位控制系统中，通过建立数学模型以及实验中对实验数据的分析，分别确 定了单容、双容、三容水箱对象的传递函数。在 simulink 软件包中建立了各系统的仿真 模型。 通过对仿真曲线的研究，分析了控制器参数对系统过渡过程的影响。 聞創沟燴鐺險爱氇 谴净。在换热器温度控制系统中，根据自

2、动控制系统工艺过程，利用降阶法确定了对象的 传递函数。在软件包 Simulink 中搭建了单回路、串级、前馈反馈控制系统模型，分别 采用常规的 PID、实际 PID 和 Smith 预估器对系统进行了仿真研究，通过仿真曲线的比 较，分析了各种控制系统的特点。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。关键词：过程控制； MATLAB ；仿真；水箱；换热器Simulation and Research of Process Contro1System Based on MATLABAbstractWater tank and Heat exchanger are typical object in the proc

3、ess control in the design,The control system of tank level and heat interchange is used as an example.The transfer function object is defined by setting up the mathematical model.I carry on simulation research on the system by using Matlabs simulink simulation.and deeply analyze the result of the si

4、mulation. 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。In the system, which control the level of the tank. The transfer function of a single-tank, double-tank, three-tank is defined by setting up mathematical model and analyzing date. Simulation model of all system set up simulink simulation. The effect that controller parameter com

5、poses on the system is analyzed through the research on the simulation cuve彈r贸s.摄尔霁毙攬 砖卤庑。In the control system of heat inter change. The design uses reduction method and defines the transfer function of the object.according to the technical process in the automatic system.The control system model o

6、f single loop, cascade, feed forward-feedback is established. Simulation research on there system is carried on through using conventional PID, the actual PID and Smith predictor , While the characteristics those control system are compared謀.荞抟箧 飆鐸怼类蒋薔。Key words: Process Control; Matlab;Simulation;

7、Water tanks; Heat exchange厦r 礴恳蹒骈時盡继價摘 要 茕II桢广鳓鯡选块网羈泪。Abstract I鹅II娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。第一章 引 言 籟1丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.1 过程控制简介 預1頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.2 过程控制的发展 渗1釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.3 控制系统仿真的含义 铙2誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.4 矩阵实验室 Matlab 简介 2擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.5 动态系统软件包 Simulink 简介 3贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.6 控制系统仿真的一般步骤 4坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。第二章 过程控制系统概述 蜡6變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.1 过程控制中

8、常见的控制系统 6買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.1.1 单回路控制系统 綾6镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.1.2 串级控制系统 驅6踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.1.3 前馈控制系统 猫7虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.1.4 前馈反馈控制系统 8锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。2.2 通道特性对控制质量的影响 9構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.2.1 干扰通道特性对控制质量的影响 9輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.2.2 控制通道特性对控制质量的影响 9尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.3 控制器参数对系统的影响 11识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.4 控制器控制规律的选择 1凍1 鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.5 控制器参数整定 1恥2諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦

9、。第三章 液位控制系统的仿真研究 1鯊4腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.1 单容水箱液位控制系统 1硕4癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.1.1 单容水箱数学模型 1阌4擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.1.2 控制方案 1氬6嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.1.3 单容水箱的 Simulink 仿真 17釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.2 双容水箱液位控制系统 1怂9阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.2.1 双容水箱数学模型 1谚9辞調担鈧谄动禪泻類。3.2.2 控制方案 2嘰1觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.2.3 双容水箱的 Simulink 仿真 21熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.3 三容水箱液位控制系统 2鶼5渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.3.1 三容

10、水箱的系统建模 2纣5 忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.3.2 三容水箱的 Simulink 仿真 26颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.4 本章小结 2濫7驂膽閉驟羥闈詔寢賻。第四章 换热器温度控制系统仿真研究 29銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.1 换热器的数学模型 2挤9貼綬电麥结鈺贖哓类。4.1.1 换热器构造及工作原理 29赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。4.1.2 被控参量的选择 3塤0礙籟馐决穩賽釙冊庫。4.1.3 被控对象的特性 3裊1樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。4.1.4 被控对象数学模型的建立 31仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。4.2 单回路控制系统 3绽5萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。4.2.1 常规 PID 控制 3骁6 顾燁

11、鶚巯瀆蕪領鲡赙。4.2.2 实际 PID 控制系统仿真 39瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。4.2.3 史密斯(Smith)预估控制系统仿真 42鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。4.3 串级控制系统 4栉4缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。4.3.1 串级控制系统结构 4辔4烨棟剛殓攬瑤丽阄应。4.3.2 串级控制系统的 PID 仿真 45峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。4.3.3 串级控制系统的 Smith 预估控制 48詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。4.4 前馈串级控制系统 4则9鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。4.4.1 换热器前馈串级控制的数学模型 49胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。4.4.2 前馈控制规律的实施 5鳃0 躋峽祷紉诵帮废掃減。4.4.3 S

12、imulink 仿真 5稟1虛嬪赈维哜妝扩踴粜。4.5 本章小结 5陽4簍埡鲑罷規呜旧岿錟。结束语 5沩5氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。参考文献 5钡7嵐縣緱虜荣产涛團蔺。致谢 5懨9俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。第一章 引 言1.1 过程控制简介过程控制系统是表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定 范围内的自动控制系统。这里 “过程 ”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的 相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓 度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗 减少 1 。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。1.2 过程控制的发展在现代工业控制中

13、, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。 在本世纪 30 年代就已 有应用。过程控制技术发展至今天 , 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发 展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段 , 它们是：分散控制 阶段 , 集中控制阶段和集散控制阶段。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段： 开始到 70 年代为第一阶段， 70 年代至 90 年代初为第二阶段， 90 年代初为第三阶段开始。其中 70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期， 90 年代初 既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展

14、的初期。第一阶段是初级阶段， 包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产 过程中的温度、 流量、压力和液位进行控制， 在诸多控制系统中， 以单回路结构、 PID 策 略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例 配制的比值控制，克服大滞后的 Smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等， 这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。 第二阶 段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复 杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期形式，继

15、而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确 定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任 务是克服干扰和模型变化， 满足复杂的工艺要求， 提高控制质量。 1975 年，世界上第一 台分散控制系统在美国 Honeywell 公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控 制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采 用多层分级的结构形式 ,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、 控制。由于采用了分散结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开 放式框架和软件方面的模块化

16、形式， 使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法 (几 十至上百种 ) 、较好的人 机界面和故障检测报告功能。经过 20 多年的发展，它已日 臻完善，在众多控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散 控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。 第三阶段是高级阶段， 目前正在来到 2。莹 谐龌蕲賞组靄绉嚴减。1.3 控制系统仿真的含义 控制系统仿真是建立在控制系统模型基础之上的控制系统动态过程试验，目的是通 过试验进行系统方案论证，选择系统结构和参数，验证系统的性能指标等如果这种试 验是在计算设备上实现的，就称为计算机仿真 3 。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。1.4 矩阵实验室 M

17、atlab 简介矩阵实验室 (MATLAB) 语言是 Mathworks公司于1982年推出的， 它集数值分析、信 号处理、系统控制和图形处理于一体， 构成了一个方便的界面友好的用户环境。 在我国， 自动控制领域已广泛地应用这种语言。 1992年的Math Works公司推出了交互式模型输人 与模拟环境动态系统软件( SIMULNK )，使得 MATLAB 在自动控制系统领域的应用得 到很大发展。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。一种语言之所以能迅速的普及。显示出如此旺盛的生命力， MATLAB 有其不同于其 它语言的特点。与 C、Fortran、Pasca等l 高级语言相比。 MATLAB 不但在数字

18、语言的表达 与解释方面表现出人机交互高度一致。还具有如下特点： 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。(1) 超强的数值运算功能 在MATLAB 环境中，有超过 500种的数字、统计、科学及工 程方面的函数可供使用，而且使用简单快捷； 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。(2) 强大的数据可视化功能 MATLAB 的图形功能使用户可以进行视觉数据处理和分 析；(3) 开放的架构和可延拓的特性 (除内部函数外 ) 所有 MATLAB 主包文件和各工具包 都是可读可改的源文件，用户可以检查算法，修改现在函数。甚至加入自己的函数。构 成新的工具包； 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。(4) 丰富的工具箱 最常用的有控制系统工具箱、图像处理工

19、具箱、神经网络工具箱、 信号处理工具箱、小波工具箱等等 4。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。1.5动态系统软件包 Simulink 简介Simulink是运行在 MATLAB 环境下，用于建模、仿真和分析动态系统的软件包，如 图1.1所示为 Simulink软件系统组成。它包括一个庞大的结构方块图模型，用户可以既快 捷又方便地对系统进行建模，仿真而不必写任何代码程序，并且 Simulink 可以在屏幕上 显示数据以及输出数据和图形。 Simulink 本身就是一种用来实现计算机仿真的软件工具， 它是 MATLAB 的一个附加组件， 用来提供一个系统级的建模与动态仿真的工具平台；用 模块组合的方法使用户

20、能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型。同时， Simulink 也为控制领域提供大量的仿真模型，以满足控制领域不同用户的需要。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。Simulink模型可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统，如模拟线性或非线性、连 续或离散或者两者的混合系统。同时， Simulink 是开放式的，允许用户定制自己的模块 和模块库，而且它比较详实的帮助系统便于应用。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。对于建模， Simulink提供了一个图形化的用户界面 (GUI) ，可以直接用鼠标点击和拖 拉模块的图标建模。这是以前需要用编程语言明确地用公式表达微分方程的仿真软件包 所无法比拟的。 Simulink

21、包括一个由信号源、接受器、线性和非线性组件以及中间的连视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。接器件组成的模块库，同时可以根据用户自己的需要创建相应的模块图 1.1 Simulink 软件系统组成目前，随着软件的不断升级和计算机技术的飞速发展， Simulink 已经在学术和工业 领域得到了广泛的应用，世界上很多知名的大公司已经使用 Simulink作为产品设计和开 发的工具。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。1.6 控制系统仿真的一般步骤(1) 建立系统的数学模型。如对象特性测试、 PID参数测试、简单系统的投运、简单 均匀控制系统、串级控制系统的应用、前馈反馈系统的投运等实验内容的数学模型。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。(

22、2) 建立系统的仿真模型， 即设计算法， 并用计算机程序实现。 它是系统的数学模型，并且能被计算机所接受并能在计算机上运行騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼(3) 运行仿真模型，进行仿真实验，再根据仿真实验的结果，进一步修正系统数学模 型和仿真模型 5。第二章 过程控制系统概述2.1 过程控制中常见的控制系统2.1.1 单回路控制系统单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。再所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此，它又称为简单控制系统。 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。给定液位图 2.1 单回路控制系统方框图图 2.1 所示为一个单回路控制系统。它能够抵制施加在系统上的干扰因素，系统过

23、渡过程具有过渡时间较小、最大偏差较小、系统稳定性较高等特点。采用单回路比例积 分控制系统即可抵制干扰因素对液位的影响，能满足一般生产工艺对液位过程控制的要 求。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。2.1.2 串级控制系统 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后 一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。图 2.2 串级控制系统方框图如图 2.2 所示，前一个调节器称为主调节器， 它所检测和控制的变量称主变量 (主被控参数)，即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变 量称副变量(副被控参数)，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。 邁

24、茑赚陉宾呗擷鹪讼 凑。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副 调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、 调节阀、副过程和主过程构成。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰 动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。 2.1.3 前馈控制系统下图 2.3 为前馈控制系统方块图。图 2.3 前馈控制系统方块图前馈控制系统特点：(1) 前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作用恰到好处，一般比 反馈控制要及时。(2) 前馈控制是一种开环控制，

25、控制效果得不到检验。(3) 前馈控制使用的是视过程特性而定的“专用”控制器。(4) 前馈控制只能抑制可测而不可控的扰动对被调参数的影响。在设计和应用前馈控制时，首先要了解扰动的性质。如果扰动是可测可控的， 则只要设计一个定值控制系统就行了，如果扰动是不可测的，那就不能进行前馈控劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。制；如果扰动是可测而不可控的，则可设计和应用前馈控制(5) 一种前馈控制作用只能克服一种干扰。由于前馈控制作用是按干扰进行工作的，而且整个系统是开环的，因此根据一 种干扰设置的前馈控制只能克服这一干扰，而对于其他干扰，由于这个前馈控制器 无法感受到也就无能为力了。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。2.1.4

26、前馈反馈控制系统单纯的前馈往往不能很好的补偿干扰，存在着不少局限性，这主要表现在单纯的前 馈控制不存在被控变量的反馈，既对于补偿的效果没有检验的手段，这样，在前馈作用 的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而做进一步的校 正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为补偿它们对被控变量的影响，势必 要设计多个前馈通道，这就增加了投资费用和维护工作量。此外，前馈控制模型的精度 也受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素的影响而产生飘逸，必导致 GPD(S) 和GPC (S)的变化，因此，一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。为了 解决这一局限性，可以将前馈与反馈结合

27、起来使用，构成所谓前馈反馈控制系统。在 该系统中可综合两者的优点，将反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其他 干扰进行反馈控制，这样，既发挥可前馈校正及时的优点，又保持了反馈控制能克服多 种干扰，并对被控变量始终给予校验的优点，因而是过程控制中较有发展前途的控制方 式。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统。这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对 于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出 量的过大波

28、动，直接影响控制品质。如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是 可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出(实施前馈控制)，构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响， 并利于提高控制 精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上 可做到完全消除主扰动对系统输出的影响2 。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。2.2 通道特性对控制质量的影响2.2.1 干扰通道特性对控制质量的影响干扰通道放大倍数 Kf 越大，系统余差也越大，既控制质量越差。干扰通道时间常数 Tf 越大，个数越多，或者说干扰进入系统的位置越远离被控参数 而靠近调节阀，干扰对被控参数的影响

29、就越小，系统的控制质量就越高。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘 賽。干扰通道有、无纯滞后对控制质量没有影响，所不同的只是两者在影响时间上相差 一个纯滞后时间 f 。即当有纯滞后时， 干扰对被控参数的影响要向后推迟一个纯滞后时 间 f 。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。2.2.2 控制通道特性对控制质量的影响(1) 放大倍数 K0 的影响放大倍数 K 0对控制质量的影响要从静态和动态两个方面进行分析。从静态方面分 析，由式 y( ) K f (1 KC K0 ) ，似乎可以得出当 K f 、KC不变时，控制通道放大倍数 K0 愈大，系统的余差愈小的结论。然而这是不对的。因为，对一个控制系统来说，在一定 的稳定程度(

30、即一定的衰减比)情况下，系统的开环放大倍数是一个常数，即 KC K 0 const ，这样才能维持系统具有相同的稳定程度。 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。系统的余差与控制通道放大倍数无关。即在一定稳定性前提下，系统的控制质量与 控制通道放大倍数无关。上述结论只是对线性系统而言， 而对于非线性系统， 由于 K0 随着负荷的变化而变化，这时如欲由 KC 来补偿则有困难，因此，此时 K 0的变化将会影响系统的质量 。 惬執缉蘿绅颀 阳灣熗鍵。然而，从控制角度看， K0 愈大，则表示控制参数对被控参数的影响愈大，这表示通 过对它的调节来克服干扰影响更为有效。此外，在相同衰减比情况下，K0与 KC的乘积为一常数

31、，当 K0愈大时 KC 则愈小，而 KC 小则 大。 大比较容易调整。如果反过来， 小则不易调整。因为当 小于 3时，调节器则相当于一位式调节器，已失去作为连 续调节器的作用。因此，从控制的有效性及调节器参数易调整性来考虑，则希望控制通 道放大倍数 K 0 愈大愈好。 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。(2) 时间常数 T0 的影响 控制通道时间常数愈大，经过的容量数愈多，系统的工作频率将愈低，控制愈不及 时，过渡过程时间也愈长，系统的质量愈低。随着控制通道时间常数的减小，系统工作 频率会提高，控制就较为及时，过渡过程也会缩短，控制质量将获得提高。然而也不是 控制通道时间常数愈小愈好。因为时间常数太小，系

32、统工作过于频繁，系统将变得过于 灵敏，反而会使系统的稳定性下降，系统质量会变差。大多数流量控制系统的流量记录 曲线波动得都比较厉害，就是由于流量对象时间常数比较小的缘故。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。(3) 纯滞后 0和容量滞后 c 的影响控制通道的滞后包括纯滞后 0 和容量滞后 c两种。它们对控制质量的影响不利， 尤其是 0 的影响最坏。控制通道纯滞后的存在不仅会使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还会使系 统的稳定性降低。这是因为纯滞后的存在，使得调节器不能及时获得控制作用效果的反 馈信息，会使调节器出现失控。当需要增加控制作用时会使控制作用增加得太多，而一 但需要减少控制作用时则又会使控制作

33、用减少得太过分，因此导致系统的振荡，使系统 的稳定性降低。因此，控制通道纯滞后的存在，对控制质量起着很坏的影响，会严重地降低控制质量薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。控制通道的容量滞后 c 同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降。但是 c 的 影响比纯滞后 c 对系统的影响缓和。另外，若引入微分作用，对于克服 c对控制质量 的影响有显著的效果。 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。2.3 控制器参数对系统的影响比例系数 Kp ， 作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，也就是对偏差的分辨率越高，但 Kp过大，将产 生超调，甚至导致系统不稳定， 取值过小，则会降低调节

34、精度， 尤其是使响应速度缓慢， 从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 绅薮疮颧訝标販繯轅赛。积分系数 Ki, 作用在于消除系统的稳态误差。 Ki越大，系统静态误差消除越快，但 Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象、从而引起响应过程的较大超调；若Ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。微分系数 Kd, 作用在于改善系统的动态特性。 PID控制器的微分作用环节是响应系统 偏差的变化率，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进 行提前预报。但 Kd过大，则会使响应过程过分提前制动，从而延长调节时间，而且统的 抗干扰性能较差

35、。 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。2.4 控制器控制规律的选择 通常，选择调节器动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要 求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。基本原则：(1) 广义对象控制通道时间常数较大或容积延迟较大时，应引入微分动作。如工容 许有残差，可选用比例微分动作；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分动作。如 温度、成分、 pH 值控制等。 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。(2) 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时， 可选择比例积分动作。如管道压力和流量的控制。 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。(3) 广义对象控制通

36、道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比 例动作，如贮罐压力、液位的控制。 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。4) 当广义对象控制通道时间常数或容积延迟很大，负荷变化亦很大时，简单控制 系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。如果被控对象传递函数可用 Gp(s) Ke 近似，则可根据对象的可控比 /T 选择调 p Ts 1节器的动作规律。当 /T0.2 时，选择比例或比例积分动作；当 0.21.0 时，采用简单控制系统往往不能满足控制要 求，应选用如串级、前馈等复杂控制系统。 俦聹执償閏号燴鈿膽賾。2.5 控制器参数整定一个控制系统的质量取决于对象特性、控制方案、干扰

37、的形式和大小，以及控制器 参数等各种因素。一旦系统按所设计的方案安装就绪，对象特性与干扰位置等基本上都 已固定下来，这时候系统的质量主要取决于控制器参数整定了。合适的控制器参数会带 来满意的控制效果，不合适的控制器参数会使系统质量变坏。但是，决不能因此而认为 控制器参数整定是万能的。对于一个控制系统来说，如果对象特性不好，控制方案选的 不合理，或是仪表选择和安装不当，那么无论怎样整定控制器参数，也是达不到质量指 标要求的。因此，只能说在一定范围内，控制器参数整定合适与否，对控制质量具有重 要的影响。 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。系统整定，一般是指选择调节器的比例度 、积分时间 TI 和微分时间 TD

38、的具体数 值。系统整定的实质，就是通过调整调节器的这些参数，使其特性与被控对象特性相匹 配，来改善系统的动态和静态特性， 以达到最佳的控制效果。 人们常把这种整定称作 “最佳整定”，这时的调节器参数叫做“最佳整定参数”骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。对于一个已经设计并安装就绪的控制系统， 通过调节器参数 （、Ti、Td）的调整， 使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求 6。 癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。第三章 液位控制系统的仿真研究液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题 ,例如饮料、食品加工、溶液过滤、 化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。水箱液位的控制作 为过程控制的一种

39、,由于其自身存在滞后 ,对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统 比较复杂的特点 ,传统的控制不能达到满意的控制效果。本设计建立一个简化的数学模 型。来实现水箱液位控制系统仿真研究 7 。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。3.1 单容水箱液位控制系统3.1.1 单容水箱数学模型假如某单容液位过程如上图 3.1所示。该过程中，储蓄中液位高度 h 为被控参数（即 过程的输出），流入储蓄罐的体积流量 q1为过程的输入量， q1 的大小可通过阀门 1 的开 度来改变；流出储蓄的体积量 q2 为中间变量（即为过程的干扰） ，它取决于用户需要， 其大小可以通过阀门 2 的开度来改变。 榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。图 3.1

40、 单容液位过程根据动态物料平衡关系有：dhdtC 为储罐的截面积（容量系数）静态时有： q10 q20 , dh 010 20 dt 假设q2h 为阀 2 的液阻，微分方程为：R2R2C d hh R2 q1式(3.2)dt传递函数为G(s) H(s)R2K式(3.3)逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。Q1(s) R2 Cs 1 Ts 1T 为被控过程的时间常数， T R2C ，K 为被控过程的放大系数， K R2 2 。幘觇匮 骇儺红卤齡镰瀉。假设 q0流经 l 长管道所需时间为 0 ，则具有纯滞后的单容过程的微分方程和传递函 数为dhT d h h K q0 (t 0 )式(3.4)誦终决懷区dt馱倆

41、侧澩赜。G(s) H (s) K e 0s式(3.5)医涤侣綃Q0 (s) Ts 1噲睞齒办銩凛。根据实验所得数据可以近似得到如图 3,2 的反应曲线图 3.2 单容水箱液位对象反应曲线根据反应曲线及实验数据可得参数 K、T 分别为 0.32、70所以单容水箱的传递函数为KG(s) TsK 10.3270s 1式(3.6)舻当为遙头韪鳍哕晕糞。3.1.2 控制方案设计采用简单的单回路控制系统，控制方案如图 3.3 所示。图 3.3 单容水箱控制结构图如图 3.3 所示，其被控制量为水箱液位 H，控制量是入水量。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

42、减少入水量。 如果水箱液位正好等于期望的液位值，入水量就可以保持不变。 鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。单回路控制方框图如下图 3.4 所示：图 3.4 单容水箱控制方框图若水箱只是为了起缓冲作用而需要控制液位时，则控制精度要求不高，控制器选用简单易行的 P 调节规律即可；若水箱作为计量槽使用时，则需要精确控制液位，即需要 消除稳态误差，则可选用 PI 调节规律。 筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。3.1.3 单容水箱的 Simulink 仿真PID 控制器是一种比例、积分、微分并联控制器，由于 PID 控制器具有简单、固定 的形式，允许操作人员用简单、直接的方式来调控系统。而且，在很宽的操作条件范围 内都能保持较

43、好的鲁棒性。 因此，目前在工业过程控制中， PID 控制方式占据主导地位。 韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。PID 控制器的数学模型可以用下式表示：式(3.7)涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟1 tde(t)u(t) K pe(t)0e(t)dt TdTi 0dt其中： u(t)控制器的输出；e(t)控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；Kp控制器的比例系数；Ti控制器的积分时间；Td控制器的微分时间。4.6 所示8：单容水箱的单回路控制系统的控制器采用 PI调节规律， PI 的控制模型表达式如下：11Gc(s) K c(1) K c Ki式(3.8)钿蘇饌華檻Ti ss杩鐵样说泻。如图 3.6

44、所示为单容水箱的单回路控制仿真模型：图 3.6 单容水箱 PID 控制仿真图 3.7 单容水箱 PID 控制仿真曲线当控制器参数 Ti=20，同时逐渐增大比例系数 Kp，其仿真结果如图 3.7 所示，图中 分别为 Kp 等于 0.5， 3， 5 时的阶跃响应曲线。 戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。通过图 3.7中的仿真曲线，可以看出比例系数 Kp 的作用在于加快系统的响应速度， 提高系统的调节精度。 Kp 越大，系统的响应速度越快， 但将产生超调和振荡甚至导致系 统不稳定，因此 Kp 的值不能取的过大。如果 Kp 取值较小，则会降低调节精度，使响应 速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。故

45、比例系 Kp 选择必须适当， 才能取得过渡时间少而又稳定的系统。 購櫛頁詩燦戶踐澜襯鳳。图 3.8 单容水箱 PID 控制仿真曲线当控制器参数 Kp=3，同时逐渐增大积分系数 Ki ，其仿真结果如图 3.8 所示，在图中 分别为 Ki 等于 0.015，0.075，0.3 时的阶跃响应曲线。 嗫奐闃頜瑷踯谫瓒兽粪。通过图 3.8的仿真曲线可以得出： Ki 越大，系统静态误差消除越快，但 Ki 过大， 在响应过程的初期会产生积分饱和现象、 从而引起响应过程的较大超调； 若减小 ki 有利 于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静态误差难以消除，影响系统的调节 精度。 虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸。

46、3.2 双容水箱液位控制系统3.2.1 双容水箱数学模型双容水箱的数学模型如下图 3.9 所示。图 3.9 双容水箱数学模型根据动态平衡关系，可列出如下方程：d h1C1q1q2dt, q2h1R2式(3.9)與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢。d h2C2 q2 q32 dt 2 3, q3h2R3式(3.10)結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴。上述过程经整理可得传递函数G(s) Q2 (s)H 2(s)1R33式( 3.11)餑诎鉈鲻缥评G(s)Q1(s)Q2 (s) T1s 1T2 1缯肃鮮驃式中， T1为槽 1的时间常数，T1=R2C1； T2为槽 2的时间常数， T2=R3C2。双容过 程也可以近似为有时延的

47、单容过程 爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑。H (s) R sG(s) 2 3 e 0s式(3.12)锞炽邐繒萨蝦窦补飙Q1(s) T0s 1赝。其阶越响应曲线如图 3.10 所示：图 3.10 双容水箱阶越响应曲线图因为上水箱和下水箱的对象特性是相同的所以双容水箱的对象传函可以近似为：0.32G(s) 4900s2 140s 1式(3.13)3.2.2 控制方案设计中双容水箱的控制也同样采用单回路控制方案， 控制方案如图 3.11 所示。其单回路液位控制系统方框图与图 3.4相同。 曠戗輔鑽襉倆瘋诌琿凤。图 3.11 双容水箱控制方案3.2.3 双容水箱的 Simulink 仿真 在单容水箱控制仿真中，

48、选一组控制效果最好的控制器参数（Kp=3，Ki=0.15 ）作用于双容水箱对象模型上， 仿真比较曲线如图 3.12所示。图中曲线 1 为单容水箱的仿真曲线，曲线 2 为双容水箱的仿真曲线。 ,轉厍蹺佥诎脚濒谘閥糞。图 3.12 单、双容水箱 Simulink 仿真曲线比较由图 3.12 中的仿真曲线比较可以看出控制器参数的重要性， 同一组控制器参数作用 于不同的对象，所得到的控制效果差别很大，所以控制器的参数整定在过程控制中十分 重要，合适的控制器参数会带来满意的控制效果，不合适的控制器参数会使系统质量变 坏。 嬷鯀賊沣謁麩溝赉涞锯。本设计中双容水箱的单回路控制系统的控制器采用 PID 调节规

49、律，模拟 PID 的控制 模型表达式如下：11G(s) Kc (1Tds) Kc Ki Kds式(3.14)讯鎬謾蝈贺綜枢辄锁廪。Tis 1 s双容水箱液位控制的 Simulink 建模如图 3.13 所示：图 3.13 双容水箱 Simulink 仿真模型表 3.1 4：1 衰减曲线法整定公式控制器的参数用 4：1 衰减曲线法整定。在系统闭环情况下，将 PID 控制器的积分 时间 Ti 放到最大，微分时间 放在最小，比例度放于适当数值（一般为 100%），然后 使 由大往小逐渐改变 （Kp 由小往大逐渐改变） ，并在每改变一次 值时， 通过改变给定 值给系统是施加一阶跃干扰，同时观察过渡过程

50、变化情况。如果衰减比大于4：1， 应继续减小（ Kp 增大），当衰减比小于 4：1 时 应增大，直至过渡过程呈现 4：1 衰减时 为止。 兒躉讀闶軒鲧擬钇標藪。通过上述过程， 可以找到 4：1 衰减振荡时的比例度 s 及振荡周期 Ts。根据上表 3-1 给出的经验公式， 可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现 4：1 振荡的控制器参数繅藺詞嗇适篮异铜鑑骠。按表 3-1 经验公式算出控制器参数后，按照先比例、后积分、最后微分的程序，依 次将控制器的参数放好。不过在放积分、微分之前，应将 放在比计算值稍大（约 20%） 的数值上，待积分、微分放好后，再将 放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一

51、 次干扰，验证一下过渡过程是否呈 4：1衰减振荡。如果不符合要求， 可适当调整一下 ， 直到达到满意为止 9 。鮒簡觸癘鈄餒嬋锵户泼。通过多次尝试得出当反应曲线为 4：1 时， =0.025（ Kp=40， Ts=125）图 3.14 双容水箱 4:1 仿真曲线根据公式表 PID 控制器参数为 s 0.02 ，Ti=37.5 ，Td=12.5。按公式将控制器参数 放好后，得到曲线不是很满意，适当调整 Kp当 Kp=13 时可以得到如图 3.14的仿真曲线， 曲线呈 4：1 衰减振荡。 眯毆蠐謝银癩唠阁跷贗。人工调节控制器参数，当控制器参数 Kp=13，Ki=0.1, 同时逐渐增大积分系数 Kd

52、， 其仿真结果如图 3.15所示，在图中分别为 Kd 等于 10，100，150时的阶跃响应曲线。 闵 屢螢馳鑷隽劍颂崗鳳。图 3.15 双容水箱 PID 仿真比较曲线增大微分时间 Kd，使超调量减小，但 Kd 过大会使系统调节时间增加。3.3 三容水箱液位控制系统3.3.1 三容水箱的系统建模三容水箱同样采用单回路控制系统， 其控制方案如图 3.16 所示。其单回路液位控制 系统方框图与图 3.4 相同。 檁傷葦开阈灯伞馑諧粮。图 3.16 三容水箱的控制方案本系统可以看成是由三个单容对象串连构成。水流量为 Q1，由调节阀控制，流出量Q2则由负载阀来改变。水位 H 的变化反映了流入量 Q1和

53、流出量 Q2不等而引起水箱中蓄 水或泄水的过程。当水的流入量与流出量相等的时候，水位保持不变。当控制阀突然开 大，水的流入量阶跃增多，水位开始上升。随着水位的升高，水箱内水的静压力增大， 则水的流出量也随之增多， 最终会使得流入量和流出量相等， 水位就再次平衡稳定下来。鄭饩腸绊頎鎦鹧鲕嘤錳。三容水箱可以看成是一个三阶系统也可以看成是一个一阶滞后系统，本设计中三容水箱的传递函数可以近似为 10 ：弃铀縫迁馀氣鰷鸾觐廩。式(3.14)调谇續鹨髏铖馒喪劉薮。0.00015G(s) 3 2 6s3 0.85s2 0.0014s 2.5 10 63.3.2 三容水箱的 Simulink 仿真PID 控制

54、系统仿真如图 3.17图 3.17 PID 仿真模型控制器参数由人工多次尝试得出，通过仿真曲线的比较可以得到一组较好的控制器参数 Kp=0.1，Ki=0.005，Kd=1。图 3.18 是仿真得到的响应曲线。由图可知，三容水箱系统平衡大约需要 800 秒，并有较大的超调量厲耸紐楊鳝晋頇兗蓽驃。图 3.18 三容水箱 PID 仿真曲线对于三容水箱这样复杂系统而言，上升时间和超调量是一对矛盾。为了使下水箱的 液位较快达到设定值，势必向上水箱大量注水。当下水箱液位接近或达到设定值时，此 时减小甚至停止注水也为时已晚。因为上水箱和中水箱此时也有大量的储水，正是这些 水流向下水箱导致了超调。如果等到超调

55、量减小，下水箱液位再次接近或达到设定使才 开始注水，会因为上水箱和中水箱会储水而使得下水箱液位依然不可能维持。这也正说 明了三容水箱的大惯性。 苧瑷籮藶黃邏闩巹东澤。3.4 本章小结行了 PID 参数的相关分析鴿摄禱鋅儀憚銼嚕缗赞。本章主要利用单、双、三容水箱液位控制系统，简要分析了液位控制系统工艺流程 及其运行过程的静、动态特性，对常见的 PID 控制算法实施控制的原理进行了分析与研 究，在此基础上，应用 MATLAB 系统仿真工具对单、双、三容水箱液位控制系统进行 了建模仿真，研究了系统的运行特性，对系统运行过程中的物理量进行了控制，并且进对于水箱液位控制系统，控制器参数选择适当就可以实现

56、无静差，且具有较好的动 态过程控制。 P参数不宜选择过大， 否则系统会出现不稳定情况。 I 参数应选择较小的积 分时间，可以出现衰减振荡过程。通常对大多数的自动控制系统的动态过程出现衰减振 荡过程是人们所期望的， 但也不宜过小，过小的话系统会趋向不稳定。 D 参数调整得当， 可以使过渡过程缩短，增加系统的稳定性，减少动态偏差。如果微分时间过大，系统变 得非常敏感，控制系统的控制质量将变差，甚至变成不稳定。 箪啬癲剀净赶钩嬙鳄凫。在单容水箱控制系统中， 采用 PI 调节作用， 对抗干扰性能的要求就能很好地满足。 在双容水箱液位控制系统中，将单容液位水箱控制系统试用成功的控制器参数应用到双 容液位控制系统的控制器参数中，从仿真曲线的分析比较中证明了控制器参数整定的重 要性。在三容水箱控制系统中，由于其对象模型复杂，所以没有得到很好的控制效果。 顽鷙瑪滨廈岘轆庫糞糧。第四章 换热器温度控制系统仿真研究4.1 换热器的数学模型换热器传热过程在工业生产中应用极为广