基于PID控制的电锅炉温度控制系统的仿真毕业论文

1、TheThe ElectricElectric本科毕业论文基于 PIDPID 控制的电锅炉温度控制系统仿真oileroiler TemperatureTemperature ControlControlSystemSystem BasedBased onon PIDPID ControlControl SimulationSimulation 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。院系名称：专业班级：学生姓名：学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称：2014年5月日 期：日 期：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指 导下进行的研究

2、工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致 谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包 含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对 本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说 明并表示了谢意 。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。作 者 签 名： 指导教师签名：使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的 规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学 校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览 服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不 以赢

3、利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容 。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。作者签名： 日 期：目录摘 要. . 1Abstract： . 1 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。Keywords . 1 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。第 1 1 章引言 . . 2 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.1 课题的提出与意义 .2. 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.2 工业控制的发展概况 .2. 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.3 传统控制方法的特点 . .3. 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.4 智能控制方法概述 .5. 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.4.1 智能控制方法的起源、发展和分类 . .5. 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.4.2 智能控制方法

4、的特点 . .6. 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.5 论文的主要研究内容 .7. 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。第 2 章被控对象及控制策略研究 . .8. 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.1 被控对象及其原有控制方案 .8. 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.1.1 被控对象分析 .8. 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.1.2 原有控制方案 .9. 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.2 控制策略研究 .1.0. 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.2.1PID 控制基本理论 .1.0 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.2.3 设计 PID 控制器时注意事项 . .1.4 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.3 本章小结 .1.5. 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。第

5、3 章控制系统特性及仿真工具的研究 . .1. 5 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.1 电锅炉温度控制系统特性 .1.5 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.2 仿真工具 .1.7. 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.2.1 MATLAB 简介 .1.7 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.3 Simulink 简介和使用 .1.7 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.3.1 Simulink 简介与开发环境 .1.7 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。第四章控制系统仿真研究 . .1. 9 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。4.1 PID 控制器设计 .1.9 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。4.2 PID 参数的整定 .2.2 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。4.3 控制系统

6、方案的分析与选择 .2.6 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4.4 本章小结 .2.7. 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。结论 .2.7. 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。致谢 . .2.8. 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。参考文献 .2.8. 谚辞調担鈧谄动禪泻類。基于 PIDPID 控制的电锅炉温度控制系统仿真摘 要：温度控制在工业中控制中一直是富有新意义的课题，对于不同的的控制对象有 不同的控制方式和模式。 温度系统的惯性大， 滞后现象严重， 难以建立精确的数学模型， 给控制过程带来很大的难题。本文以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以 达到系统稳定，调节时间短且超调量小的性能指标。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。本文对电锅

7、炉可采用的控制方案进行了深入研究， 首选的方案是 PID控制。温度 PID 控制器的原理是将温度偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对控制对象 进行控制。 PID 控制的重点是参数的调节，本文利用人工整定方法对参数进行整定。 熒绐 譏钲鏌觶鷹緇機库。借助 matlab 中的 Simulink 工具箱对电锅炉 PID控制系统进行仿真分析。结果表明当 采用不同的参数整定方法的时候，其仿真出来的效果是不一样的，因此，是否能选择出 一种相对来说比较合适的参数整定方法是很重要的，本文采取了三个参数整定的方法， 它们分别是 Ziegler-Ncihols 参数整定 ，Cien-Hrones 参数

8、整定和人工参数整定，在这三 种方法中，经过多次试验，选取一种最为合适的方法，要求调节时间与超调量都相对来 说比较合适。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。在分析电锅炉供暖系统对控制器要求的基础上，设计相应主程序流程图，然后进行 数据的变换，要求仿真出来相应的曲线图，要做到仿真结果简单直观。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 关键词 ：温度控制 参数整定 仿真SimulationSimulation onon PIDPID ControlControl SystemSystem ofofTemperatureTemperature forfor ElectricElectric BoilerBoilerAbstrac

9、tAbstract：Temperature control is a topic full of new meanings in industry,to diferent control object, there are diferent methods and modes. But it is difficult to control well because of characteristics of the temperature itself, such as its great inertia, serious time-lag and the difficulty to esta

10、blisha naccuratem athematical model of the object. A duty in this thesis is to study a kind of appropriate control method to the temperature ofthe electric boiler.Its technology requirement are:regulating time must be short,overshoot must be small and the control system must be stable颖. 刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。Th

11、e method of the electric boiler control is studied deeply by the thesis.Thefirst is PID control.Principle of temperature PID controller is to control the object by thlinearcombination of temperature deviations proportional, integral andderivative. 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。In this th esis,the PID controls ystem ar

12、e simulated by using Simulink and fuzzy logic tools in MATLAB. When you use the diferent ways of parameters tuning , the result is also diferent, so,it importasn t to find a suitable way ahout the parameters tuning. In this th esis, three means of parameters tuning are be used ,they are Ziegler-Ncih

13、s s oplarameters tuning銚銻縵 哜鳗鸿锓謎諏涼。C Cien-Hrones parameters tuning and manpower adjust.In this three ways,after many test to find the most suitable way Its technology requirement are:regulating time must be short,overshoot must be small and the control system must be stab挤le貼. 綬电麥结鈺贖哓类。In this tesis

14、,basing on the request of the electricb oilerh eatings ystem to thecontroller, main program flow chart should be devised,then change the data simulation the curve graph and it should be simpleness and directly perceived through the senses and 赔荊紳谘 侖驟辽輩袜錈。KeywordsKeywords: temperature contronl; param

15、eters tuning; simulation塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。第 1 1 章引言1.1课题的提出与意义在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验普遍而且重要 的物理参数之一。 在生产过程中， 为了高效地进行生产， 必须对它的主要参数， 如温度、 压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于 测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术己经比较成熟。由于控制对象越 来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同 系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空 间的温度进行控制

16、调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电锅炉温度控制的方 法。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置。具有结构简单、无污染自动化程度高 等特点. 与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、 操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。近年来，电锅炉已成为供热采暖的主要设 备。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有 非线性。目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用 这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。 另外，频繁的开关切换对电

17、网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的 使用年限。因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有 重要的意义。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。1.2工业控制的发展概况工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段 :50年代末起到 70年为第一阶段， 即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理 论应用和发展时期 ;70年代至 90年代为第二阶段， 即现代控制理论阶段 ;90 年代至今为第 三阶段，即智能控制理论阶段。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。第一阶段 : 初级阶段。它以经典控制理论为主要控制方案，采用常规气动、液动和 电动仪表，对生产过程中

18、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，设计了一些专门的控制算法 如达林顿算法、 Smith 预估器、根轨迹法等。这阶段的主要任务是稳定系统、实现定值 控制。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。第二阶段 : 发展阶段。以现代控制理论为基础，以微型计算机和高档仪器为工具， 对复杂现象进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继 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，以满足复杂的

19、工艺要求，提高控制质量。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。第三阶段 : 高级阶段。不论从历史和现状，还是从发展的必要性和可能性来看，控 制方法主要朝着综合化、智能化方向发展。尤其近些年来人工智能理论的迅速崛起为控 制的智能化提供了一个腾飞的工具。智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制 系统是最有潜力的三种方法。专家系统在工业生产过程、故障诊断和监督控制以及检测 仪表有效性检测等方面获得成功应用 ; 神经网络则可为复杂非线性过程的建模提供有效 的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上 ; 模糊系统不仅有行之有效的模糊 控制理论为基础，而且能够表达确定性和不确定性两类经验，并提炼成为知识进而改善

20、 己有控制。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。应用经典控制理论的前提是 : 必须有一个高阶微分方程式来描述系统运动状态的数 学模型，是建立在频率法的基础上的。而现代控制理论主要用来解决多输入多输出和时 变系统的问题， 它的数学模型是用一个一阶微分方程组 （即状态方程 ）或差分方程组来描 述，是一种时域表示方法。这两种方法在精确数学模型的自动控制系统中发挥了巨大的 作用，并取得了令人满意的控制效果。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。1.3传统控制方法的特点建立在状态空间法基础上的一种控制理论， 是自动控制理论的一个主要组成部分。 在现代控制理论中， 对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进 行的，

21、基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要 广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系 统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和 构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。现代控制理论是在 20世纪 50 年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。 空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理， 以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少 燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用 经典控制理论难以解决。 1958 年，苏联科学家 . .

22、庞特里亚金提出了名为极大值原 理的综合控制系统的新方法。 在这之前，美国学者 R.贝尔曼于 1954 年创立了动态规划， 并在 1956 年应用于控制过程。 他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题， 并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。 19601961 年，美国学者 R.E. 卡尔 曼和 R.S.布什建立了卡尔曼 - 布什滤波理论，因而有可能有效地考虑控制问题中所存在 的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在 同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对 揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中

23、能控性和能观测性尤为重 要，成为控制理论两个最基本的概念。到 60 年代初，一套以状态空间法、极大值原理、 动态规划、卡尔曼 - 布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立， 这标志着现代控制理论的形成。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。学科内容 现代控制理论所包含的学科内容十分广泛，主要的方面有：线性系统理 论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。最优控制理论 最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础， 主要研究受控系统 在指定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。在最优控制理论中，用于综合最 优控制系统的主要方法有极大值原理和动态规划

24、。 最优控制理论的研究范围正在不断扩 大，诸如大系统的最优控制、分布参数系统的最优控制等。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确数学型基础之上 的。但在实际系统中被控对象一般都具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性 和非线性的特点，这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参数之间的祸合交错，而且 包含被控量、操作量和干扰量之间的联系 ; 不确定性不单指结构上的不确定性，而且还 指参数的不确定性 ; 非线性既有非本质的非线性，又有本质非线性。由于被控对象的这 种复杂性，决定了控制的艰难性。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。传统控制方法绝大多数是基于被控对象的数学

25、模型，即按照建模控制化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低，尽管目前的建模理论和方法已有长足的长进，但仍 有许多过程和对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，使我们不得不对被控对象进行简 化或近似，将一理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果自然会大打 折扣，因用传统的控制手段进一步提高控制对象的质量遇到了极大的困难，传统控制方 法面临着严峻的挑战。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。1.4智能控制方法概述1.4.1智能控制方法的起源、发展和分类工业控制中存在着工业过程复杂、数学模型难以确定的系统，智能控理论的产生正 是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出的。 1987年智能控制正式

26、成为一 门独立的学科，它是人工智能、运筹学和自动控制理论等多学科相结合的交叉学科。它 与传统控制的主要区别在于可以解决非线性模型化系统的控制问题。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。目前， 根据智能控制发展的不同历史阶段和不同的理论基础可以将它为四大类 : 基 于专家系统的智能控制、分层递阶智能控制、模糊逻辑控制、神经网络控制。 沩氣嘮戇苌鑿 鑿槠谔應。专家控制是基于知识的智能控制， 由关于控制领域的知识库和体现该知识决策的推 理机构构成主体框架，通过对控制领域知识 （先验经验、动态信息、目标等 ） 謾饱的获取与组 织，按照某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，进而对控制队象实施控制，或 修改补充知识

27、条目。其主要优点是层次结构、控制方法和知识表达上的灵活性较强，既 可以符号推理， 又允许模糊描述演绎。 但灵活性同时带来了设计上的随意性和不规范性， 而且控制知识的获取、表达和学习，以及推理的有效性也是难点。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。分层递阶智能控制模拟人脑的分层结构，由执行级、协调级和组织级构成。它不需 要精确的模型，但需要具备学习功能，并能接受上一级的模糊指令和符号语言。其特点 是自下而上智能递增而精度递减，即执行级用于高精度局部控制，协调级用于知识和实 际输出调整执行级中的控制参数，而组织级进行推理决策和自主学习。该控制方法主要 用于那些存在不确定性的系统，如机器人控制等，但应用范围有限。

28、 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。智能控制的发展主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的不断成熟。 90年代 后，智能控制的集成技术研究取得很大重大进展，如模糊神经网络、模糊专家系统、传统PID控制与智能控制的结合等。这些都为智能控制技术的应用提供了广阔的前景。兗争詣繚鮐癞别瀘。模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式，作为智能控制的一个重要分支，自 从1974年英国的 Manldani 第一次将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制， 特别 是近几年得到了飞速的发展。模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它采用了 人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理 等

29、工具，得到的控制表格进行控制。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。 模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法比拟的优点 :1.使用语言规则，不需要掌握过程的精确数学模型。因为对于复杂的生产过程很难 得到过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。2.对于具有一定操作经验，但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。3.操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系， 这些模糊条件语言很容易加 入到过程的控制环节。4.采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规的 PID控制，并对过程参数的变化 具有很强的适应性。神经元的数学模型是由 McClulcoh 和Piet 两位科学家在

30、 1934 年首先提出来的。它 本身是一种控制策略的工具支持，各神经元并没有显在的物理意义。神经网络的主要特 点是具有学习能力、并行计算能力和非线性映射能力。充分利用神经网络的这些能力来 解决众多非线性、强耦合和不确定性系统的建模、辨识和控制问题是神经网络研究的主 要课题。神经网络建模以其独特的非传统表达方式和固定的学习能力实现系统输入输出 的映射，并在短时间内得到迅速发展。尤其在传统建模方法难以对非线性系统的建模有 所突破的形势下，神经网络更表现出其巨大的潜力。神经网络作为智能控制器主要采用 直接自校正控制、间接自校正控制、神经网络预测控制和神经网络模型参考自适应控制 等几种方法。 麸肃鹏镟

31、轿騍镣缚縟糶。1.4.2智能控制方法的特点智能控制是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以 实现控制目标的控制策略。 納畴鳗吶鄖禎它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计 算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道被控对象精确数学模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线銣腻鰲锬。一般来讲 ，智能控制具有以下一些特点 :1.学习能力 智能控制可以对一个过程或其环境的未知特性所固有的信息进行学 习，并将得到的经验用于进一步估计、分类、决策或控制，这有利于对未知对象进行认 知和辨识并进一步改善控制系统的控制性能。 風撵鲔貓

32、铁频钙蓟纠庙。2.组织综合能力 对复杂的任务和分散的传感器信息，具有处理、组织、协调和综 合决策能力，并在进行过程中表现出类似于人的主动性和灵活性。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。3.适应能力 由于智能控制不依赖于对象模型，智能行为表现为从系统输入到输出 的映射关系，即使输入时系统从未有过的例子，系统通过插补、归类等方法，也能给出 适当的输出。如果系统中某部分出现故障，仍能正常工作，并给出警告信号，甚至自行 修复。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。4.优化能力 智能控制具有在线特征辨识、特征记忆和拟人等特点，故在整个控制 过程中，计算机能够在线获得信息、实时处理并给出控制决策，通过不断优化参数和寻 找控制器最佳

33、结构形式，来获得整体的最优控制性能。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。因此就目前而言， 智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个 重要途径。在各种仪表高速发展的今天，控制装置己经不是主要问题，影响被控对象性 能指标的主要因素取决于控制器本身， 控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量 和生产率。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。1.5论文的主要研究内容本课题的具体研究内容如下 :1.结合电锅炉水温上升过程的特点，对被控对象进行理论分析，建立被控系统的数 学模型，提出适合于锅炉水温过程控制的纯 PID控制方法。并对控制算法的实现、控制 器的设计和参数调整进行深入研究。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。2 运

34、用MATLA软B件的 Simulink 开发环境对上述这种方法进行建模仿真， 并对控制性 能指标进行分析，确定出符合控制系统输出响应速度快、超调量小和稳定误差小的控制 算法。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。3.结合电锅炉供暖系统对控制器的要求，设计一个智能温度控制器，包括: 总体方7案设计、部分软件设计、系统仿真等。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。第 2 章被控对象及控制策略研究2.1被控对象及其原有控制方案2.1.1被控对象分析电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置。其工作原理与传统意义上的 锅炉有相似之处，从结构上看也有“锅”和“炉”两大部分。 “锅”是指盛放热介质 （ 一 般是水）的容器，而“炉

35、”这里指加热水的电热转换元件。目前国内外生产的电锅炉有 很多种型式，从整体结构上分有立式、卧式、多单元式等 : 从传热介质上分有热水锅炉、 蒸汽锅炉和有机载体锅炉 ; 从电加热原理上可分为电热管式、电热棒式、电热板式、电 极式和感应式等 ; 从供热方式上有直热式和蓄热式等。 本文研究对象为直热式热水锅炉， 采用电阻式加热，工作压力为 0.4Mpa，锅炉内最高水温 95。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。当电锅炉工作在 0.4Mpa时，水的饱和温度为 144 ，最高水温 95使锅炉远离了工 作压力下的饱和温度及加热元件表面的过度沸腾难以控制的现象，同时，95 的水温基本上不产生蒸汽。产品安装示意图如图 2

36、.1 所示。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。从电锅炉的安装示意图可以看出，电锅炉的热水经供暖出水口送至散热片，通过散 热片向供热区释放热量。可见供热区的温度是控制参数，操作量是电锅炉内的热水。通 过调节阀的开度，保证供热区的等温特性 ; 通过水位的判别，调节补水阀的起、停。因 此本文的研究目的是结合电锅炉水温上升的特点，对它的温度进行控制，达到调节时间 短、超调量小且稳定误差小的技术要求。 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。在生产过程，控制对象各种各样，理论分析和试验结果表明 : 电加热装置是一个具 有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统，通过参数辨识可 以降为一阶模型。参数辨识就是根据实验

37、数据和建立的模型来确定一组参数值，使得由 模型计算得到的数值结果能最好的拟合测试数据（曲线拟合问题） ，从而可以为生产过 程进行预测，提供一定的理论指导。 当计算得到的数值结果与测试值之间的误差较大时， 就认为该数学模型与实际的过程不符或者差距较大，进而修改模型，重新选择参数。因 此，参数辨识问题是一个逆问题，参数估计的好坏决定了用模型来解释实际问题的可信Gsk e sTS 1(2-1)度。经过多方查证，发现一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。其传 递函数可由式 (2-1) 表示 : 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。式(2-1) 中 K 对象的静态增益T - 对象的时间常数- 对象的纯滞后

38、时间对象中的特性参数对其输出的影响 :1.放 大 系 数K 放大系数 K也就是传递系数，它与被控量的变化过程无关，其值表 示输入对输出稳态值的影响程度。 K值越大，表示被控对象的自平衡力小 ;K 值小，对象 自平衡能力大。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。2.时 间 常 数T 时间常数 T的大小反映了对象受到阶跃干扰后，被控量达到新的稳 定值的快慢程度，即时间常数 T是表示对象惯性大小的物理量。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。图 2.1 电 锅 炉 安 装 图2.1.2原有控制方案目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。1. 开关式控制方法 以预控制的温度为标称值，据此设定一个控制上限，

39、一个控制 膨胀水箱嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。下限。当温度不在此范围内时，电热锅加热，否则停止加热。这种方法主要存在以下几 个问题 : 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。 在实际工程中达不到理想的控制效果，系统的稳定性不好 . 由于系统只是采用简单的开关量启动或关闭，使系统出现反复振荡，且对电网 产生很大冲击，运行成本很高。2.人工控制方法 人工控制方法是通过工作人员的操作经验，简单的对锅炉进行操作. 因此，很难提高系统的控制精度和实现低成本运行。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。针对市面上电锅炉的粗犷式控制方法，要提高系统控制精度和实现低成本运行，必 须寻找一种新的解决方案。2.2控制策略研究通过对电锅炉的结构和系统研

40、究确定出可采用的研究方案，首选采的控制方案是 PID控制，它是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过程的线性定常系统， 大多采用经典控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差， 在大多数情况下能够满足性能要求。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。2.2.1PID 控制基本理论PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种比例、积分、微分并 联控制器。它由于用途广泛、 使用灵活，已有系列化产品， 使用中只需设定三个参数 （Kp， Ti 和Td）即可。在很多情况下， 并不一定需要全部三个单元， 可以取其中的一到两个单元， 但比例控制单元是必不可少的。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。

41、首先， PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可 以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PID就可控制了。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓 泺。其次， PID参数较易整定。也就是， PID参数 Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及 时整定。如果过程的动态特性变化， 例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化， PID 参数就可以重新整定。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。PID是工业生产中最常用的一种控制方式， PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪 表之一， PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳10PID控制参数浹繢腻叢着駕骠構砀湊。常

42、规PID控制系统原理框图如图 2.2 所示理想的 PID控制器根据给定值 r(t) 与实际输出值 c(t) 构成的控制偏差 e(t) e(t )= r(t)-c(t ) (2-2) 将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。1 t de tu t K p e t0 e t dt Td(2-3)T 0 dt式中 u(t) 控制器的输出 ;e(t) 控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号kp e(t) 比例控制项， Kp为比例系数 ;T1i e(t )dt 积分控制项， T1为积分时间常数 ;Td d e(t) 微分控制项， Td 为微分时间常数 。d dt

43、 dki 积分系数， ki kp Tikd 微分系数， kd kpTd在图2.2 的基础上分析一下 PID控制器各校正环节的作用11图2.2 基本 PID控制系统原理图1.比例环节 比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号 e（t） ， 以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。随着比例系数凡的增大，稳定 误差逐渐减小，但同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增大。比例控制是一种最 简单的控制方式。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steady-state error ）。鈀 燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。2 .积分环节 积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状

44、态时， 则此控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。 积分作用的强弱取决于积分时 间常数 Ti ，时间常数越大积分作用越弱，反之越强。随着积分时间常数不的减小，静差 在减小 :但过小的积分常数会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。在积分控制中，控 制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态 后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steady-state Error ）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项 对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也

45、会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直 到等于零。因此，比例 +积分（ PI ）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 惬執 缉蘿绅颀阳灣熗鍵。3.微分环节 微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度， 它可以预 测将来，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变太大之前，在系统引入一个 有效的早期修正信号，从而加速系统的动态速度，减小调节时间。在微分控制中，控制 器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服 误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件 （环节） 或有滞后（ delay

46、）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决 的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应 该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是 放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样， 具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从 而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（ PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。在计算机直接数字控制系统中， PID控制器是通过计算机 PID控制算法程序实现的

47、。12 进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，才能进入计算机的 存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值 计算去逼近。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。2.2.2PID 参数整定的一般方法通过改变控制单元参数，如比例度 、积分时间 Ti、微分时间 Td 等，改善系统的动 态、静态特性，以求取较佳的控制效果的过程。工程上，对简单控制系统，整定参数的 方法有临界比例度法、反应曲线法、衰减曲线法、经验法等 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。PID控制器的参数整定是控制系统的核心内容。 它是根据被控过程的特性确定 PID控 制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

48、 PID控制器参数整定的方法有很多，概 括起来有两大类：一是理论计算整定法。她主要是依据系统的数学模型，经过理论计算 确定控制器参数。这种方法所的到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进 行调整和修改。二是工程整定法，它主要是依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进 行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定法， 主要有临界比例法，反应曲线和衰减。三种方法各有其特点，其共同特点是通过实验， 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法，都需要在实际 运行中进行最后调整与完善。现在一般采用临界比例法。利用该方法进行PID控制参数的整定步

49、骤如下： 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。（1）首先预选一个足够短的采样周期让系统工作； （2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时 的比例放大系数和临界振荡周期； 绅薮疮颧訝标販繯轅赛。（ 3）在一定的控制度下通过公式计算得到 PID控制器的参数。 PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定，另一方面是经 验。 P是解决幅值振荡， P大了会出现幅值振荡的幅度大，但振荡频率小，系统达到稳定 的时间长。 I 是解决动作响应的速度快慢的， I大了，响应速度慢，反之则快。 D是消除 静态误差的，一般 D设置都比较小，而且对系统的影响比较小。 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛

50、。Ziegler-Nichols 整定方法Ziegler-Nichols 法是一种基于频域设计 PID控制器的方法。 基于频域的参数整定是 需要参考模型的，首先需要辨识出一个能较好反应被控对象频域特性的二阶模型。根据 这个模型，结合给定的性能指标可推出公式，而后用于 PID参数的整定。 烴毙潜籬賢擔視蠶贲 粵。13基于频域的设计在一定程度上回避了精确的系统建模， 而且有较为明显确的物理意 义，比常规的 PID控制可适应的场合更多。目前已经有一些基于频域设计 PID控制器的方 法， 如Ziegler-Nichols 法， Ziegler-Nichols 是 最常用 的整定PID参 数的 方法 。

51、 Ziegler-Nichols 法是根据给定 对象 的瞬 态响应特点来确定 PID控 制器的 参数 。 Ziegler-Nichols 法首先通过实验，获取控制对象的单位阶跃响应，如果单位阶跃响应 曲线看起来是一条 S形状的曲线，则可以用这个方法，否则不能用。 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。2.2.3 设计 PID 控制器时注意事项1.按照被控对象的特性选择控制器 在使用模拟控制器时，由于各行各业应用对象 的特性是不相同的，如对象很敏感，或被控流量常是脉动状态时，就不应再用微分功能 了，否则会使脉动信号变化加剧。再就是间歇或断续生产的控制过程中有其特殊性，通 常问题要求按照被控对象的特性来选择控制器

52、。 对于有经验的仪表工大多是按照自己的 实践经验来确定控制器的选择。 而且 PID控制器是最多的， 以为它可以解决大部分的问 题撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。2.积分饱和现象及其抑制 采用标准 PID位置式算法，在实现控制的过程中，只要 系统的偏差没有消除， 积分作用就会继续增加或减小， 最后使控制量达到上限或者下限， 系统进入饱和范围。而对时间常数较大的被控对象，在阶跃响应作用下，偏差通常不会 在几个采样周期内消除掉，积分项的作用就可能使输出值超过正常范围，造成较大的超 调。为了克服这种现象，可以采用过限消弱积分法和积分分离法。 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。过限消弱积分法就是在控制变量进入饱和区后，程序只

53、执行削弱积分项的运算，而 停止增大积分项的运算。积分分离法的基本思想是 : 当误差大于某个规定的门限值时，删去积分作用，从而 使积分项不至于过大，只有当误差较小时，才引入积分作用，以消除稳态误差。 婭鑠机职 銦夾簣軒蚀骞。3.干扰的抑制 数字 PID控制器的输入量是系统的给定值 r 和系统实际输出 y的偏差 值e。在进入正常调节过程后，由于 e值不大，此时相对而言，干扰对控制器的影响也就 很大。为了消除干扰的影响，除了在硬件采取相应的措施以外，在控制算法上也要采取 一定的措施。 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。对于作用时间较短的快速变化的干扰，如 A/D转换偶然出错，可以用连续多次采样14 并求平均值的

54、方法予以滤除。在 PID控制算法中，差分项对数据误差和干扰特别敏感。 因此一旦出现干扰，由它算出的结果可能出现很大的非希望值。 俦聹执償閏号燴鈿膽賾。4.认真做好控制器的参数整定 控制系统能否稳定的处于自动运行状态，与控制器 PID参数整定具有重要的关系，要多采用几种参数整定方法，选取最佳方案。缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。2.3本章小结温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。本文在分析电锅炉温度 控制系统特点的基础上，提出用一阶惯性滞后环节来描述温控系统的数学模型。本章在 分析了电锅炉温度控制系统原有控制方案的基础，提出新的控制策略，即PID控制，分析了这种控制方法的基本理论及控制特点，介

55、绍了这种控制器的设计及控制算法的实 现。 骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。第 3 章控制系统特性及仿真工具的研究仿真是对实际过程的模拟，系统仿真就是在数学模型的基础上，以计算机为工具对 系统进行实验研究的一种方法。系统仿真根据真实系统的数学模型建立仿真模型，对系 统环境加以模拟，在计算机上进行分析、计算、研究获得真实的定量关系。本章通过对 系统采用不同的参数调整策略，得出它们各自的仿真结果，然后进行分析比较，从中找 出一个合乎要求的解决方案。 癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。3.1 电锅炉温度控制系统特性1. 电锅炉允许最高温度 95 。2. 温度控制通过单片机实现，由控制算法计算出输出量，根据输出量判断继电器

56、的通断。3.工艺要求电锅炉的温度控制过程包括两个阶段。 自由升温段 : 要求锅炉水温快速升至温度设定值。15 保温段 : 水温升至设定值后要求温度维持设定值基本不变。 水温的检测元件采用数字式传感器。电锅炉的温度控制系统是常见的确定性系统，采用飞升曲线测量方法，测出锅炉 温控制系统的飞升曲线，即可得到控制对象的数学模型。 鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。曲线上变化最快处作切线，与 t 轴交于 B 点，交稳态值的渐近线于 A 点，A 点在 t 轴的投影为 C点，则 OB为过程量滞后时间 ，BC为过程的时间常数 T，此处分别为 122s 和 120s。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。这里要说明的是 : 在测试飞升曲线

57、时，一般阶跃信号不从零开始，否则会使系统造 成很大的非线性，影响被测对象的正常工作。一般作法是给调节对象输入到使被控对象 开环稳定运行于实际工况附近，并以此输出值作为纵坐标的原点（0 值） ，然后在加一阶跃输入信号，使被控对象输出随之发生变化，最后稳定在一个值。 逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。由此方法可以得到电锅炉温度系统的传递函数为图 3.1 温度飞升曲线G(s)1.25e 122s120s 13-1)163.2 仿真工具仿真是控制系统进行科学研究的重要方法，通过仿真来分析各种控制策略和方案对控制系统的性能，优化相关参数，以获得最佳控制效果。 幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。3.2.1 MATLAB 简介MA

58、TLAB 是美国 MathWorks公司出品的商业数学软件， 用于算法开发、数据可视化、 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink两大部分。 MATLAB（MATrix LABoratory ，即矩阵实验室 ）是CleveMfoer 博士 在NewM exico大学讲授线性代数时，发现用高级语言编程极为不便而构思开发的。它是 集命令翻译、 科学计算于一身的一套交互式软件系统。 系统经过几年的试用之后， Moler 博士等一批数学家与软件专家组建了一个名为 Mathworks的软件开发公司，专门扩展并 改进MATLA，B 推出了该软件的正式

59、版本。除原有的数值计算能力外，还增加了图形处理 功能。MathwbrkS 公司于1993年推出了基于 Windows平台的MATLAB4.0。MATLAB4版x在继 承和发展其原有数值计算和图形处理能力的同时，还推出了符号计算工具包、 Notebook 和一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境 Simulink 。誦终决懷区馱倆侧澩赜。3.3 Simulink 简介和使用3.3.1Simulink 简介与开发环境Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一， Math Works 公司在推出 MATLAB 的同 时还推出了最新版本的 Simulink 。Simulink 是

60、Simulation（仿真）与 Link （链接）的简 写形式，它是一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，不用大量 的书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统模型。Simulink 具有适用面广、 结构和流程清晰及仿真精细、 贴近实际、效率高、 灵活等优点， 广泛应用于控制理论和数字信号处理等复杂系统的仿真和设计。 医涤侣綃噲睞齒办銩凛。Simnlink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包四。它除了包括 输入模块、输出模块、连续模块、离散模块、函数和表模块、数学模块、非线性模块、17 信号模块以及子系统模块外，还包括各个工具箱特有的模块，