【《基于MATLAB锅炉内胆水温定值控制系统设计》7100字（论文）】

图32所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12锅炉内胆水温定值控制系统对数频率特性曲线从对数频率特征曲线中的幅频特性情况可以得知，其系统的幅值裕量参数Kg=1.0279>1；在相频特性曲中可得系统相角裕量参数γ=13.2348>0。因此，锅炉内胆水温定值控制系统是稳定的。本章小节本章根据第二章所建立的锅炉内胆水温定值控制系统数学模型，分别采用了时域法和频域法对系统的性能指标进行分析。

基于PID控制的锅炉内胆水温定值系统设计根据第3章的锅炉内胆水温定值控制系统的分析可知，系统的调节时间较长，且稳定裕度较低，本章通过设计系统的PID控制器，增强系统的稳定性，并提高系统的动态响应过程。PID控制器介绍比例-积分-微分控制器，这是有着简单架构特点、较高可靠性特点以及较为理想的鲁棒性特点等，在过程控制领域与运动控制领域中大量使用，特别是应用在创建精确数学模型所对应的控制系统中[8]。PID控制器参考系统的误差情况，借助于比例形式以及微积分形式等，采用线性组合方式创建控制量集合，从而展开被控对象的控制操作，相关内容见图4-1。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s11PID控制原理图控制器的输入为给定锅炉内胆水温与由传感器检测回来的实际水温之差，即 Te(t)=Tr(t)–Ts(t)那么，PID算法的控制规律为 其中，u(t)代表的是控制器的输出参数，Kp代表的是比例系数参量，TI、代表的是积分时间常数参量以及Td代表的是微分时间常数参数等。对PID算法对应的控制规律展开拉氏变换，由此获取以下公式： 其中，Kp代表的是比例系数参量；KI=Kp/TI代表的是积分系数参数；Kd=Kp/TD代表的是微分系数参量。PID控制器参数整定基于PID控制器的锅炉内胆水温定值控制系统框图如图4-3所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s12基于PID控制器的锅炉内胆水温定值控制系统框图其中，。为了提升系统的稳态性能和动态性能，要创建更具适应性的PID参量，在工业领域中主流的分析方式包括PID整定方法有经验研究手段、衰减曲线研究手段以及响应曲线研究手段等[8]。本文已经求得了被控对象的传递函数，因此，响应曲线法无疑是比较好的方法。但是，考虑到温度传感器的传递函数采用了一定的近似，因此，可根据PID控制律的特点，依据经验法对响应曲线法得到的PID参数进行微调。接下来分别对这两种方法进行介绍。响应曲线法由于本文所设计的锅炉内胆水温定值控制系统，其阶跃响应可根据带有时滞环节的一阶近似模型来表示，即 响应曲线研究方式是参考被控对象对应的瞬态响应特性参数K与T以及τ等，以此获取PID控制器的对应的参数，相关内容见表4-1[8]，其中ε表示飞升速度。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s11响应曲线法整定PID参数控制器类型比例度δ（%）积分时间常数（TI）比例时间常数（TD）PετPI1.1ετ3.3τPID0.85ετ2τ0.5τ利用该方法的整定步骤是：Step1：断开反馈通道，给被控对象锅炉内胆一个阶跃信号输入；Step2：观察输出的曲线信息，记录输入信号对应的最大参量（umax）、最小参量（umin）以及输出曲线的最大参量（Tmax）及其最小值（Tmin）,惯性时间常数T和延迟时间常数τ；Step3：根据下式计算飞升速度ε；Step4：根据表4-1得到PID参数，其中Kp=1/δ。由此，便可得到锅炉内胆水温定值控制系统的PID参数。经验法在介绍经验法之前，先介绍PID参数对系统性能的影响：（1）比例系数参量（Kp）分析：处于比例控制过程中，控制装置的出入误差信号与其输出误差信号间呈现出正相关关联。当Kp太小，锅炉内胆水温定值控制系统存在缓慢的动作情况；如果增加参数Kp值，这是要锅炉内的水温定值控制系统出现更加快速的运作与灵敏的动作情况，不过也是相应的加剧其震荡频率，从而会加大其调节时间长度，甚至造成系统运作出现非稳态情况，这也就表明锅炉内胆水温定值控制系统在输出过程中具备稳态误差现象。（2）积分系数参量（KI）分析：处于积分控制过程中，控制装置的出入误差信号与其输出误差信号间呈现出积分正比关系。当KI太小时，积分对锅炉内胆水温定值控制系统的影响变弱；当KI太大时，锅炉内胆水温定值控制系统震荡严重，甚至不稳定。与比例系数不同的是，合适的积分系数（KI）参量后，这是能够解决稳态误差问题。（3）微分系数（KD）：处于微分控制过程中，制装置的出入误差信号与其输出误差信号间呈现出变化率参数的正比关系。对于锅炉内胆水温定值控制系统来讲，引入微分系数参量（KD）可以降低超调现象，减少调节时间长度，降低稳态误差情况，不过当这个参数未处于合理区间时，锅炉内胆水温定值控制系统的超调将增大，调节时间也随之加长。而经验法则是根据经验，选择一组参数，让锅炉内胆水温定值控制系统暂时先运行，然后观察动态（上升时间）、稳态指标（稳态误差），然后根据比例系数（Kp）、积分系数（KI）、微分系数（KD）对系统性能的影响，再调整参数，再运行……直至满意为止。本章小节本章重点探讨PID控制器的工作机理，深入探讨PID控制器参数整定的设计思路，进而完成系统的控制工作。基于PID控制的锅炉内胆水温定值控制系统仿真MATLAB/Simulink介绍工程师和科学家使用MATLAB/Simulink展开仿真与多域建模操作，能够在诸多环境中根据需要多次调用选择的模型，也是会给系统各个部分的协同运作展开仿真分析，在高效使用Simulink工具箱过程中，能够提供如下所述的功能：（1）选择指定的工具与遇见块功能，能够在多域中进行系统建模分析；（2）通过高频率调用系统的组件与库函数，可以借助于组件化方式进行大型建模活动；（3）通过模块构建成系统仿真体系，即便没有在Simulink中进行相关的技术分析。（4）可以在计算机集群领域、、多核台式机领域以及云上并行领域展开相应的仿真活动，不需要进行相应的基础代码编程活动。因此，本文在分析中选择MATLAB/Simulink软件，以此构建基于PID控制的锅炉内胆水温定值控制系统相对应的仿真模型，进而展开PID参数相关的整定操作，完成系统参数的调试。基于MATLAB/Simulink控制系统仿真模型在Simulink中搭建如图所示的仿真模型。锅炉内胆温度控制仿真模型根据经典控制理论，对上述闭环系统进行参数整定，得到响应曲线如图所示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s11温度响应曲线从图中可以看出，锅炉内胆水温定值控制系统的动态响应较快，但有较大的超调，后续还需根据经验法对PID参数进行进一步的优化。本章小节本章对MATLAB/Simulink进行了介绍，并对上一章所设计的基于PID控制的锅炉内胆水温定值系统进行了仿真验证。

结论然后，根据经典控制理论中的时域法和频域法，分别对锅炉内胆水温定值控制系统性能进行分析。最后，设计基于PID控制器的锅炉内胆水温定值控制系统，并在MATLAB/Simulink中进行了多次仿真实验，从而验证了本次设计的有效性和可靠性。参考文献[1]蒋金洪,顾三春,陈波,任春林,薛少辉.一种电加热炉炉温控制系统设计[J].硅谷,2013,5(02):78.[2]张平,蒋念平,王贺桥.神经网络在锅炉内胆水温定值控制系统中的应用[J].微计算机信息,2006(13):19-20+26.[3]余昌源.电加热锅炉温度控制系统的设计及实现[D].内蒙古大学,2014.[4]BenjaminC.Kuo,FaridGolnaraghi.Automaticcontrolsystem[M].NewYork:Johnwiley&sons,INC.,2003.[5]朱肖强,陈三宝.电加热炉炉温控制系统设计与仿真[J].自动化与仪器仪表,2006(03):17-19.[6]徐今强,王筱珍,俞国燕.工厂化养殖水温控制系统设计及仿真[J].自动化与仪器仪表,2013(01):66-68.[7]王竹溪.热力学[M].北京:北京大学出版社,2005[8]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2011[9]邵裕森，戴先中.过程控制工程(第二版).机械工业出版社[10]刘国荣，梁景凯.计算机控制技术与应用.机械工业出版社[11]周杏鹏.传感器与检测技术.清华大学出版社[12]何衍庆，黎冰，黄海燕.工业生产过程控制.第二版.北京：化学工业出版社,2009.8[13]邓则名,程良伦.电器与可编程控制器应用技术[M].北京：机械工业出版社,1997.1[14]吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004[15]林小峰.可编程序控制器及应用.北京：高等教育出社[M],1991[16]方承远.工厂电气控制技术.第二版.北京：北京机械工业出版