基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄摘 要2Abstract31 概述41.1過(guò)程控制41.2串級(jí)控制系統(tǒng)61.3 MATLAB軟件71.4 MCGS組態(tài)軟件82 PID控制器原理102.1 PID控制器簡(jiǎn)介102.2 PID控制系統(tǒng)112.3 PID控制參數(shù)的整定及方法122.3.1 PID控制參數(shù)的整定簡(jiǎn)介122.3.2 PID控制參數(shù)整定方法123 建立被控對(duì)象模型153.1 被控對(duì)象建模153.2 測(cè)量被控對(duì)象階躍響應(yīng)曲線163.3求取被控對(duì)象傳遞函數(shù)174 控制方案的設(shè)計(jì)及仿真224.1 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖224.2 Simulink控制系統(tǒng)仿真234.3仿真結(jié)果分析

2、244.4 串級(jí)控制與單回路控制系統(tǒng)抗干擾性能仿真265 結(jié)論29致謝30參考文獻(xiàn)31附錄：英語(yǔ)資料及譯文32摘 要本設(shè)計(jì)針對(duì)鍋爐溫度控制問(wèn)題，綜合應(yīng)用過(guò)程控制理論以及近年來(lái)興起的仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了鍋爐溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)。首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)法建立鍋爐的數(shù)學(xué)模型，得到鍋爐溫度與進(jìn)水流量之間的傳遞函數(shù)，通過(guò)對(duì)理論設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行仿真，得到較好的響應(yīng)曲線，為實(shí)際控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供先決條件。其次，使用智能儀表作為控制器，組建現(xiàn)場(chǎng)儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)整定，得到較好現(xiàn)場(chǎng)控制效果。再次，實(shí)現(xiàn)積分分離的PID控制算法。關(guān)鍵詞： 水溫 流量 串級(jí)控制系統(tǒng) PID控制 儀表過(guò)程控制系

3、統(tǒng) 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)AbstractThe purpose of this thesis is to design the liquid levels concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique the computer techniquethe communication technique and the automatic control technique in order

4、to realize concatenation control of water tanks liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyz

5、e the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection module MCGS soft and

6、digital PID controller，accomplish control system experiment and analyze the outcome.1 概述1.1過(guò)程控制1工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展概況自本世紀(jì)30年代以來(lái)，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。過(guò)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材等工業(yè)部門。初期的過(guò)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過(guò)程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保

7、持被控參數(shù)溫度、液位、壓力、流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過(guò)程。其后，串級(jí)控制、比值控制和前饋控制等復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)，以極大值和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計(jì)所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應(yīng)用于解決過(guò)程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時(shí)變性等問(wèn)題，使得工業(yè)過(guò)程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時(shí)新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)

8、為一體，使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化己進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（CIPS）時(shí)代，并依托人工智能，控制理論和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展。2過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化過(guò)程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程也隨之日趨復(fù)雜，而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量經(jīng)濟(jì)效益的要求，對(duì)生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來(lái)越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對(duì)現(xiàn)代化過(guò)程工業(yè)的控制要求。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快精度高存儲(chǔ)量大編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力

9、等特點(diǎn)，目前以微處理器單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器過(guò)程計(jì)算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過(guò)程控制中得到十分廣泛的作用。在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID）進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制作用。過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對(duì)象檢測(cè)與執(zhí)行裝置外）。1過(guò)程計(jì)算

10、機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：（1）由中央處理器時(shí)鐘電路內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理邏輯判斷控制量計(jì)算越限報(bào)警等，通過(guò)接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮系統(tǒng)安全可靠的協(xié)調(diào)工作。（2）包括各種控制開關(guān)數(shù)字鍵功能鍵指示燈聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺(tái)是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過(guò)操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計(jì)算機(jī)向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。（3）通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)記錄儀圖形顯示器閃存等，它們用來(lái)顯示存儲(chǔ)打印記錄各種數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。I/O通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬

11、量I/O通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)）變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；同時(shí)將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。2過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)及過(guò)程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)本身資源，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。（2）應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問(wèn)題而編寫的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集濾波程序控制量計(jì)算程序生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能精度和效率。1.2串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)定值R串級(jí)控制是在單回路PID控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)。當(dāng)PID控制應(yīng)用于單回路控制一個(gè)被控量時(shí)，其控

12、制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)易于整定。但是，當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)有幾個(gè)因素影響同一個(gè)被控量時(shí)，如果只控制其中一個(gè)因素，將難以滿足系統(tǒng)的控制性能。串級(jí)控制針對(duì)上述情況，在原控制回路中，增加一個(gè)或幾個(gè)控制內(nèi)回路，用以控制可能引起被控量變化的其它因素，從而有效地抑制了被控對(duì)象的時(shí)滯特性，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。-m2m1e1c1擾動(dòng)f2(t)e2c2擾動(dòng)f1(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象測(cè) 量 與 變 送器2測(cè) 量 與 變 送器1-+圖1.1串級(jí)控制系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)的串級(jí)控制系統(tǒng)如圖1.1所示，采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)

13、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。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。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(guò)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(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)的位置不同，分情況進(jìn)行分析：1）擾動(dòng)作用于副回路2）擾動(dòng)作用于主過(guò)程3）擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過(guò)程。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)

14、程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。分析可以看到，串級(jí)控制系統(tǒng)改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性、提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量、能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)、提高了系統(tǒng)的工作頻率、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等。其主要工程應(yīng)用場(chǎng)合有容量滯后較大的過(guò)程 、純時(shí)延較大的過(guò)程 、擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過(guò)程 、參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程 、非線性過(guò)程等。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對(duì)它們的主要內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。1.3 MATLAB軟件MATLAB軟件是由美國(guó)MathWorks公司開發(fā)的，是目前國(guó)際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟

15、件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處理、語(yǔ)音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國(guó)內(nèi)外高校和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過(guò)10余年的不斷改進(jìn)，現(xiàn)今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。 MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對(duì)象時(shí)

16、，不要求作明確的維數(shù)說(shuō)明，使得工程應(yīng)用變得更加快捷和便利。MATLAB系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成：(1)MATALB語(yǔ)言體系 MATLAB是高層次的矩陣數(shù)組語(yǔ)言具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z(yǔ)言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。 (2)MATLAB工作環(huán)境 這是對(duì)MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示

17、等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。 (4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) 這是對(duì)MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 (5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 MATLAB還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。MATLAB具

18、有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對(duì)線性系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（System Identification Toolbox）可以對(duì)控制對(duì)象的未知對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運(yùn)行仿真，適應(yīng)線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。1.4 MCGS組態(tài)軟件計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動(dòng)化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方

19、便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過(guò)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面MCGS工控組態(tài)軟件發(fā)揮著重要的作用.MCGS (Monitor and Control Generated System) 軟件是一套幾基于Windows平臺(tái)的32位工控組態(tài)軟件，集動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、冶金、紡織、航天、建筑、材料、制冷、通訊、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種行業(yè)。MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩

20、個(gè)部分組成。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持，用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作后，生成擴(kuò)展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，其與MCGS 運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe支持,以用戶指定的方式運(yùn)行,并進(jìn)行各種處理,完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。利用MCGS軟件組建工程的過(guò)程簡(jiǎn)介：(1)工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測(cè)控對(duì)象的特

21、征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫顯示的。(2)工程立項(xiàng)搭建框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫(kù)文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定動(dòng)畫刷新的周期。經(jīng)過(guò)此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。(3)設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需要，

22、隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。(4)制作動(dòng)畫顯示畫面：動(dòng)畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過(guò)程。前一部分用戶通過(guò)MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫構(gòu)件庫(kù)，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫圖形的驅(qū)動(dòng)源。(5)編寫控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，編寫工程控制程序。(6)完善菜單按鈕功能：包括對(duì)菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；

23、實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。(7)編寫程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫顯示和控制流程是否正確。(8)連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。(9)工程完工綜合測(cè)試：最后測(cè)試工程各部分的工作情況，完成整個(gè)工程的組態(tài)工作，實(shí)施工程交接。2 PID控制器原理2.1 PID控制器簡(jiǎn)介PID控制器可以方便地實(shí)施多種控制算法，多年以來(lái)，在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器），是應(yīng)用

24、最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，是使調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)對(duì)象能很好地匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。1、比例（P）調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快速。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差。2、積分（I）調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)器的突出特點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除以后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差

25、為零。但是，單純的積分調(diào)節(jié)動(dòng)作過(guò)于緩慢，因而在改善靜態(tài)準(zhǔn)確度的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間內(nèi)延長(zhǎng)，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，總是把比例作用的及時(shí)性和積分作用消除靜差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，組成比例積分調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器），其傳遞函數(shù)為Gc(S)=Kp(1+1/T1S)3、微分（D）調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)器能在偏差信號(hào)出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡可能地消除在萌芽狀態(tài)之中。但是單純的微分調(diào)節(jié)對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)抑制作用，因此不能單獨(dú)使用，總要和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來(lái)，稱為PD調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器。PD調(diào)節(jié)器由于有微分的作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，

26、比例系數(shù)的增加能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過(guò)大，以利于抗高頻干擾。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：Gc(S)=Kp(1+TDS)PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一處調(diào)節(jié)器。它將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既可達(dá)到快速敏捷，又可達(dá)到平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可得到滿意的調(diào)節(jié)效果。它的傳遞函數(shù)為Gc(S)=Kp(1+1/T1S+ TDS)2.2 PID控制系統(tǒng)c(t)+r(t) 比例P積分I微分D被控對(duì)象圖2.1 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-c(t)將偏

27、差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)過(guò)程對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器?？刂埔?guī)律為:或以傳遞函數(shù)形式表示：其中比例系數(shù), 積分時(shí)間常數(shù) 微分時(shí)間常數(shù)2.3 PID控制參數(shù)的整定及方法2.3.1 PID控制參數(shù)的整定簡(jiǎn)介過(guò)程控制器采用的控制器通常都有一個(gè)或多個(gè)需要調(diào)整的參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)（如旋鈕、開關(guān)）或相應(yīng)設(shè)備。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)使控制器特性與被控過(guò)程特性配合好，獲得滿意的系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性稱為控制器參數(shù)整定。由于人們?cè)趨?shù)調(diào)整中，總是力圖達(dá)到最佳的控制效果，所以常稱“最佳整定”，相應(yīng)的控制器參數(shù)稱為“最佳參數(shù)整定”。衡量控制器參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定一個(gè)明

28、確的反應(yīng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)，一般分為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。需要指出的是，不同生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于控制過(guò)程的品質(zhì)要求不完全一樣，因而對(duì)系統(tǒng)整定性能指標(biāo)的選擇有較大的靈活性。作為系統(tǒng)整定的性能指標(biāo)，它應(yīng)能綜合反映系統(tǒng)控制質(zhì)量，同時(shí)又便于分析與計(jì)算。2.3.2 PID控制參數(shù)整定方法控制器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類，理論計(jì)算整定法與工程整定法。顧名思義，理論計(jì)算整定法是在已知過(guò)程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，通過(guò)理論計(jì)算來(lái)求取“最佳整定參數(shù)”；而工程整定法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行的控制器參數(shù)整定方法。由于無(wú)論是用解析法或?qū)嶒?yàn)法求取的過(guò)程數(shù)學(xué)模型都只能近似反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，

29、因而理論計(jì)算所得到的整定參數(shù)值可靠性不夠高，在現(xiàn)場(chǎng)使用中還需進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。相反工程整定法雖未必得到“最佳整定參數(shù)”，但由于其不需知道過(guò)程的完整數(shù)學(xué)模型，使用者不需要具備理論計(jì)算所必須的控制理論知識(shí)，因而簡(jiǎn)便、實(shí)用，易于被工程技術(shù)人員所接受并優(yōu)先使用。下面將介紹本次設(shè)計(jì)中在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)所采用的一種整定方法，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法。這種方法是人們?cè)陂L(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，從各種控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定性分析中總結(jié)出來(lái)的一種行之有效，并且得到廣泛運(yùn)用的工程整定方法。（1）經(jīng)驗(yàn)法若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，無(wú)論是控制器形式還是所整定的參數(shù)

30、均可相互參考。表2.1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=（1/3 1/4）TD計(jì)算。表2-1經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系統(tǒng)參 數(shù)（%）T1(min)TD(min)溫度20603100.53流量401000.11壓力30700.43液位2080（2）臨界比例度法這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)T1=，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖2.2所示。根據(jù)臨界比例度s和振蕩周期Ts，按表二所列的經(jīng)驗(yàn)版式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。圖2.2具有周

31、期Ts的等幅振蕩圖表2-2臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（%）sT1（S）TD（S）P2sPI2.26sTs/1.2PID1.6s0.5Ts0.125Ts（3）阻尼振蕩法（衰減曲線法）在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階路擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程，直至出現(xiàn)圖2.3所示的4：1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例度稱為4：1衰減比例度，用s表示之。相鄰兩波峰間的距離稱4：1衰減周期Ts。和s，運(yùn)用表三所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。圖2.3 4:1衰減曲線法圖表2.3阻尼振蕩法計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（）I(min)TD(min)PS

32、PI1.2s0.5TSPID0.8s0.3TS0.1TS3 建立被控對(duì)象模型3.1 被控對(duì)象建模本系統(tǒng)以鍋爐水溫為主要控制對(duì)象，以進(jìn)水流量為輔助控制對(duì)象。目的是在一定加熱功率下，控制水溫的恒定。其流程圖如圖3.1所示：圖3.1 測(cè)量被控對(duì)象階躍響應(yīng)流程圖溫度給定值+m2m1e1流量擾動(dòng)e2c2溫度擾動(dòng)主控制器流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥流量水溫流 量 變 送 器水 溫 傳 感 器溫度輸出值-由溫度傳感器（主檢測(cè)變送器）將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)與溫度給定值相比較后送至主控制器，主控制器輸出流量控制值與流量變送器（副檢測(cè)變送器）反饋回來(lái)的進(jìn)水流量信號(hào)相比較后輸入流量調(diào)節(jié)器（副控制器），由流量調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的開

33、度來(lái)控制進(jìn)水流量，由此來(lái)對(duì)鍋爐水溫進(jìn)行定值控制。其系統(tǒng)框圖如圖3.2所示：圖3.2 鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)框圖在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對(duì)被控過(guò)程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過(guò)程在各輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在水溫-流量串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何在一定的電熱功率下控制好水溫的恒定。進(jìn)水流量是系統(tǒng)的被控對(duì)象，必須通過(guò)測(cè)定和計(jì)算他們模型，來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。3.2

34、測(cè)量被控對(duì)象階躍響應(yīng)曲線在本設(shè)計(jì)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測(cè)定被控對(duì)象溫度和流量在輸入階躍信號(hào)后的響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。在測(cè)定模型參數(shù)中可以通過(guò)以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對(duì)被控對(duì)象施加階躍信號(hào)：(1) 通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入?？刂七M(jìn)水量供水階躍輸入信號(hào)階躍響應(yīng)輸出電動(dòng)磁力泵電動(dòng)調(diào)節(jié)閥溫度(2) 通過(guò)在MCGS監(jiān)控軟件組建人機(jī)對(duì)話窗口，改變調(diào)節(jié)閥開度,實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入，本次實(shí)驗(yàn)采用后者。圖3.3 水溫-流量模型測(cè)定原理圖編寫程序如下：流量pv=pv1溫度pv=pt /測(cè)量值顯示輸出If set=0 then Output=6Endif / set為0

35、時(shí)輸出6mA電流給調(diào)節(jié)閥If set=1 thenOutput=8Endif / set為1時(shí)輸出8mA電流給調(diào)節(jié)閥其中set為外部輸入信號(hào)，可由按鈕設(shè)定，Output為輸出信號(hào)，大小即為輸出電流值，單位mA。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)范圍為420mA電流信號(hào)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥階躍信號(hào)給定。6mA電流對(duì)應(yīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為（6-4）/（20-4）=12.5%。8mA電流則對(duì)應(yīng)（8-4）/（20-4）=25%的開度。階躍前后流量測(cè)量值分別為6.5和10.2。階躍值為10.2-6.5=3.7。實(shí)際測(cè)得階躍如圖3.4：圖3.4試驗(yàn)測(cè)得階越響應(yīng)曲線從階躍時(shí)刻起以20s為采樣周期，采得溫度數(shù)據(jù)序列如下：3

36、3.71 33.34 32.87 32.90 32.12 32.01 31.76 31.56 31.80 31.32 31.69 31.53 31.16 31.20 30.98 31.09 30.57 30.91 30.90 30.58 30.32 30.33 30.25 30.25 30.24 30.48 30.10 30.16 29.85 30.31 30.09當(dāng)給出階躍信號(hào)后，溫度響應(yīng)曲線逐漸下降至穩(wěn)定，為符合一般習(xí)慣，方便處理，將數(shù)據(jù)以第一次采樣值為標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換為逐漸上升至穩(wěn)定的曲線。轉(zhuǎn)換方法y=33.71-x。式中y為處理后數(shù)據(jù)，x為處理前數(shù)據(jù)。得到如下數(shù)據(jù)序列： 0 0.37 0.8

37、4 0.81 1.59 1.70 1.95 2.15 1.91 2.39 2.02 2.18 2.55 2.51 2.73 2.62 3.14 2.80 2.81 3.10 3.39 3.38 3.46 3.46 3.47 3.43 3.61 3.55 3.86 3.40 3.62另外由試驗(yàn)測(cè)得給定閥的開度分別為12.5、25、40、80時(shí)對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)得流量值為6.5、10.2、14.6、26.2。3.3求取被控對(duì)象傳遞函數(shù)由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計(jì)算法求解水箱模型會(huì)使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)

38、算水箱模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點(diǎn)的值作為Y軸坐標(biāo)零點(diǎn)，后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理，作為Y軸上的各階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)；將對(duì)應(yīng)Y軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集時(shí)間作為曲線上各X點(diǎn)的值。在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令： x=0:20:600; y=0 0.37 0.84 0.81 1.59 1.70 1.95 2.15 1.91 2.39 2.02 2.18 2.55 2.51 2.73 2.62 3.14 2.80 2.81 3.10 3.39 3.38 3.46 3.46 3.47 3.43 3.61 3.55 3.86 3.40 3.62; p=polyfit(x,y,4); xi=0

39、:20:600; yi=polyval(p,xi); plot(x,y,xi,yi)在MATLAB中繪出曲線如下：圖3.5流量階躍響應(yīng)擬合曲線如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)-1.5723e(-10)t4+2.0754e(-7)t3-9.8826e(-5)t2+0.t-0.其中，的一次項(xiàng)的系數(shù)為0.，即函數(shù)在零點(diǎn)處(=0)的切線斜率為=0.。再利用切線法，算出傳遞函數(shù): 為傳遞函數(shù)的放大系數(shù)，為穩(wěn)定值，y(0)為初值，為階躍的擾動(dòng)值，大小為3.7，為零點(diǎn)處的斜率。計(jì)算結(jié)果開環(huán)傳遞函數(shù)：由試驗(yàn)測(cè)得給定閥的開度分別為12.5、25、40、80時(shí)對(duì)應(yīng)傳感

40、器測(cè)得流量值為6.5、10.2、14.6、26.2，綜合仿真效果選用1次函數(shù)擬合閥的流量特性，以下為擬合程序：x=12.5 25 40 80y=6.5 10.2 14.6 26.2p=polyfit(x,y,1);xi=12.5 25 40 80;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi)可得電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增益曲線如下：圖3.6 調(diào)節(jié)閥增益曲線從而可得電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增益,考慮到從給出閥的控制信號(hào)到調(diào)節(jié)閥響應(yīng)，再影響流量，實(shí)際是個(gè)微小的慣性環(huán)節(jié)，但由于時(shí)間常數(shù)相對(duì)鍋爐非常小，對(duì)控制的影響不大，在本設(shè)計(jì)中忽略不計(jì)。為進(jìn)一步檢驗(yàn)該傳遞函數(shù)的正確性，使用simulink仿真，組建如下系統(tǒng)

41、： 圖3.7檢驗(yàn)傳遞函數(shù)仿真系統(tǒng)階躍信號(hào)幅值設(shè)為3.7，采樣時(shí)間為20s,仿真時(shí)間600s。階躍信號(hào)源（step）給出階躍信號(hào)，作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)（Transfer Fcn）結(jié)果輸出到示波器,仿真后由示波器所觀察到結(jié)果如圖：圖3.8檢驗(yàn)傳遞函數(shù)仿真曲線為將圖3.5和圖3.8內(nèi)兩條曲線在同一張圖內(nèi)繪制以便比較,程序如下： x=0:20:600; y=0 0.37 0.84 0.81 1.59 1.70 1.95 2.15 1.91 2.39 2.02 2.18 2.55 2.51 2.73 2.62 3.14 2.80 2.81 3.10 3.39 3.38 3.46 3.46 3.47 3

42、.43 3.61 3.55 3.86 3.40 3.62; p=polyfit(x,y,4); xi=0:20:600; yi=polyval(p,xi); plot(x,y,x,a,xi,yi)數(shù)列a中的數(shù)據(jù)是以步長(zhǎng)20s仿真600s得到的，因此含有31個(gè)數(shù)據(jù)，a與擬合結(jié)果步長(zhǎng)相同，由于兩階躍曲線給定階躍信號(hào)幅值相同，可認(rèn)為兩條曲線所在坐標(biāo)系相同，得到圖3.9:圖3.9 擬和曲線與仿真曲線比較仿真曲線僅在200-400s間誤差較大約為10%，導(dǎo)致誤差的原因可能是擬合時(shí)以二次曲線一部分取代慣性環(huán)節(jié)造成的,也可能是由于傳感器測(cè)量誤差導(dǎo)致的。誤差在接受范圍內(nèi)，仿真曲線基本能反映數(shù)據(jù)曲線的變化，因而

43、可以認(rèn)為傳遞函數(shù)基本準(zhǔn)確。4 控制方案的設(shè)計(jì)及仿真有了被控對(duì)象的傳遞函數(shù)就可以確定控制方案，從而在理論上設(shè)計(jì)控制器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，進(jìn)而對(duì)實(shí)際控制起指導(dǎo)意義。4.1 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提條件，它根據(jù)控制工藝的具體流程，反映系統(tǒng)信息的流動(dòng)控制過(guò)程，本設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制，考慮流量變化快，時(shí)間慣性小，應(yīng)較快得到抑制，選擇流量作為副被控參數(shù)，副環(huán)是隨動(dòng)控制，追求快速性，因而采用P調(diào)節(jié)，P調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制閥的開度改變流量，流量傳感器將檢測(cè)信號(hào)送回P調(diào)節(jié)器并形成負(fù)反饋，此閉環(huán)作為內(nèi)環(huán)。溫度變化相對(duì)緩慢，時(shí)間慣性大，作為主被控參數(shù)，主環(huán)是定值控制，追求準(zhǔn)確性，采用PID調(diào)節(jié)。經(jīng)分

44、析可得控制工藝流程圖：圖4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過(guò)流程圖可知：將給定值與溫度傳感器反饋信號(hào)的差值輸入主調(diào)節(jié)器，進(jìn)行PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)控制算。主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)作為內(nèi)環(huán)的給定值，與流量傳感器反饋信號(hào)的差值送P調(diào)節(jié)器運(yùn)算并輸出，以控制調(diào)節(jié)閥，通過(guò)流量變化，影響鍋爐溫度。得到控制系統(tǒng)框圖：流量給定值-溫度PvPtei2ei1-PID控制器P控制器閥鍋爐溫度傳感器流量傳感器圖4.2控制系統(tǒng)框圖4.2 Simulink控制系統(tǒng)仿真Simulink可以動(dòng)態(tài)地模擬出在給多種信號(hào)作用下所構(gòu)造控制系統(tǒng)的響應(yīng)，只需將控制系統(tǒng)框圖內(nèi)對(duì)象改寫為傳遞函數(shù)形式。 模擬PID控制器的傳遞函數(shù)D(s)=U(s)/E(s)=Kp(

45、1+1/TiS+TdS)可理解為同一信號(hào)分別經(jīng)比例（圖4.3中fcn1）、積分(圖4.3中fcn2)、微分(圖4.3中fcn3)運(yùn)算后相加；P調(diào)節(jié)器為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcn4)；鍋爐傳遞函數(shù)已求得(圖4.3中fcn)；首先假設(shè)調(diào)節(jié)閥為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcn5)，可構(gòu)造如下系統(tǒng)圖，其中PID、P、閥的參數(shù)均未整定：圖4.3 simulink控制系統(tǒng)線性仿真考慮到實(shí)際使用中，由于閥有動(dòng)作死區(qū)，即位于0開度時(shí)可能有流量或小開度時(shí)無(wú)流量，達(dá)到最大開度時(shí)，控制信號(hào)盡管繼續(xù)增大但已經(jīng)失去調(diào)節(jié)作用等原因（圖4.5中閥的流量特性可說(shuō)明），結(jié)合圖4.6測(cè)得閥的流量特性，將閥的傳遞函數(shù)作為非線性環(huán)節(jié)處

46、理，得到非線性系統(tǒng)圖：圖4.4 simulink控制系統(tǒng)非線性仿真圖4.4中PID、P參數(shù)已經(jīng)整定，Saturation和Coulomb&Viscous friction兩個(gè)環(huán)節(jié)組合形成閥的流量特性。Saturation為限幅環(huán)節(jié)，上限幅值為100，下限幅值為0，Coulomb&Viscous friction為粘滯摩擦環(huán)節(jié)，函數(shù)設(shè)為y=0.30x+2.9。4.3仿真結(jié)果分析通過(guò)參數(shù)的調(diào)節(jié)可以得到較好的響應(yīng)曲線。圖4.5 控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖4.5中的響應(yīng)曲線是在階躍信號(hào)初值0，終值20，階躍時(shí)刻為0；主調(diào)節(jié)器參數(shù)為；副調(diào)節(jié)器參數(shù)為；仿真時(shí)間2000s時(shí)得到的。余差（靜態(tài)偏差）C： 是系統(tǒng)過(guò)

47、渡過(guò)程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。由于仿真環(huán)境為理想狀態(tài)，未考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的各種情況，余差必然為零。衰減率 ：是衡量系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)?？啥x為，系統(tǒng)只有一個(gè)波峰，不存在震蕩，因而可認(rèn)為衰減比為0，=1。最大偏差A(yù) （超調(diào)量）：對(duì)于定值系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最大偏差是指被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差，隨動(dòng)系統(tǒng)通常采用超調(diào)量指標(biāo)，即，由圖知最大偏差約為0.6，超調(diào)量為3%。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 ： 是指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)定值5%的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間，是衡量控制快速性的指標(biāo)。由圖知，220s時(shí)對(duì)應(yīng)值20.6，即進(jìn)入穩(wěn)定值5%的范圍內(nèi)，可認(rèn)為過(guò)渡完成。綜合動(dòng)靜態(tài)指

48、標(biāo)，可認(rèn)為階躍響應(yīng)曲線相當(dāng)理想，但由于是仿真結(jié)果，未考慮模型精確度，測(cè)量精度，以及真實(shí)系統(tǒng)中所存在的未知干擾等問(wèn)題，只可作為設(shè)計(jì)參考，調(diào)節(jié)器參數(shù)、實(shí)際響應(yīng)曲線未必與仿真一致，實(shí)際控制中可能達(dá)不到這么好的控制效果。通過(guò)仿真參數(shù)的調(diào)節(jié)也得到了PID控制器參數(shù)對(duì)控制效果的影響。比例控制Kp對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)KP加大使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，KP偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。KP太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。KP太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。KP可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果KP的符號(hào)選擇不當(dāng),對(duì)象狀態(tài)(PV值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(SP值

49、)越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況KP的符號(hào)就一定要取反。積分控制KI對(duì)系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI小（積分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制KD對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，KD偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。KD偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。只有KD合適，才能使超調(diào)量偏小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。4.4 串級(jí)控制與單回路控制系統(tǒng)抗干擾性能仿真為了體現(xiàn)串級(jí)控制的優(yōu)勢(shì)，必須將串級(jí)控制系統(tǒng)的抗干擾能力和單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力加以比較。圖4.6串級(jí)控制抗干擾能力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.7 單回路控制抗干擾能力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級(jí)控制的特點(diǎn)在

50、于抗二次干擾能力強(qiáng)，因此分別構(gòu)造圖4.6，在串級(jí)控制系統(tǒng)副回路中加入階越信號(hào)來(lái)模擬流量的干擾，同時(shí)為了能夠?qū)?shù)據(jù)與單回路控制系統(tǒng)抗干擾效果在同一張圖內(nèi)進(jìn)行相比較，需要設(shè)置工作區(qū)域B，存儲(chǔ)方式為數(shù)列。單回路控制系統(tǒng)是采用PID控制器直接控制流量。在同樣位置加入流量的階躍干擾信號(hào)，將仿真結(jié)果輸出到工作區(qū)域C中, 存儲(chǔ)方式為數(shù)列。只有當(dāng)單回路控制系統(tǒng)的階越響應(yīng)曲線與串級(jí)控制系統(tǒng)的階越響應(yīng)曲線比較近似，并施加同樣的干擾信號(hào)，其抗干擾能力才具有可比性。在無(wú)干擾信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)參數(shù)，使響應(yīng)曲線接近同樣階躍信號(hào)作用下串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。再加入干擾信號(hào)，對(duì)于圖4.6和圖4.7中的兩個(gè)控制系統(tǒng)仿真，

51、其仿真時(shí)間均設(shè)為4000s，采樣時(shí)間設(shè)為20s。干擾信號(hào)階越時(shí)刻為2000s，階越初值0，階越終值18。仿真后結(jié)果分別存儲(chǔ)于工作區(qū)域B、C中，將兩系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)在同一張圖內(nèi)進(jìn)行比較，需在Matlab中編寫程序如下：x=0:20:4000;plot(x,b,x,c)grid圖4.8 兩種控制系統(tǒng)抗干擾能力比較圖圖4.8、4.9、4.10中綠色曲線是單回路控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，藍(lán)色曲線是串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。首先放大圖中兩系統(tǒng)階躍響應(yīng)部分，在圖4.9中可見兩控制系統(tǒng)在上升段基本重合，調(diào)節(jié)時(shí)間基本相同，單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量偏大，綜合各種指標(biāo)可認(rèn)為兩系統(tǒng)在階躍信號(hào)下控制效果大致相同。在兩控制系統(tǒng)控制

52、效果相同的情況下，加入干擾信號(hào)，如圖4.10，單回路控制系統(tǒng)在干擾信號(hào)的作用下，最大偏差達(dá)到0.4，為穩(wěn)態(tài)值的2%，在曲線末端甚至出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。而串級(jí)控制系統(tǒng)在干擾信號(hào)的作用下，最大偏差僅在0.1左右，可認(rèn)為系統(tǒng)仍處于的特點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)，兩者抗干擾能力十分懸殊。充分證明了串級(jí)控制抑制二次干擾能力強(qiáng)。圖4.9 兩種控制系統(tǒng)階越響應(yīng)比較圖（放大）圖4.10 擾動(dòng)時(shí)刻響應(yīng)曲線（放大）5 結(jié)論致謝首先，我要衷心感謝我的指導(dǎo)老師孫虹老師，沒(méi)有她的悉心指導(dǎo)，我也不會(huì)這么順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。其次，我要感謝我的母校，四年來(lái)，在母校的栽培下，使我順利的完成了學(xué)業(yè)，并且給我的學(xué)生時(shí)代劃上了完美的句點(diǎn)。最后，我要

53、感謝我的父母，是他們的無(wú)私奉獻(xiàn)供養(yǎng)了我上大學(xué)，我才會(huì)有今天的成績(jī)，衷心的感謝他們！ 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從一接到任務(wù)書，就在孫虹老師的悉心指導(dǎo)下，還有我自己的查閱資料，我了解到了串級(jí)控制的作用，還有PID控制的作用，也知道了MATLAB軟件使得工程應(yīng)用變得更加快捷和方便。同時(shí)了解綜合應(yīng)用過(guò)程控制理論以及近年來(lái)興起的仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了鍋爐溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)。從而一步步的順利完成任務(wù)。在此過(guò)程當(dāng)中，我學(xué)到了很多有用的東西，讓我把整個(gè)本科知識(shí)又回顧了一遍，為以后進(jìn)入社會(huì)打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)在查閱資料的過(guò)程當(dāng)中也學(xué)到許多，新的或者以前未掌握的知識(shí)，在此，我要感謝學(xué)校能夠給我這次畢業(yè)

54、設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，讓我從中受益匪淺。參考文獻(xiàn)1 胡壽松主編.自動(dòng)控制原理（第五版）.科學(xué)出版社.20072 張曉華主編.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD.機(jī)械工業(yè)出版社.19993 于海生主編.計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社.20074 劉文定，王東林主編.過(guò)程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真. 機(jī)械工業(yè)出版社.20095 薛定宇主編.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)MATLAB語(yǔ)言與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.20066 The Math Works.Icn MATLAB HELP 20047 ICP DAS User Manual 20008 邵裕森，戴先中 過(guò)程控制工程 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2000PID控制簡(jiǎn)介當(dāng)今的

55、自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需

56、要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面是兩個(gè)改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問(wèn)題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，