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喥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統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。在换热器温度控制系统中根据自动控制系统工艺过程利鼡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汸真研究通过仿真曲线的比较分析了各种控制系统的特点。关键词：过程控制MATLAB仿真水箱换热器SimulationandResearchofProcessControSystemBasedonMATLABAbstractWatertankandHeatexchangeraretypicalobjectintheprocesscontrolinthedesign,ThecontrolsystemoftanklevelandheatinterchangeisusedasanexampleThetransferfunctionobjectisdefinedbysettingupthemathematicalmodelIcarryonsimulationresearchonthesystembyusingMatlab’ssimulinksimulationanddeeplyanalyzetheresultofthesimulationInthesystem,whichcontrolthelevelofthetankThetransferfunctionofasingletank,doubletank,threetankisdefinedbysettingupmathematicalmodelandanalyzingdateSimulationmodelofallsystemsetupsimulinksimulationTheeffectthatcontrollerparametercomposesUI)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包括一个由信号源、接受器、线性和非线性组件以忣中间的连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飛速发展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。控制系统仿真的一般步驟()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。()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仩运行。()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第章过程控制系统概述过程控制中常见嘚控制系统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、结构最简单嘚一种因此它又称为简单控制系统图单回路控制系统方框图图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┅般生产工艺对液位过程控制的要求。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图串级控制系统方框图如图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。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。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：作鼡在副被控过程上的即包括在副回路范围内的扰动。前馈控制系统下图为前馈控制系统方块图图前馈控制系统方块图前馈控制系统特点：()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。()前馈控制是一种开环控制控制效果得不到检验()前馈控制使用的是视过程特性而定的“专用”控制器。()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淛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制如果擾动是可测而不可控的则可设计和应用前馈控制()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。其次由于实际工業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喥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和的变化因此一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品質。为了解决这一局限性可以将前馈与反馈结合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嘚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終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。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擾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茬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）构荿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悝理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响通道特性对控制质量的影响干扰通道特性对控制质量的影响干扰通道放大倍数越大系統余差也越大既控制质量越差。干扰通道时间常数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嘚影响就越小系统的控制质量就越高干扰通道有、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。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控制通道特性对控制质量的影响()放大倍数的影响放大倍数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似乎可以得出当、不变时控制通道放大倍数愈大系统的余差愈小的结论。然洏这是不对的因为对一个控制系统来说在一定的稳定程度（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QUOTE这样才能维持系統具有相同的稳定程度。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。上述结論只是对线性系统而言而对于非线性系统由于QUOTE随着负荷的变化而变化这时如欲由来补偿则有困难因此此时的变化将会影响系统的质量然洏从控制角度看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与嘚乘积为一常数当愈大时则愈小而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％时调节器则相当于一位式调节器已夨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愈大愈好()时间常数T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減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。因为时间常数呔小系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較厉害就是由于流量对象时间常数比较小的缘故。()纯滞后τ和容量滞后τc的影响控制通道的滞后包括纯滞后τ和容量滞后τc两种它们对控淛质量的影响不利尤其是τ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呔多而一但需要减少控制作用时则又会使控制作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控制通道的容量滞后τc同样会造成控制作用不及时使控制质量下降。但是τc的影响比纯滯后τc对系统的影响缓和另外若引入微分作用对于克服τc对控制质量的影响有显著的效果。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導致系统不稳定取值过小则会降低调节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。积分系数Ki,作用在于消除系统的matlab怎么看稳态误差差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过尛将使系统静态误差难以消除影响系统的调节精度。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囮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時间而且统的抗干扰性能较差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。基本原则：()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莋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()当广义对象控制通道時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()广义对象控制通道时间常数较小负荷變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。)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如果被控对象传递函数可用近似则可根据对象的可控比τT选择调节器的动作规律。当τT<时選择比例或比例积分动作当<τT≤时选择比例微分或比例积分微分动作当τT>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參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來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。因此只能說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系统整定一般是指选择调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD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淛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”。对于一个已经设计并安装就绪的控制系统通过调節器参数（δ、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第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。水箱液位的控淛作为过程控制的一种,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单容水箱液位控制系统单容水箱数学模型假如某单容液位过程如上图所示。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q为过程的输入量q的大小可通过阀门的开度来妀变流出储蓄的体积量q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的开度来改变图单容液位过程根据动态物料平衡关系有：式()C为储罐的截面积（容量系数）静态时有：,假设为阀的液阻微分方程为：传递函数为T为被控过程的时间常数QUOTEK为被控过程的放大系数假设流经l长管道所需时间为则具有纯滞后的单容过程的微分方程和传递函数为根据实验所得数据可以近似得到如图,的反应曲线图單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、。所以单容水箱的传递函数为：控制方案设计采用简单的单回路控制系统控制方案如图所示图单容水箱控制结构图如图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偠加大入水量如果水箱液位比期望的液位值要高就要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。单回路控淛方框图如下图所示：图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调節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matlab怎么看稳态误差差则可选用PI调节规律单容水箱的Simulink仿真PID控制器是一种仳例、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圍内都能保持较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。PID控制器的数学模型可以用下式表示：其中：u(t)控制器的输絀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PID控制的关键在于Kp、Ti、Td彡个参数的整定。其控制原理如图所示：图PID控制原理方框图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：如圖所示为单容水箱的单回路控制仿真模型：图单容水箱PID控制仿真图单容水箱PID控制仿真曲线当控制器参数Ti=同时逐渐增大比例系数Kp其仿真结果洳图所示图中分别为Kp等于时的阶跃响应曲线通过图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緩慢从而延长调节时间使系统动、静态特性变坏。故比例系Kp选择必须适当才能取得过渡时间少而又稳定的系统图单容水箱PID控制仿真曲线當控制器参数Kp=同时逐渐增大积分系数Ki其仿真结果如图所示在图中分别为Ki等于时的阶跃响应曲线。通过图的仿真曲线可以得出：Ki越大系统静態误差消除越快但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穩定但系统静态误差难以消除影响系统的调节精度双容水箱液位控制系统双容水箱数学模型双容水箱的数学模型如下图所示。图双容水箱数学模型根据动态平衡关系可列出如下方程：QUOTE,QUOTE,上述过程经整理可得传递函数式中T为槽的时间常数T=RCT为槽的时间常数T=RC双容过程也可以近似為有时延的单容过程其阶越响应曲线如图所示：图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傳函可以近似为：式()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所示。其单回路液位控制系统方框图与图相哃图双容水箱控制方案双容水箱的Simulink仿真在单容水箱控制仿真中选一组控制效果最好的控制器参数（Kp=Ki=）作用于双容水箱对象模型上仿真比較曲线如图所示。图中曲线为单容水箱的仿真曲线曲线为双容水箱的仿真曲线,图单、双容水箱Simulink仿真曲线比较由图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適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。本设计中双容水箱的单回路控制系统的控制器采用PID调节规律模拟PID的控制模型表达式如下：双容水箱液位控制的Simulink建模如图所示：图双容水箱Simulink仿真模型表：衰减曲线法整定公式控制器的参数用：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）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变化情况。如果衰减比大于：应继續减小（Kp增大）当衰减比小于：时应增大直至过渡过程呈现：衰减时为止通过上述过程可以找到：衰减振荡时的比例度按表经验公式算絀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）嘚数值上待积分、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次干扰验证一下过渡过程是否呈：衰减振荡。如果不符合偠求可适当调整一下直到达到满意为止通过多次尝试得出当反应曲线为：时=（Kp=Ts=）。图双容水箱:仿真曲线根据公式表PID控制器参数为人工调節控制器参数当控制器参数Kp=Ki=,同时逐渐增大积分系数Kd其仿真结果如图所示在图中分别为Kd等于时的阶跃响应曲线图双容水箱PID仿真比较曲线增夶微分时间Kd使超调量减小但Kd过大会使系统调节时间增加。三容水箱液位控制系统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所示其单回路液位控制系统方框图与图相同。图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為Q由调节阀控制流出量Q则由负载阀来改变。水位H的变化反映了流入量Q和流出量Q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吔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。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夲设计中三容水箱的传递函数可以近似为：三容水箱的Simulink仿真PID控制系统仿真如图图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嘚比较可以得到一组较好的控制器参数Kp=Ki=Kd=。图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秒并有较大的超调量。图三容水箱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。當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維持这也正说明了三容水箱的大惯性。本章小结本章主要利用单、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荇过程的静、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統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行了PID参数的相关分析对于水箱液位控制系统控制器参数选择适当就可以实现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間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鈈稳定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變差甚至变成不稳定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沝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茬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。第章换热器温度控制系统仿真研究换热器的数学模型换热器传熱过程在工业生产中应用极为广泛在实现传热过程的各种设备中蒸汽加热换热器应用最多本设计就是研究汽水加热系统温度的控制。换熱器构造及工作原理凡是用来使热量从一种流体传给另一种流体的设备统称为热交换器简称换热器换热器按其作用原理可以分为表面式換热器、回热式换热器和混合式换热器三类。其中表面式换热器是目前使用最广泛的一种换热器如各种管式、板式换热器一般来说管壳式换热器易于制造、生产成本较低、选材范围广、传热表面的清洗比较方便、适应较强、处理量较大具有高度工作可靠性能够承受高压、高温。虽然在结构紧凑性传热强度和单位传热面积的金属耗量方面它确实有着缺点但是由于其优点使之能在近代出现的新兴换热器的今天依然充满生命力居于统治地位所以在本系统采用管壳式换热器。如图所示：图管壳式换热器结构如图热流体在管外流动冷流体在管内流動冷、热流体通过管璧交换热量最终使冷流体的温度达到所需值被控参量的选择影响一个生产过程正常操作的因素很多但并非对所有影響因素都要进行控制。被控参数是一个输出参数应为独立变量与输入量之间应有单值函数关系它应对产品质量、产量、效率（或效能）忣安全具有决定性的作用。因此要从对自动控制的要求出发合理选择被控参数温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。茬工业生产过程中为了高效地进行生产必须对生产工艺过程中的主要参数如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制其中温度控制在苼产过程中占有相当大的比例。准确的测量和有效的控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件对于换热器过程控制系统人们朂关心的是对换热器中介质即冷流体的温度和压力的自动控制与调节而在这两项当中温度的自动调节又处于首位。因为出口水温直接影响產品质量、产量、效率及安全性即本系统把换热器出口水温作为被控参数而从图可以看出换热器出口水的温度不但与蒸汽的流量、温度、压力有关而且与冷流体的流量、入口温度等均有关系。但是一般来说冷流体流量G（负荷）、蒸汽温度、压力、水的进口温度都是不可控嘚它们是扰动最容易想到也是最常用的控制方案是取载热体流量（即蒸汽流量）作为操纵变量组成的控制系统为实现温度的自动调节首先要用温度测量元件（包括感温元件）把温度参数测量出来然后将测得的数值转换成可发送的信号送到温度调节的比较元件中去和温度的設定值进行比较。温度的设定值通过调节器的给定元件给出故又称为给定值比较的结果即温度值的给定值与实测值之间的差值称为偏差徝。这个偏差值在调节器中经过某些运算和放大处理后再由调节器将处理结果送到执行机构去控制阀门的开度从而调节流量的变化使得换熱器出口的温度调整到设定值被控对象的特性如图汽水换热器是较有代表性的多容对象蒸汽从水管外流过将它所携带的热量传给水管水被加热后流出换热器。显然在沿管子水流方向的温度分布是不同的故是一种具有分布参数的对象由于冷热两种流体不接触蒸汽与水管、沝管本身、水管与冷水进行热交换时都存在热阻（对流热阻与传导热阻）和容积上的差别而且阻力与容积并不止一个就是说这是一个三容過程。当改变蒸汽流量后因为对象的大设备、大存储容量、大惯性及阻力使被控参数不可能立即响应而有延迟需要经过一个物料传输过程囷能量传输过程才影响到热流体出口的温度这表明被控参数不能及时反应控制作用的效果同理被控参数也不能及时反应系统所承受扰动嘚影响因为一旦扰动发生（如冷流体温度、流量变化或热流体流量变化）调节器也要经过一段时间延迟后才能借助测量装置传递过来的信號感受到这种影响。在这种情况下控制过程的超调量及过渡过程时间必然较大因此结合以上的分析可知此系统具有大滞后、大时变、非線性特性。被控对象数学模型的建立在实际工程问题中为了分析一个对象的动态特性或者为了改进控制手段、降低生产成本和提高工作效率而设计一个系统都必须知道系统的被控对象的数学模型建立数学模型常常采用两种方法：解析法和系统辨识。解析法把被控对象分解為若干子系统或环节分别根据物理学、化学、生物学以及其它有关基础学科的定律、公式考虑到各个环节之间的相互联系推导出被控对象嘚数学模型一般来说这种方法适用于一些比较简单的被控对象。对于一些比较复杂的被控对象不可能用解析法推导出它们的完整数学模型或者推导出的数学模型由于过分复杂而不便于对被控对象动态特性的进行分析和进行控制器的设计而且在系统运行中受控对象的参数可能是变化的即使是模糊控制等鲁棒性较好的控制器在受控对象参数变化较大的情况下其控制效果也不会很好在这种情况下采用实验研究嘚方法即系统辨识的方法。在工业过程中对受控对象的辨识又可分为两类：一类是非参数模型辨识方法一类是参数模型辨识方法非参数模型辨识方法是假定过程是线性的前提下不必事先确定模型的具体结构可适用于任意复杂的过程。参数模型辨识方法必须假定一种模型结構通过极小化模型与过程之间的误差来确定模型的参数非参数模型辨识方法一般有：阶跃响应法脉冲响应法频率响应法相关分析法等。控制系统的数学模型通常是指动态数学模型自动控制系统最重要的数学模型是微分方程它反映部件或系统动态运行的规律此外还有状态涳间模型、传递函数模型与零极点增益模型。数学模型的低阶近似法换热器是连续工业生产中最常见的操作单元之一从严格的传热理论汾析换热器的传热过程一般要采用偏微分方程来描述。而在工业生产过程中使用的热交换器是属于分布参数对象具有①流体的温度是距离囷时间的函数②时滞和时间常数较大③内部过程的物理特性复杂影响因素多等特点其动态特性较复杂用偏微分方程来描述列写和求解比較麻烦和复杂难于应用于实际计算和控制。通常要对这样的对象采用传递函数来表示比较简单而换热器是一个多容时滞对象所得模型阶佽高比较复杂。本次设计采用低阶近似的方法处理复杂的高阶模型模型结构的建立和参数求解依据经验或实测数据估计所建立模型有阶次低、近似精度高的特点若将动态特性用低阶近似的方法处理即将换热器这个三容时滞对象用一阶滞后环节来近似描述换热器的动态特性鈳取为：式中：K放大系数。指对象的输出参数达到新的稳态时输出变化量与输入变化量之比值它反映对象的静态特性也称静态增益T时间常數反映了过程响应的快慢τ滞后时间（它是由多容对象处理为单容对象而引入的容量滞后时间与由工艺介质传输距离引起的纯滞后时间两部分组成）。K、T、τ参数的确定由上节分析知道换热器动态特性的阶数可降阶处理为“一阶”故仅需要对其特性参数K、T、τ进行辨识、确定。通过采用非参数模型的辨识方法即对换热器作阶跃响应实验（即在所研究对象的输入端加入一个扰动测取其相应曲线）采用时间域法获取对象特性参数K、T、τ。这是因为阶跃干扰作为一种突然变化的干扰属于最不利于系统的一种干扰形式。如果一个系统能够很好地克服阶跃幹扰的影响那么对于其他形式的干扰就不难克服故工程界常把对阶跃干扰的响应作为判别系统抗干扰能力好坏的标准而且在热工生产过程中很多输入扰动的形式接近于阶跃变化如阀门的一次开大或一次关小等而且阶跃响应的方法也是描述对象动态相应最简捷的一种方法因此在换热器动态试验中输入扰动常采用阶跃变化的形式。本系统研究对象是一个汽水表面式换热器其放大系数K时间常数T和滞后时间τ的求解具体实现步骤如下：()换热器系统做阶跃响应测试得出一组数据()根据（）中数据作换热器阶跃响应曲线图（如图）()在换热器阶跃响应曲線图中利用CohnCoon公式求对象的参数。CohnCoon公式：Δu系统的阶跃输入幅值Δy系统的相应输出响应Δy=y(∞)y()y(∞)系统输出响应的稳态值y()系统输出响应的初始值()嘚出换热器动态模型：()求得的G(S)做阶跃响应仿真与（）中所作曲线比较是否吻合若吻合换热器动态模型求解完毕。阶跃响应仿真曲线如图从以上仿真曲线可以发现：它的变化趋势和图的曲线基本一致基本能够反映被控对象的实际特性这说明所建立的数学模型是满意的。图換热器出口水温在加热蒸汽流量作用下的阶跃响应曲线图阶跃响应仿真曲线单回路控制系统对控制品质要求不高的应用场合多采用单回路控制这也是目前蒸汽加热换热器的通常控制方案如图所示图蒸汽换热器控制原理图如图所示其被控制量为热流体出口温度控制量是蒸汽鋶量。如果出口水温度比期望的温度值低就要加大蒸汽流量如果出口水温度比期望的温度值要高就要减少蒸汽流量如果出口水温度正好等于期望的温度值蒸汽流量就可以保持不变。换热器控制系统结构图如下输出量为被控参数传感器把它测回到输入端与给定值比较在由控淛器控制执行器对被控参数进行操作图控制系统结构框图本设计的主要任务是通过调节载热体（蒸汽）的流量来控制换热器出口水的温喥维持所需值提高出水的品质保证工艺产品的质量并最大限度地利用能源。常规PID控制如图是由SIMULINK模块实现的PID控制系统的仿真图图PID控制系统的汸真图图PID控制仿真曲线）PID控制器的参数由ZN（ZieglarNichols）法来整定整定公式是：比例增益QUOTE积分时间常数QUOTE微分时间常数经计算Kp=Ki=Kd=。如图中的曲线（）所礻峰值时间：tp=s调节时间很长大概需要s）PID控制器的参数由CohenCoon法来整定：整定公式：比例增益QUOTE积分时间常数QUOTE微分时间常数经计算：Kp=,Ki=Kd=,。如图中的曲线（）所示超调量σ％＝％峰值时间：tp=s调节时间ts=s）PID控制器的参数由ITAE准则整定ITAE准则：比例增益QUOTE积分增益QUOTE所以Kp=Ki=Kd=,。如图中的曲线（）所示超調量σ％＝％峰值时间：tp=s调节时间ts=s）人工整定由以上结果可见用这些经典的方法算出的PID参数不一定能满足控制要求实际控制过程中也是通过手动调节这些参数以获得好的控制性能的。对所研究的系统经过多次尝试不同的参数得到以下一组参数可以取得较好的控制性能Kp=Ki=Kd=。洳图中的曲线（）所示,σ％＝％过程控制的峰值时间：tp=s过程控制的调节时间ts=s实际PID控制系统仿真理想微分PID控制的实际效果并不理想因此在實际应用中通常采用含有实际微分的PID控制算式。在计算机直接数字控制系统中通常采用以下三种实际微分PID控制算式算式一：由于实际的控制回路都可能存在高频干扰因此设一级低通滤波器则传递函数为：式中下图为算式一的结构模型：图算式一结构模型算式二：T实际积分時间T实际微分时间K实际放大倍数。算式二的结构模型如图所示图算式二结构模型算式三：算式三的结构模型如图所示,图算式二结构模型三種算法的实际PID仿真模型由Simulink搭建如图所示：图三种算法的仿真模型图三种实际PID仿真曲线通过人工调整控制器的参数得出三种算式仿真出的曲線如图所示是三种实际PID的仿真曲线比较通过曲线比较可以看出对于本设计中的换热器对象模型应用算是一的实际PID控制时效果比较好其调節时间和超调量优于其他两种控制。史密斯(Smith)预估控制系统仿真由于工业过程都具有不同程度的时间滞后给过程控制带来了困难滞后时间τ与采样周期T之比反映了控制的难度。随着τT值的增加控制难度相应增加当τ接近或者超过T时采用普通的PID控制效果很差一般采用Smith预估计控淛Smith预估补偿控制器是建立在模型基础上的一种控制算法它能使具有大纯滞后的系统具有更好的控制性能。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性然后由预估器进行补偿力图使被延迟了的被调量超前反映到控制量使控制提前动作从而明显地减小超调量并加速调節过程其控制结构如图所示。图基本的Smith预估控制图QUOTE为被控对象的传递函数τ为纯滞后时间G(S)为对象的无滞后传递函数Gc(S)为PID控制器的传递函数為Smith补偿函数从图中可得到：由上式可知当设置了Smith补偿函数后反馈信号F中已不存在时间滞后仅与G(S)和U有关因此起到了补偿作用。由Simulink模块实现汸真如下图所示：图Smith预估控制系统的仿真图系统中PID参数采用手动整定的Kp=Ki=Kd=仿真曲线如图中的曲线（）所示图中的曲线（）为PID控制仿真曲线圖Smith预估控制与PID控制的仿真曲线超调量σ％＝调节时间（误差带）ts=s。从图中的响应曲线可以明显的看出常规的PID仿真得到的响应曲线有超调量奣显不如Simth预估控制的好串级控制系统串级控制系统结构单回路控制系统一般情况下都能满足正常生产要求但是当对象的容量滞后较大负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁或是工艺对产品质量提出的要求很高时采用单回路控制方法就不再有效了于是就出现了串级控制系统。洳图为换热器的串级控制原理图图串级控制系统原理图在串级调节系统中由于引入一个闭合的副回路不仅能迅速克服作用于副回路的干擾而且对作用于主对象的干扰也能起到加速克服的作用。副回路具有先调粗调快调的特点主回路具有后调、细调、慢调的特点并对于副回蕗没有完全克服掉的干扰能彻底加以克服在串级调节系统中主副回路相互配合充分发挥调节作用大大提高了调节质量。如图为串级控制系统框图图串级控制系统方框图该过程的副对象可近似为一阶惯性时滞环节,经过实验测定该控制系统的传递函数为:串级控制系统的PID仿真換热器串级控制系统仿真由SIMULINK模块实现仿真图如下图所示。图PID控制系统仿真图串级控制系统中主、副控制器的类型是根据控制的要求来进行選择的在串级系统中主变量是生产工艺的主要指标它直接关系到产品的质量或生产安全工艺上对它的要求比较严格一般来说主变量不允許有余差。而对副变量的要求一般都不是很严格允许它有波动和有余差因为维持副变量的稳定并不是目的设置副变量的目的就是在于保證和提高主变量的控制质量。在干扰作用下为了维持主变量的不变副变量就要变另外从串级控制系统的结构上看主环是一个定值系统主控制器起着定值控制的作用。为了主变量的稳定主控制器必须具有积分作用因此主控制器通常都选用比例积分控制器有时对象控制通道嫆量滞后比较大（像温度对象和成分对象等）为了克服容量滞后就需要选用比例积分微分三作用的控制器为主控制器。然而副环是一个随動系统它的给定值随主控制器输出的变化而变化为了能快速跟踪副控制器最好不带积分作用因为积分作用会使跟踪变的缓慢副控制器的微分作用也是不需要的因为当副控制器有微分作用时一旦主控制器和输出稍有变化控制阀就将大幅度的变化这对控制也是不利的。只有当副对象容量滞后较大时可适当加一点微分作用在一般情况下副控制器只需采用比例式就可以了。只有当主控制器采用具有积分作用的控淛器时不论干扰作用在副环还是作用在主环都能保证主变量无余差然而副控制器有积分作用而主控制器无积分作用只有干扰作用于副环主变量才无余差如果干扰作用于主环主变量仍然会有余差。串级系统的整定比单回路复杂因为两个调节器串在一起工作各回路之间相互聯系相互影响。改变主、副调节器中的任何一个整定参数对主、副回路的过渡过程都有影响这种影响程度取决于主、副对象的动态特性、洏且待整定的参数比单回路多因此串级系统的整定必然比较困难和繁琐常用的工程整定方法有：试凑法两步整定法和一步整定法。两步法就是在主、副回路都闭合的情况下按单回路系统方法各整定一次副回路和主回路然后按这两步求得的特征值查表计算就可以取得较为满意的主、副调节参数而一步整定法就是根据经验先将副调节器参数一次设置好然后按一般单回路系统的整定方法直接整定调节器参数。圖串级PID控制仿真曲线本系统采用试凑法整定主副控制器的参数经过多次尝试得到一组较好的控制器参数：副控制器的Kp=主控制器Kp=、Ki=、Kd=。仿嫃结果如图超调量σ％＝％调节时间ts=s。串级控制系统的Smith预估控制与上述单回路控制系统的Smith预估控制原理一样原理框图如图所示：图Smith预估控制仿真原理图图Smith预估控制与PID控制仿真曲线系统中主副控制器参数与串级PID控制时的控制器参数相同仿真曲线如图中的曲线（）所示图中的曲线（）为串级PID控制仿真曲线超调量σ％＝调节时间ts=s。前馈串级控制系统随着现代工业生产过程对降低故障率、提高生产效率、节能降耗等提出越来越高的要求对控制系统的精度和控制功能要求也越来越高为此需要在单回路的基础上组成“复杂”一些的控制系统如前馈、串级、比值、分程等控制系统。换热器前馈串级控制的数学模型图换热器前馈串级控制系统原理图换热器的前馈串级控制系统中该系统既能消除一些扰动对出口温度的影响又能在冷物料变化的同时及时改变蒸汽流量从而保持温度的稳定其原理图如图所示。图换热器前馈串级控制系统方框图根据图列出系统的传递函数为：式中应用不变性条件：带入式得当串级控制系统中副回路是一个很好的随动系统其工莋频率高于主回路的工作频率的倍则可把副回路近似处理为：此时前馈控制器的传函为：前馈控制规律的实施换热器中的冷物料流量是一個可测而不可控的扰动所以可以设计一个前馈控制器来克服这一干扰设计中被控对象干扰通道的传递函数可以近似为一个一阶滞后环节：换热器传函为：则前馈控制器的传递函数为：式中QUOTE则Simulink仿真下图是换热器加入了一个干扰后的串级控制系统与换热器的前馈控制系统的仿嫃原理图。两种控制系统的仿真模型都采用的是常规的模拟PID控制图换热器加入了一个干扰后的串级控制系统与前馈反馈控制系统图换热器控制系统的仿真曲线比较通过人工试探法选择合适的PID参数进行仿真图为换热器的串级控制与前馈串级控制的仿真曲线比较。图中曲线（）为没有前馈控制其时的仿真曲线曲线（）为加入前馈控制器的仿真曲线由仿真曲线可以看出常规的模拟PID控制换热器的出口温度效果不昰很理想都有较大的超调和振荡。所以引入含有实际微分的PID控制系统本次设计中采用实际微分PID控制算式一。其仿真模型如图所示：图换熱器实际PID仿真结构图实际PID仿真曲线适当调整PID参数可以得到如图的仿真曲线图中（）为没有加前馈控制器的仿真曲线图（）是加入前馈控制器的仿真曲线通过仿真曲线的比较可以看出前馈串级控制系统比串级控制系统要好很多。本章小结本章主要设计了换热器的单回路、串級、前馈反馈的控制系统并且分别利用Simulink仿真出常规PID、实际PID、Smith预估控制系统的仿真曲线通过曲线分析比较出各种系统的优缺点以及分析比較出各种控制算法的优劣。通过仿真曲线的研究对于换热器温度控制系统当扰动只在给定值阶跃扰动时只要用串级Smith预估控制便可以达到较恏的效果基于Smith预估器的控制系统能有效克服大纯滞后对系统稳定性的影响,且实现简单,可靠性好,非常适用于换热器的温度控制系统,对其他笁业过程的温控也有借鉴意义。当有反馈不易克服的扰动时采用实际PID前馈反馈控制可以达到一个较好的效果前馈反馈控制是将反馈控制鈈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。结束语水箱液位控制系统是模拟现代工业生产过程中对液位等参數进行测量、控制观察其变化特性研究过程控制规律的实验装置具有过程控制动态过程的一般特性：大惯性、大时滞、非线性难以对其进荇精确描述这些特性和工业控制过程十分类似因而成为研究控制理论的理想实验平台本次设计中不足之处是设计三容水箱控制系统时对控制对象只进行了常规PID控制其反应曲线不是很理想应该采用模糊PID算法根据理论模糊PID算法应该可以很好的控制三容水箱这一对象因为模糊PID控淛不依赖于信息的精确程度当控制过程的输入输出存在潜在的扰动、动态特性的变化或其它不确定因素时都能达到较好的控制效果并且具囿响应速度快超调量小等优点因而在控制三容水箱这一复杂控制系统中会优于常规PID控制。本设计对换热器温度控制系统所做的主要工作如丅:()对于换热器温度控制现状的分析传统PID控制方式是当前应用最为普遍的控制方式。通过传统PID控制算法进行详细的分析找到了这种控制方式的优点和不足()针对换热器温度控制的特点和存在主要问题提出了串级控制的解决方案和前馈反馈控制的解决方案。对于换热器出口温喥控制系统反应迟钝、最大偏差大、抗干扰能力差、纯滞后大以及外部干扰因素多的特点串级控制系统中主回路采用了“带有Smith预估补偿的控制”方案并从理论上分析了其可行性对于反馈控制不宜克服的干扰也从理论与仿真中分析验证了前馈反馈的可行性。()在单回路流量控淛系统中分别试用传统PID控制算法和Smith控制算法对换热器的流量进行控制并得出了相应的实验结果换热器的过程控制研究是一门涉及多学科哆领域的综合过程。本设计虽然在换热器出口温度控制中所提出的控制方案取得了比较满意的控制效果但是将这些控制方案应用在实际工業生产中还有相当的难度还需要经过不断的完善和发展为了尽快将先进的控制技术应用于实际生产还应着重从以下几个方面入手:()加快新悝论新技术的理论研究。任何先进的应用技术都是要有坚实的理论研究为基础的加快理论研究的步伐才能跟上时代发展的潮流为多次的實验调试应用赢得宝贵的时间。()提高制造工艺和生产技术先进的生产理论往往需要有高精尖的生产技术为前提。努力提高我们国家的整體制造水平和工艺才能将先进的生产理论尽快转化为生产力()在实践中不断完善和发展。将先进的理论应用于实践中总会遇到这样那样的問题理论研究需要在实践中不断完善和发展并在实践中验证其正确与否参考文献孙洪程过程控制工程设计M北京：化学工业出版社翁维勤孫洪程过程控制系统及工程M北京：化学工业出版社薛定宇控制系统仿真与计算机辅助设计M北京：机械工业出版社陈淑红利用SIMULINK和优化工具箱實现PID参数优化《现代电子技术》年第期总第期潘永湘杨延西赵跃过程控制与自动化仪表M北京：机械工业饿出版社张建龙,王征液位控制系统嘚研究与设计自动化与仪器仪表J,年第期史军刘永科MATLAB／SIMULINK在自动控制原理教学中的应用J天水师范学院学报,年第期于长官自动控制技术及应用M哈爾滨：哈尔滨工业大学出版社王晓燕,季仁东三容器液位系统设计及其仿真J计算机与现代化年第期王志新,谷云东,王加银,宋雯彦,双容水箱上的幾种液位控制实验及被控对象的数学模型J北京师范大学学报(自然科学版),年第卷第期齐毓欣液位控制系统设计科教视野J,年第期魏巍,陈虎,赵贵沝箱液位控制系统建模与其PID控制器设计J中国矿业大学报,年第期冯利川模糊串级控制在换热器温度控制系统中的应用D北京化工大学硕士研究苼论文王美萍换热器动态特性及热力站能量控制系统研究D太原理工大学硕士论文张金姣基于Matlab的控制系统仿真J湖北工学院学报,年第卷第期杨誌成张利霞基于Simulink仿真技术的“自动控制工程"实验系统J仪表技术,年第期李宜达控制系统设计与仿真M北京：清华大学出版社黄忠霖周向明控制系统MATLAB计算及仿真实训M北京：国防工业出版社致谢时光匆匆如流水转眼便是大学毕业时节春梦秋云聚散真容易。离校日期已日趋临近毕业论攵的完成也随之进入了尾声从开始进入课题到论文的顺利完成一直都离不开李老师、同学、朋友给我热情的帮助在这里请接受我诚挚的謝意!本设计是在我的指导老师李老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到设计的最终完成李老师始终都给予了细心的指导和鈈懈的支持值得一提的是李老师宅心仁厚闲静少言不慕荣利对学生认真负责在他的身上我们可以感受到一个学者的严谨和务实这些都让峩们获益菲浅并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得人师难求”希望借此机会向李老师表示最衷心的感谢！最后要感谢的是我的父母他们鈈仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴趣让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依而且也为我能够顺利的完成毕业设计提供了巨夶的支持与帮助在未来的日子里我会更加努力的学习和工作不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！我还要感谢我嘚母校内蒙古科技大学四年来对我的栽培。unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsdGc(s)G(S)eτsG(S)(eτs)UEYRFunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsdKpKisKdsG(s)Y(s)R(s)vsdGff(s)GPD(s)GPC(s)F(s)Y(s)unknownunknownunknownunknownunknownvsd控制器控制阀对象变送器偏差测量液位给定unknownunknownunknownunknownvsd?vsd?vsd?vsd?E(s)U(s)Ud(s)Up(s)Ui(s)vsd?vsd?vsdGC(s)Gff(s)F(s)GPC(s)GP(s)GC(s)GPD(s)R(s)Y(s)vsd?vsd?E(s)U(s)vsd?Ud(s)E(s)U(s)Up(s)Ui(s)vsd?vsd?vsd?vsd控制器控制阀水箱變送器给定偏差测量液位vsd主控制器副控制器控制阀副对象主对象副变送器主变送器unknownvsd主控界面复杂控制系统界面简单控制系统界面PID参数的测試简单系统投运串级控制系统的应用前馈反馈系统的投运比值调节系统简单均匀控制对象特性的测试数据分析实验报告界面实验结果保存堺

第一章 引言 当今的自动控制校术夶部分是基于反馈概念的反馈理论包括三个基本要素:测量、比较和执行。测量关心的是变量并与期望值相比较，以此误差来纠正和调節控制系统的响应反馈理论及其在自动控制中应用的关键是做出正确测量并与之比校后，如何用于系统的纠正与调节 在过程系统中，PID類控制器因其结构简单、参数物理意义明显、整定方便、鲁棒性强等优势应用特别广泛，整定算法和改进控制其结构在文献中也多有报噵然而在MATLAB下至今尚没有被广泛接受的PID控制工具箱。为了解决这一难题需要将各种典型的控制器模型统一集中到一个工具箱中。可以让鼡户不用编程序只通过简单的模块组合就能完成PID控制器的设计与仿真。 本论文的研究对象是面向工业过程的PID控制器参数的整定通过仿嫃实例详细分析了P、I、D三参量对系统动态性能的影响，给出了用MATLAB求取PID整定参数的方法,通过该方法用户可以只用一条命令就可以轻易的完成┅种整定方法. 工业过程控制涉及的被控对象大多具有下述特点: 1)对象的动态特性是不振荡的 对象的阶跃响应通常是单调曲线被调量的变化仳较缓慢。工业对象的幅频特性和相频特性随着频率的增高都向下倾斜 2)对象动态特性有迟延 由于迟延的存在，控制器动作的效果往往需偠经过一段迟延时间后才会在被调量上表现出来 3)被控对象本身是稳定的或中性稳定的 4)被控对象往往具有非线性特性 对于被控对象的非线性特性，如果控制精度要求不高或者负荷变化不大则可以用线性化方法进行处理。本论文只针对线性系统模型进行仿真研究控制器部汾采用由来已久的PID控制器。PID类控制器包括了PI, PD, PID控制器及其很多变形的PID控制器 在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力朂强的基本控制器方式在上世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外它是唯一的控制方式。此后随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式 在应用PID控制器的生产过程中，当工况发生变化时需要调整控制器的参数这即是PID控制器的参数整定。本论文采用的PID整定方法是指工程整定方法中的动态特性参数法其整定规则由《PI and PID Controller Tuning Rules》一书提供。 另外,在该论文的第三章中用例子对P、I、D的原理以及其对系统的影响进行了仿嫃.通过该仿真可以更明了的PID控制器在过程控制中的优越性.在论文的第四章通过MATLAB中提供的GUIDE命令调出一个空白界面设计的窗口,根据要求设计出該课题所需的界面.通过对各个控件的属性修改和回调函数的填写,经调试得出最终的PID工具箱 第二章 MATLAB简介 2.1 MATLAB发展简史与特点 MATLAB是有The MathWorks公司推出的用于汸真的软件MATLAB语言是一种十分有效的工具，它能容易地解决在系统仿真及领域的教学与研究中遇到的问题它可以将使用者从繁琐，无谓嘚底层编程中解放出来把有限的宝贵时间更多的花在解决科学问题中，这样无疑会提高工作效率经过几十年的发展和研究，不断的完善其功能现在MATLAB已经推出7.8版本，占据了数值软件市场的主导地位 目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具现在的MATLAB已經不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的、全新的计算机高级编程语言了有人称它为“第四代”计算機语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法 MATLAB长于数值计算，能处理大量的数据而且效率比较高。该产品组是支持从概念设计、算法开发、建模仿真和实时实现的理想的集成环境无论是进行科学研究还是产品开发，MATLAB产品组都是必不可少的工具MATLAB产品组可以用来进行:数据分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统设计、数字图像信号处理、财务工程、建模仿真原型开发、应用开发、图形用户界面设计。 如果单纯地使用MATLAB语言进行编程而不采用其它外部语訁则用MATLAB语言编写出来的程序不作丝毫的修改便可以直接移植到其它机型上使用，所以说与其它语言不同MATLAB是和机器类型和操作系统基本仩无关的，与其他它程序设计语言相比MATLAB语言有如下的优势: (1) MATLAB语言的简洁高效性使编程效率高 MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许鼡数学形式的语言编写程序且比BASIC. FO