畢業(yè)論文-蒸汽熱水型換熱器數(shù)字pid控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目： 蒸汽/熱水型換熱器數(shù)字PID控制系統(tǒng)</p><p>　　的設(shè)計(jì)與仿真 </p><p>　　學(xué) 院： 信息工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)名稱： 電子信息科學(xué)與技術(shù)</p>

2、<p>　　班級(jí)學(xué)號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　二O一六 年 6 月 </p><p>　　蒸汽/熱水型換熱器數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　摘要：在當(dāng)今社

3、會(huì)的工業(yè)領(lǐng)域之中，換熱器已經(jīng)逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)的工藝設(shè)備，并且已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于動(dòng)力工程領(lǐng)域和一些其他的過程工業(yè)部門。本次實(shí)驗(yàn)是要求以控制輸入蒸汽流量來達(dá)到輸出熱水溫度的穩(wěn)定。但是，由于被控對(duì)象為蒸汽流量，故存在大慣性、參數(shù)時(shí)變、純滯后等非線性特點(diǎn)，所以利用傳統(tǒng)的PID控制不能滿足其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性的要求。單一的控制方式和現(xiàn)在制造工藝的限制，導(dǎo)致目前換熱器普遍存在效果差，效率低的現(xiàn)象同時(shí)也造成了能源的浪費(fèi)。如何改變這樣的現(xiàn)狀，提高換熱器的控制

4、效果及效率，對(duì)于緩解能源緊張的狀況具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。本課題是通過PID控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)換熱器的輸入（蒸汽流量），來控制輸出（熱水溫度），同時(shí)也引入了smith預(yù)估器來解決時(shí)滯問題，通過建立數(shù)學(xué)模型來求取被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，從而建立simulink模型，通過MATLAB仿真得到其階躍響應(yīng)曲線圖。</p><p>　　本文首先基于開環(huán)階躍響應(yīng)曲線法，通過調(diào)節(jié)參數(shù)（蒸汽流量）的階躍輸入作用下得到被控參數(shù)（供水溫度）的變化規(guī)

5、律，從而得到廣義被控對(duì)象的特性參數(shù)，從而得到換熱器的開環(huán)傳遞函數(shù)，通過搭建模型仿真觀察結(jié)果，未達(dá)標(biāo)，引入smith預(yù)估器重新搭建模型仿真并與之前的圖形對(duì)比，接著采用PID進(jìn)行校正，基于時(shí)域響應(yīng)法進(jìn)行PID參數(shù)整定，最后，修改比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)并對(duì)比確定最后的取值，并觀察結(jié)果符合要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：換熱器 時(shí)滯 PID控制 smith預(yù)估器</p><p>

6、<b>　　指導(dǎo)老師簽名：</b></p><p>　　Design and Simulation of digital PID control system for steam / water heat exchanger</p><p>　　Abstract: In the industrial field of today's society,Heat

7、exchanger has gradually become a standard process equipment,And has been widely used in the field of power engineering and some other process industries. This experiment is required to control the input steam flow rate t

8、o achieve the output hot water temperature stability. But, Due to the controlled object as the steam flow, there are some nonlinear characteristics such as large inertia, time varying parameters and time delay.So the use

9、 o</p><p>　　In this paper, based on the open loop step response curve method,The variation law of controlled parameters (water temperature) was obtained by adjusting the step input of the parameters (steam f

10、low),The characteristic parameters of the generalized controlled object are obtained,The open loop transfer function of the heat exchanger is obtained,By setting up the model simulation results, not up to the standard,Th

11、e Smith predictor is introduced to build the model simulation and compare with the pr</p><p>　　Keyword：Heat exchanger time lag PID control smith predictor</p><p><b>　　目 錄</b>

12、;</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 PID控制的目的和意義(5)</p><p>　　1.2 PID控制的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r(5)</p><p>　　1.3 換熱器PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法(7)</p><p>　　1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)

13、容(7)</p><p>　　2 換熱器PID控制系統(tǒng)的構(gòu)建</p><p>　　2.1 換熱器的簡(jiǎn)要介紹(9)</p><p>　　2.2 控制方案的設(shè)計(jì)(9)</p><p>　　2.3 傳遞函數(shù)的求取(9)</p><p>　　2.4 PID的簡(jiǎn)要介紹(9)</p><p

14、>　　2.5 Smith預(yù)估器(11)</p><p>　　3 基于MATLAB的simulink模型建立</p><p>　　3.1 仿真系統(tǒng)模型的建立(13)</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析(13)</p><p>　　3.3 階躍信號(hào)輸入的優(yōu)點(diǎn)(13)</p><p>　

15、　3.4 simulink模型建立(14)</p><p>　　4 參數(shù)校正及仿真</p><p>　　4.1 PID參數(shù)的整定(18)</p><p>　　4.2 校正系數(shù)的確定(18)</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果及分析(18)</p><p><b>　　5 結(jié)論<

16、/b></p><p>　　結(jié) 論(25)</p><p>　　參考文獻(xiàn)(26) </p><p>　　致 謝(27)</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 蒸汽/熱水型換熱器數(shù)字PID控制的目的和意義</p><p&

17、gt;　　本次研究的是蒸汽/熱水型換熱器數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。現(xiàn)在，隨著社會(huì)的發(fā)展，文明的發(fā)展，人們已經(jīng)把節(jié)約能源看作是一種十分重要的事情。節(jié)約能源是指盡最大可能的去降低能源的耗損、增大對(duì)能源的使用率等等的這一系列行為。增強(qiáng)對(duì)能源使用的管治，采用在經(jīng)濟(jì)方面、技術(shù)方面合理，同時(shí)在社會(huì)和環(huán)境都可以承受的范圍之內(nèi)的措施，從能源的出產(chǎn)開始到消耗等其中的多個(gè)環(huán)節(jié)，來減低能源的耗損、降低能源的損失和污染物產(chǎn)生、制止一些浪費(fèi)行為，有效、且合

18、理的去利用能源?，F(xiàn)如今，在我國(guó)，石油、化等工產(chǎn)業(yè)中，換熱器普遍都受到了重視，而換熱器的廣泛采用，也決定了換熱器換熱性能的改善，以及設(shè)計(jì)理論的不斷創(chuàng)新，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益和工業(yè)的飛速發(fā)展都具有一定的積極作用，為節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境做出了顯著的貢獻(xiàn)。</p><p>　　在實(shí)際的工程之中人們使用最多的控制規(guī)律為，比例（proportional)、積分(integral)、微分(derivative)控制，也就是PID控制，

19、又稱之為PID調(diào)節(jié)。PID控制，實(shí)際中也分有PI控制和PD控制。PID控制器的原理就是：通過系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，采用比例、積分、微分來求出控制量從而進(jìn)行控制的。穩(wěn)定性是系統(tǒng)控制品質(zhì)好壞的一個(gè)重要的指標(biāo)。因此對(duì)PID控制的穩(wěn)定性研究工作在工控領(lǐng)域中有著非常重要的意義。</p><p>　　PID控制器問世至今已經(jīng)有將近70年的歷史了，它的算法相對(duì)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，在過程控制和運(yùn)動(dòng)控制之中應(yīng)用廣泛。各種各樣的PI

20、D控制器已經(jīng)在工程實(shí)際中得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如使用PID控制完成的溫度、流量、壓力、液位控制器等，可編程的控制器也有采用PID控制的，甚至還有實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。PID控制適合于那些數(shù)學(xué)模型無法精確建立的控制系統(tǒng)。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，被控對(duì)象的復(fù)雜程度也在不停的增大，特別是對(duì)于那些存在滯后、時(shí)變的、非線性的繁雜的控制系統(tǒng)，當(dāng)中有的參數(shù)不可得知或者是變換較為遲緩，有的帶有延遲或者是隨機(jī)干擾，有的不能獲得較為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型或

21、者是模型比較粗糙，加之現(xiàn)在我們對(duì)予控制品質(zhì)的要求也在日益增長(zhǎng)，這就用到了PID控制。</p><p>　　1.2 PID控制的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　在之前的五十年時(shí)間里，調(diào)整PID控制器里參數(shù)值的研究取得了極好的發(fā)展。其中有利用環(huán)階躍響應(yīng)信息。例如 Coon-Cohen 響應(yīng)曲線法，還有的使用Nyquist 曲線法。例如Ziegler-Nichols 的連續(xù)響應(yīng)法。然而，這些

22、方式都只是識(shí)別了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息中的一部分，很難理想的去調(diào)整系數(shù)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們把平常操作的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)利用人工智能的方式，把它當(dāng)做是一種知識(shí)存入了計(jì)算機(jī)當(dāng)中，判斷現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能夠自行去調(diào)整 PID 系數(shù)。這樣能實(shí)施自動(dòng)調(diào)整、縮短所需要的整定時(shí)間、簡(jiǎn)單便捷的操控方式優(yōu)化了響應(yīng)特性從而推進(jìn)了自整定 PID控制的進(jìn)一步發(fā)展。自整定技術(shù)在五十年代的時(shí)候就已經(jīng)出現(xiàn)，那時(shí)自適應(yīng)控制還處在剛發(fā)展的時(shí)期，六十年代的時(shí)候有外國(guó)人發(fā)

23、明了一種過程控制器采用的是自動(dòng)調(diào)節(jié)，因?yàn)槠涫蹆r(jià)過高、個(gè)頭偏大、穩(wěn)定性略差而遺憾的沒能被商品化。八十年代的時(shí)候，控制理論逐漸完整，同時(shí)高性能微機(jī)的使用，這才促使自整定控制器得到了開發(fā)，PID控制器系數(shù)自動(dòng)整定的設(shè)想已經(jīng)開始慢慢的變成現(xiàn)實(shí)?？刂齐姞t溫度的技術(shù)，它的發(fā)展可以用日新月異來形容。從模擬 PID、數(shù)字PID到最佳控制、自適應(yīng)</p><p>　　PID控制器調(diào)節(jié)以及它的改良型是在現(xiàn)代的控制工業(yè)中應(yīng)用尤為廣泛的

24、一種控制器。一個(gè)關(guān)鍵的問題存在與PID控制中，那便是對(duì)于其中參數(shù)的整定,使整個(gè)控制系統(tǒng)能達(dá)到我們所希望的控制性能。然而在實(shí)際中的應(yīng)用,有許許多多的被控過程的機(jī)理都非常繁雜,包含有高度非線性、純滯后和等時(shí)變不確定性特性,尤其是在噪音、負(fù)載擾動(dòng)等不利元素干擾下,模型結(jié)構(gòu)還有過程參數(shù)都會(huì)跟著時(shí)間和工作環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化。在兩千零二年的一次統(tǒng)計(jì)報(bào)告中MILLER和DES-BOROUGH指出,在美國(guó)目前普遍的使用于工業(yè)控制領(lǐng)域之中的調(diào)節(jié)器有多于

25、11600個(gè)是包含有PID控制器結(jié)構(gòu)的,其中有多于97%是使用了PID控制算法的反饋回路,哪怕是在一些極其繁雜的控制律中,當(dāng)中仍然包含PID控制算法在最基本的控制層。很遺憾的是,僅有大約三成左右的控制器在現(xiàn)實(shí)使用的過程中的的控制效果能讓人覺得滿意,另外六成的PID控制系統(tǒng)，他們的性能并沒有像預(yù)期那樣達(dá)到人們希望的那樣。這對(duì)于控制理論的研究來說，是一次史無前例的大挑戰(zhàn)和大機(jī)遇，對(duì)于其應(yīng)用來說也是一樣的。</p><p&

26、gt;　　1.3 換熱器PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　換熱器的輸入?yún)?shù)為蒸汽的流量，輸出為穩(wěn)定95度熱水，因?yàn)橄到y(tǒng)包含極大的時(shí)滯性，故采用PID控制來解決時(shí)滯問題，因傳統(tǒng)PID不能恨理想的改善時(shí)滯，故引入smith預(yù)估器，設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)包含了PID和smith預(yù)估器的換熱器。具體可以分為下面幾個(gè)步驟。</p><p>　　1)首先要確定輸入與輸出之間關(guān)系變化的特性參數(shù)，從而求

27、出傳遞函數(shù)。</p><p>　　2)基于matlab軟件，搭建simulink模型建立初步的換熱器PID控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真，并觀察得到的階躍響應(yīng)曲線是否符合課題要求。</p><p>　　3)在原有的模型基礎(chǔ)上增加smith預(yù)估器，建立完整的控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真，得到的階躍響應(yīng)曲線與原曲線進(jìn)行對(duì)比并分析。</p><p>　　4)基于時(shí)域響應(yīng)法進(jìn)行PID參數(shù)

28、的工程整定，并不斷的修改各個(gè)參數(shù)并對(duì)比，得出符和要求的最佳結(jié)果。</p><p>　　1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中使用非常普遍的熱量交換設(shè)施。伴隨著現(xiàn)代新的工藝、材料、技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，能源利用的問題也在日益嚴(yán)重化，世界各國(guó)都已經(jīng)開始普遍把石油化工的深度加工和能源的綜合利用放到了十分重要的位置。換熱器也因此面臨著前所未有的新挑戰(zhàn)。&l

29、t;/p><p>　　性能的好壞是換熱器對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量、能量的利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性都十分重要的一項(xiàng)指標(biāo)，它有的時(shí)候甚至是起著至關(guān)重要的作用。然而，要對(duì)換熱器進(jìn)行實(shí)際研究的話不僅在實(shí)際操作上有著極大的困難，各種參數(shù)設(shè)置也不易操作，因此我們基于Matlab軟件來進(jìn)行仿真研究。Matlab是一個(gè)完全涵蓋了包括數(shù)學(xué)矩陣運(yùn)算、數(shù)值的分析、各類圖形的顯示以及各種信號(hào)處理等功能在內(nèi)的軟件，它同時(shí)也是現(xiàn)代社會(huì)用來研究領(lǐng)

30、域的一種高性能的科學(xué)計(jì)算語言。它能夠?qū)D形的可視化與數(shù)值的運(yùn)算完全的集合在一起，并且它提供了極其大量的內(nèi)置函數(shù)，因此被普遍的使用于各種學(xué)術(shù)研究中的科學(xué)運(yùn)算、各類控制系統(tǒng)中的模擬、信號(hào)的處理等各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、分析以及仿真之中。而且，它同時(shí)也具有開放式的結(jié)構(gòu)，我們可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次的開發(fā)，從而不斷的進(jìn)行擴(kuò)充、完善其所需的功能。</p><p>　　基于這一思想，本文我們做一個(gè)基于MATLAB的換熱器PID控制系

31、統(tǒng)，那么首先我們要選擇使用matlab語言編程的方式或者是simulink模型的搭建，經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)simulink模型能更加直觀清楚的表現(xiàn)，并且更加方便后期參數(shù)修改和調(diào)節(jié)，選擇好了方案我們要確定被控對(duì)象的廣義傳遞函數(shù)，建立換熱器的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　我們研究的對(duì)象為一個(gè)具有時(shí)滯性，二階慣性的系統(tǒng)，不同于一般的線性系統(tǒng)，因此我們要加入PID控制并且同時(shí)選擇同時(shí)加入smith預(yù)估器來完成，那么我們就要

32、去了解和應(yīng)用PID控制以及smith預(yù)估器。采用PID 控制這種方法是很早就發(fā)展起來的一種控制方法。由于PID控制方法的算法相對(duì)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性很高，現(xiàn)在在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了極其普遍的使用。同時(shí)PID 控制器也有著非常的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且參數(shù)也非常容易修改，在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工程應(yīng)用之后，現(xiàn)在人們對(duì)PID控制的方法已經(jīng)累積了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)軟件不斷的發(fā)展和高度的自由性，PID算法就能夠獲得相應(yīng)的修改并且變得更加完

33、善，還能夠和一些別的控制規(guī)律融合起來，發(fā)揮不同的更加良好的控制效果。而說到史密斯預(yù)估器，這控制方法更是一種普遍使用于來補(bǔ)償純滯后對(duì)象的。在現(xiàn)實(shí)的使用中，史密斯預(yù)估器為把一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)并連在PID控制器上，這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)我們就稱之為史密斯預(yù)估器。在實(shí)際中，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞、穩(wěn)定性降低的被控對(duì)象的純滯后時(shí)間τ，還會(huì)引起超調(diào)和持續(xù)的震蕩，這個(gè)時(shí)候，我們一般都使用史密斯預(yù)估器來解決。</p><p>　　（1）蒸汽/熱

34、水型換熱器廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)的求取；</p><p>　　（2）基于Matlab進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)和仿真,得到供水溫度的變化曲線；</p><p>　?。?）基于時(shí)域響應(yīng)法的PID參數(shù)的工程整定。</p><p>　　2 換熱器PID控制系統(tǒng)的構(gòu)建</p><p>　　2.1 換熱器的簡(jiǎn)要介紹</p><p>　　

35、在溫度不同的兩種或者說多種流體之間傳遞熱量的設(shè)備叫做換熱器，又稱之為熱交換器、熱交換設(shè)備。換熱器的功能主要是在工業(yè)生產(chǎn)之中將熱能量從溫度相對(duì)較高的流體傳遞給溫度相對(duì)較低的流體，使其溫度能夠滿足工藝流程所要求的規(guī)格，以滿足過程工藝條件的需要，用于各種換熱條件。換熱器的形式是多種多樣的。每一種換熱器的結(jié)構(gòu)和形式都有獨(dú)特之處和適用的范圍，只有嫻熟的掌握了這些特征，并結(jié)合生產(chǎn)工藝的實(shí)際要求，方可進(jìn)行最為合理的選取和正確的設(shè)計(jì)。換熱器如今已經(jīng)被普

36、遍的使用于燃油、化工、煉金、機(jī)械、造船、電力、食品、制藥、航空、暖通空調(diào)、環(huán)保、城市供熱以及其它的工業(yè)領(lǐng)域之中。換熱器現(xiàn)在已經(jīng)不僅是工業(yè)部門用來保證某些工業(yè)流程和條件而被廣泛使用的熱工設(shè)備，同時(shí)也是開發(fā)和利用工業(yè)二次能源、實(shí)現(xiàn)余熱的回收和節(jié)能的主要設(shè)備。換熱器這個(gè)行業(yè)充分的體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的思想，是一個(gè)正處于蓬勃發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。如下圖2-1舉例一種常見換熱器的結(jié)構(gòu)原理圖。 </p><p>

37、;　　圖1-1 換熱器的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　2.2 控制方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　1)我們建立原始的換熱器模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真得到階躍響應(yīng)曲線后進(jìn)行觀察，看其是否能按預(yù)期的期望出現(xiàn)正確圖形并符合實(shí)驗(yàn)要求。</p><p>　　2)在原有的模型基礎(chǔ)上增加PID控制環(huán)節(jié)，再次仿真并把得到的階躍響應(yīng)曲線與原曲線進(jìn)行對(duì)比，闡述使用PID后變化以及其優(yōu)點(diǎn)，以

38、此來證明加入PID的必要性。</p><p>　　3)在得到加入了PID的模型后，研究其結(jié)果是否符合實(shí)驗(yàn)要求，如果符合即實(shí)驗(yàn)成功，如果不能達(dá)到課題要求，即各項(xiàng)指標(biāo)未能達(dá)標(biāo)，那么我們嘗試再次加入史密斯預(yù)估器來進(jìn)一步完善模型。如果加入了史密斯預(yù)估器，就把新得到的模型再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，把得到的結(jié)果（階躍響應(yīng)曲線圖）分別與前兩步的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，再次說明引入史密斯預(yù)估器后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，以及其優(yōu)點(diǎn)，以此來證明

39、加入史密斯預(yù)估器的必要性和實(shí)用性。</p><p>　　2.2 傳遞函數(shù)的求取</p><p>　　調(diào)節(jié)參數(shù)（蒸汽流量）Q1的階躍輸入作用下，得到被控參數(shù)(供水溫度）T1的階躍響應(yīng)曲線，求得特征參數(shù)K、T和τ。</p><p>　　K----對(duì)象的放大系數(shù)；</p><p>　　T----對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；</p><p&

40、gt;　　τ----對(duì)象的純時(shí)間滯后；</p><p>　　GGP(S)----對(duì)象的傳遞函數(shù)；</p><p>　　本文我們?cè)O(shè)定K=39.13 、T=185 、τ=85；</p><p>　　因?yàn)檎羝?熱水型換熱器廣義被控對(duì)象具有時(shí)滯、二階慣性的特性，T1:T2≈4</p><p><b>　　所以傳遞函數(shù)為：</b>

41、</p><p>　　GGP(S)= = K （2-1）</p><p>　　得到了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，我們就可以來搭建該系統(tǒng)的simulink模型，進(jìn)行下一步的仿真。</p><p>　　2.4 PID的簡(jiǎn)要介紹</p><p>　　本課題用到了PID控制，那么我們就

42、有必要去了解一下這個(gè)控制系統(tǒng)。控制規(guī)律為比例、積分、微分的控制的調(diào)節(jié)器，一般稱為PID控制，又稱之為PID調(diào)節(jié)。PID控制器時(shí)至今日經(jīng)有大約七十年的悠久歷史了，它的穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、參數(shù)修改簡(jiǎn)單容易，因此它變成了工業(yè)控制領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一。在我們不能完全掌握被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的時(shí)候，或者說是未能得到較為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論中的其它方法不能被使用的時(shí)候，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和系數(shù)就只能憑借以往的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)整來確立了，

43、這個(gè)時(shí)候最為簡(jiǎn)單方便的方法就是采用PID控制技術(shù)了。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)和它的被控對(duì)象不能被我們很完整準(zhǔn)確的去掌握的話，或者說是沒有什么有用的辦法去獲得這個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，最適合采用PID控制技術(shù)。PID控制，在實(shí)際中也有PI和PD兩種控制。PID控制器的原理就是：通過系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，采用比例、積分、微分來求出控制量從而進(jìn)行控制的。</p><p>　　比例（P）控制：其中最簡(jiǎn)單的控制方法就是比例控制。研究它的輸出與輸入

44、的誤差信號(hào)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們是存在一定比例關(guān)系的。在只有比例控制的情況下，系統(tǒng)的輸出有穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　積分（I）控制：當(dāng)積分控制的時(shí)候，研究它的輸出與輸入的誤差信號(hào)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的積分是存在正比關(guān)系的。相對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)，假如在它達(dá)到穩(wěn)態(tài)后依然有穩(wěn)態(tài)誤差，這時(shí)我們就可以說這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 也可以命名為有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。想要去除穩(wěn)

45、態(tài)誤差，就必須把“積分項(xiàng)”加入到控制器中。積分項(xiàng)對(duì)誤差主要依據(jù)時(shí)間的積分，伴隨時(shí)間的不斷累加，積分項(xiàng)就會(huì)逐漸的變大。如此一來，就算誤差非常小，積分項(xiàng)也會(huì)跟著時(shí)間的不斷累加而變大，它促進(jìn)控制器增大輸出來使穩(wěn)態(tài)誤差愈發(fā)的變小，直至穩(wěn)態(tài)誤差近乎為零。所以，PI（比例+積分）控制器，能讓系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后近乎沒有穩(wěn)態(tài)誤差的存在。</p><p>　　微分（D）控制：當(dāng)微分控制的時(shí)候，研究你它的輸出與輸入的誤差信號(hào)，我們就會(huì)

46、發(fā)現(xiàn)，微分（即我們所說的誤差的變化率）存在正比的關(guān)系。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在去消除誤差的這個(gè)過程中就會(huì)產(chǎn)生振蕩、失穩(wěn)的情況。其實(shí)就是系統(tǒng)里有大慣性組件（環(huán)節(jié)）、有滯后（delay）組件，存在抑制誤差的功能，它的改變一直都是延遲于誤差的改變。我們可以通過讓抑制誤差功能的變化變得“提前”，就是在誤差近乎為零的時(shí)刻，抑制誤差的作用就同樣為零。意思就是，單純的在控制器中增加“比例”控制是不行的，它的功能就只是增大了誤差的幅值，但是我們需要的是加入“微

47、分項(xiàng)”，它能夠提前得知誤差變化的走勢(shì)，如此一來，包含比例、微分的控制器，往往可以提前讓能抑制誤差的控制作用為零，也可以為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此相對(duì)于存在大慣性、滯后的那些被控對(duì)象來說，PD（比例加微分）的控制器往往能提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　2.5 Smith預(yù)估器</p><p>　　我們對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用到了PID控制同時(shí)也采用了史密斯預(yù)

48、估器，那么我們就要了解一下史密斯預(yù)估器的原理及使用方法。史密斯預(yù)控制是普遍使用于對(duì)純滯后的對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N方法，在現(xiàn)實(shí)的使用中，其實(shí)就是并連一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)給PID控制器，這個(gè)補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)就是史密斯預(yù)估器。</p><p>　　在系統(tǒng)中把一個(gè)補(bǔ)償裝置加入到反饋回路當(dāng)中，這就是史密斯預(yù)估補(bǔ)償。把控制通道的傳遞函數(shù)之中的純滯后部分和另外的部分分開。它的特性就是提前預(yù)測(cè)出當(dāng)在給定的信號(hào)下時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，再通過預(yù)估器來給

49、予補(bǔ)償，以此來把被延遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)機(jī)器，讓調(diào)節(jié)器能提前作用，以此來降低超調(diào)量并加速整個(gè)過程。加入預(yù)估的模型精準(zhǔn)，該方法就能達(dá)到良好的控制效果，從而去除純滯后對(duì)系統(tǒng)的不利影響，讓系統(tǒng)的品質(zhì)與被控過程沒有純滯后的時(shí)候一樣。</p><p>　　當(dāng)被控對(duì)象傳遞函數(shù)為G(s)=Gp(s)e-τs 的時(shí)候 ，結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示，其中GP(S）為G(s)中不帶純滯后的部分。</p><p>

50、;　　圖2-2 一般帶時(shí)滯傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Smith預(yù)估器的原理：與D(s)并連上一部分，這部分就是補(bǔ)償環(huán)節(jié)，通過這樣的方式來補(bǔ)償對(duì)象中的純滯后部分。這部分就稱之為預(yù)估器，其傳遞函數(shù)可表示為：</p><p>　　Gp(s)(1-e-τs) （2-2）</p><p>　　增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)后的結(jié)構(gòu)圖2-3所

51、示</p><p>　　圖2-3 增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　預(yù)估器和D(s)共同組成的這部分，就是補(bǔ)償控制器（簡(jiǎn)稱補(bǔ)償器）</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　經(jīng)過補(bǔ)償后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-4）</b

52、></p><p>　　補(bǔ)償之后所得到的閉環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)樗臏蟛糠謊-τs，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移到了了閉環(huán)回路之外，于是就等同于下面系統(tǒng)：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其結(jié)構(gòu)圖如下圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 補(bǔ)償后的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p&g

53、t;　　這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響，僅僅是將Y1(t)這部分往后移了一小段時(shí)間，它的控制性能就等同于沒有滯后的系統(tǒng)。</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　3 基于MATLAB的simulink模型建立</p><p>　　3.1 仿真系統(tǒng)模型的建立</p><p>　　搭建simulin

54、k模型之前，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真系統(tǒng)模型可以幫助我們更加清晰明確的去設(shè)計(jì)構(gòu)建simulink模型。我們之前所設(shè)計(jì)的三種方案，其基本結(jié)構(gòu)圖分別如下3-1、3-2、3-3所示。</p><p>　　圖3-1 換熱器基本結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　圖 3-2加入PID控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖 3-3加入PID和史密斯預(yù)估器的基本結(jié)構(gòu)圖</p&

55、gt;<p>　　3.2 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析</p><p>　　可以用一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的性能來描述典型輸入作用下的響應(yīng)。通常響應(yīng)是指系統(tǒng)在零初始值的條件下，以及在某種典型的輸入函數(shù)的作用下其對(duì)象的響應(yīng)，現(xiàn)在的控制系統(tǒng)常用的幾種輸入函數(shù)主要是單位階躍響應(yīng)函數(shù)和脈沖激勵(lì)響應(yīng)函數(shù)（沖激函數(shù)）等。而在本課題中用到的單位階躍響應(yīng)函數(shù)。在MATLAB軟件的simulink仿真模塊庫(kù)當(dāng)中也有對(duì)應(yīng)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的模

56、塊：step。</p><p>　　3.3 階躍信號(hào)輸入的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　本課題的研究對(duì)象為換熱器的PID控制系統(tǒng)，其輸入?yún)?shù)為蒸汽流量，并非電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，不具備正弦或三角波的特性，故采用階躍信號(hào)作為輸入信號(hào)，其次采用階躍信號(hào)輸入可以更加方便直白的觀察上升時(shí)間和超調(diào)量，對(duì)于matlab仿真來說，一般情況下，能在階躍狀態(tài)下穩(wěn)定的系統(tǒng)認(rèn)為可以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。因此采用階躍信號(hào)輸入最佳

57、。</p><p>　　3.4 simulink模型建立</p><p>　　根據(jù)我們之前所求得的傳遞函數(shù)，利用MATLAB軟件搭建simulink模型。搭建模型的具體步驟為，打開MATLAB軟件點(diǎn)擊左下角的start按鈕，并選擇simulink-library broswer按鈕，在彈出的面板中點(diǎn)擊File選擇New-model新建一個(gè)空白的模板，而后從模塊庫(kù)中選取自己需要的模塊來搭建所

58、需的simulink模型，進(jìn)而得到如下3-4、3-5、3-6所示的仿真系統(tǒng)模型。</p><p>　　圖3-4 換熱器的simulink模型</p><p>　　如圖3-4所示是一個(gè)最基礎(chǔ)的simulink換熱器模型，模型由階躍輸入信號(hào)，換熱器，限幅，輸出，及一個(gè)結(jié)果顯示組成，該模型單純的是一個(gè)換熱器，未采用任何調(diào)節(jié)機(jī)制。</p><p>　　圖3-5 換熱器PID

59、控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單simulink模型圖</p><p>　　如圖3-5所示，該模型加入了PID控制機(jī)制，在原有的基礎(chǔ)上，在輸入與換熱器之間增加PID控制模塊，使其階躍輸入信號(hào)優(yōu)先經(jīng)過PID的控制再由PID輸出傳入換熱器之中，最后再輸出。</p><p>　　圖3-6加入smith預(yù)估器的simulink模型</p><p>　　如圖3-6所示，該模型在原有基礎(chǔ)上，不僅

60、加入了PID控制模塊，還增加了一個(gè)史密斯預(yù)估器，具體表現(xiàn)為在PID控制模塊的下方并接上一個(gè)史密斯預(yù)估器模塊，使其輸入的階躍信號(hào)由STEP輸出后，經(jīng)過PID然后再傳入史密斯預(yù)估器之中，經(jīng)過處理再反饋到PID之中，以此來調(diào)節(jié)。</p><p>　　4 參數(shù)校正及仿真</p><p>　　4.1 PID參數(shù)的整定</p><p>　　PID參數(shù)的工程整定，其實(shí)就是依照已

61、經(jīng)確立了的方案，在實(shí)際的運(yùn)行中，在控制系統(tǒng)中取得能夠日控制質(zhì)量達(dá)到最好（滿足工藝要求的期望控制質(zhì)量）的KP、TI、TD 。對(duì)于大多數(shù)的工業(yè)被控對(duì)象或過程，其數(shù)學(xué)模型可以用具有滯后時(shí)間的一階系統(tǒng)近似地描述如下：</p><p>　　G(s)=K*e-τs/(1+Ts) （4-1）</p><p>　　只要通過相對(duì)應(yīng)的方法測(cè)出被控對(duì)象或

62、過程的放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和時(shí)滯τ，按照Ziegler-Niehols整定公式（如表4.1）計(jì)算出KP、TI、TD 再根據(jù)設(shè)計(jì)要求適當(dāng)調(diào)整KP、TI、TD 、即可得到滿足性能指標(biāo)的KP、TI、TD 參數(shù)。</p><p>　　表4.1 PID參數(shù)的Ziegler-Niehols經(jīng)驗(yàn)整定公式</p><p>　　4.2 校正系數(shù)的確定</p><p>　　本文采用

63、了一個(gè)典型的PID（比例-積分-微分校正）校正裝置環(huán)節(jié)：</p><p>　　Gc(s)== （4-2）</p><p>　　首先我們對(duì)PID校正裝置環(huán)節(jié)中的比例環(huán)節(jié)Kp，積分環(huán)節(jié)Ti（KI)以及微分環(huán)節(jié)Kd的三個(gè)環(huán)節(jié)的取值范圍進(jìn)行初步的確定。</p><p>　?。?）Kp值的初步確定</p><p>　　通過如下所示的MAT

64、LAB命令可以研究在不同的Kp值下，閉環(huán)階躍響應(yīng)的曲線，并得到合適的Kp值，如圖4-1所示。</p><p><b>　　%% 改變KP值</b></p><p><b>　　KP=0.064;</b></p><p>　　TI=0.000280167756429929;</p><p><b

65、>　　TD=0;</b></p><p>　　s=tf('s');</p><p>　　Gc=KP+TI*1/(s)+TD*s;</p><p>　　[num1,den1]=pade(85,10);</p><p>　　G1=tf(num1,den1);</p><p>　　num2=

66、39.13;</p><p>　　den2=[185 1];</p><p><b>　　num3=1;</b></p><p>　　den3=[46.25,1];</p><p>　　G2=tf(num2,den2);</p><p>　　G3=tf(num3,den3);</p>

67、<p>　　G4=G1*G2*G3;</p><p>　　G5=G2*G3-G2*G3*G1;</p><p>　　sys1=feedback(Gc,G5);</p><p>　　sys2=sys1*G4;</p><p>　　sys3=feedback(sys2,1);</p><p>　　t=0:0.0

68、01:1000;</p><p>　　y=step(sys3,t);</p><p>　　plot(t,y*95);</p><p><b>　　grid on</b></p><p><b>　　%% 改變KP值</b></p><p><b>　　KP=0.08

69、;</b></p><p>　　TI=0.000280167756429929;</p><p><b>　　TD=0;</b></p><p>　　s=tf('s');</p><p>　　Gc=KP+TI*1/(s)+TD*s;</p><p>　　[num1,de

70、n1]=pade(85,10);</p><p>　　G1=tf(num1,den1);</p><p>　　num2=39.13;</p><p>　　den2=[185 1];</p><p><b>　　num3=1;</b></p><p>　　den3=[46.25,1];</p&

71、gt;<p>　　G2=tf(num2,den2);</p><p>　　G3=tf(num3,den3);</p><p>　　G4=G1*G2*G3;</p><p>　　G5=G2*G3-G2*G3*G1;</p><p>　　sys1=feedback(Gc,G5);</p><p>　　sys2

72、=sys1*G4;</p><p>　　sys3=feedback(sys2,1);</p><p>　　t=0:0.001:1000;</p><p>　　y=step(sys3,t);</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　plot(t,y*95,'r

73、');</p><p><b>　　%% 改變KP值</b></p><p><b>　　KP=0.10;</b></p><p>　　TI=0.000280167756429929;</p><p><b>　　TD=0;</b></p><p&g

74、t;　　s=tf('s');</p><p>　　Gc=KP+TI*1/(s)+TD*s;</p><p>　　[num1,den1]=pade(85,10);</p><p>　　G1=tf(num1,den1);</p><p>　　num2=39.13;</p><p>　　den2=[185 1

75、];</p><p><b>　　num3=1;</b></p><p>　　den3=[46.25,1];</p><p>　　G2=tf(num2,den2);</p><p>　　G3=tf(num3,den3);</p><p>　　G4=G1*G2*G3;</p><

76、p>　　G5=G2*G3-G2*G3*G1;</p><p>　　sys1=feedback(Gc,G5);</p><p>　　sys2=sys1*G4;</p><p>　　sys3=feedback(sys2,1);</p><p>　　t=0:0.001:1000;</p><p>　　y=step(sy

77、s3,t);</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　plot(t,y*95,'g');</p><p><b>　　%% 改變KP值</b></p><p><b>　　KP=0.12;</b></p><p

78、>　　TI=0.000280167756429929;</p><p><b>　　TD=0;</b></p><p>　　s=tf('s');</p><p>　　Gc=KP+TI*1/(s)+TD*s;</p><p>　　[num1,den1]=pade(85,10);</p>

79、<p>　　G1=tf(num1,den1);</p><p>　　num2=39.13;</p><p>　　den2=[185 1];</p><p><b>　　num3=1;</b></p><p>　　den3=[46.25,1];</p><p>　　G2=tf(num2,d

80、en2);</p><p>　　G3=tf(num3,den3);</p><p>　　G4=G1*G2*G3;</p><p>　　G5=G2*G3-G2*G3*G1;</p><p>　　sys1=feedback(Gc,G5);</p><p>　　sys2=sys1*G4;</p><p&g

81、t;　　sys3=feedback(sys2,1);</p><p>　　t=0:0.001:1000;</p><p>　　y=step(sys3,t);</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　plot(t,y*95,'k');</p><p>

82、　　axis([100 1000 70 105]);</p><p>　　gtext('KP=0.064');</p><p>　　gtext('KP=0.08');</p><p>　　gtext('KP=0.10');</p><p>　　gtext('KP=0.12');&

83、lt;/p><p>　　圖4-1 不同Kp值的比較</p><p>　　由如圖4-1所示可以總結(jié)得出，當(dāng)Kp的值增加時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的速度變快，但超調(diào)量也同時(shí)變大，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)幅值也會(huì)同時(shí)增加，根據(jù)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)可知，我們要選擇一個(gè)合適的Kp值，由圖可得，Kp在（0.06，0.08）時(shí)比較合理。</p><p>　?。?）Ki值的初步確定</p><p&

84、gt;　　先確定Kp值，當(dāng)Kp的值確定為Kp=0.06時(shí)，運(yùn)用PI控制，通過運(yùn)用MATLAB命令語句可以繪出在不同Ki的值下對(duì)系統(tǒng)的作用，如圖4-2所示。</p><p>　　由于matlab命令語句與上述基本相同，就不再贅述。只顯示運(yùn)行結(jié)果圖。</p><p>　　圖4-2 不同Ki值的比較</p><p>　　由圖4-2可知Ki對(duì)系統(tǒng)的影響作用主要是影響系統(tǒng)的超

85、調(diào)量，當(dāng)增加Ki值時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量將增大。因此在選擇Ki的值時(shí)，可根據(jù)圖4-2進(jìn)行確定，Ki值可取范圍在（0.20，0.30）之間。</p><p>　　（3）Kd值的初步范圍確定</p><p>　　對(duì)Kd值的初步范圍確定可先對(duì)Kp,Ki進(jìn)行初步取值，當(dāng)Kp和Ti的值取在Kp=0.06，Ki=0.28時(shí)，再對(duì)Kd的值進(jìn)行確定，設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的PID控制校正裝置。通過運(yùn)用MATLAB命令語

86、句可以繪出在不同Kd的值下對(duì)系統(tǒng)的影響與作用，如圖4-3所示。</p><p>　　由于matlab命令語句與上述基本相同，就不再贅述。只顯示運(yùn)行結(jié)果圖。</p><p>　　圖4-3 不同KD值的比較</p><p>　　由4-3圖可知當(dāng)Kp和Ki的值已經(jīng)確定時(shí)，隨著Kd的增大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間也將會(huì)縮短，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的幅值也將會(huì)降低。由圖可知Kd的取值范圍為（0.

87、4，0.6）比較合理。</p><p>　　根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行MATLAB仿真，PID控制器中的各項(xiàng)系數(shù)在對(duì)被控對(duì)象上也有著相互影響的作用，所以在對(duì)PID各項(xiàng)參數(shù)的取值時(shí)也要考慮到其他的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，經(jīng)過最后仿真可確定PID裝置的參數(shù)為，Kp=0.06、Ki=0.00028、Kd=0.048。</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果及分析</p><p>

88、;　　通過參數(shù)整定及最終校正系數(shù)的確定，在確立了參數(shù)之后，對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行觀察和研究。</p><p>　　1)對(duì)第一種方案，即只存在簡(jiǎn)單的換熱器模型，不使用任何調(diào)節(jié)機(jī)制的simulink模型進(jìn)行仿真。得到的結(jié)果（階躍響應(yīng)曲線）如下圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 簡(jiǎn)單換熱器的閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　如上圖4-4所

89、示，對(duì)于只存在簡(jiǎn)單換熱器的simulink模型進(jìn)行仿真之后，得到如圖的階躍響應(yīng)曲線，因?yàn)榇嬖诖鬁螅式Y(jié)果為溫度高低反復(fù)，并沒有達(dá)到我們所預(yù)期的結(jié)果，因此我們繼續(xù)對(duì)第二種方案進(jìn)行仿真。</p><p>　　2)因?yàn)榈谝环N方案不能滿足我們的要求，下面我們對(duì)第二種方案進(jìn)行仿真，即加入了PID控制的換熱器。得到的結(jié)果（階躍響應(yīng)曲線）如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5加入了PID的換熱

90、器simulink仿真結(jié)果</p><p>　　如上圖4-5所示，得到的階躍響應(yīng)曲線仍然是溫度高低反復(fù)的結(jié)果，與圖4-4進(jìn)行對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)其結(jié)果溫度反復(fù)的幅值已經(jīng)大幅度的降低，那么就證明，加入了PID以后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的滯后有一定的調(diào)節(jié)作用，但是雖然有一定的效果，卻還是不能讓結(jié)果達(dá)到我們所期望的要求，因此我們要繼續(xù)對(duì)第三種方案進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　3)因?yàn)榍皟煞N方案都未能達(dá)到目的，

91、我們依照之前設(shè)計(jì)好的方案進(jìn)行第三種方案的驗(yàn)證，即同時(shí)加入了PID和史密斯預(yù)估器的換熱器simulink模型。對(duì)該模型進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果（階躍響應(yīng)曲線）如下圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 加入了PID和史密斯預(yù)估器的換熱器simulink模型仿真結(jié)果</p><p>　　如上圖4-6所示，得到的結(jié)果（階躍響應(yīng)曲線）的走勢(shì)已經(jīng)符合了大致要求，對(duì)該曲線進(jìn)行仔細(xì)的數(shù)據(jù)分析得到如下數(shù)

92、據(jù)：</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間約為700s，</p><p>　　輸出熱水溫度為94.85度，</p><p>　　穩(wěn)態(tài)誤差0.15度，</p><p>　　最高溫度為98.01度，</p><p>　　最大偏差3.01度，</p><p>　　超調(diào)量為3.16%，</p>&

93、lt;p><b>　　符合課題要求。</b></p><p>　　同時(shí)可得系統(tǒng)函數(shù)的波特圖如圖4-7所示</p><p>　　圖4-7 系統(tǒng)函數(shù)波特圖</p><p>　　波特圖的定義為：以對(duì)數(shù)為標(biāo)尺、用折線繪制的幅頻、相頻特性曲線。</p><p>　　波特圖的優(yōu)點(diǎn)：采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)便于表示較大的幅度動(dòng)態(tài)范圍和較寬的

94、頻率跨度，將頻率特性的繪制與系統(tǒng)函數(shù)的極零點(diǎn)分布直接聯(lián)系起來，簡(jiǎn)化系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的繪制，還能夠近似估算系統(tǒng)的頻率響應(yīng)參數(shù)，快速了解通帶特征。</p><p>　　由圖可得系統(tǒng)的相位裕度：P.M=62.4 deg ，幅值裕度：G.M=2.8dB 系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　相位裕度就是系統(tǒng)在達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)之前，相位變化能夠增加的這部分值，相位裕度越大，系統(tǒng)就會(huì)越穩(wěn)定。但是，它的時(shí)間響應(yīng)

95、速度會(huì)降低，所以要選取一個(gè)最合適的相位裕度。相位裕度的定義為：運(yùn)算放大器增益的相位在增益交點(diǎn)頻率時(shí)，與-180°相位的差值，表達(dá)式為：</p><p>　　PM=∠Av(W1)-(-180°)=∠Av(W1)+180°其中W1為運(yùn)算放大器的增益交點(diǎn)頻率。經(jīng)過研究可得，相位裕度不能低于45°，最好的取值是60°。</p><p><b&

96、gt;　　5 結(jié)論</b></p><p>　　隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)品質(zhì)要求的提高，以及國(guó)家對(duì)能源資源的重視，對(duì)于能源資源的保護(hù)和利用率的提高亟待提高，在這樣的前提下，本文對(duì)換熱器的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了模型構(gòu)建以及仿真，基于換熱器進(jìn)行了組態(tài)仿真，目的在于提高換熱器的能源利用效率。</p><p>　　本文的主要研究?jī)?nèi)容以及成果包括以下幾個(gè)方面：</p><

97、;p>　　研究換熱器的PID控制系統(tǒng)首先要了解換熱器的原理，只有了解了換熱器的原理才能在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的控制。</p><p>　　在對(duì)換熱器的控制過程中采用了PID控制系統(tǒng)，用來更加方便快捷的進(jìn)行控制，因此對(duì)于PID的應(yīng)用及參數(shù)工程整定有了進(jìn)一步的研究。</p><p>　　對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的研究中，采用了smith預(yù)估器來解決系統(tǒng)的時(shí)滯性，并且取得了良好的效果。</p&g

98、t;<p>　　對(duì)于整個(gè)換熱器PID控制系統(tǒng)，建立了數(shù)學(xué)模型以及仿真和參數(shù)校正做了很多對(duì)比，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性及實(shí)用性。</p><p>　　關(guān)于進(jìn)一步研究的建議： </p><p>　　盡管本文對(duì)換熱器的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步的系統(tǒng)模型建立和仿真，換熱器和PID控制以及所用到的smith預(yù)估器都有了進(jìn)一步的了解和研究，但是本文只進(jìn)行了基于普通換熱器的原理進(jìn)行了建模仿真，

99、而現(xiàn)在的換熱器種類多種多樣，原理也有差別，因此并不具有普遍性，要結(jié)合實(shí)際，以換熱器的共同特點(diǎn)及相同之處進(jìn)行具有代表性的研究。促使我國(guó)在能源利用率的提高上有進(jìn)一步的發(fā)展。</p><p>　　通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題，以及確定大概的設(shè)計(jì)思路，到撰寫開題報(bào)告，換熱器PID控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立以及對(duì)其系統(tǒng)模型進(jìn)行MATLAB仿真，到最后畢業(yè)論文的總結(jié)和寫作。初步完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)及論文的既定目標(biāo)。同時(shí)對(duì)自動(dòng)控制原理有了進(jìn)一

100、步的了解與深入研究。也對(duì)MATLAB這個(gè)軟件有了更深入的了解，對(duì)MATLAB的仿真功能有了更進(jìn)一步的了解和學(xué)習(xí)運(yùn)用。希望通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以對(duì)相關(guān)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行更深的學(xué)習(xí)與鞏固，同時(shí)希望本次課題研究可以對(duì)換熱器PID控制的相關(guān)研究有些許幫助，對(duì)其研究的發(fā)展有更深層次的影響。</p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　參考文

101、獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社,2002.</p><p>　　[2] 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.</p><p>　　[3] 黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2004.</p><p

102、>　　[4] 蔡旭暉、劉衛(wèi)國(guó)、蔡立燕.MATLAB基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].北京：人民郵電出版社,2013.</p><p>　　[5] 李玉云.自動(dòng)控制原理與CAI教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.</p><p>　　[6] 陸培文.調(diào)節(jié)閥實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.</p><p>　　[7] 王鳴.一種換熱器的

103、變PID參數(shù)的控制方法及實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程出版社，2001,18(3):47-49.</p><p>　　[8] 李遵基.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社,1997．</p><p>　　[9] 何克忠，李偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1998．</p><p>　　[10] 曾云.基于灰色預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)Smith預(yù)估

104、控制[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1998年04期.</p><p>　　[11] 馬曉馳.國(guó)內(nèi)外新型高效換熱器[J].化工進(jìn)展，2001,(01)：49-51</p><p>　　[12] 黃天戍，羅璠，徐長(zhǎng)寶，任清珍.一種可靈活使用的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J].中國(guó)儀器儀表，2003,(07).</p><p>　　[13] 余勇，萬德

105、鈞.一種基于Smith預(yù)估器的溫度控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2000年01期 21(1):6-7.</p><p>　　[14] 金以慧.過程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007. </p><p>　　[15] 謝仕宏.MATLAB R2008 控制系統(tǒng)動(dòng)仿真實(shí)例教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009. </p

106、><p>　　[16] Spence.J., Tooth.A.S.Pressure Vessels Design：Concepts and Principles. Oxford： Alden Press, UK, 1994.</p><p>　　[17] 王再英,劉淮霞,陳毅靜.過程控制系統(tǒng)與儀表第一版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013. </p>

107、<p>　　[18] 白志剛.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2012.</p><p>　　[19] D.Hanselman,B.Littlefield.Mastering MATLAB 5[M].Prentice Hall,New Jersey,1998.</p><p>　　[20] Aidan O'Dwyer.Handbook

108、 of Pi and Pid Controller Tuning Rules.[J]《Automatica》,2005,41(2):355-356</p><p>　　[21] Harikumar Rajaguru,Ganesh Babu Chidambaram,Vinoth Kumar Bojan.FPGA Fuzzy (Pd & Pid) Controller Models for Insulin[

109、M]. LAP Lambert Academic Publishing AG & Co KG，2012.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次課題的研究以及學(xué)位論文的創(chuàng)作都是在我的指導(dǎo)老師**老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。*老師時(shí)刻都關(guān)心著我們的

110、進(jìn)度，經(jīng)常指導(dǎo)我們，在課題設(shè)計(jì)中給予了我們很多的指導(dǎo)，同時(shí)也對(duì)創(chuàng)新方面給了我們很多很有心意的意見，使我們能良好的完成自己的課題并且還能做一定程度的創(chuàng)新。此外，江老師還在思想、生活上等各方面給予我以無微不至的關(guān)懷，在此我謹(jǐn)向**老師致以我最誠(chéng)摯的謝意和最崇高的敬意。我還要感謝從頭到尾一直給予我很多幫助幫我解答很多問題的同組同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的難題和疑惑，直至本次論文的順利完成。 </p>