換熱器出口溫度設(shè)置

1、遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院摘要 目前,換熱器控制中大多數(shù)仍采用簡單控制系統(tǒng)及傳統(tǒng)的PID控制,以加熱（冷卻）介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段,以被加熱（冷卻）工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)。但是，由于換熱系統(tǒng)這種被控對象具有純滯后、大慣性、參數(shù)時變的非線性特點，傳統(tǒng)的PID控制往往不能滿足其靜態(tài)、動態(tài)特性的要求。使換熱器普遍存在控制效果差，換熱效率低的現(xiàn)象，造成能源的浪費。如何提高換熱器的控制效果，提高換熱效率，對于緩解我國能源緊張的狀況，具有長遠(yuǎn)的意義 本課題是針對換熱器實驗設(shè)備溫度控制改進(jìn)提出的。設(shè)計中首先通過對現(xiàn)階段換熱器出口溫度控制的特點進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)了制約控制效果進(jìn)一步提高的瓶

2、頸，為下一步改善換熱器的控制效果提供了理論依據(jù)。然后根據(jù)換熱系統(tǒng)組成、控制流程的特點對換熱器溫度控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。再根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，聯(lián)系換熱器溫度控制的特點，給出了相應(yīng)的控制策略，提出了串級控制及前饋控制或串級反饋，前饋反饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)，來滿足對于存在大的負(fù)荷干擾且和控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場合。關(guān)鍵字：換熱器、數(shù)學(xué)模型、PID 、出口溫度控制、串級控制前言換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備。隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重，世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)

3、品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以及全球發(fā)展中國家經(jīng)濟的增長，國內(nèi)市場和出口市場對換熱器的需求量將會保持增長，客觀上為我國換熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了廣闊的市場空間。從市場需求來看，在國家大力投資的刺激下，我國國民經(jīng)濟仍將保持較快發(fā)展。石油化工、能源電力、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長，大型乙烯項目、大規(guī)模的核電站建設(shè)、大型風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)、太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中多晶硅產(chǎn)量的迅速增長、大型環(huán)境保護(hù)工程的開工建

4、設(shè)、海水淡化工程的日益成熟，都將對換熱器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的拉動。未來換熱器將會朝著更加節(jié)能環(huán)保和美觀實用的角度不斷創(chuàng)新與發(fā)展，短時期鋼制柱式散熱器和銅鋁復(fù)合散熱器任將會是市場主流產(chǎn)品與選擇。2遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)概述1.1設(shè)計目的換熱器作為石油、化工、輕工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備，除本身設(shè)計上應(yīng)達(dá)到一定的性能指標(biāo)外，在對它的控制上也應(yīng)達(dá)到工藝的要求指標(biāo)。尤其是對它的出口溫度控制，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程的安全。因此，設(shè)計出一套高性能的控制系統(tǒng)是解決這一問題的關(guān)鍵，本文正是基于這一目的，對換熱器出口溫度控制進(jìn)行了研究。當(dāng)前，換熱器出口溫度控制還面臨兩大急需解決的

5、問題：1、結(jié)構(gòu)龐大,成本昂貴，極大地阻礙了換熱器工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程；2、過渡段的銜接不合理，導(dǎo)致部分熱管處于不工作和非正常工作狀態(tài)。要解決好上述問題的關(guān)鍵是優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)有兩個途徑：一是對換熱器出口溫度控制方案的強化研究；二是合理預(yù)測工業(yè)環(huán)境下對換熱器出口溫度的干擾因素，研制出新型的抗干擾方法，二者的優(yōu)化組合研究是今后換熱器出口溫度控制優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的方向。過渡段的強化傳熱對優(yōu)化換熱器出口溫度起著非常重要的作用。在生產(chǎn)過程中，由于換熱器管板受水分沖刷、氣蝕和微量化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，線路老化等原因?qū)е鲁杀镜脑黾印Ｍㄟ^福世藍(lán)高分子復(fù)合材料的耐腐蝕性和抗沖刷性，在以后的定期維修時，也可以涂抹福世藍(lán)高分子復(fù)合材

6、料來保護(hù)裸露的金屬；即使使用后出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，也可以通過福世藍(lán)技術(shù)及時修復(fù)，避免了長時間的堆焊維修影響生產(chǎn)2。正是由于此種精細(xì)化的管理，才使得換熱器滲漏問題出現(xiàn)的概率大大降低，不僅降低了換熱器的設(shè)備采購成本，更保證了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)時間，提高了產(chǎn)品競爭力。換熱器出口溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用取得成功，并已收到了令人滿意的實際效果。根據(jù)現(xiàn)場測試的參數(shù)表明，因而在某些特定工況條件下的應(yīng)用也是無法取代的?；厥绽昧蠛哪芄I(yè)(冶金、化工、煉油、玻璃、水泥及陶瓷)的高溫余熱，使這些領(lǐng)域的能源利用率達(dá)到一個新的水平。由以上可以預(yù)見，換熱器出口溫度控制將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，對工業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生

7、重大的影響。通過大量資料獲悉：目前在國內(nèi)，對換熱器出口溫度的控制主要是雙重控制和串級控制。在一些要求不高的場合，則多采用單回路反饋控制，所采用的算法也多是常規(guī)的PID算法。1.2設(shè)計主要內(nèi)容本文首先介紹換熱器的結(jié)構(gòu)裝置及換熱器的工藝流程，然后根據(jù)換熱器的特點選擇控制方案并進(jìn)行了PID算法的研究，最后進(jìn)行仿真分析。本論文的結(jié)構(gòu)安排和主要內(nèi)容如下：第一章首先指出了課題的背景、目的和主要研究內(nèi)容。第二章介紹了換熱器工作原理及工藝流程，及換熱器的類型。第三章介紹了控制系統(tǒng)的組成，重點介紹怎樣選擇PID控制器，然后對其算法原理特點等一一做了介紹，并對其參數(shù)整定做了講解以便之后的仿真工作，并在這章中進(jìn)行了

8、控制方案的設(shè)計。第四章針對系統(tǒng)進(jìn)行仿真工作。首先介紹了MATLAB/simulink。之后對單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)建立simulink模型，仿真出圖，觀察控制系統(tǒng)的特性，進(jìn)一步了解各個控制系統(tǒng)。最后對所做工作進(jìn)行總結(jié)得出結(jié)論。2 換熱器概述2.11換熱器工藝流程換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖2.1圖2.1換熱器出口溫度控制系統(tǒng)圖可以看出系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級離心泵、變頻器、渦輪流量傳感器、溫度傳感器等設(shè)備。根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將其分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)。溫度控制過程有如下

9、特點：換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象（出口溫度）組成閉合回路。被調(diào)參數(shù)（換熱器出口溫度）經(jīng)檢驗元件測溫并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號，測量值與給定值的差值的送入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器對偏差信號進(jìn)行運算處理后輸出控制作用。2.1.2 換熱器工作原理換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程如下：冷流體和熱流體分別通過換熱器的殼程和管程，通過熱傳導(dǎo)，從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫度，通過循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。冷流體通過多級離心泵流經(jīng)換熱器的殼程，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環(huán)使用。2.1.3 換熱器類型換熱器的分類良多，可以

10、按傳熱原理、結(jié)構(gòu)和用途等進(jìn)行分類，按其結(jié)構(gòu)分類主要有管殼式和板式兩種。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。1、間壁式換熱器的類型 夾套式換熱器 這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成,結(jié)構(gòu)簡單;但其加熱面受容器壁面限制,傳熱系數(shù)也不高.為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻,可在釜內(nèi)安裝攪拌器.當(dāng)夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時,亦可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其它增加湍動的措施,以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù).為補充傳熱面的不足,也可在釜內(nèi)部安裝蛇管. 夾套式換熱器廣泛用于反應(yīng)過程的加熱和冷卻。沉浸式蛇管換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀,并沉浸

11、在容器內(nèi)的液體中.蛇管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,能承受高壓,可用耐腐蝕材料制造;其缺點是容器內(nèi)液體湍動程度低,管外給熱系數(shù)小.為提高傳熱系數(shù),容器內(nèi)可安裝攪拌器。噴淋式換熱器 這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動,冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下,故也稱噴淋式冷卻器.噴淋式換熱器的管外是一層湍動程度較高的液膜,管外給熱系數(shù)較沉浸式增大很多.另外,這種換熱器大多放置在空氣流通之處,冷卻水的蒸發(fā)亦帶走一部分熱量,可起到降低冷卻水溫度,增大傳熱推動力的作用.因此,和沉浸式相比,噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。套管式換熱器 套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管,并由U形彎頭連接

12、而成.在這種換熱器中,一種流體走管內(nèi),另一種流體走環(huán)隙,兩者皆可得到較高的流速,故傳熱系數(shù)較大.另外,在套管換熱器中,兩種流體可為純逆流,對數(shù)平均推動力較大。套管換熱器結(jié)構(gòu)簡單,能承受高壓,應(yīng)用亦方便(可根據(jù)需要增減管段數(shù)目). 特別是由于套管換熱器同時具備傳熱系數(shù)大,傳熱推動力大及能夠承受高壓強的優(yōu)點,在超高壓生產(chǎn)過程(例如操作壓力為3000大氣壓的高壓聚乙烯生產(chǎn)過程)中所用的換熱器幾乎全部是套管式。管殼式換熱器 管殼式(又稱列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器,它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多

13、呈圓形,內(nèi)部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體,一種在管內(nèi)流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數(shù),通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種,前者應(yīng)用更為廣泛.。流體在管內(nèi)每通過管束一次稱為一個管程,每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內(nèi)流體的速度,可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板,將全部管子平均分隔成若干組。這樣,流體可每次只通過部分管子而往返管束多次,稱為多管程。同樣,為提高管

14、外流速,可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間,稱多殼程。在管殼式換熱器內(nèi),由于管內(nèi)外流體溫度不同,殼體和管束的溫度也不同。如兩者溫差很大, 換熱器內(nèi)部將出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力,可能使管子彎曲,斷裂或從管板上松脫。因此,當(dāng)管束和殼體溫度差超過50時,應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏夭钛a償措施,消除或減小熱應(yīng)力。2、混合式換熱器 混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工

15、和冶金企業(yè)、動力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其它許多生產(chǎn)部門中。按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型： (1) 冷卻塔(或稱冷水塔)在這種設(shè)備中，用自然通風(fēng)或機械通風(fēng)的方法，將生產(chǎn)中已經(jīng)提高了溫度的水進(jìn)行冷卻降溫之后循環(huán)使用，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。例如熱力發(fā)電廠或核電站的循環(huán)水、合成氨生產(chǎn)中的冷卻水等，經(jīng)過水冷卻塔降溫之后再循環(huán)使用，這種方法在實際工程中得到了廣泛的使用。 (2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)在工業(yè)上用這種設(shè)備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。空調(diào)工程中

16、廣泛使用的噴淋室，可以認(rèn)為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對空氣進(jìn)行冷卻，而且還可對其進(jìn)行加熱處理。但是，它也有對水質(zhì)要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點：所以，目前在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設(shè)備使用。但是，在以調(diào)節(jié)濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用! (3)噴射式熱交換器在這種設(shè)備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進(jìn)行傳熱，并一同進(jìn)入擴散管，在擴散管的出口達(dá)到同一壓力和溫度后送給用戶。 (4)混合式冷凝器這種設(shè)備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。3.蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器用于進(jìn)行蓄熱式換熱的設(shè)

17、備。內(nèi)裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時用金屬波形帶等）。換熱分兩個階段進(jìn)行。第一階段，熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲蓄的熱量而被加熱。這兩個階段交替進(jìn)行。通常用兩個蓄熱器交替使用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一器時，冷氣體進(jìn)入另一器。常用于冶金工業(yè)，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學(xué)工業(yè)，如煤氣爐中的空氣預(yù)熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。蓄熱式換熱器一般用于對介質(zhì)混合要求比較低的場合。2.1.4 換熱器工作特點1、間壁式換熱器：所謂間壁式換熱器，是指兩種不同溫度的流體在固定的壁面（稱 為傳熱面）相隔的空間里流動，通過壁

18、面的導(dǎo)熱和壁表面的對流換熱進(jìn)行熱量的傳遞。 間壁式換熱器的傳熱面大多采用導(dǎo)熱性能良好的金屬制造。在某些場合由于防腐的需要，也有用非金屬（如石墨，聚四乙烯等）制造的。這是工業(yè)制造最為廣泛應(yīng)用的一類換熱器。2、混合式換熱器：利用冷、熱流體直接混合的作用進(jìn)行熱量的交換。這類交換器 的結(jié)構(gòu)簡單、價格前便宜、常做成塔狀。例如：冷水塔（涼水塔）、造粒塔、氣流干燥 裝置、流化床等。3、蓄熱式換熱器：在這類換熱器中，能量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完 成的。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、單位體積傳熱面大，故較適用于氣氣熱交換 的場合。主要用于石油化工生產(chǎn)中的原料氣轉(zhuǎn)化和空氣余熱。3 換熱器出口溫度控制方

19、案的設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)組成3.1.1 被控對象在自動控制系統(tǒng)中，一般指被控制的設(shè)備或過程為對象，如反應(yīng)器、精餾設(shè)備的控制，或傳熱過程、燃燒過程的控制等。從定量分析和設(shè)計角度，控制對象只是被控設(shè)備或過程中影響對象輸入、輸出參數(shù)的部分因素，并不是設(shè)備的全部。例如：在精餾過程控制中，定回流控制系統(tǒng)的控制對象，只涉及到設(shè)備的回流管道；塔釜液位控制系統(tǒng)的對象，只與塔釜有關(guān)。在簡單控制系統(tǒng)中，工程上也有稱被控參數(shù)為對象的，如流量控制、壓力控制和溫度控制等。控制系統(tǒng)中，作為廣義的控制對象，除控制器（調(diào)節(jié)器）以外的執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）及測量變送裝置都包括在內(nèi)。作為狹義的控制對象，其端部參數(shù)(輸入、輸出)有被控參

20、數(shù)、控制參數(shù)和擾動參數(shù)，它們通過控制對象的內(nèi)部狀態(tài)而相互聯(lián)系5。在被控制的設(shè)備或過程中，控制系統(tǒng)設(shè)計時選取的被控參數(shù)和控制參數(shù)不同。通常選擇夾套中冷卻液流量數(shù)為控制參數(shù)，而被控參數(shù)的選擇可有多種方案。最常見的控制方案是選取反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度作為被控參數(shù)，此時的控制對象應(yīng)包括夾套在內(nèi)，冷卻液與反應(yīng)物之間傳遞熱量的速率、反應(yīng)流體的質(zhì)量及其熱性能等，都影響對象的特征6。這些因素也就影響到控制系統(tǒng)的品質(zhì)，設(shè)計時必須考慮。有些場合也可利用反應(yīng)器內(nèi)的壓力作為被控參數(shù)，以間接達(dá)到快速、靈敏地控制反應(yīng)溫度的目的。這種情況的對象特性除考慮反應(yīng)器本身外，還要涉及溶液蒸氣壓與溫度的關(guān)系、反應(yīng)器中氣相壓力與反應(yīng)溫度的

21、關(guān)系等。 在設(shè)計控制系統(tǒng)時，控制參數(shù)也可能有多種選擇，例如在蒸汽加熱器的溫度控制中，蒸汽量和凝液量都可作為控制參數(shù)。選擇時必須考慮工藝合理、經(jīng)濟、響應(yīng)快速等因素。當(dāng)控制參數(shù)變動后，控制對象特性同樣也要變化。3.1.2 測量變送器應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場、能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器稱為變送器 。變送器是把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號的轉(zhuǎn)換器。至于有時候與傳感器通用是因為現(xiàn)代的多數(shù)傳感器的輸出信號已經(jīng)是通用的控制器可以接收的信號，此信號可以不經(jīng)過變送器的轉(zhuǎn)換直接為控制器所識別。所以，傳統(tǒng)意義上的“變送器”意義應(yīng)該是：“把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為可以被控制器或者測量儀表所接受標(biāo)準(zhǔn)信號的儀器”。在自控中

22、：信號源-傳感器-變送器-運算器控制器-執(zhí)行機構(gòu)-控制輸出。 變送器種類很多，總體來說就是由變送器發(fā)出一種信號來給二次儀表使二次儀表顯示測量數(shù)據(jù)。將物理測量信號或普通電信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備。一般分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。3.1.3 執(zhí)行器控制系統(tǒng)正向通路中直接改變操縱變量的儀表，由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。執(zhí)行器是自動化技術(shù)工具中接收控制信息并對受控對象施加控制作用的裝置。執(zhí)行器也是控制系統(tǒng)正向通路中直接改變操縱變量的儀表，由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成7。分類： 1、執(zhí)行器按所用驅(qū)動

23、能源分為氣動、電動和液壓執(zhí)行器三種。 2、按輸出位移的形式，執(zhí)行器有轉(zhuǎn)角型和直線型兩種。 3、按動作規(guī)律，執(zhí)行器可分為開關(guān)型、積分型和比例型三類。 4、按輸入控制信號，執(zhí)行器分為可以輸入空氣壓力信號、直流電流信號、電接點通斷信號、脈沖信號等幾類。3.1.4 控制器1、 PID控制器的介紹PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元、積分單元和微分單元組成。通過Kp，Ki和Kd三個參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。PID 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進(jìn)行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個

24、新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。顧名思義，P指是比例（Proportion），I指是積分（Integral），D指微分（Differential）。在電機調(diào)速系統(tǒng)中，輸入信號為正，要求電機正轉(zhuǎn)時，反饋信號也為正（PID算法時，誤差=輸入-反饋），同時電機轉(zhuǎn)速越高，反饋信號越大。要想搞懂PID算法的原理，首先必須先明白P、I、D各自的含義及控制

25、規(guī)律：1、比例控制器比例控制的優(yōu)點是簡單而且調(diào)整方便，但它會產(chǎn)生余差.余差的大小隨開環(huán)增益的增加而減小。比例控制適用于低階過程，對于一個具有大時間常數(shù)的過程,因為過程的穩(wěn)定裕度大，往往允許有很大的開環(huán)增益。另外對于具有積分環(huán)節(jié)的對象，使用比例控制器不會產(chǎn)生余差，而采用PI控制器卻會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性嚴(yán)重惡化，因此具有積分環(huán)節(jié)的對象特別適合比例控制器。 比例控制器多用于就地控制以及允許有余差存在的場合。例如，大多數(shù)液位控制系統(tǒng)不必要嚴(yán)格控制，只要儲罐不出現(xiàn)滿溢或抽干，因此比例控制特別適用。2、比例積分控制器 積分會消除余差，所以當(dāng)比例控制產(chǎn)生的余差超過限定值時，可適用比例積分控制器。在反饋控制器中,

26、約有75%是采用PI作用的。 一般液位或壓力控制系統(tǒng)對于參數(shù)的要求不嚴(yán)，它追求的是平均值的控制，所以可用比例控制。但流量或快速壓力系統(tǒng)，幾乎總是采用PI控制。這些系統(tǒng)的廣義對象時間常數(shù)比較接近，穩(wěn)定裕度小，因而所用比例度大，開環(huán)靜態(tài)增益小，不用積分會產(chǎn)生很大余差。另外由于滯后小，運行周期短，積分時間可以取得很小，比例作用隨偏差的產(chǎn)生會瞬時變化，而積分作用總是有些滯后，所以有了積分作用并相應(yīng)地將比例作用調(diào)弱，還有利于減少高頻噪聲的影響。3、比例積分微分控制器 PI作用消除了余差，但降低了響應(yīng)速度。對于多容過程，它的響應(yīng)速度本身就很慢，加入PI控制器后，就變得更加緩慢了，在這種情況下加入微分作用，

27、用它來補償容量滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善，從而允許使用高的增益，并提高了響應(yīng)速度。 由于溫度控制和成分控制屬于緩慢和多容的過程。所以常使用PID控制。不過在具有高頻噪聲的場合，不宜使用微分，除非先對噪聲進(jìn)行濾波。4、 PID控制器的設(shè)計PID控制的應(yīng)用范圍非常廣泛,對于不同的控制對象，控制器的性能要求往往差異很大。一般來說，PID控制器的設(shè)計過程需要滿足以下幾個方面的要求：(1)設(shè)計得到的PID控制器滿足性能指標(biāo)；(2)基于可知的/可獲得的過程知識；(3)滿足計算能力的限制，設(shè)計所需要的資源是可獲取的。(4) 參數(shù)選擇和調(diào)節(jié)原則在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，

28、簡稱PID控制，又稱PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID 控制技術(shù)。PID 控制，實際中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。(1)比例P控制比例控制是一種最簡單的控制方式。

29、其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。(2)積分I控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，

30、可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分D控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從

31、而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。在PID 參數(shù)進(jìn)行整定時如果能夠有理論的方法確定PID 參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實際的應(yīng)用中，更多的是通過湊試法來確定PID 的參數(shù)。增大比例系數(shù)P 一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間I 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。增大微分時間D 有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。在湊試時，可參考

32、以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調(diào)整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設(shè)定到一個比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。如果在上述調(diào)整過程

33、中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時間D 設(shè)置為0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時間，同時相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。當(dāng)響應(yīng)曲線沒有超調(diào)量，應(yīng)該增加比例系數(shù)P 使響應(yīng)有一定的超調(diào)量。當(dāng)響應(yīng)曲線超調(diào)量太大，應(yīng)該減小比例系數(shù)P 使響應(yīng)的超調(diào)量減小。當(dāng)響應(yīng)曲線有一定超調(diào)量，但是由于積分時間太長導(dǎo)致響應(yīng)無法平穩(wěn)，應(yīng)該減小積分時間。當(dāng)響應(yīng)曲線超調(diào)量偏大，積分時間偏小導(dǎo)致響應(yīng)振蕩，應(yīng)該適當(dāng)減小比例系數(shù)和適當(dāng)增大積分時間。按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調(diào)速、制動和反向的主令裝置。控制器分

34、組合邏輯控制器和微程序控制器，兩種控制器各有長處和短處。組合邏輯控制器設(shè)計麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦設(shè)計完成，就不能再修改或擴充，但它的速度快。微程序控制器設(shè)計方便，結(jié)構(gòu)簡單，修改或擴充都方便，修改一條機器指令的功能，只需重編所對應(yīng)的微程序；要增加一條機器指令，只需在控制存儲器中增加一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程。組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構(gòu)成，完全靠硬件來實現(xiàn)指令的功能8。3.2控制方案的設(shè)計3.2.1 單回路控制方案的設(shè)計 單回路控制系統(tǒng)由一個測量變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成，系統(tǒng)原理方塊圖如圖3.1所示。圖3.1 單回路控制系統(tǒng)原理方塊圖對于載熱體無相

35、變的換熱器來說，大多采用以載熱體的流量為操作變量，其方案如圖3.2所示圖3.2換熱器單回路控制系統(tǒng)流程圖控制參數(shù)如下：1、被控變量y：換熱器管程出口溫度。2、給定值(或設(shè)定值)Ts：對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實驗中將換熱器管程出口溫度設(shè)置成40。3、測量值Tm：由溫度變送器TT檢測出的換熱器管程出口溫度實際值。4、操縱變量(或控制變量)：在本實驗中為冷水流量，使用電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對冷水流量進(jìn)行控制。電動調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度016mm。3.2.2 串級控制方案的設(shè)計 在過程控制中，串級是改善過程控制質(zhì)量極為有效的方法之一，在生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用

36、。串級控制系統(tǒng)在本質(zhì)上是一個定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是將主變量穩(wěn)定在給定值上，副回路的引入大大提高了系統(tǒng)的工作性能，它在克服干擾的過程中起到粗調(diào)的作用，主回路則起到細(xì)調(diào)的作用，并最終保證主變量滿足工藝要求。兩個回路相互配合，充分發(fā)揮各自的長處，因而控制質(zhì)量必然高于單回路控制系統(tǒng)9。換熱器出口溫度的串級控制方案圖如圖3.3所示圖3.3換熱器串級控制流程圖1、串級的主要特點是:(1).對于進(jìn)入副回路的干擾具有極強的克服能力(2).改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性,提高了工作頻率(3).對負(fù)荷和操作條件的變化具有一定的適應(yīng)能力2、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則(1).在單回路不能滿足要求的情況下可以采用串級控制

37、。串級控制系統(tǒng)雖然可以有效抑制副回路中的干擾，但是串級系統(tǒng)比單回路控制復(fù)雜。因此只有在單回路控制不能達(dá)到滿意控制精度時才采用串級控制。(2).具有能夠檢測的副變量，且主要干擾要包括在副回路中。能從對象中引出可以檢測的副變量是設(shè)計串級系統(tǒng)的前提條件。由于串級系統(tǒng)對副回路中的干擾的抑制作用明顯，因此需要將主要干擾或盡可能多的干擾包括在副回路中。(3).副對象的滯后不能太大，以保持副回路的快速響應(yīng)性能。根據(jù)前面對串級控制的分析可以看到，只有當(dāng)副對象的滯后不大，副回路具有快速響應(yīng)特性時，串級控制才能有效抑制回路中的干擾。(4).將對象中具有顯著非線性或時變特性的部分歸于副對象中10。串級控制系統(tǒng)由兩個

38、控制器串聯(lián)而成，一個控制器的輸出用來改變另一個控制器的設(shè)定值，其方框圖如圖3.4所示 圖3.4 換熱器出口溫度串級控制系統(tǒng)方框圖3、控制參數(shù)如下： (1)被控變量y：換熱器管程出口溫度。(2)給定值(或設(shè)定值)Ts：對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實驗中將換熱器管程出口溫度設(shè)置成40。(3)測量值Tm：由溫度變送器TT檢測出的換熱器管程出口溫度實際值。(4)操縱變量(或控制變量)：在本實驗中為冷水流量，使用電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對冷水流量進(jìn)行控制。電動調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度016mm。(5)干擾變量f1：熱水循環(huán)系統(tǒng)的溫度變化。利用燃油爐間歇工作造成的溫度變化實

39、現(xiàn)。(6)偏差信號e： 被控變量的實際值與給定值之差， e=Ts-Tm。Tm-換熱器出口溫度。 Ts-換熱器出口溫度設(shè)定值。3.2.3 前饋反饋控制方案的設(shè)計前饋控制是一種預(yù)測控制，通過對系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的了解，預(yù)測出下一階段系統(tǒng)的運行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給出控制信號，使干擾獲得補償，穩(wěn)定輸出，消除誤差。前饋的缺點是在使用時需要對系統(tǒng)有精確的了解，只有了解了系統(tǒng)模型才能有針對性的給出預(yù)測補償。但在實際工程中，并不是所有的干擾都是可測的，并不是所有的對象都是可得到精確模型的，而且大多數(shù)控制對象在運行的同時自身的結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。所以僅用前饋并不能達(dá)到良好的控制品質(zhì)。這時就需要加入

40、反饋，反饋的特點是根據(jù)偏差來決定控制輸入，不管對象的模型如何，也不管外界的干擾如何，只要有偏差，就根據(jù)偏差進(jìn)行糾正，可以有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。解決前饋不能控制的不可測干擾。前饋-反饋特點： 1、從前饋控制角度，由于增加了反饋控制，降低了對前饋控制模型的精度要求，并能對未選做前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。2、從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對主要干擾作了及時的粗調(diào)作用，大大減少對控制的負(fù)擔(dān)。前饋反饋綜合控制在結(jié)合二者的優(yōu)點后，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度11。換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)流程圖和換熱器出口溫度前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖分別如圖3.5和圖3.6所示控制參數(shù)如下： 1、被控變量y：換熱器管程出口溫度。

41、給定值(或設(shè)定值)Ts：對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實驗中將換熱器管程出口溫度設(shè)置成40。2、測量值Tm：由溫度變送器TT檢測出的換熱器管程出口溫度實際值。操縱變量(或控制變量)：在本實驗中為冷水流量，使用電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對冷水流量進(jìn)行控制。電動調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度016mm。3、干擾變量f1：熱水循環(huán)系統(tǒng)的溫度變化。利用燃油爐間歇工作造成的溫度變化實現(xiàn)。4、偏差信號e：被控變量的實際值與給定值之差， e=Ts-Tm。圖3.5 換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)流程圖 Tm-換熱器出口溫度。3.6 換熱器出口溫度前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖3.3 儀表選型1、.溫度的

42、測量 選擇裝配式熱電偶如表3.1所示表3.1測量范圍及允許誤差范圍注: t為感溫元件實測溫度值 ()熱電偶的時間常數(shù)如表3.2所示。表3.2 熱電偶時間常數(shù)熱電偶工程壓力：一般是指在工作溫度下保護(hù)管所能承受的靜態(tài)外壓而破裂。熱電偶最小插入深度：應(yīng)不小于其保護(hù)套管外徑的8-10倍。表3.3熱電偶參數(shù)2、流量調(diào)節(jié)器 按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS07145(在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測定在截面一點的速度測量法)，采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(nèi)，將卡門旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號或420mA DC電流信號。技術(shù)參數(shù)表3.4 ：表3.4流量計技術(shù)參數(shù)3、執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥

43、） ZAZQ(X)型電動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥有合流和分流兩種形式，由DKZ電動執(zhí)行機構(gòu)和三通合流或三通分流調(diào)節(jié)組成，以電源為動力，接受統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號010mADC或420mADC驅(qū)使閥門只能對應(yīng)選用，但當(dāng)DN80時，和流閥可用于分流場合。可替代兩臺單、雙座調(diào)節(jié)閥，節(jié)省投資，占據(jù)空間小。三通調(diào)節(jié)閥通常用于熱交換器的兩種介質(zhì)調(diào)節(jié)，及簡單的配比調(diào)節(jié)13。選用電動三通合流（分流）調(diào)節(jié)器 如圖所示。 4 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的仿真4.1 仿真軟件介紹4.1.1 MATLAB簡介MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計

44、算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。 MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多。用戶可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，MATLAB

45、 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。4.1.2 Simulink簡介imulink是Matlab軟件下的一個附加組件，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。Simulink仿真與分析的主要步驟按先后順序為為:從模塊庫中選擇所需要的基本功能模塊，

46、建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。Simulink為用戶提供了一個圖形化的用戶界面（GUI）。對于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框一樣簡單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。不但實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，也實現(xiàn)了與MATLAB、C或者FORTRAN語言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴展了它的功能。4.2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的仿真分析4.2.1 單回路控制系統(tǒng)仿真1、參數(shù)選?。篕p=30，Td=90，1/Ti=1/5942、

47、系統(tǒng)simulink模型為：圖4.1 單回路控制系統(tǒng)Simulink模型3、參數(shù)整定當(dāng)Kp=30出現(xiàn)等幅震蕩曲線，此時Tk=2.81，等幅震蕩曲線如圖4.2所示圖4.2 系統(tǒng)等幅震蕩曲線比例放大系數(shù)Kp=15，將Kp的值置為15，曲線如圖4.3所示圖4.3 系統(tǒng)P控制時的單位階躍響應(yīng)曲線比例放大系數(shù)Kp=13.5，積分時間常數(shù)Ti=2.3417曲線如圖4.4所示圖4.4 系統(tǒng)PI控制時的單位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)表可知PID控制整定時，比例放大系數(shù)Kp=17.6417，積分時間常數(shù)Ti=1.405，微分時間常數(shù)為0.35125，曲線如圖4.5所示圖4.5 系統(tǒng)PID控制時的單位階躍響應(yīng)曲線4、分析由

48、圖4.3 、圖4.4 、和圖4.5 對比看出，P控制和PI控制的階躍響應(yīng)上升速度基本相同，由于這兩種控制的比例系數(shù)不同，因此系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出值不同。PI控制的超調(diào)亮比P控制的要小，PID控制比P控制和PI控制的響應(yīng)速度快，但是超調(diào)量要大些。4.2.2 串級控制系統(tǒng)仿真1、對象為： (4.2) (4.3) (4.4)2、參數(shù)選?。篜ID C1： P=3PID C2： P=183、simulink模型（1）一次擾動，延遲位于主回路 系統(tǒng)simulink模型為：圖4.6 傳輸延遲位于主回路的Simulink仿真框圖 當(dāng)Kc1=3，Tic1=30，Kc2=10時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4.7所示圖4.7 一次

49、擾動延遲位于主回路系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖（2）二次擾動，延遲位于主回路系統(tǒng)simulink模型為：圖4.8 二次擾動延遲位于主回路simulink模型當(dāng)Kc1=3，Tc1=30，Kc2=10時，加上二次階躍擾動，此時系統(tǒng)的輸出曲線如圖4.9所示。圖4.9 系統(tǒng)二次階躍擾動二次擾動延遲位于主回路響應(yīng)曲線圖（3）一次擾動，延遲位于副回路系統(tǒng)simulink模型為：圖4.10 二次擾動傳輸延遲位于副回路中的Simulink仿真框圖（4）二次擾動，延遲位于副回路 當(dāng)Kc1=3，Tc1=0，Kc2=0.8時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4.11所示圖4.11 一次擾動傳輸延遲位于副回路中的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖 當(dāng)Kc1=

50、3，Tc1=0，Kc2=0.8時，加上二次階躍擾動，此時系統(tǒng)的輸出曲線如圖4.12所示圖4.12 系統(tǒng)二次擾動傳輸延遲位于副回路中階躍響應(yīng)曲線圖4、分析對比延遲位于主回路中時系統(tǒng)對二次擾動的響應(yīng)曲線圖，以及延遲位于副回路中時系統(tǒng)對二次擾動的響應(yīng)曲線圖，可以明顯地看出，延遲位于主回路時，通過串級控制可以很好地消除其影響。4.2.3 前饋反饋控制系統(tǒng)仿真1、對象為：干擾通道傳遞函數(shù)為：、 (4.5)系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)： (4.6)給定部分傳遞函數(shù)為： (4.7)2、參數(shù)選?。篜ID： P=0.29，I=0.009控制通道1：Tran fun模塊：Disturb模塊： Forth模塊： 圖4.13 各模塊封裝圖3、simulink模型圖4.14 前饋反饋控制系統(tǒng)simulink模型 當(dāng)Kd=-2.5，Td1=5，Td2=8。若系統(tǒng)采用PID控制，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.15所示。圖4.15 系統(tǒng)前饋-反饋復(fù)合控制Simulink仿真結(jié)果最上方曲線為系統(tǒng)輸出波形，中間曲線為干擾波形，下方曲線為規(guī)范隨機干擾波形。4、分析前饋-反饋復(fù)合控