大学毕业论文-—基于matlab的过程控制系统仿真研究Word文档格式.docx

大学毕业论文-—基于matlab的过程控制系统仿真研究Word文档格式.docx

《大学毕业论文-—基于matlab的过程控制系统仿真研究Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学毕业论文-—基于matlab的过程控制系统仿真研究Word文档格式.docx（62页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

仿真；

水箱；

换热器

SimulationandResearchofProcessContro1SystemBasedonMATLAB

Abstract

WatertankandHeatexchangeraretypicalobjectintheprocesscontrolinthedesign,Thecontrolsystemoftanklevelandheatinterchangeisusedasanexample.Thetransferfunctionobjectisdefinedbysettingupthemathematicalmodel.IcarryonsimulationresearchonthesystembyusingMatlab’ssimulinksimulation.anddeeplyanalyzetheresultofthesimulation.

Inthesystem,whichcontrolthelevelofthetank.Thetransferfunctionofasingle-tank,double-tank,three-tankisdefinedbysettingupmathematicalmodelandanalyzingdate.Simulationmodelofallsystemsetupsimulinksimulation.Theeffectthatcontrollerparametercomposesonthesystemisanalyzedthroughtheresearchonthesimulationcuvers.

Inthecontrolsystemofheatinterchange.Thedesignusesreductionmethodanddefinesthetransferfunctionoftheobject.accordingtothetechnicalprocessintheautomaticsystem.Thecontrolsystemmodelofsingleloop,cascade,feedforward-feedbackisestablished.SimulationresearchontheresystemiscarriedonthroughusingconventionalPID,theactualPIDandSmithpredictor,Whilethecharacteristicsthosecontrolsystemarecompared.

Keywords:

ProcessControl;

Matlab;

Simulation;

Watertanks;

Heatexchanger

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章引言 1

1.1过程控制简介 1

1.2过程控制的发展 1

1.3控制系统仿真的含义 2

1.4矩阵实验室Matlab简介 2

1.5动态系统软件包Simulink简介 3

1.6控制系统仿真的一般步骤 4

第二章过程控制系统概述 5

2.1过程控制中常见的控制系统 5

2.1.1单回路控制系统 5

2.1.2串级控制系统 5

2.1.3前馈控制系统 6

2.1.4前馈—反馈控制系统 7

2.2通道特性对控制质量的影响 8

2.2.1干扰通道特性对控制质量的影响 8

2.2.2控制通道特性对控制质量的影响 8

2.3控制器参数对系统的影响 10

2.4控制器控制规律的选择 10

2.5控制器参数整定 11

第三章液位控制系统的仿真研究 12

3.1单容水箱液位控制系统 12

3.1.1单容水箱数学模型 12

3.1.2控制方案 14

3.1.3单容水箱的Simulink仿真 14

3.2双容水箱液位控制系统 17

3.2.1双容水箱数学模型 17

3.2.2控制方案 19

3.2.3双容水箱的Simulink仿真 19

3.3三容水箱液位控制系统 23

3.3.1三容水箱的系统建模 23

3.3.2三容水箱的Simulink仿真 24

3.4本章小结 25

第四章换热器温度控制系统仿真研究 27

4.1换热器的数学模型 27

4.1.1换热器构造及工作原理 27

4.1.2被控参量的选择 28

4.1.3被控对象的特性 29

4.1.4被控对象数学模型的建立 29

4.2单回路控制系统 33

4.2.1常规PID控制 34

4.2.2实际PID控制系统仿真 36

4.2.3史密斯（Smith）预估控制系统仿真 39

4.3串级控制系统 41

4.3.1串级控制系统结构 41

4.3.2串级控制系统的PID仿真 42

4.3.3串级控制系统的Smith预估控制 45

4.4前馈—串级控制系统 46

4.4.1换热器前馈—串级控制的数学模型 46

4.4.2前馈控制规律的实施 47

4.4.3Simulink仿真 48

4.5本章小结 51

结束语 52

参考文献 54

致谢 56

第一章引言

1.1过程控制简介

过程控制系统是表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。

这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。

表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。

通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少[1]。

1.2过程控制的发展

在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。

在本世纪30年代就已有应用。

过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：

分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。

从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：

开始到70

年代为第一阶段，70年代至90年代初为第二阶段，90年代初为第三阶段开始。

其中

70年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。

第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：

使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。

这与当时生产水平是相适应的。

第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复

杂的工业过程进行控制。

这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。

这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。

1975年，世界上第一台分散控制系统在美国Honeywell公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。

分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。

由于采用了分散结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法（几十至上百种）、较好的人—机界面和故障检测报告功能。

经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。

第三阶段是高级阶段，目前正在来到[2]。

1.3控制系统仿真的含义

控制系统仿真是建立在控制系统模型基础之上的控制系统动态过程试验，目的是通过试验进行系统方案论证，选择系统结构和参数，验证系统的性能指标等．如果这种试验是在计算设备上实现的，就称为计算机仿真[3]。

1.4矩阵实验室Matlab简介

矩阵实验室（MATLAB）语言是Mathworks公司于1982年推出的，它集数值分析、信号处理、系统控制和图形处理于一体，构成了一个方便的界面友好的用户环境。

在我国，自动控制领域已广泛地应用这种语言。

1992年的MathWorks公司推出了交互式模型输人与模拟环境动态系统软件（SIMULNK），使得MATLAB在自动控制系统领域的应用得到很大发展。

一种语言之所以能迅速的普及。

显示出如此旺盛的生命力，MATLAB有其不同于其

它语言的特点。

与C、Fortran、Pascal等高级语言相比。

MATLAB不但在数字语言的表达与解释方面表现出人—机交互高度一致。

还具有如下特点：

（1）超强的数值运算功能在MATLAB环境中，有超过500种的数字、统计、科学及工程方面的函数可供使用，而且使用简单快捷；

（2）强大的数据可视化功能MATLAB的图形功能使用户可以进行视觉数据处理和分析；

（3）开放的架构和可延拓的特性（除内部函数外）所有MATLAB主包文件和各工具包都是可读可改的源文件，用户可以检查算法，修改现在函数。

甚至加入自己的函数。

构成新的工具包；

（4）丰富的工具箱最常用的有控制系统工具箱、图像处理工具箱、神经网络工具箱、信号处理工具箱、小波工具箱等等[4]。

1.5动态系统软件包Simulink简介

Simulink是运行在MATLAB环境下，用于建模、仿真和分析动态系统的软件包，如图1.1所示为Simulink软件系统组成。

它包括一个庞大的结构方块图模型，用户可以既快捷又方便地对系统进行建模，仿真而不必写任何代码程序，并且Simulink可以在屏幕上显示数据以及输出数据和图形。

Simulink本身就是一种用来实现计算机仿真的软件工具，它是MAT