蒸汽热水型换热器数字PID控制系统设计与仿真

毕业设计（论文）题 目： 蒸汽/热水型换热器数字 PID 控制系统的设计与仿真 学 院： 信息工程学院专业名称： 电子信息科学与技术班级学号： 12043109学生姓名： 武勇指导教师： 江晶二 O 一六 年 6 月 蒸汽/热水型换热器数字 PID 控制系统的设计与仿真学生姓名：武勇 班级：120431指导老师：江晶摘要：在当今社会的工业领域之中，换热器已经逐渐成为一种标准的工艺设备，并且已经广泛的应用于动力工程领域和一些其他的过程工业部门。本次实验是要求以控制输入蒸汽流量来达到输出热水温度的稳定。但是，由于被控对象为蒸汽流量，故存在大惯性、参数时变、纯滞后等非线性特点，所以利用传统的 PID 控制不能满足其动态、静态特性的要求。单一的控制方式和现在制造工艺的限制，导致目前换热器普遍存在效果差，效率低的现象同时也造成了能源的浪费。如何改变这样的现状，提高换热器的控制效果及效率，对于缓解能源紧张的状况具有长远的意义。本课题是通过 PID 控制系统来调节换热器的输入（蒸汽流量） ，来控制输出（热水温度） ，同时也引入了 smith 预估器来解决时滞问题，通过建立数学模型来求取被控对象的传递函数，从而建立 simulink 模型，通过 MATLAB 仿真得到其阶跃响应曲线图。本文首先基于开环阶跃响应曲线法，通过调节参数（蒸汽流量）的阶跃输入作用下得到被控参数（供水温度）的变化规律，从而得到广义被控对象的特性参数，从而得到换热器的开环传递函数，通过搭建模型仿真观察结果，未达标，引入smith 预估器重新搭建模型仿真并与之前的图形对比，接着采用 PID 进行校正，基于时域响应法进行 PID 参数整定，最后，修改比例、积分、微分三个环节的参数并对比确定最后的取值，并观察结果符合要求。关键词：换热器 时滞 PID 控制 smith 预估器指导老师签名：Design and Simulation of digital PID control system for steam / water heat exchangerStudent name : wu yong Class: 120431Supervisor: jiang jingAbstract: In the industrial field of todays society,Heat 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 to 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 of traditional PID control can not meet the requirements of its dynamic and static characteristics.Single control mode and current manufacturing process limitations,At the same time, the current heat exchanger has poor efficiency and low efficiency, and it also causes the waste of energy.How to change the current situation, improve the control effect and efficiency of the heat exchanger, to ease the situation of energy tension has a long-term significance.This topic is through the PID control system to regulate the heat exchanger input (steam flow), to control the output (hot water temperature),At the same time, the Smith predictor is introduced to solve the problem of time delay,By establishing mathematical model, the transfer function of the controlled object is obtained,So as to establish the Simulink model, the step response curve of the MATLAB model is obtained by the simulation.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 flow),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,The Smith predictor is introduced to build the model simulation and compare with the previous figure,Then use PID to correct,PID parameter tuning based on time domain response method,last，Modify the proportion, integral, differential parameters of the three links and determine the final value, and observe the results meet the requirements.Keyword： Heat exchanger time lag PID control smith predictorSignature of Supervisor: 目 录1 绪论1.1 PID 控制的目的和意义(5)1.2 PID 控制的国内外发展状况(5)1.3 换热器 PID 控制系统的设计方法 (7)1.4 本文的主要研究内容(7)2 换热器 PID 控制系统的构建2.1 换热器的简要介绍(9)2.2 控制方案的设计(9)2.3 传递函数的求取(9)2.4 PID 的简要介绍 (9)2.5 Smith 预估器 (11)3 基于 MATLAB 的 simulink 模型建立3.1 仿真系统模型的建立(13)3.2 控制系统的时域分析(13)3.3 阶跃信号输入的优点(13)3.4 simulink 模型建立(14)4 参数校正及仿真4.1 PID 参数的整定 (18)4.2 校正系数的确定(18)4.3 仿真结果及分析(18)5 结论结 论(25)参考文献 (26) 致 谢(27)51 绪论1.1 蒸汽/热水型换热器数字 PID 控制的目的和意义本次研究的是蒸汽/热水型换热器数字 PID 控制系统的设计与仿真。现在，随着社会的发展，文明的发展，人们已经把节约能源看作是一种十分重要的事情。节约能源是指尽最大可能的去降低能源的耗损、增大对能源的使用率等等的这一系列行为。增强对能源使用的管治，采用在经济方面、技术方面合理，同时在社会和环境都可以承受的范围之内的措施，从能源的出产开始到消耗等其中的多个环节，来减低能源的耗损、降低能源的损失和污染物产生、制止一些浪费行为，有效、且合理的去利用能源。现如今，在我国，石油、化等工产业中，换热器普遍都受到了重视，而换热器的广泛采用，也决定了换热器换热性能的改善，以及设计理论的不断创新，企业的经济收益和工业的飞速发展都具有一定的积极作用，为节约能源和保护环境做出了显著的贡献。在实际的工程之中人们使用最多的控制规律为，比例（proportional)、积分(integral)、微分(derivative)控制，也就是 PID 控制，又称之为 PID 调节。PID控制，实际中也分有 PI 控制和 PD 控制。PID 控制器的原理就是：通过系统产生的误差，采用比例、积分、微分来求出控制量从而进行控制的。稳定性是系统控制品质好坏的一个重要的指标。因此对 PID 控制的稳定性研究工作在工控领域中有着非常重要的意义。PID 控制器问世至今已经有将近 70 年的历史了，它的算法相对简单、鲁棒性好、可靠性高，在过程控制和运动控制之中应用广泛。各种各样的 PID 控制器已经在工程实际中得到了非常广泛的应用，例如使用 PID 控制完成的温度、流量、压力、液位控制器等，可编程的控制器也有采用 PID 控制的，甚至还有实现 PID 控制的 PC 系统等等。PID 控制适合于那些数学模型无法精确建立的控制系统。伴随着现代工业的发展，被控对象的复杂程度也在不停的增大，特别是对于那些存在滞后、时变的、非线性的繁杂的控制系统，当中有的参数不可得知或者是变换较为迟缓，有的带有延迟或者是随机干扰，有的不能获得较为精准的数学模型或者是模型比较粗糙，加之现在我们对予控制品质的要求也在日益增长，这就用到了 PID 控制。1.2 PID 控制的国内外发展状况在之前的五十年时间里，调整 PID 控制器里参数值的研究取得了极好的发展。其中有利用环阶跃响应信息。例如 Coon-Cohen 响应曲线法，还有的使用 Nyquist 6曲线法。例如 Ziegler-Nichols 的连续响应法。然而，这些方式都只是识别了系统的动态信息中的一部分，很难理想的去调整系数。伴随着计算机技术的不断发展，人们把平常操作的调整经验利用人工智能的方式，把它当做是一种知识存入了计算机当中，判断现场的实际情况，计算机能够自行去调整 PID 系数。这样能实施自动调整、缩短所需要的整定时间、简单便捷的操控方式优化了响应特性从而推进了自整定 PID 控制的进一步发展。自整定技术在五十年代的时候就已经出现，那时自适应控制还处在刚发展的时期，六十年代的时候有外国人发明了一种过程控制器采用的是自动调节，因为其售价过高、个头偏大、稳定性略差而遗憾的没能被商品化。八十年代的时候，控制理论逐渐完整，同时高性能微机的使用，这才促使自整定控制器得到了开发，PID 控制器系数自动整定的设想已经开始慢慢的变成现实。控制电炉温度的技术，它的发展可以用日新月异来形容。从模拟 PID、数字 PID 到最佳控制、自适应控制，再到现在的智能，每一步都极大的改善了控制的性能。现在有的电热炉控温实例中，PID 和模糊控制是最具代表性的，也是相对应用最多的。PID 控制器调节以及它的改良型是在现代的控制工业中应用尤为广泛的一种控制器。一个关键的问题存在与 PID 控制中，那便是对于其中参数的整定,使整个控制系统能达到我们所希望的控制性能。然而在实际中的应用,有许许多多的被控过程的机理都非常繁杂,包含有高度非线性、纯滞后和等时变不确定性特性,尤其是在噪音、负载扰动等不利元素干扰下,模型结构还有过程参数都会跟着时间和工作环境的变化而产生变化。在两千零二年的一次统计报告中 MILLER 和 DES-BOROUGH 指出,在美国目前普遍的使用于工业控制领域之中的调节器有多于 11600 个是包含有 PID 控制器结构的,其中有多于 97%是使用了 PID 控制算法的反馈回路,哪怕是在一些极其繁杂的控制律中,当中仍然包含 PID 控制算法在最基本的控制层。很遗憾的是,仅有大约三成左右的控制器在现实使用的过程中的的控制效果能让人觉得满意,另外六成的PID 控制系统，他们的性能并没有像预期那样达到人们希望的那样。这对于控制理论的研究来说，是一次史无前例的大挑战和大机遇，对于其应用来说也是一样的。1.3 换热器 PID 控制系统的设计方法换热器的输入参数为蒸汽的流量，输出为稳定 95 度热水，因为系统包含极大的时滞性，故采用 PID 控制来解决时滞问题，因传统 PID 不能恨理想的改善时滞，故引入 smith 预估器，设计一个同时包含了 PID 和 smith 预估器的换热器。具体可以分为下面几个步骤。1)首先要确定输入与输出之间关系变化的特性参数，从而求出传递函数。72)基于 matlab 软件，搭建 simulink 模型建立初步的换热器 PID 控制系统模型，进行仿真，并观察得到的阶跃响应曲线是否符合课题要求。3)在原有的模型基础上增加 smith 预估器，建立完整的控制系统模型，进行仿真，得到的阶跃响应曲线与原曲线进行对比并分析。4)基于时域响应法进行 PID 参数的工程整定，并不断的修改各个参数并对比，得出符和要求的最佳结果。1.4 本文的主要研究内容换热器是在工业生产领域以及国民经济中使用非常普遍的热量交换设施。伴随着现代新的工艺、材料、技术的持续进步，能源利用的问题也在日益严重化，世界各国都已经开始普遍把石油化工的深度加工和能源的综合利用放到了十分重要的位置。换热器也因此面临着前所未有的新挑战。性能的好坏是换热器对于产品的质量、能量的利用率以及系统运行的经济性、可靠性都十分重要的一项指标，它有的时候甚至是起着至关重要的作用。然而，要对换热器进行实际研究的话不仅在实际操作上有着极大的困难，各种参数设置也不易操作，因此我们基于 Matlab 软件来进行仿真研究。Matlab 是一个完全涵盖了包括数学矩阵运算、数值的分析、各类图形的显示以及各种信号处理等功能在内的软件，它同时也是现代社会用来研究领域的一种高性能的科学计算语言。它能够将图形的可视化与数值的运算完全的集合在一起，并且它提供了极其大量的内置函数，因此被普遍的使用于各种学术研究中的科学运算、各类控制系统中的模拟、信号的处理等各个领域的设计、分析以及仿真之中。而且，它同时也具有开放式的结构，我们可以在其基础上进行第二次的开发，从而不断的进行扩充、完善其所需的功能。基于这一思想，本文我们做一个基于 MATLAB 的换热器 PID 控制系统，那么首先我们要选择使用 matlab 语言编程的方式或者是 simulink 模型的搭建，经过比较我们发现 simulink 模型能更加直观清楚的表现，并且更加方便后期参数修改和调节，选择好了方案我们要确定被控对象的广义传递函数，建立换热器的数学模型。我们研究的对象为一个具有时滞性，二阶惯性的系统，不同于一般的线性系统，因此我们要加入 PID 控制并且同时选择同时加入 smith 预估器来完成，那么我们就要去了解和应用 PID 控制以及 smith 预估器。采用 PID 控制这种方法是很早就发展8起来的一种控制方法。由于 PID 控制方法的算法相对简单、鲁棒性好、可靠性很高，现在在工业控制领域已经得到了极其普遍的使用。同时 PID 控制器也有着非常的简单的结构，而且参数也非常容易修改，在经过长时间的工程应用之后，现在人们对PID 控制的方法已经累积了相当多的经验。同时也因为现在的计算机软件不断的发展和高度的自由性，PID 算法就能够获得相应的修改并且变得更加完善，还能够和一些别的控制规律融合起来，发挥不同的更加良好的控制效果。而说到史密斯预估器，这控制方法更是一种普遍使用于来补偿纯滞后对象的。在现实的使用中，史密斯预估器为把一个补偿环节并连在 PID 控制器上，这个补偿环节我们就称之为史密斯预估器。在实际中，会使系统的动态性能变坏、稳定性降低的被控对象的纯滞后时间 ，还会引起超调和持续的震荡，这个时候，我们一般都使用史密斯预估器来解决。（1）蒸汽/热水型换热器广义被控对象的传递函数的求取；（2）基于 Matlab 进行系统的组态和仿真,得到供水温度的变化曲线；（3）基于时域响应法的 PID 参数的工程整定。2 换热器 PID 控制系统的构建2.1 换热器的简要介绍在温度不同的两种或者说多种流体之间传递热量的设备叫做换热器，又称之为热交换器、热交换设备。换热器的功能主要是在工业生产之中将热能量从温度相对较9高的流体传递给温度相对较低的流体，使其温度能够满足工艺流程所要求的规格，以满足过程工艺条件的需要，用于各种换热条件。换热器的形式是多种多样的。每一种换热器的结构和形式都有独特之处和适用的范围，只有娴熟的掌握了这些特征，并结合生产工艺的实际要求，方可进行最为合理的选取和正确的设计。换热器如今已经