毕业设计（论文）工厂蒸发车间监控系统设计（控制决策与仿真）

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1、I西安建筑科技大学西安建筑科技大学毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 课题名称：课题名称： 工厂蒸发车间监控系统设计工厂蒸发车间监控系统设计（控制决策与仿真）（控制决策与仿真）学学 院：院：信控学院信控学院专专 业：业：自动化自动化姓姓 名：名： 学学 号：号：_ 教师教师( (签字签字) )：_二 五 年 3 月 28 日II一、一、毕业设计（论文）的目的与要求毕业设计（论文）的目的与要求1、 设计目的：通过工厂蒸发车间监控系统的设计，使学生总结四年来所学知识，通过毕业设计得到综合训练，使得理论教学与生产实践相结合。培养大学生的科研创新能力、实践能力和创业精神。2、 要求：认真努力

2、，勤于实践，独立完成毕业设计（论文）任务，充分发挥主观能动性和创造性，实事求是，不弄虚作假，不抄袭他人成果。 严格遵守纪律，按时按要求（包括形式要求与撰写要求）完成指导教师安排的工作。凡不按要求完成且在规定时间内无改进的，不得进行下一步的设计工作。 毕业设计（论文） ( 设计 ) 须符合形式要求及撰写要求 （请参照学校有关规定 ）；所有要求提供的文档材料（除实习日记及已有要求的）一律按学校对毕业设计（论文）撰写格式的要求撰写。 二毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）二毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数） 研究蒸发车间生产工艺； 选定控制回路的输入、输出参数，特别是工艺中的浓度控

3、制及蒸汽压力、流量的控制；冷却液温度控制等； 分析、研究控制回路的特点，参数变化范围，写出被控对象的数学模型； 制定控制方案； 采用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱进行系统仿真，画出仿真图，各种仿真曲线； 分析仿真结果； 写毕业设计论文。三、毕业设计（论文）题目应完成的工作三、毕业设计（论文）题目应完成的工作 研究蒸发车间生产工艺； 选定控制回路的输入、输出参数，特别是工艺中的浓度控制及蒸汽压力、流量的控制；冷却液温度控制等； 分析、研究控制回路的特点，参数变化范围，写出被控对象的数学模型； 制定控制方案； 采用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱进行系统仿真，画出仿真

4、图，各种仿真曲线； 分析仿真结果； 写出自己的心得体会。III四、毕业设计（论文）进程的安排四、毕业设计（论文）进程的安排 序号序号 设计（论文）各阶段任务设计（论文）各阶段任务 日日 期期 备备 注注 1收集有关毕业设计的参考资料第14周2研究蒸发车间生产工艺；第5周3选定控制回路的输入、输出参数，特别是工艺中的浓度控制及蒸汽压力、流量的控制；冷却液温度控制等；第6周4分析、研究控制回路的特点，参数变化范围，写出被控对象的数学模型；第78周 5采用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱进行系统仿真，画出仿真图，各种仿真曲线；第912周 6分析仿真结果；第13周 7写毕业设计论文。第1

5、415周五应收集的资料及主要参考文献：五应收集的资料及主要参考文献： 、氧化铝生产工艺参考书；、西门子S7系列PLC使用说明书；、测量仪表手册；、控制网通信原理；、DCS系统设计方案；、有关自动控制系统方面的参考资料。 、MATLAB使用说明。六、六、任务执行日期：任务执行日期： 自自_05_05_年年_3_3_月月_9_9_日起，至日起，至_05_05_年年_6_6_月月_20_20_日止。日止。 IV七、审核批准意见七、审核批准意见指导教师（签字）指导教师（签字） _ 教研室主任（签字）教研室主任（签字）_ 主管院长（主主管院长（主 任）（签字）任）（签字）_ 工厂蒸发车间监控系统设计（控

6、制决策与仿真）专 业：自动化指导老师：席爱民本 科 生：马怀远V工厂蒸发车间监控系统设计（控制决策与仿真）摘 要此次毕业设计是对山西铝厂三分厂的氧化铝蒸发车间进行改造。通过应用软件主要控制其流量、密度、温度、压力等模拟量，从而实现其安全生产，并达到监控要求，由于母液蒸发过程的自动控制可以稳定矿浆的制备以及后续流程的生产过程，对增加产量，节能降耗，保证产品质量具有重要意义，所以实现母液蒸发生产过程自动化一直是冶金行业倍加重视的研究问题，研究目标是对该过程的各种操作条件进行优化控制，以稳定生产过程，同时最大限度地提高热能利用率，以减少蒸发的能量消耗。针对目前工业过程控制中具有纯滞后，大惯性，难以建

7、立精确的数学模型的特点，研究运用预估PID控制系统实现对铝液密度的自动控制。最后，利用MATLAB中的Simulink，对设计的系统进行仿真，并给出仿真的结果和分析。VI【关键词】 氧化铝生产工艺，PID 控制，史密斯预估，Matlab仿真Supervisory and control System Design of Evapotranspiration Workshop on Factory( Control decision and Simulation)ABSTRACTABSTRACTThe graduation design is the reformation of aluminu

8、m factory of shanxi province ,which mainly reform the workshop of the evaporation of the alumina .it applied the software mostly to control the flux,density, temperature, pressure.etc.to carry out its produce safety , and requestion of the supervision , because of the automatic control in the proces

9、s of the evaporation of the original fluid could stabilize the mineral to be make and the follow-up of the process of production line,it is utmost important to improve the production ,economize the energy ,lower the consume and guarantee the quantity of product, thus,it is paid attation to carrying

10、out the automation in the process of production of the evaporate of the original liquid by the metallurgy VIIprofession .and aim at controlling the kinds of condition of the process well to stabilize the process of the production and improve the ability of utilization of thermal energy to the maximu

11、m limit to reduce the energy depletion of the evaporation.considering the characteristics of the mathematics model with pure delay,stronge inertial and the precision of establishment in the control of the process of the control currently. studied how to use the estimate of PID control system to real

12、ize the automatic control of the density of aluminum liquid .in the end, making use of the Simulink of the MATLAB to imitate the system of design, and attain the result and analysises of it.【Key words】 The production of craft oxidized aluminum ，The PID control Smith estimates， The Matlab Simulation目

13、录目录1 蒸发车间工艺流程概述.71.1 我国氧化铝的发展概况 .71.2 拜耳法种分母液蒸发过程控制国内外发展现状 .91.3 山西铝厂三分厂蒸发车间简介 .111.3.1 工艺流程介绍 .131.3.2 监控要求 .152 PID 控制.172.1 自动控制系统简述 .172.2 PID 调节.172.2.1 简述 .172.2.2 作用 .18VIII2.2.3 PID 控制的原理和特点.182.2.4 PID 控制器的参数整定.193 系统仿真.223.1 系统计算机仿真简述 .223.2 MATLAB 概述 .223.2.1 MATLAB语言的产生与发展.233.2.2 MATLAB

14、语言的特点 .253.2.3 MATLAB 6.5 的新特点.273.3 仿真工具 SIMULINK.304 控制方案与系统的仿真.314.1 控制方案 .314.2 预估控制概述 .314.2.1SMITH预估控制的基本原理 .324.2.2SMITH预估控制的局限性 .344.2.3综合误差的计算 .344.3 数学模型的建立 .354.3.1 参数的选择 .354.3.2 模型的选定 .374.3.3 系统仿真 .40结束语.47致谢.48参考文献.49 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 9 页1 蒸发车间工艺流程概述1.1 我国氧化铝的发展概况我国发展氧化铝

15、有丰富的铝土矿和煤炭双重资源优势，氧化铝生产已成为世界第三大国，但不是强国，其发展仍然严重滞后于电解铝工业，还需要大量进口氧化铝。长期与国外隔离而发展起来的我国氧化铝混联法生产工艺，在氧化铝实收率、碱耗上居世界先进水平，但生产流程长、能耗高、经营成本较高、产品质量较差，市场竞争力不足。拜耳-烧结串联法改造混联法将全面改进我国氧化铝技术经济指标提高国际竞争力和国内自给率。截止到2002年底,全世界的原铝生产能力达2900万t/a 左右(其中包括中国的原铝产能510万t)。原铝生产虽然欧、美仍然占主导地位, 但垄断全球产能的局面已经被打破。自1996年世界原铝产量突破2000万t大关以来, 由于一

16、些闲置产能的重新启动和扩建项目的陆续投产, 全球原铝产量仍以平均每年3.0%增长。到2002年底, 全球原铝总产量已突破2500万t大关。1997年到2001年全球原铝产量分布情况如表1所示。在消费领域中, 运输业、建筑业和包装业仍是铝消费的三大领域。1998 年世界铝消费总量已达2900万t,其中原铝消费量已达2190万t,比1997年增长1%。美国和西欧仍是原铝的主要市场,各占世界铝消费量的27%左右,日本和中国是另外两大原铝消费国,各占世界铝消费量的10%。表2是1997年到2001年世界原铝消费量分布情况。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 10 页近十年来

17、,世界原铝价格自1988年从2597美元/t下跌以来,到1993年逐渐滑入谷底,铝价跌到1139.75美元/t。此后,铝价逐步攀升,1995年曾一度达到 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 11 页1805.41美元/t,但是,由于亚洲金融危机和全球经济衰退的影响, 铝价一直在低谷徘徊。不过,由于全球经济的进一步复苏, 从2003年开始, 铝价有望回落到1500美元/t左右。2001年世界氧化铝消费为4790万t,而产量则达到4970万t,产量过剩180万t。2002年这种情况有所好转, 氧化铝产量会达到5140万t,产量过剩约70万t,到2003年这一数字会减少到约

18、30万t,这时的氧化铝产量会达到5370万t,而需求还会增加,可望达到5400万t,到2005年世界氧化铝市场将会出现大转折, 氧化铝缺口将达到190万t。世界氧化铝市场由盈余到不足,中国增加氧化铝进口是主要驱动力。2002年中国氧化铝进口达到410万t,预计2004年将增加到440万t,2005年达到470万t,2006年会飞跃到530万t。中国氧化铝进口短期内增长比较缓慢主要是因为中国铝业集团的氧化铝扩建项目造成的, 有些业内人士认为, 如果中国政府按计划到2003年底停止用自焙槽来生产铝,则中国各电解铝厂进口氧化铝的需求会相当强烈, 因为中国铝业集团主要生产粉状氧化铝,只能用于自焙槽。2

19、000年世界氧化铝价格曾达到200美元/t,而现在有不少电解铝厂由于受电价干扰而被迫关闭,造成了氧化铝明显供应过剩, 迫使氧化铝现价降低至150美元/t左右。未来氧化铝市场必须面对氧化铝的短缺, 并且氧化铝的短缺总是与现货和期货的价格连在一起的。一旦氧化铝短缺,其市场价格还会涨起来,至少会涨到300美元/t,现货价格甚至会达到500美元/t ,但如果涨到300美元/t,电解铝厂就会强烈地感到买不起氧化铝了。将来铝价走低也会持续下去,电解铝厂的产能也会随之退出市场。1.2 拜耳法种分母液蒸发过程控制国内外发展现状在拜耳法生产氧化铝工艺中，母液蒸发过程是保持生产系统液量平衡，浓缩溶液，排除生产过程

20、中积累的碳酸钠、硫酸钠等杂质以及配置合格循环碱液的一道重要工序。由于母液蒸发过程的自动控制可以稳定矿浆的制备以及后续流程的生产过程，对增加产量，节能降耗，保证产品质量具有重要意义，所以实现母液蒸发生产过程自动化一直是冶金行业倍加重视的研究问题，研究目标是对该过程的各种操作条件进行优化控制，以稳定生产过程，同时 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 12 页最大限度地提高热能利用率，以减少蒸发的能量消耗。母液蒸发过程工艺复杂，要检测、控制的参数主要有压力、温度、密度(浓度)、液位、流量等。早在20世纪80年代，世界上有色冶金发达的国家如澳大利亚、加拿大、美国、英国等在氧化

21、铝生产的蒸发工序中就已经较完整地采用或部分地采用集散控制系统，分层控制的体系进行自动控制，最低层采用PID控制器控制一些操作变量，其上层是多变量控制器或计算机监控，由它们设定PID控制器的给定值，以控制蒸发过程的气压、液位、密度(浓度)、流量等参数稳定在它们相应的要求值上，最上层是优化层，提供各参数的最佳给定值。在我国，20世纪90年代中后期，少数氧化铝生产企业在拜耳法种分母液蒸发过程中先后采用了智能调节器、工控机或小型集散控制系统，对某些蒸发站的生产实现了一定程度的自动控制，如1998年，全国最大的氧化铝生产基地山西铝厂与沈阳铝镁设计院合作对铝厂的五蒸发站实现了计算机集散控制，各工艺参数的控

22、制都是采用PID控制，取得了一定的经济效益。在此之前，广西的平果铝业公司就己经对母液蒸发过程实现了DCS控制，较大程度地提高了拜耳法生产循环效率，但其控制策略也还是PID,精度较低。目前国内氧化铝生产中，大多数蒸发车间的现状是各工艺参数的检测都要靠人工到现场读取和记录，然后层层传送，不能对生产过程及时进行调控，指标优化困难极大，而且工艺所要求的参数由人工操作控制，精度差，现场跑冒滴漏现象严重，给安全生产带来隐患，同时，也极大地影响了产品质量和产量。因此，对由人工控制的蒸发站建立自动监控系统，以减少工人劳动强度，提高工作效率，保证产品质量，对生产中用传统控制方法难以获得满意效果的控制难点如蒸发器

23、出料密度的控制，采用高级控制策略如模糊控制以提高系统运行的可靠性，减少能耗，保证生产正常高效运行是非常必要的。1.3 山西铝厂三分厂蒸发车间简介山西铝厂三分厂采用烧结拜耳混联法进行氧化铝生产，蒸发车间是拜耳法氧化铝生产工艺中水量平衡的重要环节，用来浓缩溶液和分离在过程中 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 13 页积累的杂质（纯碱、硫酸盐大部分有机物等)。图 1 为拜耳法工艺原理示意图。种分车间送来的原液（主要成分为氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠和氧化铝等的混合溶液)在原液槽经原液泵打入蒸发器组，在新蒸汽加热下，进行逆流自然蒸发。从蒸发器组出来的高浓度混合溶液，即蒸发母液由

24、出料泵打至沉降槽中，碳酸钠、硫酸钠和氧化硅等杂质在沉降槽自动析出，并沉降浓缩，底流经底流泵送到过滤机以滤饼形式排除杂质；沉降槽溢流和过滤机出来的滤液一同流迸入溢流槽，经溢流泵送其它工序调整成为符合生产要求的循环母液供给矿浆制备车间配料。工艺流程中，蒸发器组是拜耳法生产的一个重要环节，也是蒸发车的主要设备。蒸发车间是 1994 年新建日前需要改造的工程。共有 16 台蒸发器，分为5 组，其中 1、2、3、5 组三效作业，第 4 组四效作业(多级蒸发装置中蒸发器的专用术语称为效)。组蒸发然流程示意图如图 2 所示。该组蒸发器由效、效、效和、级闪蒸发器组成。原液经原液泵依次被打入效、效和效。各效之间

25、由导料泵过料，图中实线所示方向。加热蒸汽按照效效、效、效的方向进入各效加热，图中虚线所示。并且，前一效的二次汽作为后一效的热源使用。效出来的二次汽经水冷器冷却后，冷凝成水进入热水池作循环水使用。由于料液流经的方向与蒸汽进入各效的方向相反，这种蒸发方式称为逆流自然蒸发。效出来的料液再经过、级闪蒸器降温减压后，送往沉降槽分离。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 14 页 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 15 页1.3.1 工艺流程介绍在加工制造业和运输业的生产经营过程中，储运是一个不可缺少的重要环节，特别是液体介质（如原油、成品油、矿浆等）

26、的存储、计量、核算和管理尤为重要。围绕着储罐乃至整个系统的监控管理提高储运自动化及其管理水平，对企业减少损耗、降低成本、增加效益具有明显作用。下面我们简要的概述一下工艺流程，此厂所用工艺属于拜耳法种分工艺，如下图所示： 图 1.1 工艺流程图在上图中，原液经过三效、二效、一效、一闪、二闪流向其它槽中。原液从出发到达一效的总时间是一小时左右。而蒸汽则防好相反，它是从一效到二效，再到三效。而且，蒸汽必须源源不断的供应，否则就是影响原液的原 液蒸 发沉 淀溢 液过 滤调配槽 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 16 页浓度。 我们重点研究部分蒸汽和原液部分，其示意图如下：三

27、效沉淀槽一效二效一闪二闪 图 1.2 蒸气和原液流程图要求： 流量 Q=2030 m3/h 蒸汽温度 T=1503000C 开始密度：1.21.3 g/cm3 结束密度：1.31.45g/cm3真空泵水冷器三效二效一效一闪二闪凝结水罐3#凝结水罐2#凝结水罐1-1#水封槽回水槽回水泵蒸汽合格回水去热电蒸汽流程图不凝性气体循环水汽室汽室汽室压力0.19温度140.00压力0.28温度133.00压力0.39温度85.00液位1.86温度97.00液位1.28温度88.00液位1.49温度149.00 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 17 页原料泵三效过料泵二效过料泵

28、一效一闪二闪出料泵沉降槽原液温度46.00密度1.51流量132.00出料密度1.74原液流程图1.3.2 监控要求在工艺流程中，我们可以了解到该厂对三分厂蒸发车间监控系统的监控要求： 1对上位机的要求上位机的操作接口应该能准确反映车间中各种变量的时实变化值，而且，应易于操作人员尽快掌握。上位机的操作借口应能准确反映车间中各种变量的报警，并界，应能调用一段时间内的报警记录和趋势记录。2控制策略的要求 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 18 页控制策略采用的控制方法应能保持蒸汽温度和流量的恒定。保持原液的浓度的恒定。监控系统对控制的要求：经现场调查了解。蒸发车间的改造

29、工程首先要建立自动监控系统，实现各工艺参数的集中显示，以便对生产过程及时进行调控，从而改变目前人工到现场读取和记录数据再层层传送，指标优化困难大的现状。另外，由于蒸发作业存在着很大的检测滞后性(即蒸发过程发生后，较长一段时间内如三效作业为1小时，检测仪器无法检测到料液的密度值)，再加上环境温度的干扰，给蒸发作业的自动控制带来困难。同时，在现场生产中，系统往往连续长期运行，控制系统是否可靠，直接关系到财产安全及经济效益，因此，对蒸发车间的自动控制设备和系统提出以下要求:1、可靠性 : 可靠性是控制系统设计的最基本原则，要求控制系统在长时间连续工作情况下不出现故障 。2、实时性高 :即能够在对象允

30、许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理，一般控制系统采集和控制的参数是比较关键的，这些参数的变化可能会影响到正常生产或经济运行，因此这就要求控制系统能够及时地反映出这些参数的变化，并加以处理控制，保证生产正常高效运行。3、安全性:要求系统中有专用的监控装置，用于监视系统的工艺设备、电源等工作情况，故障时将系统自动切换到安全装置并发出声光报警。系统中还要有安全联锁以防止误操作，控制系统能进行软手操和紧急手操，能实现双向无扰动切换，在任何情况下，都有操作手段，防止操作失灵。4、抗干扰能力:蒸发过程中现场条件差，因此要求控制设备必须要采用光电隔离、防爆防尘等技术措施。5、使用维护方便:要求控制系统

31、原理易于掌握，具有模块化的组件和功能，易于检验维修。6、人机界面友好:要求界面系统简单明了，实用方便，易于操作。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 19 页2 PID 控制2.1 自动控制系统简述工业生产过程自动控制是指在冶金、机械、石油、化工、电力、轻工、建材、原子能与环保等部门的生产中，对于温度、压力、液位、成分等变量实现的自动控制。它是利用过程检测控制仪表、自动化装备与装置、数字计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动监测与控制，以期达到各种最优的技术、经济指标、提高经济效率与劳动生产率、节约能源、改善劳动生产条件、保护生态环境等目的。生产过程自动控制与

32、工程实践紧密联系，在现代工业生产自动化中也得到了十分广泛的应用。2.2 PID 调节2.2.1 简述PID 调节又叫 PID 控制，是比例、积分、微分调节的简称。在自动控制的发展史中，PID 调节是历史最悠久、控制性能最强的基本调节方式。PID 调节原理简单，基于整定、使用方便；按照 PID 调节功能工作的各类调节器广泛应用于国民经济所有工业生产部门，实用性特强；PID 的调节性能指标对于受控对象特性的稍许变化不很敏感，这就极大的保证了调节的有效性。 到目前为止，PID 调节仍然是最广泛应用的基本控制方式。2.2.2 作用由自动控制原理知识我们知道，加入比例控制器 P，即增大 K,它可以时 毕

33、业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 20 页系统的响应加快，稳态误差降低，但是系统的稳定性变差。 加入积分控sse制环节 I，它使得系统的响应减慢，相位裕量减小，即超调增大。加入微分校正可以用来提高系统的暂态响应，但不减小其稳态精度，为了满足控制系统的稳态精度的要求，往往需要增加系统的开环增益，这样就易导致系统不稳定。加入微分校正能够根据误差变化的速度产生相应的信号，因而能及时地进行控制，但由于它不能反映稳态误差，所以不能单独使用。2.2.3 PID 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调

34、节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与

35、输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸

36、共 51 页 第 21 页于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，

37、具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性2.2.4 PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，

38、直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参 毕业

39、设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 22 页数。反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。PID 参数的调整：在 PID 参数进行整定时如果能够有理论的方法确定 PID 参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定 PID 的参数。增大比例系数 P 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间 I 有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时

40、间 D 有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的 0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况

41、下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间 D 设置为 0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 23 页3 系统仿真3.1 系统计算机仿真简述系统仿真，就是以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。它是用模型（即物理模型或者数字模型）代替实际系统进行试验和研究。MATLAB

42、 是一种高性能的数值计算软件。他有强大的计算功能，丰富、方便的图形功能；使用范围广；变成效率高；扩充功能强；语句简单；易学易用。MATLAB 的控制工具箱，以覆盖了控制系统的各个领域，每个工具箱都是当今世界上盖控制领域里最顶尖、最优秀的计算与仿真软件。所以 MATLAB 已经成为国际、国内控制领域内最流行的、被广泛采用的控制系统计算、仿真与计算机辅助设计软件。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 24 页SIMULINK 是 MATLAB 里的工具箱之一，主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而可以在实际系统制作出来之前，预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统作适

43、当的实施修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改的时间，实现高效率的开发系统的目标。3.2 Matlab 概述Matlab 是一套功能十分强大的工程计算及数值分析软件。目前，它已经成为世界上应用广泛的工程计算软件之一。在美国等发达国家的理工类大学里，Matlab 是大学生必须掌握的一种基本工具，而在国外的研究设计单位和工业部门，它更是研究和解决工程计算问题的一种标准软件，并被誉为工程技术人员必备软件。因为其简单易用，人机界面良好，又有着演算纸式的科学计算语言的美称。Matlab 除了其主程序外，还含有 Simulink 动态系统仿真软件

44、和 Matlab 工具箱（Toolbox） ，这使其成为工程数学中目前最流行的计算机辅助设计和辅助教学软件之一，越来越多的理工科大学生、研究生和科学技术工作者正在学习和使用 Matlab 语言。值得提出的是，Matlab 不但功能强大而且易学易用，只要掌握一些使用 Windows 操作系统得经验，就可以在较短的时间内掌握其主要内容和基本操作，并运用到工作和学习中去。3.2.1 Matlab 语言的产生与发展Matlab 软件诞生在 20 世纪 70 年代，它的编写者是 Cleve Moler 博士和他的同事。当时 Cleve Moler 博士和他的同事开发了 EISPACK 和 LINPACK

45、 的FORTRAN 子程序库，它们主要是求解线性方程的程序库。但是，Cleve Moler发现学生使用这两个程序库时有困难，主要是接口程序不好写，很费时间。于是 Cleve Moler 编写了 EISPACK 和 LINPACK 的接口程序，并给这个接口程序取名为 Matlab，意为矩阵（Matrix）和实验室（Laboratory）的组合。以后几年，Matlab 作为免费软件在大学里使用，深受大学生的喜爱。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 25 页1984 年，Cleve Moler 和 John Little 成立了 Math Works 公司，正式把Matl

46、ab 推向市场，并继续进行 Matlab 的开发。1993 年，Matlab Works 公司推出了 Matlab4.0；1995 年，Matlab Works 公司推出了 Matlab4.2C 版（For windows 3.X） ；1997 年推出 Matlab5.0；2000 年 10 月，Matlab Works 公司推出了 Matlab6.0；2002 年 8 月，新版本的 Matlab6.5 开始发布。每一次版本的推出都使 Matlab 有了长足的进步，界面越来越友好，内容越来越丰富，功能越来越强大。它的帮助信息采用超文本格式和 PDF 格式，可以很方便地阅读。Matlab 擅长于

47、数值计算，能处理大量的数据，而且效率比较高。Matlab Works 公司在此基础上开拓了符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，增强了 Matlab 的市场竞争力，使 Matlab 成为了市场主流的数值计算软件。Matlab 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 都是必不可少的工具。 Matlab 可用来进行如下操作： 数据分析 财务工程 数值和符号计算 建模、仿真、原型开发 工程与科学绘图 应用开发 控制系统设计 图形用户界面设计 数字图像信号处理Matlab 被广泛地应用于包括系统仿真、控制系统设计、信号与图

48、像处理、通信等诸多领域。开放式的结构使 Matlab 很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识的同时，提高自身的竞争能力。Matlab 的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱（Toolbox）和仿真块，它们可以用来对信号图像进行处理、控制系统设计以及神经网络等特 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 26 页殊应用进行分析和设计。其他的产品延伸了 Matlab 的能力，包括数据采集、报告生成和依靠 Matlab 语言编程产生独立的 C/C+代码等。Matlab 的主要产品构成如下Matlab 它是所有 Matlab Works 公司产品的数值分析和图形

49、基础环境。Matlab 将 2D 和 3D 图形、Matlab 语言能力集成到一个单一的、易学易用的环境之中。Matlab Toolbox 它是一系列专用的 Matlab 函数库，用以解决特定领域的问题。工具箱是开发的和可扩展的，可以查看其中的算法，或开发自己的算法。Matlab Compiler 它是将 Matlab 语言编写的 m 文件自动转换成 C 或C+文件，以支持用户进行独立应用开发。结合 Matlab Works 提供的 C/C+数学库和图形库，用户可以利用 Matlab 快速地开发出功能强大的独立应用的软件。Simulink 它是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工

50、具。它以 Matlab 的核心数学、图形和语言为基础。Stateflow 它与 Simulink 框图模型相结合，描述了复杂事件驱动系统的逻辑行为，使驱动系统在不同的模式之间进行切换。Real-Time Workshop 它直接从 Simulink 框图自动生成 C 或 Ada 代码，用于快速原型和硬件在回路仿真，整个代码生成可以根据需要完全定制。Simulink Blockset 它是专门为特定领域设计的 Simulink 功能快的集合，用户也可以利用已有的块或自编写的 C 语言程序和 Matlab 程序建立自己的块。3.2.2 Matlab 语言的特点Matlab 语言有不同于其他高级语言

51、的特点，它被称为第四代计算机语言。正如第三代计算机语言向 FORTRAN 语言与 C 语言等使人们摆脱了对计算机硬件的操作一样，Matlab 语言使人们从繁琐的程序代码中解放出来。它丰富的函数式开发者无需重复编程，只要简单地调用和使用。Matlab 语言最大的特 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 27 页点是简单和直接，它主要有如下特点。编程效率高Matlab 是一种面向科学与工程计算的高级语言，容许用数学形式的语言编写程序，且比 BASIC、FORTRAN 和 C 语言等更接近书写计算公式的思维方式。用 Matlab 编写程序犹如在演算纸上排列公式与求解问题。因此

52、，Matlab 语言也可通俗地成为演算纸式科学算法语言。由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。用户使用方便Matlab 语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前） ，它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习的时间少。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过以下步骤：编辑、编译、链接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。Matlab 语言以其他语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、链接和执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作，快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试

53、程序的速度。可以说在编程和调试过程中它是一种比 VB 还要简单的语言。Matlab 运行时，如直接在命令行中输入 Matlab 语句（命令） ，包括调用M 文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成编译、链接和运行的全过程。又如，将 Matlab 源程序编辑为 M 文件，由于 Matlab 磁盘文件也是 M 文件，所以编辑后的源文件就可直接运行，而不需进行编译和链接。在运行 M 文件时，如果有错,计算机屏幕上会给出详细的出错信息。用户经修改后再执行，直到正确为止。可以说，Matlab 语言不仅是一种语言，广义上讲是一种该语言的开发系统，即语言调试系统。扩充能力强，交互性好高版本的 M

54、ATLAB 语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且 MATLAB 的库函数同用户文件在形成上是一样的，所以用户文件也可以作为 MATLAB 的库函数来调用，因而，用户可以根据自己的需要方便的建立和扩充新的库函数，以方便提高 MATLAB 的使用效率和扩充它的功能。令外，为了充分利用 FORTRAN,C 语言的资源，包括用自己编好的 FORTRAN，C 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 28 页语言程序，通过建立 Mex 调用文件的形式，混合编程，还可以在 C 语言和 FORTRAN 语言中方便的使用 MATLAB 的数值计算功能。这样良好的交互

55、性是程序员可以使用以前编写过的程序，减少重复性的工作，也是现在编写的程序具有重复利用的价值。移植性和开放性好MATLAB 是用 C 语言编写的，而 C 语言的可移植性很好。于是 MATLAB 可以很方便的移植到能运行 C 语言的操作平台上。除内部函数外，MATLAB 所有的核心文件和工具箱文件都是公开的，都可以读些的源文件，用户可以通过对源文件的修改和自己编程构成新的工具箱。语句简单，内涵丰富MATLAB 语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为 a,b,c,=fun(d,e,f,).即一个函数由函数名，输入变量 d,e,f,和输出变量 a,b,c,组成，同一函数名 F，不同数目的输入变量

56、（包括无输入变量）及不同数目的输出变量代表着不同变量的含义。这不仅使 MATLAB 的库函数更丰富，而且大大减少了需要的磁盘空间，使得 MATLAB 编写的 M 文件简单，短小而高效。高效方便的矩阵和数组运算MATLAB 语言像 BASIC、FORTRAN 和 C 语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加“.”就可用于数组间的运算。所以，可将数组运算形象地称之为点运算。另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制

57、、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其他高级语言所不能比拟的。在此基础上，高版本的 M 已逐步扩展到科学及工程计算的其他领域，因此，不久的将来，M 一定能名副其实地成为“万能演算纸”式的科学算法语言。方便绘图功能M 的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数（命令） 。例如线性坐标、对数坐标、半对数坐标及极坐标，均只须调用不同的绘图函数（命令） ，在图上标出图题，XY 轴标注，格（栅）绘制也只须调用相应的命令，简单易行。另外，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复数或多重 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 29 页线。这种为科学研究着想的设

58、计是通用的编程语言所不能及的。3.2.3 Matlab 6.5 的新特点2002 年,Math Works 公司发布了 Matlab 的最新 6.5 版产品。Matlab6.5的特点在于全新的桌面及各种不同领域的集成工具，使用户易于使用。多种新工具简化了一般的工作，如资料输入、快速分析等，并创造了高品质且具有实用性的图表分析等。Matlab 6.5 包括了新的 JIT 加速计，JIT 加速计有力地增加了 Matlab 中的许多操作和数据类型的计算速度。其他新的特色包括以下几个方面。（1）编程和数据类型增加了变量名、函数名和文件名的最大长度，变量名、函数名、子函数名、结构域名、M 文件名、MEX

59、 文件名和 MDL 文件名可以达到 63 个字节。支持 64 位的文件偏移量，能够为大于 2GB 的数据文件产生低层次的I/O 函数。支持有符号和无符号的 64 位整数。支持使用动态域名来访问和修改结构数组。简化了 AND 和 OR 逻辑运算。支持新的 Matlab 定时器，而不是定时执行 Matlab 命令。改进了音频支持。加强了警告和错误提示功能，新支持格式化的字符串和消息标识符。（2）外部接口改进了自动化客户接口，新的查看和修改属性用户接口，增强了事件和例外句柄。增强了网络集成，读 URL 内容，在 Matlab 中发送 E-mail 及解压缩文件的功能。（3）开发环境新的 M-文件接口

60、，能更好地理解 M-代码。新的启动按钮，易于执行共同的命令。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 30 页改进了文件和目录和管理工具。增强了数组编辑器与 Excel 之间剪切、复制、删除和交换单元的新功能，支持更大的数组。改进了编辑和调试工具。改进了与 PC 平台的控制接口。支持新的图形用户接口，从 HDF 或 DF-EOS 文件导入数据。JVM 1.3.1 支持 Windows Linux 和 Solaris 平台。（4）图形提高了图形性能，新的彩色图形编辑器改进了图形特性编辑器。（5）数学增加了新的数学计算和算法改进。在 Pentium 上更快地计算多种函数，比如

61、矩阵乘法、矩阵转置和线性代数运算，特别指出的事，许多新特色并不适合于所有的平台。 Matlab 语言的基本使用环境Matlab 语言的应用于机器类型无关，利用 Matlab 语言编写的程序可以不用做任何修改直接拷贝到其他机型上使用，不用担心是否能在新的硬件环境下正常运行。Matlab 6.x 对系统配置的要求如下。（1）系统的最小配置基于 Pentium、Pentium Pro、Pentium 、Pentium或者 AMD Athlon 系列处理器。Microsoft Windows 98、WindowsNT4.0 或者 Windows 2000 操作系统。光盘驱动器（CD-ROM drive

62、）供安装软件时使用。至少需要 64MB 内存，推荐 128MB 以上内存空间。所需的硬盘空间与硬盘簇（Cluster）的大小有关，在安装时，安装向导会给出提示。8 位以上的显卡和支持 256 色的显示器。（2）其他的推荐配置Microsoft Windows 支持的图形加速卡、打印机和声卡。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 31 页 为运行 Matlab 的 Notebook,需要安装 Microsoft Word 7.0(Office 95) Microsoft Word 8.0(Office 97)或 Office 2000。为了便以自己的 MEX 文件，需要

63、安装下列软件之一：Compaq Visual FORTRAN5.0 or 6.1、Microsoft Visual C/C+ version 5.0 or 6.0、Borland C/C+ version 5.0 or 5.02、Borland C+ Builder version 3.0 or 4.0 or 5.0、Lcc2.4 (Bunndled with Matlab)。为了查看和打印随机附带的 PDF 帮助文件，还需要安装 Adobe Acrobat Reader。Matlab 也可以通过 TCP/IP 协议从网络安装。3.3 仿真工具 SimulinkSimulink 是一个图形化的

64、建模工具。从某种意义上讲，凡是能够用数学方式描述的系统，都可用 Simulink 建模。当然，针对自己特定的系统，用户应该权衡 Simulink 的易用性和方便性，以选择是否用 Simulink 建模及仿真。例如，对于已知各环节数学模型（传递函数）的一般控制系统，用 Simulink可以很方便地进行整个系统的建模与仿真。对通信系统网络的仿真，用Simulink 加上 Stateflow 是可以实现的。用 Simulink 可以很容易就搭建如下系统。控制系统；通信系统物理层和数据链路层； 动力学系统；数字信号处理系统；电力系统；生物系统；金融系统。为了建立各种各样的系统的模型，Simulink

65、提供了一些基本库（由Simulink 基本模块库提供）和针对特定领域的扩展库。用户可以使用这些库中的模型模块搭建自己的模型。用户为了实现特定领域的系统建模与仿真， 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 32 页购买 Matlab 产品是通常需要选择 Simulink 基本模块和自己所属领域的扩展模块。4 控制方案与系统的仿真4.1 控制方案原液从三效到一效的延迟时间是一小时左右，在这过程中，由于时延的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经过纯时延时间以后，才能波及被调量，使之受到控制。因此，这样的过

66、程必然会产生较明显的超调量和较长的超调时间。如果用一般的 PID 控制系统来控制的话，对于工厂的生产成本来说太昂贵，经济效益不好。所以我们将采用有预估功能的 PID 控制系统来完成工厂所提出的对原液的浓度和蒸汽的流量和温度的监控要求。4.2 预估控制概述长期以来，在生产现场最常用、最广泛使用的控制策略是 PID 控制，但是随生产规模的不断扩大以及对产品质量和生产率要求的提高，只是简单的常规 PID 调节技术已不能满足生产要求了，于是根据生产实践要求，产生了先进控制技术。预估控制算法是一类基于模型的计算机控制算法的总称，它起始于 20 世纪 50 年代末期，并且一开始就与实际工业应用紧紧结合在一起。预估算法把非经典的阶跃响应或脉冲响应模型、滚动式的优化方法作为其鲜明特点，并以应用软件包的形式在过程控制中得到了初步的成功应用。十多年来，由于预估控制在应用中所表现出来的简易性及控制的鲁棒性，使它得到了工业控 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸共 51 页 第 33 页制界的广泛重视和应用。在多种多样的预估算法中，比较有代表性的是模型算法控制（MAC） 、动态矩阵控制（DMC） 、具