摘　要：本設(shè)計針對鍋爐溫度控制問題，應用過程控制理論以及仿真技術(shù)、計算機遠程控制、組態(tài)軟件，設(shè)計了鍋爐溫度流量串級控制系統(tǒng)。首先，通過實驗法建立鍋爐的數(shù)學模型，得到鍋爐溫度與進水流量之間的傳遞函數(shù)，通過對理論設(shè)計的控制方案進行仿真，得到較好的響應曲線，為實際控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供先決條件。其次，使用智能儀表作為控制器，組建現(xiàn)場儀表過程控制系統(tǒng)，通過參數(shù)整定，得到較好現(xiàn)場控制效果。再次，實現(xiàn)積分分離的PID控制算法。

關(guān)鍵詞：溫度、流量、PID控制、串級控制系統(tǒng)

引 言

現(xiàn)代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復雜，而對生產(chǎn)質(zhì)量﹑經(jīng)濟效益的要求，對生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護的要求卻越來越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。由于計算機具有運算速度快﹑精度高﹑存儲量大﹑編程靈活以及具有很強的通信能力等特點，目前以微處理器﹑單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器—過程計算機設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過程控制中得到十分廣泛的作用。

在控制系統(tǒng)中引入計算機，可以充分利用計算機的運算﹑邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務和實現(xiàn)復雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計算機只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機。當計算機接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID）進行運算，計算結(jié)果再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。

初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度、液位、壓力、流量的穩(wěn)定和消除主要擾動為控制目的過程。其后，串級控制、比值控制和前饋控制等復雜過程控制系統(tǒng)逐步應用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術(shù)和計算機技術(shù)開始應用于過程控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）。

之后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識，以極大值和動態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應用于解決過程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動化進入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)自動化己進入計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）時代，并依托人工智能，控制理論和運籌學相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動化的方向發(fā)展。

MATLAB還具有根強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對線性系統(tǒng)分析、設(shè)計和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱（System Identification Toolbox）可以對控制對象的未知對象進行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運行仿真，適應線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務，多任務離散事件系統(tǒng)。

1　被控對象模型建立

本系統(tǒng)以鍋爐水溫為主要控制對象，以進水流量為輔助控制對象。目的是在一定加熱功率下，控制水溫的恒定。其流程圖如圖1.1所示：

圖1.1 測量被控對象階躍響應流程圖

由溫度傳感器（主檢測變送器）將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柵c溫度給定值相比較后送至主控制器，主控制器輸出流量控制值與流量變送器（副檢測變送器）反饋回來的進水流量信號相比較后輸入流量調(diào)節(jié)器（副控制器），由流量調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的開度來控制進水流量，由此來對鍋爐水溫進行定值控制。其系統(tǒng)框圖如圖1.2所示：

圖1.2 鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)框圖

在控制系統(tǒng)設(shè)計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學模型。被控對象的數(shù)學模型是設(shè)計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對象的數(shù)學模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學表達式。

在水溫-流量串級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何在一定的電熱功率下控制好水溫的恒定。進水流量是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設(shè)計工作提供依據(jù)。

2 測量被控對象階躍響應曲線

在本設(shè)計中通過實驗建模的方法，分別測定被控對象溫度和流量在輸入階躍信號后的響應曲線和相關(guān)參數(shù)。

在測定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：

通過智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開度，實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。

圖2.1 水溫-流量模型測定原理圖

(2) 通過在MCGS監(jiān)控軟件組建人機對話窗口，改變調(diào)節(jié)閥開度,實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。

編寫程序如下：

流量pv=pv1

溫度pv=pt /測量值顯示輸出

If set=0 then

Output=6

Endif / set為0時輸出6mA電流給調(diào)節(jié)閥

If set=1 then

Output=8

Endif / set為1時輸出8mA電流給調(diào)節(jié)閥

其中set為外部輸入信號，可由按鈕設(shè)定，Output為輸出信號，大小即為輸出電流值，單位mA。電動調(diào)節(jié)閥輸入信號范圍為4—20mA電流信號。這樣就可以實現(xiàn)電動調(diào)節(jié)閥階躍信號給定。6mA電流對應電動調(diào)節(jié)閥開度為（6-4）/（20-4）=12.5%。8mA電流則對應（8-4）/（20-4）=25%的開度。階躍前后流量測量值分別為6.5和10.2。階躍值為10.2-6.5=3.7。實際測得階躍如圖2.2所示：

圖2.2試驗測得階越響應曲線

當給出階躍信號后，溫度響應曲線逐漸下降至穩(wěn)定，為符合一般習慣，方便處理，將數(shù)據(jù)以第一次采樣值為標準，轉(zhuǎn)換為逐漸上升至穩(wěn)定的曲線。轉(zhuǎn)換方法y=33.71-x。式中y為處理后數(shù)據(jù)，x為處理前數(shù)據(jù)。

由試驗測得給定閥的開度分別為12.5、25、40、80時對應傳感器測得流量值為6.5、10.2、14.6、26.2。

3 控制系統(tǒng)框圖設(shè)計

控制系統(tǒng)框圖是控制系統(tǒng)實現(xiàn)的前提條件，它根據(jù)控制工藝的具體流程，反映系統(tǒng)信息的流動控制過程，本設(shè)計采用串級控制，考慮流量變化快，時間慣性小，應較快得到抑制，選擇流量作為副被控參數(shù)，副環(huán)是隨動控制，追求快速性，因而采用P調(diào)節(jié)，P調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥的開度改變流量，流量傳感器將檢測信號送回P調(diào)節(jié)器并形成負反饋，此閉環(huán)作為內(nèi)環(huán)。溫度變化相對緩慢，時間慣性大，作為主被控參數(shù)，主環(huán)是定值控制，追求準確性，采用PID調(diào)節(jié)。

將給定值與溫度傳感器反饋信號的差值輸入主調(diào)節(jié)器，進行PID運算，實現(xiàn)控制算。主調(diào)節(jié)器輸出信號作為內(nèi)環(huán)的給定值，與流量傳感器反饋信號的差值送P調(diào)節(jié)器運算并輸出，以控制調(diào)節(jié)閥，通過流量變化，影響鍋爐溫度。得到控制系統(tǒng)框圖：

圖3控制系統(tǒng)框圖

4 Simulink控制系統(tǒng)仿真

Simulink可以動態(tài)地模擬出在給多種信號作用下所構(gòu)造控制系統(tǒng)的響應，只需將控制系統(tǒng)框圖內(nèi)對象改寫為傳遞函數(shù)形式。

模擬PID控制器的傳遞函數(shù)D(s)=U(s)/E(s)=Kp(1+1/TiS+TdS)可理解為同一信號分別經(jīng)比例（圖4.3中fcn1）、積分(圖4.3中fcn2)、微分(圖4.3中fcn3)運算后相加；P調(diào)節(jié)器為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcn4)；鍋爐傳遞函數(shù)已求得(圖4.3中fcn)；首先假設(shè)調(diào)節(jié)閥為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcn5)，可構(gòu)造如下系統(tǒng)圖，其中PID、P、閥的參數(shù)均未整定：

圖4.1simulink控制系統(tǒng)線性仿真

考慮到實際使用中，由于閥有動作死區(qū)，即位于0開度時可能有流量或小開度時無流量，達到最大開度時，控制信號盡管繼續(xù)增大但已經(jīng)失去調(diào)節(jié)作用等原因，結(jié)合測得閥的流量特性，將閥的傳遞函數(shù)作為非線性環(huán)節(jié)處理，得到非線性系統(tǒng)圖：

圖4.2simulink控制系統(tǒng)非線性仿真

圖4.2中PID、P參數(shù)已經(jīng)整定，Saturation和Coulomb&Viscous friction兩個環(huán)節(jié)組合形成閥的流量特性。Saturation為限幅環(huán)節(jié)，上限幅值為100，下限幅值為0，Coulomb&Viscous friction為粘滯摩擦環(huán)節(jié)，函數(shù)設(shè)為y=0.30x+2.9。

為了體現(xiàn)串級控制的優(yōu)勢，必須將串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力和單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力加以比較。

串級控制的特點在于抗二次干擾能力強，在串級控制系統(tǒng)副回路中加入階越信號來模擬流量的干擾，同時為了能夠?qū)?shù)據(jù)與單回路控制系統(tǒng)抗干擾效果在同一張圖內(nèi)進行相比較，需要設(shè)置工作區(qū)域B，存儲方式為數(shù)列。

單回路控制系統(tǒng)是采用PID控制器直接控制流量。在同樣位置加入流量的階躍干擾信號，將仿真結(jié)果輸出到工作區(qū)域C中, 存儲方式為數(shù)列。

只有當單回路控制系統(tǒng)的階越響應曲線與串級控制系統(tǒng)的階越響應曲線比較近似，并施加同樣的干擾信號，其抗干擾能力才具有可比性。在無干擾信號時，調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)參數(shù)，使響應曲線接近同樣階躍信號作用下串級控制系統(tǒng)響應曲線。

再加入干擾信號，對于圖4.6和圖4.7中的兩個控制系統(tǒng)仿真，其仿真時間均設(shè)為4000s，采樣時間設(shè)為20s。干擾信號階越時刻為2000s，階越初值0，階越終值18。

仿真后結(jié)果分別存儲于工作區(qū)域B、C中，將兩系統(tǒng)響應數(shù)據(jù)在同一張圖內(nèi)進行比較，需在Matlab中編寫程序如下：

x=0:20:4000;

plot(x,b,x,c)

grid

圖4.3 兩種控制系統(tǒng)抗干擾能力比較圖

圖4.3中綠色曲線是單回路控制系統(tǒng)響應曲線，藍色曲線是串級控制系統(tǒng)響應曲線。首先放大圖中兩系統(tǒng)階躍響應部分，可見兩控制系統(tǒng)在上升段基本重合，調(diào)節(jié)時間基本相同，單回路控制系統(tǒng)階躍響應超調(diào)量偏大，綜合各種指標可認為兩系統(tǒng)在階躍信號下控制效果大致相同。在兩控制系統(tǒng)控制效果相同的情況下，加入干擾信號，單回路控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差達到0.4，為穩(wěn)態(tài)值的2%，在曲線末端甚至出現(xiàn)小幅度波動。而串級控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差僅在0.1左右，可認為系統(tǒng)仍處于的特點穩(wěn)定狀態(tài)，兩者抗干擾能力十分懸殊。充分證明了串級控制抑制二次干擾能力強。

5 結(jié)論

本文以鍋爐控制系統(tǒng)為研究對象，應用過程控制理論以及仿真技術(shù)、計算機遠程控制、組態(tài)軟件，設(shè)計了鍋爐溫度流量串級控制系統(tǒng)。首先，通過實驗法建立鍋爐的數(shù)學模型，得到鍋爐溫度與進水流量之間的傳遞函數(shù)，通過對理論設(shè)計的控制方案進行仿真，得到較好的響應曲線，為實際控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供先決條件。其次，使用智能儀表作為控制器，組建現(xiàn)場儀表過程控制系統(tǒng)，通過參數(shù)整定，得到較好現(xiàn)場控制效果。再次，實現(xiàn)積分分離的PID控制算法。通過MATLAB實驗仿真表明所設(shè)計的系統(tǒng)控制響應速度快、控制精度高，具有較好的動態(tài)特性。