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1、流体机械控制在工业中的应用摘要：流体机械及系统控制是在电气工程和流体机械工程的基础上发展起来的，是控制技术的重要分支，是能源与动力工程领域广义流体控制的重要组成部分。本文介绍了流体机械控制的基本概念与理论以及其在工业控制中的应用。关键词：流体机械控制、经典控制理论、PID、温度控制、液位控制、风力发电机控制1、引言流体机械在国民经济的各部门和社会生活各领域都得到极广泛的应用，而且技术越发展，流体机械的应用也就越广泛、作用越大。现代电力工业中，绝大部分发电量是由叶片式流体机械（汽轮机和水轮机）承担的，其中汽轮机约占3/4，水轮机约占1/4。总用电量中，约1/3是用于驱动风机、压缩机和水泵的。流体

2、控制工程在提升民用、军用动力装置的自动化水平和安全可靠性方面发挥了不可替代的重要作用，例如水力发电、热力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电等。2、基本概念控制：对被控对象施加某种操作，使其完成所期望的行为。自动控制：由控制装置自动完成某种操作，无须人的直接参与。自动控制系统：是指能够对被控对象的工作或运动状态进行自动控制的系统。一般由控制装置和被控对象组成。被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。控制论：关于控制原理和控制方法的学科研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置开环系统：结构简单，稳定性好，

3、容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动。刂凭纫蟛桓叩氖导氏低，是有效的控制方式。闭环系统：由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响。时间响应：所谓系统的时间响应及其组成就是指描述系统的微分方程的解及其组成，他们完全反映了系统本身的固有特性与系统在输入作用下的动态历程误差：误差客观存在，期望输出与实际输出之差即为误差频率响应：线性定常系统在谐波输入作用下的稳态响应频域特征量：表征系统动态性能的频域性能指标。经典控制理论:自动控制理论中建立在频率响应法和根轨迹法基础上的一个分支。经典控制

4、理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频率域方法。 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。现代控制理论：随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。大系统理论：20世纪70年代开始，现代控

5、制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如：现代频域方法：以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；自适应控制理论和方法：以系统辨识和参数估计为基。谑凳北媸痘∩显谙呷范ㄗ钣趴刂乒媛桑宦嘲艨刂品椒：在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。智能控制:智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的；它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题，是人工智能在控制上的应用。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动

6、态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。3、基本理论与方法数学模型：描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。一般应根据系统的实际结构参数及计算所要求的精度忽略去一些次要因素，使模型既能反映系统的动态特性，又能简化分析、计算。表示方法：微分方程、传递函数、动态结构图。系统的传递函数：传递函数是经典理论中对线性系统进行研究、分析与综合的基本数学工具。复数域中描述系统特性的数学模型基于拉式变换，将时域函数变换为复频域函数：时域

7、的微分、积分运算简化为代数运算，减少了计算量，导出的频率特性具有明显的物理意义。传递函数 transfer function 零初始条件下线性系统响应（即输出）量的拉普拉斯变换（或z变换）与激励（即输入）量的拉普拉斯变换之比。记作G（s）=Y（s）/U（s），其中Y（s）、U（s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一，经典控制理论的主要研究方法频率响应法和根轨迹法都是建立在传递函数的基础之上。系统的传递函数与描述其运动规律的微分方程是对应的。可根据组成系统各单元的传递函数和它们之间的联结关系导出整体系统的传递函数，并用它分析系统的动态特性、稳定性

8、，或根据给定要求综合控制系统，设计满意的控制器。以传递函数为工具分析和综合控制系统的方法称为频域法。它不但是经典控制理论的基。以谝允庇蚍椒ㄎ〉南执刂评砺鄯⒄构讨，也不断发展形成了多变量频域控制理论，成为研究多变量控制系统的有力工具。传递函数中的复变量s在实部为零、虚部为角频率时就是频率响应。传递函数概念的适用范围限于线性常微分方程系统.当然，在这类系统的分析和设计中，传递函数方法的应用是很广泛的。下面是有关传递函数的一些重要说明（下列各项说明中涉及的均为线性常微分方程描述的系统）：1. 系统的传递函数是一种数学模型，它表示联系输出变量与输入变量的微分方程的一种运算方法；2. 传递

9、函数是系统本身的一种属性，它与输入量或驱动函数的大小和性质无关；3. 传递函数包含联系输入量与输出量所必需的单位，但是它不提供有关系统物理结构的任何信息（许多物理上完全不同的系统，可以具有相同的传递函数，称之为相似系统）；4. 如果系统的传递函数已知，则可以针对各种不同形式的输入量研究系统的输出或响应，以便掌握系统的性质；5. 如果不知道系统的传递函数，则可通过引入已知输入量并研究系统输出量的实验方法，确定系统的传递函数.系统的传递函数一旦被确定，就能对系统的动态特性进行充分描述，它不同于对系统的物理描述；6. 用传递函数表示的常用连续系统有两种比较常用的数学模型。频率响应法：频率响应法是二十

10、世纪三十年代发展起来的一种经典工程实用方法,是一种利用频率特性进行控制系统分析的图解方法,可方便地用于控制工程中的系统分析与设计。频率法用于分析和设计系统有如下优点：（1）不必求解系统的特征根，采用较为简单的图解方法就可研究系统的稳定性。由于频率响应法主要通过开环频率特性的图形对系统进行分析，因而具有形象直观和计算量少的特点。（2）系统的频率特性可用实验方法测出。频率特性具有明确的物理意义，它可以用实验的方法来确定，这对于难以列写微分方程式的元部件或系统来说，具有重要的实际意义。（3）可推广应用于某些非线性系统。频率响应法不仅适用于线性定常系统，而且还适用于传递函数中含有延迟环节的系统和部分非

11、线性系统的分析。（4）用频率法设计系统，可方便设计出能有效抑制噪声的系统。 控制系统稳定性：定义，控制系统稳定性的定义有很多种，比较典型的说法两种：1)、由俄罗斯学者李雅普诺夫首先提出的平衡状态稳定性。2)、系统的运动稳定性。对于线性控制系统而言，这两种说法是等价的。根据李雅普诺夫稳定性理论，线性控制系统的稳定性可以定义如下：若线性控制系统在初始扰动的影响下，其过渡过程随着时间的推移逐渐衰减并趋于零则称该系统为渐进稳定，简称为稳定；若反之，在初始扰动影响下，系统的过渡过程随时间的推移而发散，则称为系统不稳定。有上述稳定性的定义可知，线性系统稳定性的充分条件是：闭环系统的特征方程的根都具有负实部

12、，或者说闭环传递函数的极点均位于左半S开平面。系统稳定性分析方法在经典控制理论中，常用时域分析法、复域分析法或者频域分析法来分析控制系统的稳定性。不同的方法使用的范围不同，在不同的条件下，选取合适的方法能够取到事半功倍的功效。时域分析法，在经典控制理论中，时域分析法是一种直接在时间域中对系统进行稳定性分析的方法，具有直观、准确的优点，并且可以提供时间相应的全部信息。不过在时域分析系统的稳定性时，必须研究在输入信号作用下，当时间趋于无穷时，其时域响应曲线必须是衰减的。复域分析法在复域中进行系统稳定性分析，尤其当系统参数K变化时，选定合适的参数范围使系统达到所需要稳定要。有两种方法：1）、是直接法

13、，即对于较易得到系统闭环传递函数的场合，直接求出系统所有闭环极点判断是否都具有负实部来确定系统的稳定性。2）、是根轨迹法，利用系统开闭环传递绘制根轨迹，由线性系统稳定的充分必要条件：闭环传递函数的极点均位于左半S开平面，不包括虚轴，确定使根轨迹在左半S开平面部分时参范围为系统稳定的区域。4、工业应用4、1应用简介经典控制理论的典型成果应用分析有双容水箱的液位控制系统，还有磁浮球的高度控制等。双容水箱是通过PID或内模等控制器把水箱中的液位稳定的控制在同一个高度上。磁浮球也是基于同样的原理。1946年，美国福特公司的机械工程师D.S.哈德最先提出“自动化”一词，并用来描述发动机汽缸的自动传送和加

14、工的过程。50年代，自动调节器和经典控制理论的发展，使自动化进入以单变量自动调节系统为主的局部自动化阶段。60年代，随现代控制理论的出现和电子计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，使自动化进入到生产过程的最优控制与管理的综合自动化阶段。70年代，自动化的对象变为大规模、复杂的工程和非工程系统，涉及许多用现代控制理论难以解决的问题。这些问题的研究，促进了自动化的理论、方法和手段的革新，于是出现了大系统的系统控制和复杂系统的智能控制，出现了综合利用计算机、通信技术、系统工程和人工智能等成果的高级自动化系统，如柔性制造系统、办公自动化、智能机器人、专家系统、决策支持系统、计算机集成制造系统等

15、。进入20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统进行分析和综合的研究工作。这一时期虽然在自动调节器中已广泛应用反馈控制的结构，但从理论上研究反馈控制的原理则是从20世纪20年代开始的。1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制的原理。1939年世界上第一批系统与控制的专业研究机构成立，为20世纪40年代形成经典控制理论和发展局部自动化作了理论上和组织上的准备。20世纪4050年代是局部自动化时期第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部自动化起了重要的促进作用。在问题的过程中形成了经典控制理论，设计出各种精密的自动调节装置，开创了系统和控制这一

16、新的科学领域。这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论，在苏联称为自动调整理论，主要是解决单变量的控制问题。经典控制理论这个名称是1960年在第一届全美联合自动控制会议上提出来的。1945年后由于战时出kok电子竞技禁令的解除，出现了系统阐述经典控制理论的著作。1945年美国数学家维纳，N.把反馈的概念推广到一切控制系统。50年代以后，经典控制理论有了许多新的发展。经典控制理论的方法基本上能满足第二次世界大战中军事技术上的需要和战后工业发展上的需要。但是到了50年代末就发现把经典控制理论的方法推广到多变量系统时会得出错误的结论。经典控制理论的方法有其局限性。20世纪40年代中发明的电子数字计算机开创了数字程

17、序控制的新纪元，虽然当时还局限于自动计算方面，但ENIAC和EDVAC的制造成功，开创了电子数字程序控制的新纪元。电子数字计算机的发明为6070年代在控制系统中广泛应用程序控制和逻辑控制以及广泛应用电子数字计算机直接控制生产过程奠定了基础。20世纪50年代末起至今是综合自动化时期，这一时期空间技术迅速发展，迫切需要解决多变量系统的最优控制问题。于是诞生了现代控制理论。现代控制理论的形成和发展为综合自动化奠定了理论基础。同时微电子技术有了新的突破。1958年出现晶体管计算机，1965年出现集成电路计算机，1971年出现单片微处理机。微处理机的出现对控制技术产生了重大影响，控制工程师可以很方便地利

18、用微处理机来实现各种复杂的控制，使综合自动化成为现实。4、2温度控制近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积。尬廴，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水

19、的温度，保证恒温供水。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温。梢圆饬咳热萘啃〉奈锾，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具

20、体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等;恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以

21、下几种：1、定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。2、PID 线性控温法这种控温方法，是基于经典控制理

22、论中的PID 调节器控制原理，PID 控制是最早发展起来的控制策由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID 调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID 调节功能。前者称为模拟PID 控制器，后者称为数字PID 控制器。其中数字PID 控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID 参数（比例值、积分值

23、、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。3、智能温度控制法PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法

24、问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。为了克服PID 线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID 参数的方法，如PID 参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID 控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和：砺刍。⑹实奔右宰蚁低忱词迪种悄芑。其中应用较多的有：刂、神经网络控制以及专家系统等。尤其是：匚路ㄔ谑导使こ碳际踔械玫搅思惴旱挠τ。目前已出现一种高精度：刂破，可以很好的模拟人的操作经验来改

25、善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID 算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面的不足而导致控制精度不稳定。4、3液位控制液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，：齈ID控制器便是其中之一。：齈ID控制结合了PID控制算法和：刂

26、方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在：刂浦邪缪葑攀种匾慕巧。系统的水箱主体由蓄水容器、检测组件和动力驱动三大部分构成。水箱和储水箱是用来蓄水的容器;检测液位可以采用压力传感器或者浮漂加滑动变阻器两种方案来实现液位高度数字量的采集，采用电动调节阀用来进行控制回路流量的调节。整个系统通过不锈管道连接起来，储水箱为三个水箱提供水源，通道阀门开启时，水可以被分别送至三个水箱。三个水箱底部均有两个出水管道，其中装有手动阀的管道是控制系统的一部分，也可以手动调节阀门开度用来做漏水干扰的控制实验;

27、另外一个直通管道则是在水箱液位达到最大值时经由它流至储水箱，以防止水箱里的水溢出水箱。除了上述的控制对象组件，另外还有一个智能仪表综合控制台和一台计算机，这三个部分才构成了完整的液位控制系统实验装置。仪表综合控制台作为系统的电气部分，主要由三部分组成:电源控制屏面板、仪表面板和I/O信号接面板。该控制台通过插头与对象系统连接，结合实验装置水箱主体中应用到的不同组件对象，实验操作员可以自行连线组成不同的控制系统，从而实现几十种过程控制系统的实验。计算机用于采集控制台中的电流、电压信号，使用MCGS组态软件系统构造和生成上位机监控系统，并且与系统控制对象中的电动调节阀配套使用，组成最佳调节回路。4

28、、4风力发电机控制变距控制的变速风力发电机已成为风力发电机组的主要发展方向，风力发电机组是复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点，其数学模型的建立和实验都非常困难，状态方程在全过程中持续变化且是完全非线性的，采用 PID 方法可对风力发电机组进行控制，在低风速时控制发电机转速，使系统获得最大风能利用系数；高风速时，控制桨距角，使机组能准确地保持在额定功率发电。风力机具有非线性空气动力特征，工作风速范围宽，加之能量传递链的柔性结构和随转速变化的机械阻尼的影响，使风力发电系统的控制成为一个难题。对该系统采用基于线性化模型的传统控制方案，不能保证大范围风速变化扰动下的控制效果。当代非线性控

29、制理论的飞速发展，使多种非线性方法在风力发电系统中得到了应用，提高了对最大风能捕获控制和系统特性改善控制的鲁棒性。PID 方法显示了在风力发电机组上的适用性，其最主要的优点在于当风力发电机组的模型参数无法确切得知的情况下仍然能够获得良好的控制效果。P ID 控制提高了控制系统的响应速度，改善了风力机的转速及桨距角控制，在以上的仿真中，当风速超过风力机组额定风速，变速控制转为变桨距控制的过程中，控制器参数需重新整定。参考文献：1 张新房，徐大平等大型变速风力发电机组的自适应：刂葡低撤抡嫜П.2004，第 3 期2郭晓锋Fuzzy-Pid控制在风力发电机上转速控制中的应用长春工业大学学报.20

30、04，第 2 期3Slootweg J G, Kling W L, PolingderHDynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator J Power Engineering Society Summer Meeting, 2001IEEE, 1: 644-6494 杨金明，吴捷，董萍，杨俊华，杨苹基于无源性理论的风力机最大风能捕获控制太阳能学报.2 0 0 3 ，第 5 期5 李树广，何志明：允视ID 控制在立式风力发电系统中的应用测控技术.2 0 0 3 ，第 7 期 6 自动控制原理 胡寿松 科技出kok电子竞技社 2001（经典）7 流体控制工程 栾秀春 国防工业出kok电子竞技社（2010）8 新能源转换与控制技术 惠晶等 机械工业出kok电子竞技社（2011）9 机械控制工程基础 杨叔子等 华中科技大学出kok电子竞技社（2005）