《虚拟过程控制系统仿真实验教程》以过程装备为控制对象，使用亚控公司的组态王软件和MathWorks公司的Matlab软件进行虚拟过程控制系统的操作界面、功能设置、底层控制系统模块和界面通信设置等方面的二次开发，构建出能够覆盖常见复杂过程控制方案的13个虚拟过程控制仿真实验。这些实验具有工艺流程直观、动画效果逼真、反馈及时等特点。

目录
第1章 虚拟过程仿真实验平台概述 1
1.1 虚拟过程仿真实验平台架构 1
1.1.1 虚拟过程仿真系统组成 1
1.1.2 操作组态界面 1
1.1.3 控制系统构建 3
1.2 仿真系统软件 4
1.2.1 Matlab简介 4
1.2.2 Simulink简介 5
1.2.3 组态王简介 5
1.2.4 OPC技术简介 7
1.3 虚拟过程仿真实验平台运行步骤 15
1.3.1 组态程序与Simulink程序的匹配 16
1.3.2 虚拟仿真实验系统启动顺序 17
1.3.3 虚拟仿真实验系统停止顺序 17
1.3.4 仿真实验平台运行注意事项 17
第2章 过程控制系统 18
2.1 简单控制系统 18
2.2 过程控制动态性能指标 19
2.3 串级控制系统 20
2.3.1 基本概念 20
2.3.2 串级控制系统的设计 22
2.3.3 串级控制系统的投运和整定 23
2.4 常用的过程整定 24
2.4.1 比例积分微分控制整定 24
2.4.2 串级控制PID参数整定 27
2.5 前馈-反馈控制系统 30
2.5.1 前馈-反馈控制系统的概念 30
2.5.2 前馈-反馈控制系统的设计 31
2.5.3 前馈-反馈控制系统的参数整定 32
2.6 选择控制系统 33
2.6.1 选择控制系统的概述 33
2.6.2 选择控制系统的分类 33
2.6.3 选择控制系统的设计 34
2.6.4 选择控制系统的参数整定 35
2.7 比值控制系统 35
2.7.1 比值控制系统的定义 35
2.7.2 比值控制系统的分类 36
2.7.3 比例控制器的参数整定 42
2.8 均匀控制系统 43
2.8.1 均匀控制系统的由来 43
2.8.2 均匀控制系统的简介 44
2.8.3 均匀控制系统的实现方案 45
2.8.4 均匀控制的参数整定 48
2.9 三冲量控制系统 48
2.9.1 锅炉三冲量简介 48
2.9.2 锅炉三冲量的工作原理 49
2.9.3 锅炉三冲量的调节过程 50
2.10 Smith预估控制系统 50
2.10.1 大滞后系统简介 50
2.10.2 大滞后系统的特点及常规控制策略 51
2.11 解耦控制系统 53
2.11.1 耦合现象 53
2.11.2 解耦控制系统的应用 53
2.12 分程控制系统 55
2.12.1 分程控制系统的概念 55
2.12.2 分程控制系统的实现 55
2.12.3 分程控制系统的应用 55
2.12.4 分程控制系统的设计与控制器参数的整定 58
第3章 控制算法 59
3.1 PID控制器原理及特点 59
3.1.1 常规PID控制 59
3.1.2 增量PID控制 60
3.2 串级PID控制 61
3.3 神经网络PID控制 61
3.3.1 函数信号与误差信号的计算 63
3.3.2 神经网络训练算法 63
3.4 模糊PID控制 65
3.4.1 模糊PID控制方式简介 65
3.4.2 模糊PID算法 65
3.4.3 模糊PID参数调试 66
3.5 预测控制 67
3.6 前馈-反馈控制 68
3.7 解耦控制 71
第4章 复杂过程控制虚拟实验 74
4.1 双容水箱液位串级PID 控制及抗干扰实验 74
4.1.1 实验目的 74
4.1.2 实验设备 74
4.1.3 实验工艺流程 74
4.1.4 实验内容与实验步骤 75
4.1.5 实验结果分析 80
4.1.6 实验注意事项 80
4.1.7 思考题 80
4.2 双容水箱双闭环比值PID 控制实验 81
4.2.1 实验目的 81
4.2.2 实验设备 81
4.2.3 实验工艺流程 81
4.2.4 实验内容与实验步骤 82
4.2.5 实验结果分析 87
4.2.6 实验注意事项 87
4.2.7 思考题 87
4.3 电加热水箱温度与流量的前馈-反馈控制实验 88
4.3.1 实验目的 88
4.3.2 实验设备 88
4.3.3 实验工艺流程 88
4.3.4 实验内容与实验步骤 89
4.3.5 实验结果分析 93
4.3.6 实验注意事项 93
4.3.7 思考题 94
4.4 锅炉三冲量控制实验 94
4.4.1 实验目的 94
4.4.2 实验设备 94
4.4.3 实验工艺流程 94
4.4.4 实验内容与实验步骤 95
4.4.5 实验结果分析 100
4.4.6 实验注意事项 100
4.4.7 思考题 100
4.5 大型储罐分程控制实验 101
4.5.1 实验目的 101
4.5.2 实验设备 101
4.5.3 实验工艺流程 101
4.5.4 实验内容与实验步骤 102
4.5.5 实验结果分析 105
4.5.6 实验注意事项 105
4.5.7 思考题 105
4.6 双位水箱液位与流量均匀控制实验 105
4.6.1 实验目的 105
4.6.2 实验设备 106
4.6.3 实验工艺流程 106
4.6.4 实验内容与实验步骤 107
4.6.5 实验结果分析 110
4.6.6 实验注意事项 110
4.6.7 思考题 111
4.7 反应釜温度与液位解耦控制实验 111
4.7.1 实验目的 111
4.7.2 实验设备 111
4.7.3 实验工艺流程 111
4.7.4 实验内容与实验步骤 112
4.7.5 实验结果分析 120
4.7.6 实验注意事项 121
4.7.7 思考题 121
4.8 三容水箱的Smith预估控制系统实验 121
4.8.1 实验目的 121
4.8.2 实验设备 121
4.8.3 实验工艺流程 121
4.8.4 实验内容与实验步骤 123
4.8.5 实验结果分析 130
4.8.6 实验注意事项 131
4.8.7 思考题 131
4.9 锅炉液位选择控制系统实验 131
4.9.1 实验目的 131
4.9.2 实验设备 131
4.9.3 实验工艺流程 131
4.9.4 实验内容与实验步骤 133
4.9.5 实验结果分析 136
4.9.6 实验注意事项 136
4.9.7 思考题 137
4.10 三容水箱的多变量控制系统实验 137
4.10.1 实验目的 137
4.10.2 实验设备 137
4.10.3 实验工艺流程 137
4.10.4 实验内容与实验步骤 138
4.10.5 实验结果分析 142
4.10.6 实验注意事项 142
4.10.7 思考题 142
第5章 智能过程控制虚拟实验 143
5.1 双容水箱液位串级神经网络控制实验 143
5.1.1 实验目的 143
5.1.2 实验设备 143
5.1.3 实验工艺流程 143
5.1.4 实验内容与实验步骤 145
5.1.5 实验结果分析 150
5.1.6 实验注意事项 150
5.1.7 思考题 150
5.2 双闭环比值BP神经网络PID控制实验 151
5.2.1 实验目的 151
5.2.2 实验设备 151
5.2.3 实验工艺流程 151
5.2.4 实验内容与实验步骤 152
5.2.5 实验结果分析 159
5.2.6 实验注意事项 159
5.2.7 思考题 159
5.3 三容水箱模糊PID控制实验 160
5.3.1 实验目的 160
5.3.2 实验设备 160
5.3.3 实验工艺流程 160
5.3.4 实验内容与实验步骤 161
5.3.5 实验结果分析 166
5.3.6 实验注意事项 166
5.3.7 思考题 166
第6章 虚拟仿真实验附表 167
6.1 单PID控制器调试 167
6.2 双PID控制器调试 167
6.3 Smith预估控制系统 168
6.4 三容水箱模糊PID 控制系统 169
6.5 分程控制系统 169
6.6 三冲量控制系统 170
6.7 三容水箱多变量控制系统 170
6.8 选择控制系统 171
参考文献 172

　　《虚拟过程控制系统仿真实验教程》：
　　第1章 虚拟过程仿真实验平台概述
　　为了让读者对本实验教程有一个系统的认识，本章首先简单介绍虚拟过程仿真平台的框架、运行机制，并进一步介绍虚拟过程仿真平台用到的相关仿真软件和组态软件。
　　1.1 虚拟过程仿真实验平台架构
　　1.1.1 虚拟过程仿真系统组成
　　本书中的所有虚拟实验不需要添加任何外在设备，均可以在单台计算机上完成。一个完整的虚拟过程仿真实验的组成包括三部分：操作组态界面、底层控制系统和数据通信接口。三部分的连接关系如图1.1所示。
　　图1.1虚拟过程仿真系统关系图
　　构建一个完整的虚拟过程控制仿真实验需要三个步骤：首先，采用组态软件完成操作界面的开发，使虚拟实验系统的操作界面具有与集散控制系统（DCS）系统中的操作站相似的功能；其次，利用Matlab中Simulink工具箱强大的数据处理和丰富的控制算法模块搭建相应的虚拟过程控制实验的底层控制系统；最后，采用通用的OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）标准接口把界面与底层系统连接起来，实现控制信号与操作信号的交互作用，最终实现过程实验的虚拟运行与操作。
　　需要注意的是，虚拟系统采用全计算机模拟，没有真实的工艺过程与设备，故系统设备特性不能与真实设备完全对应，但其动态趋势和控制过程是与真实过程控制系统保持一致的。此外，本实验平台还可以利用组态王的发布功能实现远程访问登录，并进行远程自主实验。
　　1.1.2 操作组态界面
　　操作组态界面是以亚控公司的组态王软件为开发工具，设计与实际设备一一对应的、用于监测与操作的人机接口画面。该画面一般包括工艺流程模块、响应曲线显示模块、控制模块、报表模块和报警模块等多个功能模块。以三容水箱的多变量控制系统虚拟实验为例，其三容水箱操作组态界面如图1.2所示。
　　根据功能模块进行大致划分，图1.2可以分成工艺流程、响应曲线显示、控制功能三个模块，其具体功能如下。
　　图1.2组态王-三容水箱
　　（1）工艺流程模块。该子模块搭建了与实际设备高度对应的工艺流程，同时设计了液体流动、阀门的开关动作和电机启停等多个动画功能，增强画面的逼真程度，其工艺流程如图1.3所示。
　　图1.3三容水箱工艺流程
　　（2）响应曲线显示模块。图1.4为实时趋势曲线图，该子模块的功能是显示整个工艺流程中需要显示或控制参数的实时响应曲线，为过程参数的监测和控制参数的调试提供参考。
　　图1.4实时趋势曲线图
　　（3）控制功能模块。该子模块包括控制参数操作部分、过程参数显示部分和功能画面切换部分。其中，上半部分为控制参数操作部分，这里可以采用游标或数字输入两种方式对PID参数或液位进行设定与调试；而过程参数显示部分以游标的形式显示过程参数的实时值；功能画面切换部分设置了多个常用按键，方便在操作过程中根据需要进行画面切换，如图1.5所示。
　　图1.5主界面键位、游标设置
　　1.1.3 控制系统构建
　　底层控制系统是虚拟过程仿真实验的核心，它接收从操作界面传输过来的参数设定，并按照控制算法运算得到实时系统状态值，然后把这些值通过OPC接口传输到操作界面进行界面显示和图形显示。
　　为较准确模拟过程控制系统的特点、实现多种过程控制算法，这里采用Matlab软件的Simulink工具箱来完成系统构建工作。Simulink工具箱是一种模块化的组态工具，可以采用“搭积木”的方式把所需的控制系统快速搭建起来，有效节约开发周期。以三容水箱的多变量控制系统虚拟实验为例，其底层控制系统如图1.6所示。
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