比值控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計說明書.doc

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書畢業(yè)設(shè)計說明書比值控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真引 言配料系統(tǒng)是許多工業(yè)生產(chǎn)過程的重要組成部分，其配料過程是否按照規(guī)定的配比進(jìn)行是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。工業(yè)生產(chǎn)中，常用比值控制策略來實(shí)現(xiàn)各種物料的配比控制。 在水泥、冶金、醫(yī)藥、玻璃、建材、化工等流程工業(yè)中，配料是生產(chǎn)過程的重要組成部分，其配料過程是否按照規(guī)定的配比(組成產(chǎn)品的各種原料的比例)進(jìn)行是衡量企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，如果配料的質(zhì)量達(dá)不到要求，輕則造成原料、能源的浪費(fèi)，重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率，有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至?xí)o整個生產(chǎn)釀成事故。配料在工業(yè)過程中廣泛存在，如水泥配料、煤氣混合、油品調(diào)合、配煤、燒結(jié)法煉鋼及氧化鋁、自來水加氯消毒等。石油煉制生產(chǎn)過程中，把兩種或兩種以上基礎(chǔ)組分油與各種添加劑按一定比例均勻混合，從而成為一種新產(chǎn)品的過程稱為調(diào)合。油品調(diào)合主要是指汽油、柴油、潤滑以及原油等的調(diào)合。汽油調(diào)合是煉廠利用生產(chǎn)的各種汽油組分，按某種比例配方和添劑均勻混合，得到符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的汽油產(chǎn)品的過程。它是汽油成品出廠的最后一道工和煉廠生產(chǎn)成品油的最后一個環(huán)節(jié)，也是保證汽油質(zhì)量指標(biāo)滿足環(huán)保和質(zhì)量規(guī)格要求重要手段，調(diào)合效益在生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益中占有舉足輕重的地位。通過以上分析可見，在配料過程中對生產(chǎn)產(chǎn)品的各種原料的比值進(jìn)行控制顯得尤為重要，常用比值控制來解決此類問題。比值控制的目的就是為了實(shí)現(xiàn)使幾種物料混合符合一定比例關(guān)系，使生產(chǎn)能安全正常進(jìn)行。配料精度的高低制約著整個生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，所以應(yīng)對配料過程的控制給予足夠重視。下面我們就具體介紹比值控制系統(tǒng)。第一章 比值控制系統(tǒng)概述在各種生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到生產(chǎn)工藝要求兩個或兩個以上參數(shù)成一定的比例關(guān)系，一旦比例失調(diào)，就會影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。例如在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，要保持送進(jìn)爐膛的風(fēng)量和燃料成一定的比例，以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。為此，我們引入比值控制系統(tǒng)。本章主要介紹單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值、串級比值及變比值的比值控制系統(tǒng)。1.1 比值控制系統(tǒng)定義工業(yè)中存在著大量按原料配比進(jìn)行生產(chǎn)的過程，要求將原料配比進(jìn)行控制，然而配比的變化往往意味著產(chǎn)品產(chǎn)量下降、質(zhì)量下降、能量浪費(fèi)、物料浪費(fèi)、成本提高、環(huán)境污染、甚至安全事故。在化工、煉油及其他工業(yè)生產(chǎn)過程中，工藝上常需要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系，比例一旦失調(diào)，將影響生產(chǎn)或造成事故。例如，在煤氣燃燒過程中，要求煤氣與助燃空氣按一定配比（最佳為1：1.05）供入燃燒室。若助燃空氣輸入不足，煤氣得不到充分燃燒，降低了燃燒效率，造成能源浪費(fèi)，環(huán)境污染，還有可能導(dǎo)致環(huán)境中大量煤氣積存而成為事故隱患；若阻燃空氣過量，過剩空氣又將大量熱量以廢氣形式排放，造成熱能的大量浪費(fèi)。為此，我們引入比值控制系統(tǒng)。在過程控制中，實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常以保持兩種或幾種物料的流量為一定比例關(guān)系的系統(tǒng)，稱之流量比值控制系統(tǒng)。這種控制方式在化工、制藥領(lǐng)域中大量存在。1.2 比值控制原理在煉油、化工、制藥等許多生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要兩種物料或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系。最常見的是燃燒過程，燃料與空氣要保持一定的比例關(guān)系，才能滿足生產(chǎn)和環(huán)保的要求；造紙過程中，濃紙漿與水要以一定的比例混合，才能制造出合格的紙漿，許多化學(xué)反應(yīng)的諸個進(jìn)料要保持一定的比例。 通常，在兩個需要保持一定比例關(guān)系的物料中，一個是主動量或關(guān)鍵量，另一個是從動量或輔助量。由于物料通常是液體，因此稱主動量為主流量Q1從動量為副流量Q2。Q1與Q2之間的關(guān)系為 Q2KQ1 （1-1）式中，K為比值系數(shù)。因此，只要主副流量的給定值保持比值關(guān)系，或者副流量給定值隨主流量按一定比例關(guān)系而變化即可實(shí)現(xiàn)比值控制。1.3 比值控制系統(tǒng)特點(diǎn) 比值控制系統(tǒng)的特征: 是實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上物料保持一定比例關(guān)系。1.主物料，也稱為主動量: 在要保持一定比例關(guān)系的物料中，把起主導(dǎo)作用的物料，稱為主物料（主動量），因為在過程控制中經(jīng)常保持比例的參數(shù)是流量，故常用Q1表示。2.從物料，也稱為從動量: 另一種隨主物料的變化而成比例地變化的物料稱為從物料（從動量），常用Q2表示。3.比值系數(shù)：若兩物料的比值系數(shù)設(shè)定為K，則有：（1-2）1.4 比值控制系統(tǒng)的類型根據(jù)生產(chǎn)過程中工藝容許的負(fù)荷、干擾、產(chǎn)品質(zhì)量等要求不同，實(shí)際采用的比值控制方案也不同。比值控制系統(tǒng)按比值的特點(diǎn)可分為定比值和變比值控制系統(tǒng)。兩個或兩個以上參數(shù)之間的比值是通過改變比值器的比值系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，一旦比值系數(shù)確定，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，此比值系數(shù)將保持不變（為常數(shù)），具有這種特點(diǎn)的系統(tǒng)稱為定比值控制系統(tǒng)。如果生產(chǎn)上因某種需要對參數(shù)間的比值進(jìn)行修正時，需要人工重新設(shè)置新的比值系數(shù)，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較簡單。兩個或兩個以上參數(shù)之間的比值不是一個常數(shù)，而是根據(jù)另一個參數(shù)的變化而不斷的修正，具有這種特點(diǎn)的系統(tǒng)稱為變比值控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜。比值控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為簡單比值和復(fù)雜比值控制系統(tǒng)。凡構(gòu)成一個閉環(huán)以下的比值控制系統(tǒng)稱為簡單比值控制系統(tǒng)；凡構(gòu)成兩個閉環(huán)以上的比值控制系統(tǒng)稱為復(fù)雜比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)可籠統(tǒng)分為：開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、串級比值及變比值控制系統(tǒng)等。下面我們一一簡單介紹這五種控制系統(tǒng)。1.4.1 開環(huán)比值控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)最簡單的比值控制系統(tǒng)，其工藝流程圖和原理方塊圖如圖1-1所示。其中FT為檢測變送器，F(xiàn)C為比值控制器。（1）工藝流程圖 （2）原理方框圖 圖1-1 開環(huán)比值控制系統(tǒng)由原理方塊圖我們可以總結(jié)開環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：1）當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，兩物料的流量滿足比值關(guān)系。2）當(dāng)主動量受到干擾而發(fā)生變化時，系統(tǒng)通過比值器及設(shè)定值按比例去改變控制閥的開度，調(diào)節(jié)從動量使之與主動量仍保持原有的比例關(guān)系。3）當(dāng)從動量受到外界干擾（如溫度、壓力擾動）波動時，由于是開環(huán)控制，沒有調(diào)節(jié)從動量自身波動的環(huán)節(jié)，也沒有調(diào)整主動量的環(huán)節(jié)，故兩種物料的比值關(guān)系很難保持不變，系統(tǒng)對此無能為力。開環(huán)比值控制是理解比例控制工作機(jī)理的基礎(chǔ)，在實(shí)際工程上很少應(yīng)用。 1.4.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是在開環(huán)比值控制系統(tǒng)上增加對副物料的閉環(huán)控制回路，用以實(shí)現(xiàn)主、副物料的比值保持不變。工藝流程圖及原理框圖如圖1-2所示。（1）工藝流程圖 （2）原理方框圖圖1-2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)1. 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由兩個信號即主流量、副流量，兩個變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個以作為反饋信號的閉環(huán)回路組成。在穩(wěn)定時，能實(shí)現(xiàn)主、副流量的工藝比值的要求，即 (K為常數(shù))。系統(tǒng)原理框圖如圖1-3所示。當(dāng)主流量不變、而副流量受到擾動時，則可通過副流量的閉合回路進(jìn)行定值控制。主流量調(diào)節(jié)器的輸出作為副流量的給定值。當(dāng)主流量受到擾動時，則按預(yù)先設(shè)置好的比值使其輸出成比例變化，即改變的給定值。根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令以改變調(diào)節(jié)閥的開度，使副流量跟隨主流量而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。當(dāng)主副流量同時受到擾動時，調(diào)節(jié)器在克服副流量擾動的同時，又根據(jù)新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開度，使主、副流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持其原設(shè)定值的比值關(guān)系。它不但可以實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且還可以克服副流量本身干擾對比值的影響。可見，該系統(tǒng)能確保主、副兩個流量的比值不變，同時，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又較簡單，方案實(shí)現(xiàn)起來方便,僅用一臺比值器或比例調(diào)節(jié)器即可，因而在工業(yè)過程自動化中廣泛應(yīng)用。2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的四種工作情況：（1）當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，主、副物料流量的比值恒定。 如圖1-3單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理框圖，由圖可知：穩(wěn)態(tài)時： 圖1-3 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理框圖當(dāng)不變，受到擾動時，閉合回路進(jìn)行定值控制。當(dāng)受到擾動時，輸出變化，跟隨變化，保證原設(shè)定的比值不變。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于負(fù)荷變化不大，主流量不可控制，兩種物料間的比值要求較精確的生產(chǎn)過程。（2）當(dāng)主物料流量不變，副物料流量受到擾動變化時，可通過副流量的閉合回路調(diào)整副物料流量使之恢復(fù)到原設(shè)定值，保證主、副物料流量比值一定。（3）當(dāng)主物料流量受到擾動變化，而副物料不變時，則按預(yù)先設(shè)置好的比值使比值器輸出成比例變化，即改變給定值，根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令，以改變調(diào)節(jié)閥的開度，使副流量跟隨主流量而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。（4）當(dāng)主、副物料流量同時受到擾動變化時，調(diào)節(jié)器在調(diào)整副物料流量使之維持原設(shè)定值的同時，系統(tǒng)又根據(jù)主物料流量產(chǎn)生新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開度，使主、副物料流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持原設(shè)定值的比值關(guān)系不變?？傊? 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雖然能保持主、副物料流量比值不變，但是無法控制主物料的流量不變，因此，對生產(chǎn)過程的生產(chǎn)能力沒有進(jìn)行控制。該控制系統(tǒng)能保證主、副物料的流量比值不變，同時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中應(yīng)用較廣?！纠?-1】利用單閉環(huán)比值隨動控制實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)中螢石自動配料。水泥生產(chǎn)中，為了降低水泥中fCaO（游離氧化鈣，又稱游離鈣）含量，提高水泥熟料質(zhì)量，要求在石灰石中按一定比例自動連續(xù)地?fù)郊游炇?。利用如圖1-4所示的單閉環(huán)比值控制的方式可以實(shí)現(xiàn)螢石與石灰石比例的恒定，達(dá)到了提高水泥質(zhì)量的目的。圖1-4 螢石單閉環(huán)比值控制自動配料系統(tǒng)框圖圖中粗線代表物料運(yùn)送，細(xì)線代表控制線路。其中，控制中以石灰石為主動量，螢石為從動量。比值系數(shù)為兩物料重量之比。1.4.3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主動量不受控制而產(chǎn)生的系統(tǒng)生產(chǎn)能力“失控”狀況，在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，對主動量也設(shè)置了一個閉環(huán)回路，構(gòu)成對主、副物料流量都進(jìn)行控制的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。其工藝流程圖和原理方框圖如圖1-5所示。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由一個定值控制的主流量回路和一個跟隨主流量變化的副流量控制回路組成的。主流量控制回路能克服主流量擾動，實(shí)現(xiàn)定值控制；副流量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動，使副流量與主流量成比值關(guān)系。當(dāng)擾動消除后，主、副流量都恢復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變，并且主、副流量變化平穩(wěn)。當(dāng)系統(tǒng)需要升降負(fù)荷時，只要改變主流量的設(shè)定值，主、副流量就會按比例同時增加或減小，從而克服上述單閉環(huán)比值系統(tǒng)的缺點(diǎn)。（1）工藝流程圖 （2）原理方框圖圖1-5 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)工作時，若主動量受到干擾發(fā)生波動，則主動量回路對其進(jìn)行定值控制，使主動量始終穩(wěn)定在給定值附近，同時從動量控制回路也會隨主動量的波動進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)從動量受到擾動發(fā)生波動時，從動量控制回路對其進(jìn)行定值控制，使從動量始終穩(wěn)定在定值附近，而主動控制回路不受從動量波動的影響。因此，因擾動而發(fā)生的主動量和從動量波動利用各自控制回路分別實(shí)現(xiàn)實(shí)際值與給定值吻合，從而保證主、副物料流量的比值恒定。當(dāng)調(diào)節(jié)主動量給定值時，主動量控制回路調(diào)節(jié)主動量實(shí)際值和給定值吻合；同時，根據(jù)主動量與從動量的比值及新的主動量給定值，系統(tǒng)給出從動量控制回路的輸入值。通過從動控制回路的調(diào)節(jié)控制使從動量的實(shí)際值與該輸入值吻合，即從動控制量的實(shí)際值與主動量變動后的數(shù)值相對應(yīng)，保持主動量和從動量的比值不變。如圖1-6所示雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理框圖。其中，主流量回路：克服主流量擾動，實(shí)現(xiàn)其定值控制。副流量回路：抑制副回路中的擾動，使副流量與主流量成比值關(guān)系。 擾動消除后，=R， 升降負(fù)荷時，可改變R(s) 圖1-6 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理框圖在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，對自動化的要求較高。就比值控制而言，不僅要求靜態(tài)比值恒定，在擾動作用下，要求主、副流量接近同步變化，即要求靜態(tài)與動態(tài)時物料量保持一定比值。如圖1-7所示為引入“動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)”的雙閉環(huán)比值控制， 由于副流量滯后于主流量，則動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)應(yīng)具有超前特性。從原理上分析，就可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)比值一定。圖1-7 具有動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)比值控制由以上分析可見雙閉環(huán)控制中，主動量控制回路是一定值控制系統(tǒng)，而從動量控制回路是一個隨動控制系統(tǒng)。和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)如下：（1）控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定對主動量的定值控制克服了干擾對主動量的影響，因此主動量變化平穩(wěn)，從動量也將平穩(wěn)，進(jìn)而系統(tǒng)的總物料流量穩(wěn)定，更好地滿足了生產(chǎn)工藝要求。（2）系統(tǒng)更易于調(diào)節(jié)當(dāng)需要改變主動量的設(shè)定值時，主動量控制回路通過調(diào)節(jié)控制使主動量的輸出值改變?yōu)樾略O(shè)定值，同時從動量也將隨主動量按給定比值變化。因此，當(dāng)需要調(diào)整負(fù)荷時，只要改變主動量回路控制器的給定值，就可同步調(diào)整主動量和從動量，并保持主動量和從動量的比值不變。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于主副流量擾動頻繁，負(fù)荷變化較大，同時保證主、副物料總量恒定的生產(chǎn)過程。如果沒有這個要求，兩個單獨(dú)的閉環(huán)控制系統(tǒng)也能使兩個流量保持比例關(guān)系，僅僅在動態(tài)過程中，比例關(guān)系不能保證。1.4.4 串級比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制是實(shí)現(xiàn)兩種物料流量間的定比值控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中其比值系數(shù)是不變的。在有些生產(chǎn)過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個參數(shù)的需要而變化，為此可以設(shè)計成串級比值控制系統(tǒng)，串級比值控制系統(tǒng)方塊圖如圖1-8所示。圖1-8 串級比值控制從圖1-8可以看出，它的副回路是一個閉環(huán)比值系統(tǒng)，其比值由除法器來實(shí)現(xiàn)，兩個流量比稱為副參數(shù)。它的主回路也是一個閉環(huán)系統(tǒng)，由的反饋構(gòu)成，為變比值信號，即單閉環(huán)比值系統(tǒng)的給定值。稱為第三個參數(shù)或主參數(shù)（質(zhì)量指標(biāo)）。這是按一定的工藝指標(biāo)自動修正比值系數(shù)的系統(tǒng)，即變比值控制系統(tǒng)。串級比值控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，主、副流量恒定，分別將測量變送器后送至除法器，其輸出即為比值，作為的測量信號，此時主參數(shù)也恒定。輸出信號穩(wěn)定，且，輸出穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥開度一定，所以主參數(shù)符合工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。當(dāng)、出現(xiàn)擾動時，副回路可以很快動作，使兩者的比例維持常數(shù)，即保持比值一定，從而不影響主參數(shù)，或大大減小擾動對主參數(shù)的影響。若主參數(shù)受某種干擾偏離給定值時，主調(diào)節(jié)器將會改變副調(diào)節(jié)器的的輸出信號產(chǎn)生變化，修正了的給定值即修正了兩個流量的比值，使系統(tǒng)在新的比值上重新穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)指出，在串級比值控制系統(tǒng)中流量比值是用第三個參數(shù)來自動校正的。流量比值只是一個控制手段，不是最終目的。主參數(shù)往往是衡量質(zhì)量的最終指標(biāo)，因此這種系統(tǒng)對比值的要求大為降低，具有按主參數(shù)反饋?zhàn)詣有Ｕ戎迪禂?shù)的優(yōu)點(diǎn)。1.4.5 變比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有一個共同的特點(diǎn)：通過控制系統(tǒng)維持物料的供應(yīng)比值恒定，保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。實(shí)際生產(chǎn)過程中，物料按比例輸入并不是最終目的，一般最終目的是生產(chǎn)過程的結(jié)果，如發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，自來水氯氣消毒系統(tǒng)輸出水的質(zhì)量與流量等。 因此，在生產(chǎn)過程中，往往要對除了輸入物料以外的第三參量進(jìn)行控制。當(dāng)?shù)谌齾⒘侩S輸入物料的配比不同變化時，對第三參量的控制問題，變成了調(diào)節(jié)物料配比問題，這就是變比值控制，其控制的工藝圖和控制方框圖分別如圖1-9，1-10所示?？梢?，變比值控制是一種內(nèi)外環(huán)嵌套的復(fù)合控制，內(nèi)環(huán)控制從物料的變化，外環(huán)控制第三參量的變化。通過第三參量的變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變比值控制。主動量和從動量經(jīng)檢測、變送后送入除法器相除，除法器的輸出即為它們的比值，同時又是比值控制器的測量值。系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，主被控變量（即第三參量）穩(wěn)定，主控制器的輸出也穩(wěn)定不變并和比值控制器信號相等，從物料量控制閥門穩(wěn)定于某一開度，控制器的比值恒定。（1）當(dāng)主物料量受到干擾發(fā)生波動時，除法器輸出要發(fā)生改變，從物料控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)從物料控制閥門開度，使從動量也發(fā)生變化，保證主物料量和從物料量比值不變。（2）當(dāng)從物料量受到干擾發(fā)生波動時，和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)及雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)一樣，調(diào)節(jié)從物料流量，保證主物料量和從物料量比值不變。 圖1-9 變比值控制系統(tǒng)工藝圖（3）當(dāng)主被控對象（即第三參量）受到干擾引起被控發(fā)生變化時，主控制器的輸出將發(fā)生變化，也就是改變了比值控制器的設(shè)定值，即改變了主、從物料的比值。 圖1-10 變比值控制系統(tǒng)控制方框圖第二章 比值控制系統(tǒng)設(shè)計本章主要介紹比值控制系統(tǒng)中的比值控制方式的選擇原則、主從物料的選擇原則、比值系數(shù)的計算及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定。2.1 系統(tǒng)選用原則比值控制有多種控制方案，具體選用適應(yīng)分析各種方案的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工藝情況、負(fù)荷變化、擾動性質(zhì)、控制要求等進(jìn)行合理選擇。（1）單閉環(huán)比值控制的選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；外干擾引起的主流量波動變化可以容忍；只有一種物料可控，其它物料不可控制；對由主流量波動引起的副流量波動和總生產(chǎn)能力變化沒有限制時，可選用此方案。該方案實(shí)現(xiàn)起來方便，僅用一只比值器或比例調(diào)節(jié)器即可。（2）雙閉環(huán)比值控制選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；擾動引起的主、副流量變化較大；不適用于只有一種物料可控，其它物料不可控制情況；要求總生產(chǎn)能力或主、副物料總量恒定；經(jīng)常需要升降負(fù)荷時，可選用雙閉環(huán)比值控制方案。（3）變比值控制選用 當(dāng)兩種物料流量的比值與主被控制量（主動量和從動量之外的第三參量）有內(nèi)在關(guān)系，需要根據(jù)主動量的測得值和主被控制量的給定值調(diào)整主從物料流量的比值實(shí)現(xiàn)對主被控制量給定值的跟蹤控制（或定值控制）時，應(yīng)選用變比值控制方案。2.2 主從物料的選擇在比值控制中，主從物料的選擇影響系統(tǒng)的控制方向、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性及安全性。主從物料的確定是控制系統(tǒng)設(shè)計的首要一步，主要依循以下原則：（1）貴重原則 對有顯著貴賤區(qū)別的物料，應(yīng)選擇貴重物料為主物料。實(shí)現(xiàn)以貴重物料為主進(jìn)行控制，其他非貴重物料根據(jù)控制過程需要增減變化。這樣可以充分利用貴重物料以合理成本完成生產(chǎn)過程。（2）不可控原則 某物料不可控制時，該物料選為主物料，其它為從物料。不可控物料不能利用物料量調(diào)節(jié)構(gòu)成反饋控制閉環(huán)，所以不宜選為從物料。（3）主導(dǎo)作用原則 在多物料參與生產(chǎn)的過程中，如化工或制藥工業(yè)中，經(jīng)常將物料分成主料和輔料，生產(chǎn)圍繞主料進(jìn)行，輔料作為控制過程的調(diào)節(jié)物料。此類在諸物料中起主導(dǎo)作用的物料應(yīng)選擇為主物料，其它物料選為從物料。（4）流量大小原則 選擇流量較小的物料作從物料，這樣控制過程中控制閥的開度較小，系統(tǒng)控制靈敏，當(dāng)然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能也會小些。（5）工藝需要原則 生產(chǎn)控制過程必須按相應(yīng)的工藝過程進(jìn)行，主從物料的選擇也必須符合生產(chǎn)工藝的要求。2.3 比值系數(shù)計算比值控制系統(tǒng)的控制過程是通過對主、從動量以及第三參量的檢測與控制實(shí)現(xiàn)的。一個物理量通常有多種檢測方式，不同檢測方式的比值系數(shù)計算方法也有相應(yīng)的差別。常見的流量檢測有：l 差壓式流量計通過測量流動過程中兩點(diǎn)的壓力差，然后根據(jù)壓力差與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測；l 靶式流量計通過測量流動過程中某一點(diǎn)的靶面壓力，然后根據(jù)靶面壓力與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測；l 浮子流量計通過將流動過程中某一點(diǎn)處流體引入浮子流量計，測量浮子懸浮的高度，然后根據(jù)懸浮高度與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測；橢圓齒輪式容積流量計、渦輪流量計、渦計流量計是將該流量計引入流動過程中某一點(diǎn)，測量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測； l 電磁流量計則用于測量導(dǎo)電液體，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用感應(yīng)電動勢測量流量。綜合分析各種檢測方式，可把檢測方法分為線性檢測和非線性檢測兩種：1線性檢測法的比值系數(shù)計算流量的線性檢測一次儀表有浮子流量計、橢圓齒輪式容積流量計、渦輪流量計、渦計流量計等。該類儀表的流量測量原理可概括為： （2-1）式中，Q表示流量；c表示比例系數(shù)；W表示直接測量值，如轉(zhuǎn)速、高度等。按比值系數(shù)公式得： （2-2）若對應(yīng)變送器的測量范圍（或稱比值控制器輸入端的主、從物料信號范圍）分別為：0Q1max和0Q2max則折算成比值控制器的比值系數(shù)為：（2-3）2. 非線性檢測法的比值系數(shù)計算非線性檢測法的比值系數(shù)計算較為復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。流量的非線性檢測一次儀表有差壓式流量計、靶式流量計等。該類流量計利用壓力測量流量。流量和壓力的關(guān)系可概括為： （2-4） 式中，c為差壓式流量計的比例系數(shù)，為壓力或壓差。按比值系數(shù)公式得： （2-5）若對應(yīng)變送器的測量范圍（或稱比值控制器輸入端的主、從物料信號范圍）分別為：0Q1max和0Q2max則折算成比值控制器的比值系數(shù)為： （2-6）2.4 PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)及其對控制性能的影響無論哪種過程控制系統(tǒng)設(shè)計時都需要選擇調(diào)節(jié)器，下面我們一一介紹幾種常用的調(diào)節(jié)器。2.4.1 比例控制對控制性能的影響所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用u(t)與其偏差輸入信號e(t)之間成比例關(guān)系， （2-7）其中，-比例增益。比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： （2-8）工程中，常用比例帶來描述其控制作用的強(qiáng)弱，即 （2-9）其物理意義是在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移改變100%時，被調(diào)量應(yīng)有的改變量。如=20%，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化100%時，需要其輸入信號變化20%。比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖2-1所示。由圖可以看出，在t時刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；t時刻偏差信號e(t)發(fā)生階躍變化，對于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍變化，調(diào)節(jié)輸出控制作用u(t)將成比例的變化，而且?guī)缀跏峭瑫r產(chǎn)生的?？刂谱饔玫淖兓康氖钦{(diào)節(jié)進(jìn)入對象的流入量，消除不平衡流量，是被調(diào)量回到原來的值上。從這一點(diǎn)看，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)之一就是調(diào)節(jié)及時、迅速。圖2-1 比例調(diào)節(jié)規(guī)律由上圖還可看出，在t時調(diào)節(jié)過程結(jié)束，但偏差信號e(t)仍存在；換言之，調(diào)節(jié)過程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。因為采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，其輸出的控制作用大小與偏差大小成比例關(guān)系，一定大小的控制作用是抵消擾動的影響、使系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來的保證。在系統(tǒng)受到擾動后，被調(diào)量偏離了其給定值，而出現(xiàn)偏差，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但偏差或大或小還要存在，否則偏差為零，控制作用也隨之消失，干擾信號的存在就不可能使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在稱為有差調(diào)節(jié)，這是比例調(diào)節(jié)規(guī)律的又一特點(diǎn)。2.4.2 積分控制對控制性能的影響比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時，控制作用貫穿整個調(diào)節(jié)過程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差，因此對于一些要求較高的控制（定值調(diào)節(jié)）還需引入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用u(t)與其偏差輸入信號e(t)隨時間的積累值成正比，即 （2-10）其傳遞函數(shù)形式： （2-11）式中-積分時間。積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖2-2所示。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并成階躍形式變化時，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開始線性增長。從這一點(diǎn)看，積分調(diào)節(jié)作用是不及時的。只要偏差信號存在，調(diào)節(jié)器輸出旨在消除對系統(tǒng)影響的控制作用就一直增加，且其增長的速度始終為初始速度。由下式可知： （2-12）上式表明，控制作用在積分時間TI越小時越強(qiáng)。從響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時，積分作用才停止變化。這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期。不過在現(xiàn)實(shí)中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長，彌補(bǔ)對方的不足。描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動態(tài)方程是： （2-13）式中-比例增益；-積分時間圖2-2 積分作用曲線比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （2-14）綜上分析，當(dāng)被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時，調(diào)節(jié)器立即輸出一個與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；隨著時間的增長，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來；只要偏差存在，控制作用就一直增長下去，直至消除偏差時，控制作用才停止變化。由此可見，比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時和積分作用消除偏差的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時不能消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分作用控制不及時的缺點(diǎn)。2.4.3 微分控制對控制性能的影響微分調(diào)節(jié)規(guī)律是是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。對于定值控制系統(tǒng)，偏差信號的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即 （2-15）式中Td-微分時間。傳遞函數(shù)式為： （2-16）由于受控對象總存在一定的容量，調(diào)節(jié)器也存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動作的偏差信號在實(shí)踐上肯定落后于偏差變化速度信號，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號又稱超前信號。被調(diào)量的變化速度往往反映了對象流入量與流出量之間的不平衡狀態(tài)，因此對慣性較大的對象，在調(diào)節(jié)器中加入微分調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，無疑將大大改善調(diào)節(jié)過程。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無關(guān)。因此對象在受到較小的擾動后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時由于自身動作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動作,這樣，經(jīng)過一段時間后，偏差將積累成一個較大的值。就是說純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。式（2-16）是理論上的微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因為在偏差階躍變化時的瞬間，控制作用將為無窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，傳遞函數(shù)為下式： （2-17）式中TD-微分時間；KD-微分增益。由初值定理有： （2-18）由終值定理知： （2-19）如圖2-3所示，微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 圖2-3 微分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng)由圖2-3也可以看出，當(dāng)偏差信號做幅度為E的階躍變化時，微分作用將立即產(chǎn)生，其值為偏差的KD倍。從這一點(diǎn)上與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時且作用強(qiáng)。在時間較長后，微分作用消失，直到為零?？梢娢⒎肿饔靡谡{(diào)節(jié)過程的初期，和積分作用恰好相反。 第三章 控制系統(tǒng)的工程整定3.1 對控制系統(tǒng)性能的要求在控制過程中，一個理想的控制系統(tǒng)，始終應(yīng)使其被控量(輸出)等于給定值(輸入)。但是，由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在，電路中儲能元件的存在以及能源功率的限制，使得運(yùn)動部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時變化。所以，當(dāng)給定值變化時，被控量不可能立即等于給定值，而需要經(jīng)過一個過渡過程，即動態(tài)過程。所謂動態(tài)過程就是指系統(tǒng)受到外加信號(給定值或擾動)作用后，被控量隨時間變化的全過程。由動態(tài)過程可以反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞，而常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)也是從動態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。穩(wěn)定性是這樣來表述的：系統(tǒng)受到外作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。如果系統(tǒng)受外作用力后，經(jīng)過一段時間，其被控量可以達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。顯然，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。一個能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng)，不僅應(yīng)該是穩(wěn)定的，而且在動態(tài)過程中的振蕩也不能太大，否則不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)部件的松動和被破壞。快速性是通過動態(tài)過程時間長短來表征的，過程時間越短，表明快速性越好，反之亦然?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度。系統(tǒng)響應(yīng)越快，說明系統(tǒng)的輸出復(fù)現(xiàn)輸入信號的能力越強(qiáng)。準(zhǔn)確性是由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值來表征的，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)的最終誤差為零，則稱為無差系統(tǒng),否則稱為有差系統(tǒng)。穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計與調(diào)試過程中，若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則可能會造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩和控制精度較低的后果；反之，若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，則又會使系統(tǒng)的振蕩加劇，甚至引起不穩(wěn)定。比值控制系統(tǒng)整定主要涉及的問題是穩(wěn)定性、快速性、靜差和微分問題。（1）穩(wěn)定問題 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件。對過程控制來說，穩(wěn)定性問題不但涉及穩(wěn)態(tài)情況，更涉及干擾擾動問題。干擾對過程控制的影響主要體現(xiàn)在：系統(tǒng)模型識別精確性降低、系統(tǒng)模型參數(shù)離散性變大、系統(tǒng)遠(yuǎn)離原模型靜態(tài)工作點(diǎn)、系統(tǒng)工作進(jìn)入非線性區(qū)等。干擾的主要后果是使控制系統(tǒng)處于不穩(wěn)定，甚至使不安全工作狀態(tài)。因此，在干擾較大的場合，如工業(yè)過程的現(xiàn)場，控制系統(tǒng)應(yīng)有足夠的穩(wěn)定裕量。（2）快速性問題應(yīng)保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性從而保證比值恒定。（3）靜差問題在穩(wěn)態(tài)時，各比值控制的閉環(huán)均為定值控制，故系統(tǒng)跟蹤不應(yīng)存在靜差。（4）微分問題比值控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器不宜采用微分作用。因為比值控制系統(tǒng)對象一般都是流量對象，滯后時間都比較小。而且在管路中存在有很多不規(guī)則的干擾噪聲，因此在控制器都不宜采用微分作用。 3.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定法控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)()使控制儀表的特性和控制對象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。顯然，如果控制對象的運(yùn)行方式不當(dāng)，或者系統(tǒng)設(shè)計方案不合理，測量儀表和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選型不當(dāng)，安裝質(zhì)量不高等，則無論怎樣整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，也不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求。另一方面，在主設(shè)備完善、系統(tǒng)設(shè)計方案合理、設(shè)備安裝等均已完善的條件下，只有經(jīng)過正確的整定，才能達(dá)到預(yù)期的控制質(zhì)量。從理論上看，通過計算來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可行的辦法。采用各種計算方法，求出閉環(huán)系統(tǒng)特征根的分布情況，對振蕩頻率、靜態(tài)偏差、動態(tài)偏差、控制過程時間等有明確的結(jié)論，根據(jù)所得結(jié)論能夠比較在不同的調(diào)節(jié)規(guī)律、不同參數(shù)值的情況下過渡過程的品質(zhì)和實(shí)現(xiàn)保證衰減率大于所規(guī)定的數(shù)值的要求。但問題是計算方法要以控制對象的動態(tài)特性為依據(jù)，而動態(tài)特性測取時含有不精確性，更難以處理的是在工況變動時，對象的動態(tài)特性可能發(fā)生變化。另外，對控制系統(tǒng)中的一些非線性環(huán)節(jié)要近似為線性環(huán)節(jié)，甚至要對調(diào)節(jié)器本身在計算時也只能看作是線性的理想調(diào)節(jié)器。由于這些原因，各種計算結(jié)果只能是近似的，只宜作參考依據(jù)。在熱工生產(chǎn)過程中，比較實(shí)用的是現(xiàn)場整定方法，即通過現(xiàn)場調(diào)試來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是現(xiàn)場整定也要在正確的理論指導(dǎo)下才能有效進(jìn)行并解決所能發(fā)現(xiàn)的問題，若事先不經(jīng)過任何理論計算和分析，盲目地實(shí)踐可能會延誤時機(jī)，甚至帶來麻煩。因此，計算還是有必要的。不過計算分析不必要求達(dá)到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗性圖表，先估計調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值范圍，從而給現(xiàn)場整定提供參考。1、臨界比例帶法臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，可以看出臨界比例帶法無須知道對象的動態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。臨界比例帶的具體步驟是：1） 將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，即；置微分時間；置比例帶于一個較大的值。2） 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù)45個振幅即可，試驗記錄曲線。3） 根據(jù)記錄曲線的振蕩周期此狀態(tài)下調(diào)節(jié)器比例帶為，然后按表3-1計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。將計算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗，觀察系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)器過程滿意為止。 表3-1 臨界比例帶法計算公式（）規(guī) 律PPIPID臨界比例帶法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，有些生產(chǎn)過程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩，如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對象用比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶即振蕩周期，則無法應(yīng)用臨界比例帶法。2、衰減曲線法衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的4:1衰減振蕩（）過程時調(diào)節(jié)器比例帶即過程上升時間，據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟是：1） 置調(diào)節(jié)器的積分時間，微分時間，比例帶為稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。2） 在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動試驗，應(yīng)觀察控制過程。如果過渡過程衰減率大于0.75，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗，直到過渡過程曲線出現(xiàn)4:1的衰減過程，對于的調(diào)節(jié)過程也是一樣的做上述試驗，直到出現(xiàn)10:1的衰減過程。記錄下4:1（或10:1）的衰減振蕩過程曲線。在曲線上求取時的振蕩周期或時的上升時間tr，按表3-2計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。表3-2 衰減曲線法計算公式規(guī)律0.75PPIPID 規(guī)律 0.9PPIPID3）按計算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過程。從表3-2可以發(fā)現(xiàn)，對于，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時相對于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律是引入了積分作用，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降，仍然能得到的衰減率，就須將放大1.2倍后作為比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶值。對于三參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，由于微分作用的引入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可將減小至后作為調(diào)節(jié)器比例帶設(shè)定值，同時積分時間與無微分作用下相比也適當(dāng)減小了。3、經(jīng)驗法如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常受到擾動影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)確切的階躍響應(yīng)曲線就很困難，因此臨界比例帶法和衰減曲線法都不能得到滿意的結(jié)果。 通過長期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗，稱之為經(jīng)驗法。經(jīng)驗法可以說是根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。 經(jīng)驗法整定具體步驟：1） 將調(diào)節(jié)器的積分時間放到最大，微分時間置于最小。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，穩(wěn)定后做階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，若過渡過程有希望的衰減率（）則可，否則改變比例帶值，重復(fù)上述試驗。2） 將調(diào)節(jié)器的積分時間由最大調(diào)整到某一值，由于積分時間的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，這時應(yīng)將比例帶值適當(dāng)增大，一般為純比例作用的1.2倍。做階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，修改積分時間重復(fù)試驗，直到滿意為止。3） 保持積分時間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無改善則反方向修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時間，同樣反復(fù)試湊直到滿意為止。如此反復(fù)試湊，直到有一組合適的積分時間和比例帶。4） 對于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進(jìn)行完上述調(diào)整試驗后，將微分時間由小到大地調(diào)整，觀察每次試驗過程，在感到滿意時便停止。3.3 比值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器確定及工程整定 單閉環(huán)控制系統(tǒng) 從動量控制回路是跟隨主動量而變化的隨動系統(tǒng)。因此，要求反映快速、準(zhǔn)確。故應(yīng)采用PI控制方式，并將過渡過程整定成非周期臨界情況，這時過渡過程既不振蕩反應(yīng)又快。控制器參數(shù)的整定步驟可歸納如下： 根據(jù)工藝要求的流量比值K，求得比值系數(shù)。 將積分時間置于最大值，由大到小逐步改變比例度，直到在階躍干擾下過渡過程處于振蕩與不振蕩的臨界過程為止。 適當(dāng)放寬比例度（一般為20%）的情況下，逐步緩慢地減小積分時間，直到出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過程或稍有一點(diǎn)超調(diào)的情況為止。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量控制環(huán)實(shí)現(xiàn)定值控制，從流量控制環(huán)實(shí)現(xiàn)自身的穩(wěn)定控制和對主流量變化的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)主、從流量的比值恒定。因此，兩閉環(huán)調(diào)節(jié)器均應(yīng)選擇PI控制規(guī)律，而且應(yīng)使從流量控制環(huán)響應(yīng)較主流量控制環(huán)快，這樣從流量控制系統(tǒng)才有能跟上主流量的變化，保證主、從流量比值恒定。主、從控制回路都應(yīng)將過渡過程整定成非周期臨界情況。另外，這樣整定參數(shù)也防止了從動量回路共振問題。因為從動量回路通過比值器和主動量回路發(fā)生聯(lián)系。主動量的變化必然引起從動量回路控制器設(shè)定值的變化，如果主動量的變化頻率接近從動量回路的工作頻率時，則有可能引起從動量回路的共振，以致系統(tǒng)的控制品質(zhì)變壞。因此，主動量的過渡過程為非周期變化過程有效防止了這種可能性。 變比值控制系統(tǒng) 變比值控制系統(tǒng)，又可稱為串級比值控制系統(tǒng)，它具有串級控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，仿效串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則，主調(diào)節(jié)器選擇PI或PID控制規(guī)律；副調(diào)節(jié)器（即從動量調(diào)節(jié)器）可按單閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。 第四章 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真4.1 MATLAB概述火電廠是高度重視安全生產(chǎn)的企業(yè)之一，控制系統(tǒng)一旦投入運(yùn)行，是不允許無關(guān)人員隨便亂動的。因此，對控制系統(tǒng)的分析研究和自動化人員生產(chǎn)技能的培訓(xùn)只能在仿真控制系統(tǒng)上進(jìn)行。以往的仿真控制系統(tǒng)主要是物理和半物理仿真，建立這樣的仿真控制系統(tǒng)投資大，安裝和維護(hù)費(fèi)用也大。尤其是自動化儀表發(fā)展如此之快，使這些仿真控制系統(tǒng)不得不進(jìn)行設(shè)備的更新改造，其經(jīng)濟(jì)損失是顯而易見的。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。利用MATLAB軟件中的SIMULINK功能可對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，它的仿真結(jié)果將會對自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)有著重要的指導(dǎo)意義。在火電廠中，DEH(汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng))是汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞，該系統(tǒng)性能只能通過動態(tài)過程才能反映出來。為此，利用MATLAB仿真工具和VB開發(fā)界面，建立DEH仿真平臺，在不干擾生產(chǎn)的情況下，對DEH系統(tǒng)動態(tài)過程進(jìn)行分析研究，從而避免了對系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的盲目性，使DEH系統(tǒng)各部分的動態(tài)過程完整地呈現(xiàn)出來。這對DEH系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中參數(shù)的整定、修改起到了預(yù)測和指導(dǎo)作用。實(shí)踐證明，利用MATLAB對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，具有安全、可靠、節(jié)省人力、物力和財力等優(yōu)點(diǎn)，它為加快大型火電機(jī)組熱工自動控制系統(tǒng)的調(diào)試速度，提高火電廠熱工自動控制系統(tǒng)的投入率，又提供了一個新的方法和手段。4.2 控制系統(tǒng)的性能分析頻域特性分析法是經(jīng)典控制理論中一種主要的分析方法。它是通過研究對系統(tǒng)正弦輸入信號下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)特性來分析系統(tǒng)的。頻域分析法是自動控制中應(yīng)用的又一種數(shù)學(xué)模型頻域特性來研究系統(tǒng)控制過程性能（穩(wěn)定性、快速性及穩(wěn)態(tài)精度）的方法。這種方法不必直接求解系統(tǒng)的微分方程，而是間接的運(yùn)用系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線，分析閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)。它是一種圖解的方法。頻域分析里主要用到三種曲線：Bode圖，