蒸發(fā)器溫度控制系統(tǒng)

1、1 設(shè)計任務(wù)液氨蒸發(fā)器采用出口產(chǎn)品溫度為主被控變量，加熱蒸汽流量為副被控變量。主、副對象的傳遞函數(shù)分別為：， 主、副擾動通道的傳遞函數(shù)分別為：， 試分別采用單回路控制和串級控制設(shè)計溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計要求如下：（1）分別進行控制方案設(shè)計，給出相應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)原理圖；（2）對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真，整定控制器參數(shù)；（3）給出系統(tǒng)的跟蹤性能和抗干擾性能仿真，包括一次擾動和二次擾動；（4）對不同控制方案對系統(tǒng)的影響做對比分析。2 整體方案設(shè)計2.1 單回路控制變量的選擇對于被控量和操作量選擇的原則，其中，被控量選擇的原則是能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，選擇的結(jié)果直接影響生產(chǎn)，因此此設(shè)計的被控量是溫

2、度。操縱量是克服擾動影響、使系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)運行的積極因素，應(yīng)該遵循快速有效的克服干擾的原則去選擇操縱量，因此此設(shè)計的操縱量是加熱蒸汽流量。2.2 串級控制系統(tǒng)的選擇串級控制系統(tǒng)選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的有某種單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。 故在本系統(tǒng)中選擇出口產(chǎn)品溫度作為主變量。副回路的設(shè)計質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原則：應(yīng)使主要干擾和更多的干擾落入副回路；應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)匹配；應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟型。

3、故選擇本系統(tǒng)中的加熱蒸汽流量為副變量。又因為外環(huán)是主回路，內(nèi)環(huán)是副回路，所以溫度調(diào)控是主回路。2.3 控制器的選擇PID控制器的參數(shù)整定是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。在串級控制系統(tǒng)中，由于對副回路沒有太大的要求，所以只需要有比例環(huán)節(jié)即可（即P為常數(shù)，I=0）。而對于要求較高的主回路，由于主變量一般不得有偏差，所以主回路一般由比例微分控制（P,I均為常數(shù)）。3 系統(tǒng)仿真與參數(shù)整定3.1 單回路系統(tǒng)的仿真與參數(shù)整定針對設(shè)計要求，單回路前向通道中含有主、副控制器及擾動，而調(diào)節(jié)器一般位于擾動的前面，所以PID調(diào)節(jié)器在最前面。設(shè)計中副被控變量為加熱蒸汽流量，所

4、以其作為反饋作用于輸入端調(diào)節(jié)器副控制器主控制器擾動2擾動1蒸汽流量測量圖3-1-1單回路控制系統(tǒng)方框圖由方框圖對應(yīng)得到系統(tǒng)仿真圖 圖3-1-2 單回路控制系統(tǒng)simulink仿真圖仿真整定過程：首先將PID的參數(shù)設(shè)置為僅存在比例調(diào)節(jié)，變換不同的P值以達到期望的效果。圖3-1-3P=1,I=0，無擾動信號圖3-1-4P=3,I=0，無擾動信號圖3-1-5P=5,I=0，無擾動信號圖3-1-6 P=7，I=0，無擾動信號上面四幅圖片可得當P越大時，超調(diào)量越大，穩(wěn)定性下降。但是震蕩頻率加快，響應(yīng)時間變短。為了保持系統(tǒng)原來的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當加大。又因為要使PI調(diào)節(jié)在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動

5、態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能，所以P值不應(yīng)過大，因此選擇P=7。圖3-1-7P=7，I=0.1，無擾動信號圖3-1-8P=7，I=0.3，無擾動信號積分環(huán)節(jié)的作用除消除系統(tǒng)的余差外，也加大了系統(tǒng)的振蕩頻率，使響應(yīng)速度變快。但是隨著I的增大，超調(diào)量過大，也調(diào)節(jié)時間過長，系統(tǒng)動態(tài)性能降低，因此選擇I=0.1最佳圖3-1-9P=7，I=0.1，一次擾動信號圖3-1-10P=7，I=0.1，二次擾動信號通過反復(fù)試驗過程，此時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)效果比較理想，控制器參數(shù)整定比較合理。加入擾動以后超調(diào)量有所增大，但后面能夠達到期望值，具有一定的調(diào)節(jié)作用。3.2 串級控制系統(tǒng)的仿真與參數(shù)整定針對設(shè)計要求，產(chǎn)品溫度作

6、為主變量必然處于主回路，蒸汽流量作為副變量位于副回路中，擾動要加在調(diào)節(jié)器之后，因此得如下圖所示框圖：主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器副控制器主控制器副擾動主擾動蒸汽流量產(chǎn)品溫度圖3-2-1串級控制系統(tǒng)方框圖由方框圖對應(yīng)得到系統(tǒng)仿真圖圖3-2-2 串級控制系統(tǒng)simulink仿真圖仿真整定過程：首先將主、副PID調(diào)節(jié)器設(shè)計為比例控制，增益分別為K1,K2，假設(shè)擾動均為零，在給定階躍輸入下得到輸出響應(yīng)y1(t),y2(t)。串級系統(tǒng)的整定比單回路復(fù)雜，因為兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，各回路之間相互聯(lián)系，相互影響。改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個整定參數(shù)，對主、副回路的過渡過程都有影響，這種影響程度取決于主、副對象的動態(tài)特

7、性、而且待整定的參數(shù)比單回路多，因此，串級系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣。常用的工程整定方法有：試湊法，兩步整定法和一步整定法。其中一步整定法步驟為：選擇一個合適的負調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)K2，按純比例控制規(guī)律設(shè)置負調(diào)節(jié)器。本設(shè)計中經(jīng)過多次調(diào)試，確定K2=12。主調(diào)節(jié)器也先置于純比例作用，使串級控制系統(tǒng)投入運行，用整定單回路的方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。實驗步驟如下圖：圖3-2-3K1=1，I=0，K2=12，無擾動圖3-2-4K1=5,I=0,K2=12，無擾動圖3-2-5K1=7,I=0,K2=12，無擾動由上圖可知P越大，系統(tǒng)的響應(yīng)過程越好，超調(diào)量變大，震蕩頻率加大，響應(yīng)時間變短。由單回路控制得知P不應(yīng)

8、過大，因此選擇K1=7。因為副回路是隨動系統(tǒng)，允許有誤差，因為副調(diào)節(jié)器可以不引入積分作用，因此只需討論主調(diào)節(jié)器的I值即可。圖3-2-6K1=5,I=0.1,K2=12，無擾動圖3-2-7K1=7,I=0.1,K2=12，無擾動圖3-2-8K1=7,I=0.2,K2=12，無擾動由上圖很明顯得知，K1增大震蕩劇烈，超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時間變短，震蕩頻率加快。而引入積分環(huán)節(jié)后，超調(diào)變小，調(diào)節(jié)時間變短。I=0.2時較I=0.1時震蕩劇烈，調(diào)節(jié)時間過長，所以I=0.1。圖3-2-9K1=7,I=0.1,K2=12,一次擾動（主擾動）圖3-2-10K1=7,I=0.1,K2=12,二次擾動（副擾動）圖3-2

9、-11K1=7，I=0.1，K2=12,一、二次擾動均作用系統(tǒng)加入時間滯后環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的仿真圖圖3-2-12此時系統(tǒng)的參數(shù)整定數(shù)值為圖3-2-13K1=0.2，I=0.1，K2=0.3，一、二次擾動均作用以下為整定過程中各參數(shù)變化后的效果圖3-2-14K1=0.2，I=0.2，K2=0.3，一、二次擾動均作用（含時滯）圖3-2-15K1=0.2，I=0.1，K2=1，一、二次擾動均作用（含時滯）圖3-2-16K1=7，I=0.1，K2=0.3，一、二次擾動均作用（含時滯）主、副調(diào)節(jié)器共同作用，使得系統(tǒng)響應(yīng)加快，兩種干擾同時作用時，使超調(diào)量進一步加大，調(diào)節(jié)時間變長。串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，提高了系統(tǒng)的工作頻率，減小了震蕩周期，在衰減系數(shù)相同的情況下，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了系統(tǒng)的