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過程控制儀表與控制系統(tǒng)學(xué)校:山西農(nóng)業(yè)大學(xué)院校:工學(xué)院班級:電氣1301姓名:學(xué)號:

加熱爐的前饋一反饋控制系統(tǒng)摘要:加熱裝置目前市場上主要是采用前饋控制,但控制有很強的局限性,應(yīng)用更多的不便。這個設(shè)計是一個加熱爐設(shè)計的前饋-反饋控制系統(tǒng),使用MATLABSimulink系統(tǒng)仿真,和臨界比例法參數(shù)設(shè)置,完成符合實際需求的加熱爐設(shè)計的前饋-反饋控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:前饋-反饋控制系統(tǒng);活躍的體在大多數(shù)情況下,一個簡單的控制系統(tǒng)由于其自身需要較少的自動化儀器,設(shè)備,投資少,維護(hù)方便,當(dāng)年投產(chǎn),同時,在生產(chǎn)實踐證明,它能解決大量的問題生產(chǎn)控制,滿足定值控制的要求,因此,簡單的控制系統(tǒng)是最簡單的生產(chǎn)過程自動控制,最基本的,最廣泛使用的形式。為了滿足生產(chǎn)工藝,生產(chǎn)參數(shù)的不同要求生產(chǎn)過程中,先后出現(xiàn)了各種復(fù)雜的控制系統(tǒng),例如,串級控制系統(tǒng),前饋-反饋控制系統(tǒng),純滯后補償控制系統(tǒng)和解耦控制系統(tǒng)等。在各種復(fù)雜的控制系統(tǒng),前饋一反饋控制系統(tǒng)是在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,為雙閉環(huán)或多閉環(huán)控制,前饋一反饋控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于容量滯后較大及擾動大的對象。1設(shè)計任務(wù)及要求行參數(shù)。2前饋控制系統(tǒng)2.1前饋控制系統(tǒng)的特點理想的情況下,針對某種擾動的前饋控制系統(tǒng)能夠完全補償因擾動而引起的對被調(diào)量的影響。實現(xiàn)對干擾完全補償?shù)年P(guān)鍵是確定前饋控制器(前饋調(diào)節(jié)器)的控制作用,顯然W(s)取決于對象控制通道和干擾通道的特性。在油加熱爐控制系統(tǒng)中,通過階躍響應(yīng)特性試驗得到控制通道廣義對象傳函為:Go(s)=3.2e-2s6.8s+1原料油流量擾動通道的廣義傳函為:Gd(s)=2.79s+1Y(s)=[wDZ(s)+KBWB(s)WD(S)]Z(s)(1)Z}WDZ(s)+令KB=0則有:WB(2)(s)W(s)D式中:Z(s)是干擾引起的輸出。在理想的情況下,經(jīng)過前饋控制以后,被調(diào)量不變,若生產(chǎn)過程中燃料油流量是一可測的變化幅值較大較為頻繁的擾動,試設(shè)計前饋一一反饋加熱爐溫度控制系統(tǒng)。具體設(shè)計要求如下:1根據(jù)前饋的控制對象選擇方法的特點:2對應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計,給出了原理圖的流程圖,控制和系統(tǒng)的控制點帶控制點的流程圖控制和控制系統(tǒng)的原理圖。3仿真研究靜態(tài)和動態(tài)前饋擾動和跟蹤系統(tǒng)的特點。4選擇控制規(guī)律對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行仿真整定運即實現(xiàn)了所謂“完全補償”,此時:-7TZ(s)Wdz(s)+W(s)WD(s)=0所以,前饋控制器的控制規(guī)律為:W(s)=-WDZ(s)BWD(s)(3)上式說明前饋控制的控制規(guī)律完全是由對象特性決定的,它是干擾通道和控制通道傳遞函數(shù)之商,式中負(fù)號表示控制作用的方向與干擾作用相反。如果時或(s)和WD(s)可以很準(zhǔn)確測出,且w(s)完全和上式確定的特性一致,則不論干擾信號是怎樣的形式,前饋控制都能起到完全控制的作用,使被調(diào)量因干擾而引起的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均是零。3復(fù)合控制系統(tǒng)3.1復(fù)合控制系統(tǒng)特性分析正如前面所指出的那樣,前饋控制能依據(jù)干擾值的大小在被調(diào)參數(shù)偏離給定值之前進(jìn)行控制,使被調(diào)量始終保持在給定值上。這樣一個看起來相當(dāng)完美的控制方式也有其局限性。首先表現(xiàn)在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調(diào)量的反饋,即對于補償?shù)慕Y(jié)果沒有前言的手段。因而,當(dāng)前前饋作用并沒有最后消除偏差時,系統(tǒng)無法得知這一信息而作進(jìn)一步的校正。其次,由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾,為了補償它們對被調(diào)量的影響,勢必設(shè)計多個前饋通道,增加了投資費用和維護(hù)工作量。此外當(dāng)干擾通道的時間常數(shù)小于控制通道的時間常數(shù)時,不能實現(xiàn)完全補償。再者,前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制,對象特性受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生偏移,必然導(dǎo)致WD(s)和Wz(s)的變化,因此一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質(zhì)量。工程實際中,為克服前饋控制的局限性從而提高控制質(zhì)量,對一兩個主要擾動采取前饋補償,而對其它引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾采用反饋控制來克服。以這種形式組成的系統(tǒng)稱為前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)即能發(fā)揮前饋調(diào)節(jié)控制及時的優(yōu)點,又能保持反饋控制對各種擾動因素都有抑制作用的長處,因此得到了廣泛的應(yīng)用。3.2對象的特性分析根據(jù)前饋一一反饋控制系統(tǒng)的控制流程,設(shè)計控制系統(tǒng)的流程圖。流程圖如下圖所示。在之后的仿真和整定中均依據(jù)此圖進(jìn)行調(diào)整和改動4控制系統(tǒng)設(shè)計4.1控制基本方案與儀器儀表的選擇根據(jù)估算得出的T=6.78采用整定法得出Kp=0.807,Ti=4.3,Td=2.14,初定PID控制器的參數(shù)為Kc=Kp=0.901,Ki=Kc/Ti=0.2145,Kd=Kc*Kd=0.901至此先將擾動通道和前饋通道去除,并對PID控制器的三個參數(shù)進(jìn)行多方面綜合調(diào)整,比例調(diào)節(jié)量Kc的增大可增強對系統(tǒng)的作用,并提高系統(tǒng)快速性,但會是系統(tǒng)超調(diào)量增大,降低系統(tǒng)穩(wěn)定性,積分調(diào)節(jié)量Ki的增大會使系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性減弱,但可以實現(xiàn)誤差調(diào)節(jié),消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,微分調(diào)節(jié)量Kd的增大可使系統(tǒng)微分控制作用增強,但會帶來一定的超前特性。經(jīng)過多次調(diào)整和波形觀察觀察,對控制器參數(shù)進(jìn)行微調(diào)整,取Kc=0.955,Ki=0.08,Kd=0.81得到理想的系統(tǒng)輸出。儀器儀表選擇DDZ—III型電動調(diào)節(jié)器,其輸入信號為4——20mA。因為加熱爐內(nèi)部溫度較高,所以傳感器部分采用傳統(tǒng)的熱電偶料流量是主要擾動,故將其作為前饋信號,與調(diào)節(jié)器輸出信號相加后做為調(diào)節(jié)閥的控制信號。Km>0,從安全角度考慮,調(diào)節(jié)閥為氣開閥,則Kv>0。對象Kp>0,所以調(diào)節(jié)器Kc>0。溫度變送器量程為0—150°C

4.2控制系統(tǒng)的MATLAB仿真在做完以上的所有分析和整定之后,將完整的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗,并對之前得到的PID控制參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)微調(diào)整。在這次仿真中,可以比較理想PID與實際PID的控制效果。仿真原理圖如下圖所示

5結(jié)論調(diào)節(jié)的結(jié)果基本令人滿意,超調(diào)量均控制在20%以內(nèi),調(diào)節(jié)時間也在合理的范圍中,擾動得到克服。這里可以明顯觀察到在理想PID調(diào)節(jié)和實際PID調(diào)節(jié)下系統(tǒng)的輸出有一定的差別。相比理想PID調(diào)節(jié)器,在實際PID控制器調(diào)節(jié)下系統(tǒng)輸出的衰減比更大,超調(diào)量也略大,調(diào)節(jié)時間更短。設(shè)計心得,在前饋反饋系統(tǒng)對加熱爐溫—度控制的研究過程中,本人對前土如-*?饋一一反饋控制系統(tǒng)的模型與控制過程有□了更進(jìn)一步的認(rèn)識,原本抽象的控制理*論也變得更加清晰,對于這種傳統(tǒng)的經(jīng)典學(xué)科我還需要繼續(xù)投入時間去領(lǐng)悟和理解,在課程設(shè)計這個過程中我走了不少彎路,這些可以當(dāng)成經(jīng)驗供以后參考。參考文獻(xiàn)微調(diào)后的PID參數(shù)為:Kc=1.21,Ki=0.13,Kd=0.84。三個參數(shù)均有改動。在實際PID控制器的環(huán)節(jié)中,微分增益應(yīng)該為微分環(huán)節(jié)分母一次項系數(shù)的5到10倍。這里取

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