對某一特定對象進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——對某一特定對象進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書

學(xué)院：課程名稱：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師（簽名）：

一、課程設(shè)計(jì)題目1.對某一特定對象進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)2．對某一對象進(jìn)行DDC原則性設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)的目的通過本課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生能較好的把握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)方法；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的DDC設(shè)計(jì)方法，在一定程度上使學(xué)生對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一個(gè)較全面的了解和對所學(xué)的知識進(jìn)行整合，使其得到一次全面、系統(tǒng)、獨(dú)立的培養(yǎng)。三、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求已知條件：1、設(shè)有限拍無波紋隨動系統(tǒng)如圖，對象特性G(S)=10/S(1+0.1S)采用零階保持器，采樣周期T=0.1S,試設(shè)計(jì)單位速度輸入時(shí)有限拍無波紋調(diào)理器D(Z)。R(S)+E（Z）_D(Z)H0(S)G(S)Y(Z)TT零階保持器對象T有限拍調(diào)理器2、某加熱爐燃燒系統(tǒng)如圖，試進(jìn)行DDC原則性設(shè)計(jì)，使加熱爐能環(huán)保經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

要求：1、嚴(yán)格遵守作息時(shí)間，認(rèn)真完成課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)共計(jì)一周。2、按要求完成課程設(shè)計(jì)說明書一份。四、工作進(jìn)度安排1、根據(jù)已知技術(shù)參數(shù)完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)。（2天）2、根據(jù)題目設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案，畫出原則性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，說明系統(tǒng)各部分的作用及工作原理。（2天）3、編寫課程設(shè)計(jì)說明書（1天）五、主要計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

Ge(z)?E(z)1（1-3）?1?Gc(z)=

R(z)[1?D(z)HG(z)]有限拍隨動系統(tǒng)的調(diào)理器由（1-2）和（1-3）可得

D(z)Gc(z)（1-4）

Ge(z)HG(z)由式（1-4）可見．有限拍數(shù)字調(diào)理器跟對象持性HG(z)和閉環(huán)Z傳遞函數(shù)有關(guān)，也跟誤差Z傳遞函數(shù)Ge(z)有關(guān)。

眾所周知，隨動系統(tǒng)的調(diào)理時(shí)間也就是系統(tǒng)的誤差e(kT)達(dá)到恒定值或趨于零所需要的時(shí)間，根據(jù)Z變換的定義

E(z)??e(kT)z?k

k?0?=e(0)?e(T)z?1?e(2T)z?2?e(3T)z?3???e(kT)z?k?...（1-5）

由式（1-5）就可知道e(0),e(T),e(2T),...,e(kT),...。有限拍系統(tǒng)就是要求系統(tǒng)在典型的輸入作用下，當(dāng)k≥N時(shí)，e(kT)為恒定值或e(kT)等于零。N為盡可能小的正整數(shù)。由式（1-3）得

A(z?1)（1-6）E(z)?Ge(z)R(z)?Ge(z)?1m(1?z)在特定的輸入作用下，為了使（1-6）式中E（z）是盡可能少的有限項(xiàng)，必需合理地選擇Ge(z)。

1.1.2有限拍調(diào)理器的設(shè)計(jì)

由（1-4）式，有限拍調(diào)理器D(z)?Gc(z)，它跟系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)和

Ge(z)HG(z)輸入型式[與選擇的Ge(z)]有關(guān)，也跟對象的特性HG(z)有關(guān)。當(dāng)對象特性HG(z)中包含

z?r因子以及單位圓上（z=1除外）和單位圓外的零點(diǎn)時(shí)，有限拍調(diào)理器將可能無法實(shí)現(xiàn)。

2

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

z設(shè)HG(z)=

?r?(1?zzii?1il?1)（1-7）

?(1?pzi?1n?1)z則D(z)?r?1(1?pz)Gc(z)?ii?1nn（1-8）

Ge(z)?(1?ziz?1)i?1式中，zi是HG(z)零點(diǎn)，pi是HG(z)極點(diǎn)。

由式（1-8）可見，若D(z)中存在zr環(huán)節(jié)，則表示數(shù)字調(diào)理器應(yīng)具有超前特性，即在環(huán)節(jié)施加輸入信號之前r個(gè)采樣周期就應(yīng)當(dāng)有輸出，這樣的超前環(huán)節(jié)是不可能實(shí)現(xiàn)的。所以HG(z)分子中含有z?r因子時(shí)，必需使閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)的分子中含有z?r因子，以抵消HG(z)中的z?r因子，以免D(z)中出現(xiàn)超前環(huán)節(jié)zr。

在式（1-8）中，若在?(1?ziz?1)中，存在單位圓上（zi?1除外）和單位圓外的zi時(shí)，

i?1n則D(z)將是發(fā)散不可實(shí)現(xiàn)的，因此，D(z)中不允許包含HG(z)的這類零點(diǎn)，也不允許它們作為Gc(z)的極點(diǎn)，所以只能把HG(z)中zi≥1（zi?1除外）的零點(diǎn)作為Gc(z)的零點(diǎn)，從而保證了D(z)的穩(wěn)定性。當(dāng)然，Gc(z)的分子部分增加了這些zi≥1（zi?1除外）的零點(diǎn)以后，將使調(diào)理時(shí)間ts加長。

由式（1-4），有限拍系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

Gc(z)?D(z)HG(z)Ge(z)（1-9）

若對象特性HG(z)的極點(diǎn)?(1?piz?1)中，存在單位圓上（pi?1除外）或單位圓外的

i?1n極點(diǎn)時(shí)，為了保證系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定，HG(z)的單位圓上（pi?1除外）或單位圓外的極點(diǎn)，用Ge(z)的零點(diǎn)對消掉。

綜上所述，設(shè)計(jì)有限拍調(diào)理器時(shí)，必需顧及D(z)的可實(shí)現(xiàn)性要求，合理選擇Gc(z)和

Ge(z)。

3

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

（1）（zi?1除外）或單位圓外的極點(diǎn)；D(z)必需是可實(shí)現(xiàn)的，D(z)不包含單位圓上D(z)不包含超前環(huán)節(jié)。

（2）選擇Gc(z)時(shí)，應(yīng)把HG(z)分子中z?r因子，作為Gc(z)分子的因子，即Gc(z)的分子部分必需包含HG(z)分子部分的因子z?r（r=1,2,3，?）；應(yīng)把HG(z)的單位圓上（zi?1除外）和單位圓外的零點(diǎn)作為Gc(z)的零點(diǎn)。

（3）選擇Ge(z)時(shí)，必需考慮輸入型式，并把HG(z)的所有不穩(wěn)定極點(diǎn)，即單位圓上（pi?1除外）和單位圓外的極點(diǎn)作為Ge(z)的零點(diǎn)。

1.1.3有限拍無紋波設(shè)計(jì)

有限拍系統(tǒng)采用Z變換方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采樣點(diǎn)上的誤差為零，不能保證采樣點(diǎn)之間誤差值也為零，有限拍系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在采樣點(diǎn)之間存在紋波。紋波不僅造成誤差，也消耗功率，消費(fèi)能量，而且造成機(jī)械摩損。有限拍的設(shè)計(jì)的要求是在系統(tǒng)的典型輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期以后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。并且，在采樣點(diǎn)之間沒有紋波。

波動是零階保持器的輸入e2(kT)的波動造成的。有限拍無紋波設(shè)計(jì)就是要求當(dāng)k≥N時(shí)，e2(kT)保持恒定值，或?yàn)榱?，N為某正整數(shù)。由于E2(z)?D(z)E1(z)?D(z)Ge(z)R(z)，若選定D(z)Ge(z)是z?1的有限多項(xiàng)式，那么，在確定的輸入作用下，經(jīng)過有限拍，e2(kT)就能達(dá)到某恒定值，而且能保證系統(tǒng)的輸出沒有紋波。

為了使e2(kT)是有限拍，應(yīng)當(dāng)讓D(z)Ge(z)是z?1的有限多項(xiàng)式，由式（1-4）可得

D(z)Ge(z)?Gc(z)HG(z)

?Gc(z)?(1?pzii?1?rni?1n?1)zGe(z)?(1?ziz?1)（1-10）

式中pi，zi分別是HG(z)的極點(diǎn)和零點(diǎn)。由式（1-10）可以看出，HG(z)的極點(diǎn)pi不會影響

4

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

而HG(z)的零點(diǎn)zi有可能使D(z)Ge(z)成為z?1的無限多項(xiàng)D(z)Ge(z)成為z?1的有限多項(xiàng)式，

式，因此有限拍無紋波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求Gc(z)的零點(diǎn)包含HG(z)的全部零點(diǎn)。這也是有限拍無紋波設(shè)計(jì)與有限拍有紋波設(shè)計(jì)的唯一不同之處。在有限拍有紋波設(shè)計(jì)時(shí)，只要求

Gc(z)的零點(diǎn)包含HG(z)的單位圓上（zi?1除外）和單位圓外的零點(diǎn)。

1.2有限拍無紋波設(shè)計(jì)實(shí)例

已知條件：

設(shè)有限拍無波紋隨動系統(tǒng)如圖，對象特性G(S)=10/S(1+0.1S)采用零階保持器，采樣周期T=0.1S,試設(shè)計(jì)單位速度輸入時(shí)有限拍無波紋調(diào)理器D(Z)。

R(S)+E（Z）_D(Z)H0(S)G(S)Y(Z)TT零階保持器對象T有限拍調(diào)理器

圖1-2有限拍隨動系統(tǒng)

解：廣義對象的Z傳遞函數(shù)

HG(z)?(1?e?TS)?0.368z?1(1?0.717z?1)10?Z??=?1?1ss(0.1s?1)(1?z)(1?0.368z)??HG(z)具有z?1因子，零點(diǎn)z1??0.717，極點(diǎn)p1?1，p2?0.368。Gc?z??z?1?1?0.717z?1??a0?a1z?1???選擇??12?1Ge?z???1?z1??b0?b1z???（1-11）

Gc(z)中z-1和1+0.717z-1是由于HG(z)中含有z-1因子和零點(diǎn)z=-0.717，Ge(z)中(1-z-1)2

是由單位速度輸入決定的。而Gc(z)中(a0+a1z-1)的項(xiàng)和Ge(z)中的(b0+b1z-1)項(xiàng)是為了使Ge(z)和Gc(z)的階次一致，且使式子Gc(z)=1-Ge(z)成立。由式（1-11）可得

z?1?1?0.717z?1??a0?a1z?1??1??1?z?1??b0?b1z?1?

2解方程，可得

a0=1.408，a1=-0.826，b0=1，b1=0.592單位速度輸入時(shí)，有限拍無紋波調(diào)理器

5

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

3.826?1?0.5864z?1??1?0.368z?1?Gc?z?D?z????1?1Ge?z?HG?z?1?z1?0.592z????E2?z??D?z?Ge?z?R?z??3.826?1?0.5864z?1??1?0.368z?1??1?z??1?0.592z??1?1?1?z??1?0.592z??12?1Tz?1?1?z??12

?0.3826z?1?0.0174z?2?0.1z?3?0.1z?4?...由Z變換定義可得e2(0)=0e2(T)=0.3825e2(2T)=0.0174

e2(3T)=e2(4T)=e2(5T)=?=0.1

系統(tǒng)三拍以后，即k≥3，e2(kT)=0.1，所以系統(tǒng)的調(diào)理時(shí)間ts=3T=0.3s，并且可保證系統(tǒng)的輸出是無紋波的。與有紋波有限拍系統(tǒng)一樣，按單位速度輸入設(shè)計(jì)的有限拍無紋波系統(tǒng)，當(dāng)輸入為單位階躍函數(shù)時(shí)，調(diào)理時(shí)間ts=3T=0.3s，超調(diào)量σp相當(dāng)大。為了作出有限拍無紋波系統(tǒng)的輸出相應(yīng)，（包括采樣點(diǎn)之間的輸出值），可以用廣義Z變換或擴(kuò)展Z變換求出Y?z,???Ge?z?D?z?HG?z,??R?z?然后求出相應(yīng)的y(t)。圖1-3表示有限拍無紋波系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。

由上述分析可以得出，為了消除紋波，系統(tǒng)的調(diào)理時(shí)間加長或者調(diào)理性能變壞。有限拍無紋波設(shè)計(jì)，依舊只是針對某種類型的輸入信號。當(dāng)輸入型式改變時(shí)，系統(tǒng)的動態(tài)性能尋常變壞。

圖1-3有限拍無紋波系統(tǒng)的輸出響應(yīng)

6

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

以上就是對某一特定對象進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)的結(jié)果，并通過有限拍無波紋調(diào)理器的設(shè)計(jì)思路和例題，實(shí)現(xiàn)了有限拍的設(shè)計(jì)目的,在系統(tǒng)的典型輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期以后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。并且，在采樣點(diǎn)之間沒有紋波。

7

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

其次章加熱爐系統(tǒng)的DDC原則性設(shè)計(jì)

DDC系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如石油、化工、發(fā)電、冶金、輕工、制藥和建材等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)控制的基本系統(tǒng)，按需要構(gòu)成小、中、大系統(tǒng)。DDC系統(tǒng)功能的發(fā)揮取決于應(yīng)用設(shè)計(jì)的水平。本章表達(dá)加熱爐燃燒系統(tǒng)DDC原則性設(shè)計(jì)的方法。

DDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為開發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用設(shè)計(jì)兩部分。開發(fā)設(shè)計(jì)是生產(chǎn)最終用戶所需的硬件和軟件，應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)選擇被控對象所需的硬件、軟件和控制方案。

2.1DDC系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)概述

開發(fā)者的任務(wù)是生產(chǎn)最終用戶所需的硬件和軟件。首先進(jìn)行市場調(diào)查，了解用戶需求；然后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，落實(shí)具體的技術(shù)指標(biāo)；最終進(jìn)行制造調(diào)試，檢驗(yàn)合格后在市場銷售。開發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模板化、模塊化和系列化的原則。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化是指硬件要符合國際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。例如，設(shè)計(jì)工業(yè)PC要符合PC總線標(biāo)準(zhǔn),采用通用的元器件，如Intel80386、80486，Pentium系列CPU，標(biāo)準(zhǔn)的RS-232、RS-422、RS-485、以太網(wǎng)通信接口等。

（2）模板化

硬件模板化是指按系統(tǒng)功能把硬件分成若干個(gè)模板。例如，可以把一臺工業(yè)PC分成主機(jī)板、AI板、AO板、DI板、DO板、通信板、總線底板等。

（3）模塊化

軟件模塊化是指按應(yīng)用軟件功能將其分為若干個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，若干個(gè)模塊組合成功能更齊全的模塊組。

（4）系列化

系列化是指構(gòu)成系統(tǒng)的硬件和軟件要配套。例如，配置一臺工業(yè)PC，除了一系列的硬件模板外，還要有安裝硬件模板的機(jī)箱或機(jī)架，另外還有配套的硬盤、軟盤、光盤、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)等。軟件除了Windows操作系統(tǒng)及其配套軟件外，還要有配套的用于工業(yè)控制的應(yīng)用軟件或監(jiān)控組態(tài)軟件。

開發(fā)者為用戶提供通用的OEM產(chǎn)品，即初次制造產(chǎn)品，這種開發(fā)設(shè)計(jì)被稱為“一次開發(fā)〞。用戶按被控對象的要求選擇所需的OEM產(chǎn)品，并組裝成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程實(shí)施控制，這種應(yīng)用設(shè)計(jì)被稱為“二次開發(fā)〞。

8

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

2.2DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

應(yīng)用者的任務(wù)是選擇滿足控制對象所需的硬件和軟件，設(shè)計(jì)控制方案，并用監(jiān)控組態(tài)軟件構(gòu)成可實(shí)際運(yùn)行的控制回路及操作顯示畫面，通過現(xiàn)場投運(yùn)調(diào)試，滿足操作監(jiān)控要求。應(yīng)用設(shè)計(jì)的過程按順序可以分為可行性研究、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、組態(tài)設(shè)計(jì)、應(yīng)用組態(tài)、安裝調(diào)試、現(xiàn)場投運(yùn)7個(gè)階段。本文探討其中的控制方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試。

DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)的目標(biāo)是把控制系統(tǒng)方案應(yīng)用于生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，滿足控制要求。DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)的內(nèi)容是用工程圖紙和文字資料描述控制方案的具體方案。下面簡單介紹應(yīng)用設(shè)計(jì)的原則和內(nèi)容。

隨著DDC系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和繁雜程度的不斷提高，過去那種單一、兩個(gè)人的手工作坊式的設(shè)計(jì)方法已不使用，必需依靠大量人分工協(xié)調(diào)共同完成。為此，人們總結(jié)出一系列科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，包括規(guī)范化設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法和集成化設(shè)計(jì)方法。

2.2.1應(yīng)用設(shè)計(jì)的原則

DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員必需要有正確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、熟練的業(yè)務(wù)技能和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，另外還必需符合一系列應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范。為了做好DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮以下設(shè)計(jì)原則。

（1）符合應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

目前我國石油、化工、電力、冶金等工業(yè)部門制定了有關(guān)常規(guī)儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，并出版了設(shè)計(jì)手冊及工具書，可以參照這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進(jìn)行DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

（2）堅(jiān)持求實(shí)和創(chuàng)新精神

創(chuàng)新是為了提高設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，以利于推動生產(chǎn)過程自動化水平的不斷提高。因此，設(shè)計(jì)人員要勇于開拓進(jìn)取，充分吸取國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)。

（3）處理好技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系

設(shè)計(jì)工作處了要技術(shù)上可靠和先進(jìn)外，還需要考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)論證分析，做多方案的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，以求得良好的綜合效益。技術(shù)水平的高低應(yīng)當(dāng)從工程實(shí)際出發(fā)，使技術(shù)和經(jīng)濟(jì)得到辯論的統(tǒng)一。

（4）維護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和客觀性

設(shè)計(jì)的依據(jù)是來自生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入生產(chǎn)第一線了解用戶需求。為了維護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和客觀性，設(shè)計(jì)中采用的基礎(chǔ)資料要確鑿可靠，各種數(shù)據(jù)和技術(shù)條件要

9

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

正確、切合實(shí)際。為了保證設(shè)計(jì)的完整性和嚴(yán)肅性，設(shè)計(jì)文件要規(guī)范化，文件中的文字說明要明白和確鑿。圖紙要明了和正確。

（5）協(xié)調(diào)各個(gè)專業(yè)之間的關(guān)系

DDC系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)是整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一部分，是能否實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的關(guān)鍵。盡管DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)屬于自控專業(yè)的設(shè)計(jì)范圍，設(shè)計(jì)人員除了要重視應(yīng)用設(shè)計(jì)工作外，還應(yīng)處理好與外專業(yè)之間的相互協(xié)同，協(xié)調(diào)各個(gè)專業(yè)之間的關(guān)系。主要處理好與下述專業(yè)的關(guān)系：

①自動專業(yè)與工藝專業(yè)的關(guān)系

DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員必需了解工藝的流程及裝置布局，熟悉生產(chǎn)過程的控制要求和操作方式。工藝專業(yè)設(shè)計(jì)人員必需向自控專業(yè)控制人員提供自控條件和工藝參數(shù)。

②自控專業(yè)與設(shè)備專業(yè)的關(guān)系

DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員必需了解設(shè)備的概況和性能，對關(guān)鍵性設(shè)備要了解其工作原理的操作特點(diǎn)。設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)人員必需向自控專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供設(shè)備控制要求，一次儀表安裝位置和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

③自控專業(yè)與電氣專業(yè)的關(guān)系

DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員必需向電氣專業(yè)設(shè)計(jì)人員提出儀表供電電源等級、供電電壓、允許電壓波動范圍和耗電量，備用電源和不休止電源的供電要求，控制室接地和防干擾要求。

2.2.2應(yīng)用設(shè)計(jì)的內(nèi)容

根據(jù)控制方案和設(shè)計(jì)原則，繪制應(yīng)用設(shè)計(jì)圖，編寫設(shè)計(jì)說明書。DDC系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：

（1）管線儀表設(shè)備（PID）位號圖（2）現(xiàn)場儀表設(shè)備選型（3）計(jì)算機(jī)設(shè)備選型（4）安裝接線圖

（5）控制系統(tǒng)的組態(tài)文檔

2.2.3加熱爐DDC系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)

DDC系統(tǒng)的控制方案的設(shè)計(jì)必需針對某個(gè)生產(chǎn)過程或被控對象，下面僅以加熱爐燃燒控制為例來探討。根據(jù)已知條件，對某加熱爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行DDC原則性設(shè)計(jì)，使加熱爐能環(huán)

10

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

保經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

1．爐溫并行串級控制方案

一般串級控制中主調(diào)理器只對應(yīng)一個(gè)副調(diào)理器，若同時(shí)對應(yīng)兩個(gè)副調(diào)理器，那就構(gòu)成并行串級控制。爐膛溫度、燃料流量和空氣流量并行串級控制系統(tǒng)如圖2-1所示，爐膛溫度為主控參數(shù)，燃料流量和空氣流量為副控參數(shù)。爐膛溫度主調(diào)理器TC的輸出直接作為燃料流量副調(diào)理器FFC的給定值，同時(shí)經(jīng)過空燃比運(yùn)算器ｒ運(yùn)算后，作為空氣流量副調(diào)理器FAC的給定值。通過調(diào)整ｒ，可以改變空氣和燃料的配比關(guān)系。

圖2-1爐溫并行串級控制系統(tǒng)

為了使燃料充分燃燒必需供給足夠量的空氣，即保證一定的剩余空氣系數(shù)μ或空燃比ｒ，其定義分別為

??Fa(2-1)A0FfFaFamax(2-2)

FfFfmaxr?其中，F(xiàn)a和Famax分別為空氣流量的測量值和最大值，F(xiàn)f和Ffmax分別為燃料流量的測量值和最大值，A0為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的理論空氣量。

空燃比ｒ與剩余空氣系數(shù)μ的關(guān)系為

????(2-3)

其中，β為量程修正系數(shù)，它的計(jì)算式為

??A0FfmaxFamax(2-4)

剩余空氣系數(shù)μ的理論值是1，此時(shí)燃燒后排放的煙氣中氧含量為零，稱為最正確燃燒。這種理想狀況很難達(dá)到，一般選用μ＝1.02～1.10。通過測量煙氣含氧量O2來分析燃燒優(yōu)

11

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

劣，理想狀況是煙氣含氧量O2＝0％，剩余空氣系數(shù)μ與煙氣含氧量O2的估算式為

O2?空氣系數(shù)μ＝1.10。

21???1??%(2-5)例如，測量煙氣中含氧量O2＝2％，求得剩余

加熱爐燃燒過程中，不僅要保證穩(wěn)態(tài)狀況下的剩余空氣系數(shù)μ一定，更重要的是在加熱爐熱負(fù)荷變化的動態(tài)狀況下，保證μ仍維持在合理的范圍內(nèi)，圖2-1所示的控制方案，在穩(wěn)態(tài)狀況下，空氣和燃料之間的配比關(guān)系也難以保證一定，在動態(tài)狀況下更不用說了。爐溫并行串級控制系統(tǒng)（圖2-1）的負(fù)荷變化試驗(yàn)曲線如下圖所示。試驗(yàn)所用的溫度對象、空氣流量和燃料流量對象特性式分別為

Gt?s?Ga?s?1?1?Tts?14(2-6)

?1?Tas?2(2-7)

Gf?s??1(2-8)1?Tfs其中，Tt，Ta和Tf分別為溫度、空氣和燃料對象的時(shí)間常數(shù)。

圖2-2爐溫并行串級控制系統(tǒng)的負(fù)荷變化試驗(yàn)曲線

12

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

圖2-2說明，當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，如爐溫給定值St從1150℃升到1250℃，盡管燃料流量給定值Sf和空氣流量給定值Sa同時(shí)直線上升，但由于空氣對象的時(shí)間常數(shù)大于燃料對象的時(shí)間常數(shù)，使得實(shí)際燃料流量Ff的增加速度大于實(shí)際空氣流量Fa，此時(shí)剩余空氣系數(shù)μ下降。假使μ設(shè)置得比較小，則有可能出現(xiàn)燃料過剩；反之，當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，μ上升，又出現(xiàn)空氣過剩。

綜上所述，假使不考慮空氣、燃料流量對象特性的差異，而把溫度調(diào)理器的輸出信號同時(shí)直接送給兩個(gè)流量調(diào)理器，那么將造成升負(fù)荷時(shí)剩余空氣系數(shù)μ值偏低，簡單產(chǎn)生不完全燃燒而冒黑煙；而降負(fù)荷時(shí)剛好相反，μ值偏高，空氣過剩而增加排煙熱損失。這兩種狀況的后果是降低了加熱爐的燃燒熱效率，并污染了環(huán)境。

針對上述問題，必需改善空氣與燃料之間的動態(tài)配比。為此，對空氣、燃料流量采用相互交織限制的措施，保證在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)狀況下，剩余空氣系數(shù)μ值始終維持在最正確燃燒區(qū)，燃燒效率高。

2．雙交織限制燃燒控制方案

雙交織限制燃燒控制系統(tǒng)如圖2-3所示。它增加了高值選擇器HS２、低值選擇器LS２、正偏置+a４％和負(fù)偏置-a３％，從而保證了加熱爐負(fù)荷變化的過程中，既限制了剩余空氣系數(shù)μ的下限值，又限制了μ的上限值，使得燃料流量Fｆ和空氣流量Fａ分別限制在冒黑煙界限和空氣剩余界限之內(nèi)，如圖2-4所示。

圖2-3雙交織限制燃燒控制系統(tǒng)

13

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

雙交織限制燃燒控制系統(tǒng)的工作原理如下：

在燃料流量調(diào)理回路中，爐溫調(diào)理器TC的輸出信號A，與根據(jù)空氣流量測量值Fa計(jì)算出的所需燃料流量減去偏置a３％得到的信號C

a?F?C??1?3?a(2-9)

?100?r和信號B相比較，由高值選擇器HS２和低值選擇器LS１來選通A，C，B之一作為燃料流量調(diào)理器FFC的給定值Sｆ。

在空氣流量調(diào)理回路中，爐溫調(diào)理器TC的輸出信號A，與燃料流量測量值Fｆ加上偏置a４％得到的信號E

a??E??1?4?Ff(2-10)

?100?和信號D相比較，由低值選擇器LS２和高值選擇器HS１來選通A，E，D之一，再乘以空燃比ｒ作為空氣流量調(diào)理器FAC的給定值Sａ。

圖2-4表示出當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，雙交織限制燃燒控制系統(tǒng)中各信號的過渡過程。下面分別對穩(wěn)定負(fù)荷、升負(fù)荷和降負(fù)荷這三種狀態(tài)進(jìn)行分析。（1）定負(fù)荷

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，爐溫調(diào)理器TC的輸出信號A同時(shí)作為燃料流量調(diào)理回路的給定值（Sｆ＝A）和空氣