DCS鍋爐水溫控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、DCS鍋爐水溫控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目錄摘要1Abstract21.研究的背景32.課題研究的目的、意義、方法42.1研究的目的、意義42.2研究方法43. 網(wǎng)絡(luò)控制對象介紹及分析53.1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置介紹53.2溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)63.3電鍋爐控溫方式73. 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特性分析83.1電鍋爐溫度非線性與滯后性83.2電鍋爐控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型94. 總結(jié)135. 參考文獻(xiàn)13摘要 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是20世紀(jì)80年代以來，由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究所取得的突破性進(jìn)展，與控制理論相結(jié)合，而發(fā)展起來的自動(dòng)控制領(lǐng)域的前沿學(xué)科之一。它已成為智能控制的一個(gè)新的分支，為解決復(fù)雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問題

2、開辟了新的途徑。溫度是流程工業(yè)中極為常見的熱工參數(shù)，對其的控制也是過程控制的一個(gè)重點(diǎn)。由于加熱機(jī)理、加熱裝置特殊結(jié)構(gòu)等具體原因，使得過程對象經(jīng)常具有大時(shí)滯、大慣性、非線性、時(shí)變性及其他不穩(wěn)定特性，為此，本文以過程控制系統(tǒng)中的溫度為對象，進(jìn)行多變量耦合系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。 本文針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)被控實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，以鍋爐水溫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置為被控對象，首先探討了國內(nèi)外多變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制研究現(xiàn)狀，采用階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析了控制系統(tǒng)的耦合特性并建立數(shù)學(xué)模型，闡述了PID對角矩陣解耦控制算法在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及其若干改進(jìn)學(xué)習(xí)方法后，提出了融解耦器和控制器于一體的

3、8P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多變量PID解耦控制器，在多變量溫度解耦控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究，深入探討了解耦控制器的特性和具體的設(shè)計(jì)思想。實(shí)時(shí)控制結(jié)果表明，通過上述解耦方法在一定程度上解決了傳統(tǒng)PID控制器不易進(jìn)行在線實(shí)時(shí)參數(shù)整定等方面的缺陷，充分發(fā)揮PID控制的優(yōu)點(diǎn)，又由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力、并行處理能力和魯棒性，使得采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，有效的解決了電鍋爐多變量溫度系統(tǒng)的耦合，證實(shí)了該方法的可行性與有效性。關(guān)鍵詞：過程控制系統(tǒng)；PID控制；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；多變量系統(tǒng)；0Abstract NNcontrolis that the Institutemade abrcakthrol Ig

4、h011 artificial neural networks，and thecontroltheory,controlanddevelopmentofthesubjectin the forefront of the field since the1980sIt has become a new branch ofintelligentcontroland hasopened upa newwaytosolveThe complicated nonlinear,uncertain，indeterminate process control systemProcess temperaturei

5、s the most common industrial thermalparameter,aswell as its control of it is a keytoprocess contr01As theheating mechanism，the special heatingdevice structure and specificreasons fordelay making processthat havefrequentlybeentargeted,inertia，nonlinear, time-varyingcharacteristics and otherunstabliti

6、es，Inthispaper,the temperatureof aprocess.Controlsystem istargetedat formultivariablecoupling systemofregulationand control AimingtO thisfacilitysthe feature，atemperaturecontrolsystemis described in thispaper，first thepresentstatus ofdecoupling controllingis studied thecoupleoftemperaturesystem of e

7、lectric boiler isanalyzed by step responseand builds a mathematicalmodel，expoundingon the diagonalmatrixdecouplingPID controlalgorithmin theapplicationoftemperaturecontrol systemAnd based of a detailedbriefingOn the BP neural networkalgorithmand a number of study methods,decouplerand the financial c

8、ontroller of BP neural network thatintegrates multi-variable PID controller Multivariable ControlSystem decoupling temperaturein the applicationandresearch，Depthandspecificcharacteristics of thede,couplingcontrollerdesign.The results of real-time control show thatdecouplingto a certain extentthe abo

9、ve solution is noteasy for the traditional PID controllertuning parametersand so Oilline defects，and give fullplaytotheadvantagesof PIDcontr01Also，because of theabilitytOadaptneuralnetworks，parallel processing capabilityandrobustness，thecontrolsystemmakesuSe of neural networks and has betteradaptabi

10、lityandrobustness，Efficientsolution for the electric boilertemperature multivariablecoupling system，the feasibilityand effectiveness of the methodareconfumedKeywords：ProcessControlSystem；PID(ProportionalIntegral-Derivative)Control：BPNN(BackPropagationNeural Network)：MultivariableSystem。11.研究的背景 在現(xiàn)代工

11、業(yè)生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，生產(chǎn)工藝要求各異，生產(chǎn)的品種多種多樣，因此過程控制中的被控過程的形式也是多種多樣的。有些生產(chǎn)過程是在較大的設(shè)備中進(jìn)行的，它們的動(dòng)態(tài)特性一般具有大慣性、大時(shí)延(大滯后)的特點(diǎn)，而且常伴有非線性特點(diǎn)。例如熱工過程中的鍋爐、熱交換器、動(dòng)力核反應(yīng)堆；冶金過程中的平爐、轉(zhuǎn)爐；機(jī)械工業(yè)過程中的熱處理爐；石油化工過程中的精餾塔、化學(xué)反應(yīng)器等，這些過程的工作機(jī)理復(fù)雜，有些至今尚未被人們所認(rèn)識。 過程控制的任務(wù)就是在了解掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜、動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。在大部分工業(yè)生產(chǎn)部門中，鍋爐是一種不可缺少的

12、動(dòng)力設(shè)備。溫度也是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。對于不同場所，工藝所需溫度范圍、精度等要求不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同。在目前多數(shù)過程控制系統(tǒng)中，其給定值是恒定的或保持在很小的范圍內(nèi)變化的控制的主要目的是在于如何減小或消除外界擾動(dòng)對被控量的影響，使生產(chǎn)穩(wěn)定，保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。 隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機(jī)對溫度進(jìn)行測控得到日益發(fā)展和完善，且越來越顯示出其優(yōu)越性。但由于鍋爐溫度本身所具有的大慣性、純滯后、非線性、時(shí)變性及其它

13、不穩(wěn)定因素，使得鍋爐溫度數(shù)學(xué)模型的建立非常困難，這大大限制了最優(yōu)控制方法的應(yīng)用。122.課題研究的目的、意義、方法2.1研究的目的、意義 任何一個(gè)生產(chǎn)過程都不可能僅在單變量(單輸入單輸出)下工作，尤其是隨著工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，在一個(gè)過程控制系統(tǒng)中，需要控制的變量(被控量)及需進(jìn)行操作的變量(控Nit)常不止一對，而且這些變量之間又常以各種形式相互關(guān)聯(lián)著，隨著耦合度增加。系統(tǒng)品質(zhì)也會有明顯惡化，使多變量系統(tǒng)的控制難以達(dá)到滿意的指標(biāo)。工業(yè)過程控制要求系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，又有較好的調(diào)節(jié)性能，能以較小的誤差跟蹤設(shè)定值的變化，并使穩(wěn)態(tài)誤差為零。為了達(dá)到高質(zhì)量的控制性能，必須進(jìn)行控制設(shè)計(jì)、研

14、究。因此，多變量系統(tǒng)(以下簡稱MIMO系統(tǒng))的控制問題研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值、更具有直接應(yīng)用的重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并且是有豐富內(nèi)涵和實(shí)際工程背景的課題。 溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，對其的控制也是過程控制的一個(gè)重點(diǎn)。因此，對它進(jìn)行研究和控制具有很大的現(xiàn)實(shí)意義及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在當(dāng)前高校的過程控制教學(xué)中，過程設(shè)備是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。然而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，過程設(shè)備一般都是比較大型的，而且是專用于某種控制來實(shí)現(xiàn)特殊生產(chǎn)目的的，不能適用于高校自動(dòng)化的教學(xué)，過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)作為一個(gè)從理論到實(shí)踐的橋梁在這里就顯得尤為重要。鑒于對過程控制的發(fā)展、高校研究水平的改善、學(xué)生實(shí)踐能力的提高等以上原因，

15、我系和深圳科菜德公司合作設(shè)計(jì)、開發(fā)的PCS3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，有助于自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)對過程控制系統(tǒng)有更形象深入的認(rèn)識，便于學(xué)習(xí)和開發(fā)工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的控制算法。2.2研究方法 本文首先對系統(tǒng)硬件的組裝及軟件功能的實(shí)現(xiàn)，通訊組態(tài)的完成做了系統(tǒng)的介紹。然后分析了控制系統(tǒng)的溫度特性，并結(jié)合多變量系統(tǒng)溫度的工作原理及耦合現(xiàn)象，將PID對角矩陣解耦控制算法應(yīng)用于此控制系統(tǒng)，并在此研究的基礎(chǔ)上提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能PID控制的高級控制策略，即基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多交量PID解耦控鍘，它是融解耦器與控制器于一體，適用于非線性多變量系統(tǒng)的先進(jìn)控制系統(tǒng)。3. 網(wǎng)絡(luò)控制對象介紹及分析3.1網(wǎng)絡(luò)

16、控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置介紹 圖1PCS3000過程控制實(shí)物圖 PCS3000過程控制對象實(shí)物圖如圖21所示，體系結(jié)構(gòu)如圖22所示。從圖中看出，過程控制以組合式三容水箱和熱水鍋爐為核心，同時(shí)還配置了溫度大滯后單元和非線性實(shí)驗(yàn)元件，以進(jìn)行特殊控制算法研究。裝置配備循環(huán)水泵(分別通過變頻器和調(diào)節(jié)閥控制流量)、高位溢流裝置、供水水槽和手動(dòng)切換閥組成的供排水系統(tǒng)。三相750W電加鍋爐(Eh不銹鋼鍋爐內(nèi)、外膽加溫筒組成的循環(huán)封閉式鍋爐)。對象中采用7工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際使用的各類檢測、變送儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是模擬了電站、煉油化工廠和水處理個(gè)大型企業(yè)裝置的小型工廠。鍋爐裝置是工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其控制系統(tǒng)組成

17、及控制方案也極具代表性，需要控制的參數(shù)有液位、流量、壓力、溫度等多種熱工參數(shù)，其控制算法有常規(guī)PID、串級、前饋、以及先進(jìn)控制、智能控制等。以微型電鍋爐為監(jiān)控對象，采用PROFIBIJS現(xiàn)場總線技術(shù)，控制裝置硬件選用西門子公司的PLC：s7400型，通過以太網(wǎng)和多臺上位機(jī)相連構(gòu)成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，模擬現(xiàn)場使用的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)。 西門子S7300400系列PLC屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號處理模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝在機(jī)架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計(jì)算機(jī)、PLC或其他設(shè)備通信。系

18、統(tǒng)硬件組成：(1)PC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過STEP7、WlNCC對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。(2)CPU模塊采用西門子S7-400PLC，型號為CPU3162 DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站點(diǎn)、操作站0s、編程器PG、操作員面板建立較小規(guī)模的通訊。它還集成了PROFIBUSDP接口，通過DP可以組建更大范圍的分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。工作電壓：Dc24V；通訊方式：CP561l網(wǎng)卡進(jìn)行通訊；通訊協(xié)議：PROFIBUS-DP。(3)通訊處理器CP443-I與Pc機(jī)相連，執(zhí)行PC的控制命令，并上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。(4)開關(guān)量模擬量輸入模塊兩接口模塊將采集到的數(shù)據(jù)直接AD轉(zhuǎn)換后，通過總線上傳給PLC。(5)

19、開關(guān)量模擬量輸出模塊將PLC的控制量直接DA轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)控制信號輸出到設(shè)備。(6)SWBZ-PTl00溫度傳感器用來檢測鍋爐內(nèi)膽、外膽的水溫。把電壓信號轉(zhuǎn)換成420mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，上傳到PLC控制模塊的模擬量輸入接口。(7)全隔離單相交流調(diào)壓模塊DTY一380D25P-220通過調(diào)節(jié)電加熱管的加熱功率來控制電鍋爐的溫度。(8) 西門子變頻器6SE6440一2UDl75從l控制泵的水流量。設(shè)備電路連接圖如圖2所示：圖2 系統(tǒng)電氣原理接線圖3.2溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)本設(shè)備溫度控制系統(tǒng)主要由Pc機(jī)、PLC、電鍋爐、熱電阻、溫度變送器、變頻器、水泵組成。目標(biāo)控制變量：鍋爐內(nèi)膽水溫、外膽水溫。圖3溫度控

20、制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)控制過程為：在鍋爐內(nèi)膽溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用Ptl00鉑電阻檢測爐溫，溫度交送器將Ptl00輸出的微弱電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓信號，然后將送給PLE的模擬量輸入模塊的溫度電壓信號上傳到PC機(jī)，再通過STEP7功能模塊(FCl05)轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值，CPU將它與溫度給定值比較，并按PID控制算法對誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果(數(shù)字量)送給PLC的模擬量輸出模塊，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?，用來控制三相可控硅移相調(diào)壓裝置的導(dǎo)通角大小，通過它控制電加熱管兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。電鍋爐溫度控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。3.3電鍋爐控溫方式在電鍋爐溫度控制系統(tǒng)中，主要采用移相觸發(fā)(調(diào)相型

21、)控制方式，PLC通過模擬輸出模塊向調(diào)壓模塊輸出08：46的電壓信號，來實(shí)現(xiàn)對電加熱鍋的輸出功率的控制。全隔離單相交流(以下簡稱單相調(diào)壓模塊明阿)是集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體，當(dāng)改變控制電壓的大小，就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角，即改變電加熱鍋爐的輸入功率，從而實(shí)現(xiàn)電加熱鍋爐的溫度控制。當(dāng)控制端CON從05V改變時(shí)，交流負(fù)載上的電壓從0伏到最大值可調(diào)(對阻性負(fù)載而言)。其中CON在O08V左右時(shí)為全關(guān)閉區(qū)域，可靠關(guān)斷模塊的輸出；CON在08V46v左右為可調(diào)區(qū)域，即隨著控制電壓的增大，導(dǎo)通角n從180。到0。線性減小，交流負(fù)載上的電壓從0伏增大到最大值；CON在4

22、6V5V左右時(shí)為全開通區(qū)域，交流負(fù)載上的電壓為最大值。它具有輸出功率能連續(xù)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，并且控溫精度高。但由于它采用了移相觸發(fā)，在負(fù)載上得到的電壓總是一種控制電壓。電壓UCOIl與可控硅輸出導(dǎo)通角n關(guān)系曲線(阻性負(fù)載)及波形圖如下兩圖所示：圖4 單相調(diào)壓模塊控制電路圖圖5 控制電壓與導(dǎo)通角關(guān)系曲線3. 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特性分析3.1電鍋爐溫度非線性與滯后性 在通常情況下，爐溫被控量僅僅是檢測點(diǎn)附近一個(gè)極小區(qū)域內(nèi)的平均溫度，而不是指整個(gè)電鍋爐內(nèi)的溫度場【171。在諸多的過程控制文獻(xiàn)中視電鍋爐溫度動(dòng)態(tài)特性為線性系統(tǒng)，用一個(gè)或兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)來近似表示。事實(shí)上，電鍋爐溫度模型問題是相當(dāng)復(fù)雜

23、而又難以用數(shù)學(xué)公式精確描述的問題。雖然有許多近似處理的結(jié)果在許多情況下仍然可行，但是隨著智能控制的迅速發(fā)展，對模型的依賴性相對降低，也可采用智能控制方法實(shí)現(xiàn)電鍋爐溫度控制。 從發(fā)熱方面看，無論是電加熱還是燃燒加熱，爐溫的變化與爐內(nèi)總發(fā)熱量和總散熱量以及負(fù)荷情況有關(guān)。其發(fā)熱過程時(shí)間與傳熱過程時(shí)間相比都可以忽略不計(jì)通常，爐溫的動(dòng)態(tài)特性主要由傳熱過程所決定。傳熱有導(dǎo)熱、對流與輻射三種不同的形式。在任何一種加熱爐里的任何溫度點(diǎn)上都有并存著三種形式的傳熱，只是在不同的溫區(qū)，各種傳熱在總傳熱量中所占的比例不同。在三種傳熱方式中，只有一維的導(dǎo)熱可以認(rèn)為是基本線性的，其余兩種傳熱方式都有相當(dāng)程度的非線性。對流

24、傳熱受多種因素的影響，這里僅考慮自然對流，因絕大多數(shù)爐子都是自然對流。電鍋爐溫度主要有以下四個(gè)特性使得它很難以用一般的控制方法達(dá)到良好的控制性能：(1)大滯后性 滯后分純滯后和容積滯后，在電鍋爐里起支配作用的是容積滯后，其大小與爐體的容量、結(jié)構(gòu)、檢測元件及其安放位置等有關(guān)，是一個(gè)系統(tǒng)問題(容積滯后時(shí)間就是級聯(lián)的各個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)之和)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)裝置的特性，傳熱的路徑短且以對流和輻射為主，其容積滯后時(shí)間以分鐘計(jì)算。純滯后時(shí)間相對較小，究其產(chǎn)生的根源也要整個(gè)測量系統(tǒng)來考慮，并且與溫度的高低有關(guān)。熱量從電爐絲傳到熱電阻，要經(jīng)過爐內(nèi)的兩個(gè)子空間和其隔離層以及溫度傳感器的兩層導(dǎo)管。也就是說，在熱量

25、傳遞過程中，要經(jīng)過一個(gè)又一個(gè)的熱阻與熱容相串聯(lián)的熱慣性環(huán)節(jié)，而串聯(lián)的多容對象會產(chǎn)生等效純時(shí)滯。 隨著溫度的升高，輻射傳熱的比例增大，輻射具有穿透性，使傳熱路徑大大縮短，故純滯后時(shí)間相應(yīng)減小。先讓電鍋爐在一定的溫度下穩(wěn)定半小時(shí)以上，然后迅速改變加熱功率，觀測從功率改變到爐溫開始變化所經(jīng)歷的時(shí)間并以它作為純滯后時(shí)間。(2)非線性 熱電阻是利用金屬的電阻率隨溫度變化而變化的特性，將溫度量轉(zhuǎn)化成電阻量。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性高，性能可靠，熱慣性小、復(fù)現(xiàn)性好。但電阻值與溫度是非線性關(guān)系，Ptl00熱電阻，當(dāng)Ot850時(shí)可用下式表示：其中A=39083x10-3C；B=5775x10-7C：由此可見，溫

26、度越高非線性誤差越大，本課題要求溫控范圍是0。C100，溫度較低。當(dāng)電鍋爐溫度越高，其動(dòng)態(tài)特性越好，對象越容易控制。模型參數(shù)中的對象增益和時(shí)間常數(shù)隨著爐溫的變化而變化。一般來講，溫度升高，由于電鍋爐輻射散熱增大，增益變小，滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)也隨著溫度的升高而變小。(3)不對稱性 溫度上升靠強(qiáng)迫加熱，溫度下降靠自然冷卻。從節(jié)能的觀點(diǎn)看，要求電加熱爐應(yīng)當(dāng)盡可能地具有良好的保溫特性而不是要求它的散熱性能好；從提高生產(chǎn)率出發(fā)，又希望升溫時(shí)間盡量縮短，因而在設(shè)計(jì)爐體時(shí)所考慮的加熱功率都有很大的裕量。(4)時(shí)變性隨著使用時(shí)間的增長，保溫、絕緣材料逐漸老化，發(fā)熱元件的氧化及材質(zhì)的揮發(fā)又使加熱功率下降，環(huán)境溫

27、度亦經(jīng)常變化，這些因素都將引起爐溫特性的變化，但變化的速度十分緩慢而不明斟堋最值得注意的是，爐子初次使用以及久停而復(fù)用時(shí)，由于保溫材料中的水分很重，其特性有大的差別。3.2電鍋爐控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 在過程控制中，被控過程的數(shù)學(xué)模型，是指過程控制在各輸入量(包括控制量和擾動(dòng)量)作用下，其相應(yīng)輸出量(被控量)變化的函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式。電鍋爐水溫控制特性分析如下：(1)電鍋爐結(jié)構(gòu) 電鍋爐本身用內(nèi)、外兩組加熱管進(jìn)行加熱，用上、下兩組熱電偶檢測爐內(nèi)溫度，此電鍋爐為一雙輸入雙輸出的受控對象。(2)控制要求實(shí)驗(yàn)室用電鍋爐，溫度范圍在0100范圍之內(nèi)，要求溫度從室溫上升到設(shè)定溫度后長期穩(wěn)定在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。圖

28、6 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲(3)建立模型用階躍響應(yīng)法近似確定電鍋爐的連續(xù)模型，對其輸出端溫度信號Y進(jìn)行采樣，繪制圖形。式(31)表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖6當(dāng)實(shí)驗(yàn)求得圖6所示的階躍響應(yīng)曲線后，如圖(a)，過響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)P作切線，交時(shí)間軸與B點(diǎn)，交其穩(wěn)態(tài)值的漸近線y(oo）于A點(diǎn)，A點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影為c點(diǎn)，則DB為過容量滯后時(shí)間，BC為過程的時(shí)間常數(shù)To。當(dāng)階躍響應(yīng)曲線上的拐點(diǎn)不易確定時(shí)，可如圖(b)取取階躍響應(yīng)曲線穩(wěn)態(tài)值的28和63所對應(yīng)的時(shí)間t1和t2，再按下式計(jì)算滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)To即： （3.1）由上述方法，采用階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試電鍋爐溫度系統(tǒng)四個(gè)支路的動(dòng)態(tài)特

29、性，一般在過程控制文獻(xiàn)中，用一個(gè)或兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)近似描述其特性。從階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，總體上電鍋爐內(nèi)、外膽溫度輸出變量與電阻絲輸入變量均為近似一階慣性純滯后特性，以下是兩個(gè)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程及分析。階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)1：在過程控制中單獨(dú)給外膽輸入階躍信號(u=03)，得到的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示，外膽溫度上升至386，內(nèi)膽溫度上升至274，設(shè)定溫度輸出量100為1，得到輸出Y1=0211，Y2=0114計(jì)算比例增益：=02110.3=0703，=01140.3=0.38由圖6的方法計(jì)算得時(shí)間常數(shù)=1095，=1275，根據(jù)公式(31)得滯后時(shí)間=0.1，=55，單位為min。圖7 電鍋爐外膽加熱時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)2