加熱器溫度控制

1、學(xué) 號 11750112天津城建大學(xué)過程控制課程設(shè)計設(shè)計說明書加熱器溫度控制起止日期： 2014 年6月30日 至 2014年7月4日學(xué)生姓名王瑋澤班級2011電氣1成績指導(dǎo)教師(簽字)控制與機械工程學(xué)院2014年7月4日天津城建大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書2013 -2014學(xué)年第 2學(xué)期控制與機械工程學(xué)院 電氣工程及其自動化專業(yè) 班級 1 姓名 王瑋澤 學(xué)號 11750112課程設(shè)計名稱： 過程控制 設(shè)計題目： 加熱器溫度控制 完成期限：自 2014 年 6 月 30 日至 2014 年 7 月 4 日共 1 周設(shè)計依據(jù)、要求及主要內(nèi)容： 一、設(shè)計任務(wù) 加熱器出口溫度在階躍擾動DC作用下，其輸出響應(yīng)

2、數(shù)據(jù)如下：t/s012345678y4.04.04.24.54.85.15.45.75.8t/s91011y5.855.96.06.0試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超調(diào)量的無差控制系統(tǒng)。具體要求如下： （1） 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的數(shù)學(xué)模型；（2） 根據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計符合要求的控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)原理圖、控制規(guī)律選擇等）；（3） 根據(jù)設(shè)計方案選擇相應(yīng)的控制儀表；（4） 對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真，整定運行參數(shù)。二、設(shè)計要求 采用MATLAB仿真；需要做出以下結(jié)果：（1） 超調(diào)量（2） 峰值時間（3） 過渡過程時間（4） 余差（5） 第一個波峰值（6） 第二個波峰值（7） 衰減比（8） 衰減

3、率（9） 振蕩頻率（10） 全部P、I、D的參數(shù)（11） PID的模型（12） 設(shè)計思路三、設(shè)計報告課程設(shè)計報告要做到層次清晰，論述清楚，圖表正確，書寫工整；詳見“課程設(shè)計報告寫作要求”。四、參考資料1 何衍慶工業(yè)生產(chǎn)過程控制（1版）北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20042 邵裕森過程控制工程北京：機械工業(yè)出版社20003 過程控制教材指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)中必然地要求對加熱爐內(nèi)的溫度進行有效的控制，使之保持在某一特定的范圍內(nèi)。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。加熱爐燃燒過程是受隨機因素干擾的，具有大慣性、純滯后的非線性過程。 本設(shè)計針

4、對加熱爐燃燒控制系統(tǒng)，主要介紹的控制方案有單回路控制系統(tǒng)、串級比值控制系統(tǒng)、單交叉限幅控制系統(tǒng)、雙交叉限幅控制系統(tǒng)，并對每一種控制方案進行了理論分析。運用MATLAB軟件對溫度控制系統(tǒng)進行了較為全面的仿真和性能分析。通過分析比較可以得出結(jié)論，雙交叉限幅對加熱爐溫度的控制優(yōu)于其它的控制方案。雙交叉限幅的爐溫控制系統(tǒng)使煤氣流量和空氣流量相互限制，既防止了燃燒中冒黑煙，也防止了空氣過剩，達(dá)到控制加熱爐溫度，提高煤氣燃燒率，避免環(huán)境污染等目的。關(guān)鍵詞：加熱爐；單交叉限幅控制；雙交叉限幅控制； MATLAB仿真目錄緒論1第一章 測試法建模2第二章控制系統(tǒng)選型32.1串級控制系統(tǒng)32.2干擾同時作用于副回

5、路和主回路42.3控制儀表52.4溫度傳感器52.5溫度變送器6第三章 控制系統(tǒng)進行仿真103.1MATLAB/SIMULINK軟件簡介10小結(jié)13參考文獻(xiàn)14緒論溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及加入WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關(guān)企業(yè)資源進行了重組，相

6、繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，

7、其主要缺點是溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)要求有數(shù)據(jù)處理，顯示功能等,被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)和一階積分環(huán)節(jié)的組合，慣性時間常數(shù)為2s，開環(huán)增益k=10，溫度控制范圍為50150。第一章 測試法建模 對于某些生產(chǎn)過程的機理，人們往往還未充分掌握，有時也會出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況。這

8、時就需要用實驗測試方法把數(shù)學(xué)模型估計出來。 對象特性的實驗測定方法許多工業(yè)對象內(nèi)部的工藝過程復(fù)雜，使得按對象內(nèi)部的物理、化學(xué)過程尋求對象的微分方程很困難。工業(yè)對象通常是由高階非線性微分方程描述的復(fù)雜對象，因此對這些方程式也較難求解。根據(jù)加入的激勵信號和結(jié)果的分析方法不同，測試對象動態(tài)特性的實驗方法也不同，主要有以下幾種： （一）一階慣性加純遲延傳遞函數(shù)的確定如果對象階躍響應(yīng)是一條如圖1-1所示的起始速度較慢，顯 S形的單調(diào)曲線，就可以用式(2-1)所示的一階慣性加純遲延的傳函去擬合。1) 計算增益K 設(shè)階躍輸入u(t)的變化幅值為，如輸出y(t)的起始值和穩(wěn)態(tài)值分別為 和 ，則增益K可根據(jù)下式

9、計算，即 （1-1）圖1-12) 利用作圖確定T和 在階躍響應(yīng)曲線的拐點p處作一切線，它與時間軸交于A點，與曲線的穩(wěn)態(tài)漸近線交于 B點，這樣就可以根據(jù)A，B兩點處的時間值確定參數(shù)和 T，它們的具體數(shù)值如圖所示。 顯然，這種作圖法的擬合程度一般是很差的。首先，與式（1-1）所對應(yīng)的階躍響應(yīng)是一條向后平移了時刻的指數(shù)曲線，它不可能完美地擬合一條 S形曲線。其次，在作圖中，切線的畫法也有較大的隨意性，這直接關(guān)系到和 T的取值。然而，作圖法十分簡單，而且實踐證明它可以成功地應(yīng)用于 PID控制器的參數(shù)整定。（二）根據(jù)已知數(shù)據(jù)畫出單位階躍曲線得到t= 1.5 ;T = 4.5; K = 2 （1-2）第二

10、章控制系統(tǒng)選型2.1串級控制系統(tǒng)對于加熱器出口水溫的控制系統(tǒng)，我們可以選用水出口溫度為被控參量，燃料流量為控制變量，來進行分析。同時該系統(tǒng)也屬于溫度控制系統(tǒng)，具有滯后較大、純滯后時間較長、擾動幅值大、負(fù)荷變化頻繁、劇烈等特點。對于動態(tài)特性復(fù)雜、存在多種擾動或擾動幅度較大，控制質(zhì)量要求高的生產(chǎn)過程，用簡單控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)良好的性能，也滿足不了工藝控制精度要求，此外，由于對產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟利益及環(huán)境保護等提出了更高要求，對生產(chǎn)條件要求越來越苛刻，簡單控制系統(tǒng)也無法滿足。所以這時可以考慮用串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜控制系統(tǒng)，主要用于對象容量滯后較大、純滯后時間較長、擾動幅值

11、大、負(fù)荷變化頻繁、劇烈的被控過程。所以我選擇用串級控制加熱器系統(tǒng)來實現(xiàn)對加熱器出口水溫的控制。而對于測量環(huán)節(jié)傳感器的選擇，考慮到我們測量的溫度是水溫，可以采用熱電阻，這樣測量范圍就比較適當(dāng)，測量的也比較精確。而對于控制器和執(zhí)行器的類型，將在后面具體的敘述。選用了串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱為主變量(主被控參數(shù))；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱為副變量(副被控參數(shù))，起到的作用是為穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量整個系統(tǒng)由主回路和副回路兩個

12、控制回路構(gòu)成副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程、主過程構(gòu)成。將水出口溫度為被控參量即主變量，加熱器內(nèi)溫度為副控制參量即為副變量。而燃料流量為控制變量，通過控制燃料的多少，來進行溫度的控制。串級控制系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2-1所示。圖2-1 串級控制系統(tǒng)原理框圖在串級控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)有兩個閉合回路，形成內(nèi)外環(huán)。主變量是工藝要求控制的變量，副變量是為了更好地控制主變量而選用的輔助變量。主副調(diào)節(jié)器所起作不同，主調(diào)節(jié)器的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值，不允許有余差，所以主控制器一般選擇比例積分控制規(guī)律，當(dāng)對象滯后較大時，也可引

13、入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔迷诳刂七^程中，副回路是一個隨動系統(tǒng)，跟隨主回路的輸入，對副變量的動態(tài)性能和余差無特殊要求，所以副控制器一般采用比例控制規(guī)律，必要時引入適當(dāng)?shù)姆e分環(huán)節(jié)溫度控制系統(tǒng)可以看做是簡單控制系統(tǒng)，但由于此系統(tǒng)擾動種類過多，且影響的效果不同，而該溫度控制系統(tǒng)又是一個大滯后系統(tǒng)，如果用簡單控制系統(tǒng)，無法使系統(tǒng)快速的響應(yīng)并排除擾動對系統(tǒng)的干擾，從而帶來一些不必要的或者是系統(tǒng)不允許的影響。假設(shè)在穩(wěn)態(tài)工況下，水進口溫度和流量穩(wěn)定，燃料的熱值和流量不變，控制燃料的閥門保持一定的開度，加熱器內(nèi)溫度保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，此時水出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。如果出現(xiàn)外部干擾，使穩(wěn)態(tài)工況遭到破壞，串級控制系統(tǒng)立即開始控制

14、工作。根據(jù)擾動施加點的位置不同，分3種情況：1)擾動作用于副回路；2)擾動作用于主過程；3)擾動同時作用于副回路和主過程一次擾動作用在主被控過程上的，不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動二次擾動作用在副被控過程上的，包括在副回路范圍內(nèi)的擾動串級控制系統(tǒng)工作過程為當(dāng)擾動發(fā)生時，破壞了系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，兩個調(diào)節(jié)器進行工作共同進行調(diào)節(jié)。 對于加熱器出口水溫控制系統(tǒng)來說，它的原理框圖如圖2-2所示。圖2-2 加熱器出水口溫度控制系統(tǒng)原理框圖2.2干擾同時作用于副回路和主回路主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：（1）主副回路的干擾影響方向相同。即同時增加或同時減小。如：燃料壓力f3(t)上升引起加熱器內(nèi)溫度 則會引起出

15、口水溫度上升，此時副控制器開始調(diào)節(jié)。而水流量f1(t)變少也會引起出口溫度上升，此時主副控制器共同作用，因此加強了控制作用，加快了控制過程。（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：燃料壓力f3(t)上升引起加熱器內(nèi)溫度上升從而使得出口水溫度上升，于是副控制器開始調(diào)節(jié)。而原油流量f1(t)上升則出口水溫度下降，于是主控制器反向調(diào)節(jié)，使副控制器調(diào)節(jié)量減小。如果兩者相反的變化量恰好抵消，則執(zhí)行器閥門不需要動作，若兩個增加量不相等，也能相互抵消一部分，這樣調(diào)節(jié)器輸出變化幅度也會變小，調(diào)節(jié)閥開度只要做較小的改變，即可校正變差，使其重新回到設(shè)定值。由前面的分析可以看出，在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不

16、僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點；主回路有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點，對副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以消除。由于主、副回路相互配合，相互補充，使控制質(zhì)量顯著提高。這樣通過主副兩個回路的共同作用，就可以使主要的擾動都得到了控制，有的甚至可以消除。同時又是系統(tǒng)響應(yīng)很快，未受到擾動很大的影響。該系統(tǒng)對進入副回路的干擾有很強的克服能力，同時也改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善，而且對負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。前面已經(jīng)說過，在串級控制系統(tǒng)中，主參數(shù)是系統(tǒng)控制任務(wù)，副參數(shù)輔助變量。這

17、是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點。因此主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，工藝上要求比較嚴(yán)格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)器，或PID調(diào)節(jié)器。而控制副參數(shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，允許有靜差。因此，副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。 這樣可以使它快速響應(yīng)，快速消除擾動。同時在設(shè)計副回路時要注意，在它的設(shè)計中，最重要的是選擇副回路的被控參數(shù)即串級系統(tǒng)的副參數(shù)。副參數(shù)的選擇一般應(yīng)遵循下面幾個原則： 主、副變量有對應(yīng)關(guān)系。副參數(shù)應(yīng)與主參數(shù)有一定的內(nèi)在聯(lián)系，副參數(shù)的變化應(yīng)反映主參數(shù)的變化趨勢、并在很大程度上影響主參數(shù)，而且副參數(shù)必須在物理上是可測的。而且副回路的調(diào)節(jié)通道要盡可能的短，調(diào)

18、節(jié)過程時間常數(shù)不能太大，時間之后笑，以便加快控制過程。副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾。為了充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動有較強克服能力的特點，在選擇副參數(shù)時一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求包含更多的干擾，但也不是副回路包含的干擾越多越好，因為包含的越多，其控制通道時間常數(shù)必然增大，響應(yīng)速度變慢，那么副回路快速克服干擾的能力將受到影響。副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防“共振” 的發(fā)生，因此主、副回路中控制過程的時間常數(shù)不能太接近。一般使其時間常數(shù)之比為3到10.應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性。要注意，所設(shè)計的系統(tǒng)首先

19、要考慮生產(chǎn)工藝的合理性，在合理的前提下，應(yīng)盡可能采用簡單的控制方案。2.3控制儀表測量環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)在前面的原理框圖中即是溫度變送器，它將出口水溫經(jīng)過對應(yīng)的關(guān)系反饋回來給主、副回路的比較器，通過和給定比較，使比較器的輸出作用于主、副回路的控制器，從而控制各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)閥，通過兩者共同的作用，達(dá)到調(diào)節(jié)出口水溫，使系統(tǒng)穩(wěn)定的作用。 2.4溫度傳感器大多數(shù)電阻的阻值隨溫度而變化，而熱電阻具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定，電阻與溫度的關(guān)系接近線性，它一般用來作為溫度傳感元件來測溫。對于500以下的中、低溫，熱電偶輸出的熱電勢很小，容易受到干擾而測不準(zhǔn)。一般使用熱電阻溫度計來進行中低溫度的測

20、量。熱電阻有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類金屬熱電阻測溫精度高。大多數(shù)金屬電阻阻值隨溫度升高而增大，具有正溫度系數(shù)。而大多數(shù)的半導(dǎo)體材料的電阻值具有負(fù)溫度系數(shù)，可以作溫度傳感元件在選擇溫度變送器時考慮到水溫的溫度范圍，我們可以采用熱敏電阻，它可滿足40攝氏度至90攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，對于檢測小于1攝氏度的信號是不適用的。我們也可以采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好。在0100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是，Rt = R0(1+At+Bt*t);

21、其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；R0是溫度為0攝氏度時的電阻；t為任意溫度值，A,B為溫度系數(shù)。通過上面的敘述，綜合考慮測量范圍和精度，決定選用溫度傳感器鉑電阻。鉑電阻的結(jié)構(gòu)型式常見的有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻。其結(jié)構(gòu)是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，將金屬絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感。它的接口電路圖如圖4所示。熱電阻的測溫信號通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓時，熱電阻的接線若用兩線接法，接線電阻隨溫度變化會給電橋輸出帶來較大誤差，所以必須用三線接法，一根連接電源，不影響橋路的平衡，另外兩根被分別置于電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵消。同時考慮到要把溫度信號轉(zhuǎn)化成電信號才能送到比較

22、器中進行比較，所以我們要用到溫度變送器。圖2-3 鉑電阻接口電路圖2.5溫度變送器溫度變送器的作用是將來自熱電偶或熱電阻的溫度信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的信號(420mA直流電流或15V直流電壓)，以實現(xiàn)對溫度的顯示、記錄或自動控制。溫度變送器有三個品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器。我選用熱電阻溫度變送器。它的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖2-4 溫度變送器的結(jié)構(gòu)框圖這兩個環(huán)節(jié)一起，組成了該系統(tǒng)的測量環(huán)節(jié)。將測量到的溫度轉(zhuǎn)化成電信號從而可以進入系統(tǒng)中，進行比較并控制后面的環(huán)節(jié)?？刂破骺刂苾x表又稱控制器或調(diào)節(jié)器，是控制系統(tǒng)的判斷、指揮中心。其作用是把被控變量的測量值和給定值進行比較，根據(jù)

23、比較的結(jié)果即偏差后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，輸出控制信號，以推動執(zhí)行器動作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。因此控制器的控制規(guī)律是控制器輸出信號y與偏差信號e之間的函數(shù)的關(guān)系。按控制儀表按工作能源分類有：電動儀表、氣動儀表、自力式儀表?？刂破鞯幕镜目刂埔?guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：一、斷續(xù)控制控制器輸出接點信號，如雙位控制、三位控制。二、連續(xù)控制控制器輸出連續(xù)信號，如比例控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制。為了實現(xiàn)適當(dāng)控制，控制器的輸出應(yīng)當(dāng)根據(jù)偏差的大小連續(xù)變化，是控制閥的開度也能連續(xù)變化，這樣就有可能獲得與對象符合相適應(yīng)的操縱量，從而使被控變量趨于穩(wěn)定，能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，這種控制

24、模式稱為連續(xù)控制。而我們所設(shè)計的加熱器出口水溫系統(tǒng)屬于連續(xù)控制。主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，工藝上要求比較嚴(yán)格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)器，或PID調(diào)節(jié)器。而控制副參數(shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，允許有靜差。因此，副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)即比例控制器就可以了。副回路要求不是很高，它主要是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，是起一個粗調(diào)快調(diào)的作用，而細(xì)調(diào)還是通過主回路來完成。所以允許有靜差，而要求快速性，選擇比例控制器就可以了。比例控制的特點：控制及時、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化偏差越大，輸出的控制作用越強。但控制結(jié)果存在靜差。因為，如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的

25、輸出也就為零，即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。它的輸入輸出關(guān)系為(2-1) 其中Kp比例增益 比例調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。圖2-5 比例控制器結(jié)構(gòu)圖而主回路要求比較嚴(yán)格，所以要選用比例積分調(diào)節(jié)器或者比例積分微分調(diào)節(jié)器。比例積分調(diào)節(jié)器就是在比較控制上加上積分控制作用，目的是消除靜差。積分環(huán)節(jié)的作用是當(dāng)有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或減?。划?dāng)偏差消失時，輸出能保持在某一值上積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。積分時間越小，積分作用越強。但積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。而比例環(huán)節(jié)最顯著的特點是快速性，所以兩者結(jié)合起來就可

26、以是系統(tǒng)達(dá)到一定的性能指標(biāo)。若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差 。 比例積分控制作用可提高系統(tǒng)的控制精度，比例系數(shù)和積分時間兩個參數(shù)均可調(diào)整。其中比例積分控制器的輸入輸出關(guān)系為(2-2) 若此系統(tǒng)為慣性較大的對象，為了加快控制速度，此時可增加微分作用。微分環(huán)節(jié)的作用為能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。但微分對靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，因此不能單獨使用。必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。比例積分微分調(diào)節(jié)器的輸入輸出關(guān)系為(2-3) 將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，

27、只要三項作用的強度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。其中比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。投入使用的一般分為模擬式控制器和數(shù)字式控制器兩種。模擬式控制器是用模擬電路實現(xiàn)控制功能的儀表，又稱電動調(diào)節(jié)器。我選用的是模擬式控制器DDZ-型儀表。它的特點：1）采用統(tǒng)一信號標(biāo)準(zhǔn)：420mA DC和15V DC。這種信號制的主要優(yōu)點是電氣零點不是從零開始，容易識別斷電、斷線等故障。同樣，因為最小信號電流不為零，可以使現(xiàn)場變送器實現(xiàn)兩線制。 既能反映信號又能為現(xiàn)場變送器提供能源，避免強電進入現(xiàn)場，有利于安全防爆。2）廣泛采用集成電路，儀表的

28、電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。 3）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，它增加了安全柵，實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制與隔離，可以用于危險現(xiàn)場。執(zhí)行器執(zhí)行器是該加熱器出口水溫控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它將控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動作，從而操縱進入設(shè)備的能量，將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。執(zhí)行器有自動調(diào)節(jié)閥門、自動電壓調(diào)節(jié)器、自動電流調(diào)節(jié)器、控制電機等。其中自動調(diào)節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器，種類繁多。自動調(diào)節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為：電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥、液動調(diào)節(jié)閥。常用的是氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥，我選用的是氣動調(diào)節(jié)閥，是由氣壓信號控制的閥門。它的特點是結(jié)構(gòu)

29、簡單，可靠，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是推動裝置，它將控制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推理，推動閥桿位移，帶動調(diào)節(jié)機構(gòu)改變開度，控制流過閥流體的流量，是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C構(gòu)是閥門，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖2-6 執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖在控制系統(tǒng)設(shè)計中，調(diào)節(jié)閥的選擇是一個很重要的問題。在選擇是，首先要考慮調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式，它主要是根據(jù)工藝條件，如使用溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性等來選擇。其次是對氣動調(diào)節(jié)器的形式來選擇，由于調(diào)節(jié)閥是由執(zhí)行機構(gòu)和閥門組裝而成，而執(zhí)行機構(gòu)有正反作用兩種，閥

30、門也有正反作用兩種。調(diào)節(jié)閥分為氣開式和氣關(guān)式。它的選擇是根據(jù)能源、工藝條件、介質(zhì)性質(zhì)等來確定執(zhí)行機構(gòu)的規(guī)格品種。對于氣動執(zhí)行器，從工藝生產(chǎn)的安全考慮, 選擇其作用方式是氣開式或是氣關(guān)式。按執(zhí)行機構(gòu)的正反作用和調(diào)節(jié)機構(gòu)的正反安裝方式，實現(xiàn)氣動執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)時有四種組合方式。組合方式如圖8所示。圖2-7氣關(guān)氣開組合方式圖氣動調(diào)節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復(fù)位。無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱的為氣開式。閥門氣開氣關(guān)式的選擇原則：當(dāng)控制信號中斷時，閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號中斷

31、時，調(diào)節(jié)閥的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工藝設(shè)備和操作人員的安全。如果控制信號中斷時，閥處于打開位置危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥；反之，若閥處于關(guān)閉位置時危害性小，則應(yīng)選用氣開式。對于本系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)剛剛啟動，或控制信號中斷時，此時無控制信號，應(yīng)切斷進加熱器的燃料，要求無燃料給加熱器加熱，以免加熱器溫度過高造成事故。同樣當(dāng)系統(tǒng)有故障時，要求此時加熱器內(nèi)有水，即開大進水閥，免得由于無水而使得燃料直接給加熱器加熱，而損壞或損毀加熱器。因此在加熱器的控制閥門時，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：給水閥應(yīng)選氣關(guān)式，而燃料閥應(yīng)選氣開式。第三章 控制系統(tǒng)進行仿真3.1MATLAB/SIMULINK軟件簡介 Simulink

32、是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理

33、的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Si

34、mulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。其特點：豐富的可擴充的預(yù)定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理，通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成，使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。 使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Acceler