蒸發(fā)器溫度控制系統(tǒng)

1、1設(shè)計(jì)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G 01 (s)1(20s 1)(30s 1)Go2S10.1se0.2s 1控變量。主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為:、副擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)分別為:Gf1(s)10.2s 1Gf 2(s) 1試分別采用單回路控制和串級(jí)控制設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：1 分別進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)，給出相應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)原理圖；2對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)和二次擾動(dòng);4 對(duì)不同控制方案對(duì)系統(tǒng)的影響做比照分析。2整體方案設(shè)計(jì)2.1單回路控制變量的選擇對(duì)于被控量和操作量選擇的原那么，其中，被控

2、量選擇的原那么是能直接反 映生產(chǎn)過(guò)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(jì)的被 控量是溫度。操縱量是克服擾動(dòng)影響、使系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行的積極因素， 應(yīng)該遵循快速有效的克服干擾的原那么去選擇操縱量，因此此設(shè)計(jì)的操縱量是 加熱蒸汽流量。2.2串級(jí)控制系統(tǒng)的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)選擇主變量時(shí)要遵循以下原那么：在條件許可的情況下，首 先應(yīng)盡量選擇能直接反響控制目的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的 有某 種單值對(duì)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(jì)質(zhì)量 是保證發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原

3、那么：應(yīng)使主要 干擾和更多 的干擾落入副回路；應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配；應(yīng)考慮工 藝上的合理 性、可能性和經(jīng)濟(jì)型。應(yīng)選擇本系統(tǒng)中的加熱蒸汽流量為副變量。 又因?yàn)橥猸h(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(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于對(duì)副回路沒(méi)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)，1=0。而對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)要求，單回路前向通

4、道中含有主、副控制器及擾動(dòng)，而調(diào)節(jié)器一 般位于擾動(dòng)的前面，所以PID調(diào) 節(jié)器在最前面。設(shè)計(jì)中副被控變量為加熱蒸汽流量，所以其作為反響作用于輸入端圖3-1-2單回路控制系統(tǒng)simulink仿真圖仿真整定過(guò)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值以到達(dá)期望的效果。圖 3-1-3P=1，I=0無(wú)擾動(dòng)信號(hào)，圖 3-1-4P=3,I=0無(wú)擾動(dòng)信號(hào)，圖 3-1-5P=5,I=0無(wú)擾動(dòng)信號(hào)圖3-1-6 P=7 ,1=0，無(wú)擾動(dòng)信號(hào)上面四幅圖片可得當(dāng)P越大時(shí)，超調(diào)量越大，穩(wěn)定性下降。但是震蕩頻 率 加快，響應(yīng)時(shí)間變短。為了保持系統(tǒng)原來(lái)的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng) 加大。又因?yàn)橐筆I調(diào)

5、節(jié)在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動(dòng)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(guò)大，因此選擇P=7。圖 3-1-7P=7， 1=0.1，無(wú)擾動(dòng)信號(hào)圖 3-1-8P=7，1=0.3，無(wú)擾動(dòng)信號(hào) 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(guò)大，也調(diào)節(jié) 時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能降低，因此選擇1=0.1最正確圖 3-1-9P=7, 1=0.1，次擾動(dòng)信號(hào)圖 3-1-10P=7，1=0.1，二次擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)過(guò)程，此時(shí)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。參加擾動(dòng)以后超調(diào)量有所增大，但后面能夠到達(dá)期望值，具有一定的調(diào)節(jié)作用。3.2串級(jí)控

6、制系統(tǒng)的仿真與參數(shù)整定針對(duì)設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品溫度作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(dòng)要加在調(diào)節(jié)器之后，因此得如以下圖所示框圖：副調(diào)節(jié)副擾動(dòng)主擾動(dòng)蒸汽流量副 控 制 器圖3-2-1串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖由方框圖對(duì)應(yīng)得到系統(tǒng)仿真產(chǎn)品溫度圖圖3-2-2串級(jí)控制系統(tǒng)simulink仿真圖 仿真整定過(guò)程：首先將主、副P(pán)ID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為比例控制，增益分別為K1,K2，假設(shè)擾動(dòng)均為零，在給定階躍輸入下得到輸出響應(yīng)y1(t),y2(t)。串級(jí)系統(tǒng)的整定比單回路 復(fù)雜，因?yàn)閮蓚€(gè)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(gè)整定參數(shù)，對(duì)主、副回路的過(guò)渡過(guò)程都

7、有影 響，這 種影響程度取決于主、副對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、而且待整定的參數(shù)比單回 路多，因此，串級(jí)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(gè)適宜 的負(fù)調(diào)節(jié)器 放大倍數(shù)K2，按純比例控制規(guī)律設(shè)置負(fù)調(diào)節(jié)器。本設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò) 屢次調(diào)試，確定K2=12。主調(diào)節(jié)器也先置于純比例作用，使串級(jí)控制系統(tǒng)投 入運(yùn)行，用整定單 回路的方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟如以下圖：圖 3-2-3K1=1 ，I=0 ， K2=12 ，無(wú)擾動(dòng)圖 3-2-4K1=5,I=0,K2=12 ，無(wú)擾動(dòng)圖 3-2-5K1=7,I=0,K2=12 ，無(wú)擾動(dòng)由上圖可知 P

8、 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程越好， 超調(diào)量變大， 震蕩頻率加大， 響應(yīng)時(shí)間變短。由單回路控制得知 P 不應(yīng)過(guò)大，因此選擇 K1=7。因?yàn)楦被芈肥请S動(dòng)系統(tǒng)， 允許有誤差，因?yàn)楦闭{(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(wú)擾動(dòng)圖 3-2-7K1=7,I=0.1,K2=12 ，無(wú)擾動(dòng)圖 3-2-8K1=7,I=0.2,K2=12 ，無(wú)擾動(dòng) 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(shí)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(shí) 間變短。 I=0.2 時(shí)較 I=0.1 時(shí)震蕩 劇烈，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以 I

9、=0.1 。圖 3-2-9K1=7,I=0.1,K2=12, 一次擾動(dòng)主擾動(dòng)圖 3-2-10K1=7,I=0.1,K2=12, 二次擾動(dòng)副擾動(dòng)圖 3-2-11K1=7，1=0.1，K2=12，、二次擾動(dòng)均作用系統(tǒng) 參加時(shí)間滯后環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的仿 真圖圖 3-2-12此時(shí)系統(tǒng)的參數(shù)整定數(shù)值為圖 3-2-13K1=0.2，1=0.1，K2=0.3，一、二次擾動(dòng)均作用以下為整定過(guò)程中各參數(shù)變化后的效果圖 3-2-14K1=0.2 ,1=0.2，K2=0.3，一、二次擾動(dòng)均作用含時(shí)滯圖 3-2-15K1=0.2，I=0.1，K2=1，一、二次擾動(dòng)均作用含時(shí)滯圖 3-2-16K1=7，I=0.1，K2=0.3，一、二次擾動(dòng)均作用含時(shí)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(shí)作用時(shí)，使超 調(diào)量進(jìn)一步加大， 調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。串級(jí)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(shí) 間，提高了系統(tǒng) 的快速性