鍋爐液位串級控制系統(tǒng)的仿真與結(jié)果分析

1、摘要在大多數(shù)情況下，簡單控制系統(tǒng)由于其自身需要的自動化儀表少，設(shè)備投資少，維護(hù)、投運(yùn)簡單，同時，生產(chǎn)實(shí)踐證明它能解決大量的生產(chǎn)控制問題，滿足定值控制的要求，因此，簡單控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程自動控制中最簡單、最基本、應(yīng)用最廣的一種形式，約占自動控制系統(tǒng)的90%左右。但是，針對不同的生產(chǎn)過程為滿足其生產(chǎn)過程的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)參數(shù)的不同要求，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足生產(chǎn)要求，所以相繼出現(xiàn)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，例如，串級控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)，純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)和解耦控制系統(tǒng)等。在各種復(fù)雜控制系統(tǒng)中，串級控制系統(tǒng)占有較大比重。串級控制系統(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)控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)

2、可以應(yīng)用于容量滯后較大的對象，純滯后較大的對象，擾動變化激烈而且幅度大的對象和參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的對象。鍋爐液位控制方案是通過對鍋爐內(nèi)的壓力和液位的直接控制，在有蒸汽流量的改變時，系統(tǒng)能夠很快的做出設(shè)置，使系統(tǒng)穩(wěn)定。運(yùn)用副回路的快速作用，將有效地提高控制質(zhì)量，可以滿足生產(chǎn)要求。為此設(shè)計(jì)以串級控制為基礎(chǔ)的加熱爐串級控制系統(tǒng)，對該生產(chǎn)過程有積極意義。關(guān)鍵詞：串級控制，鍋爐液位，前饋-串級控制 matlab 目 錄一、對串級系統(tǒng)研究1二、系統(tǒng)器件選擇（包括器件參數(shù)）及系統(tǒng)分析22.1 系統(tǒng)器件選擇22.2 串級控制系統(tǒng)性能分析22.3 主、副控制規(guī)律的設(shè)計(jì)22.4 控制參數(shù)的工程整定3三、鍋爐液位串級控制

3、系統(tǒng)的仿真與結(jié)果分析431鍋爐液位仿真圖如下所示43.2 PID 參數(shù)整定及MATLAB 系統(tǒng)仿真43.3 擾動加在不同對象時的曲線53.4 不同副調(diào)節(jié)器比例度的影響6四、設(shè)計(jì)總結(jié)8五、參考資料9一、對串級系統(tǒng)研究串級控制系統(tǒng)性能特點(diǎn)：串級控制系統(tǒng)即在結(jié)構(gòu)上多了一個副回路，形成了兩個閉環(huán)雙閉環(huán)。就其主回路來看是一個定值控制框圖，而副回路則為一個隨動系統(tǒng)。副回路對液位起“粗調(diào)”的作用，主回路對液位起“細(xì)調(diào)”的任務(wù)。1）串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，對于進(jìn)入其中的擾動具有較強(qiáng)的克服能力，改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率所以控制質(zhì)量比較高。2)對二次干擾有較強(qiáng)的克服能力。3）對一次擾動

4、的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。因此對于控制質(zhì)量要求較高，擾動大，滯后時間長的過程當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)達(dá)到質(zhì)量要求時，采用串級控制方案往往可以獲得滿意結(jié)果。不過串級控制比單回路控制系統(tǒng)所需儀表多，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定相應(yīng)地也要復(fù)雜一些。因此如果單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問題就盡量不采用串級控制系統(tǒng)方案。鍋爐液位系統(tǒng)方塊圖如圖1所示圖1 鍋爐液位方塊鍋爐液位串級控制Matlab仿真圖2如下圖2 鍋爐液位方塊二、系統(tǒng)器件選擇（包括器件參數(shù)）及系統(tǒng)分析2.1 系統(tǒng)器件選擇1、執(zhí)行器 ：采用電動調(diào)節(jié)閥（氣關(guān)式） 執(zhí)行器正作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是氣關(guān)式， < 0 執(zhí)行器反作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥

5、）是氣開式， > 02、控制器 ：采用PID 控制器正作用：控制器測量值增加（或減少），其輸出量亦增加（或減少） 控制器反作用：控制器測量值增加（或減少），其輸出量亦減少（或增加）3、變送器 ：采用液注式壓力檢測儀表 變送器的靜態(tài)放大倍數(shù)通常為正，即 > 04、被控對象 ：采用液體管道壓力 對象正作用：對象的輸入量增加（或減少），其輸出量亦增加（或減少） 對象反作用：對象的輸入量增加（或減少），其輸出量亦減少（或增加）2.2 串級控制系統(tǒng)性能分析 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路，主副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作；主調(diào)節(jié)器輸出作副調(diào)節(jié)器設(shè)定值。系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行

6、器動作，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的設(shè)定控制。串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)工作使主參數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制在工藝規(guī)定范圍之內(nèi)。 串級控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不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(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)。 加熱爐串級控制系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)為： 副控回路具有快速性，能夠有效地克服進(jìn)入副控回路的二次干擾； 副控制回路起到了改善對象動態(tài)特性的作用，可以加大主控制器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率； 由于副控制回路的存在，使串級系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng) 。 從以上串級控制的特點(diǎn)來看，副控制回路給控制系統(tǒng)帶來了

7、一系列優(yōu)點(diǎn)，因此串級控制可應(yīng)用于抑制控制系統(tǒng)的擾動，克服對象的純滯后，減少對象的非線性影響，完全適用于加熱爐控制系統(tǒng)。 2.3 主、副控制規(guī)律的設(shè)計(jì) 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同，主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。 在加熱爐溫度串級控制中，選擇出口溫度為主要被控參數(shù)，原料溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格；又由于加熱爐串級控制系統(tǒng)有很大的容量滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。 控制副參數(shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有誤差。在加熱爐的溫度控制，采用爐膛溫度作為副

8、被控量，爐膛溫度過分偏離設(shè)定值嚴(yán)重影響了爐子的安全運(yùn)行，這種情況下副控制器可以采用P控制。所以副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P控制。 2.4 控制參數(shù)的工程整定 串級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法主要有三種。兩步整定法、逐步逼近法和一步整定法。 按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做兩步整定法。 一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次整定好，不再變動，然后按照一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。 逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。在這里選擇二步整定法三、鍋爐液位串級控制系統(tǒng)的仿真與結(jié)果分析3

9、1鍋爐液位仿真圖如下所示圖3 系統(tǒng)仿真框圖3.2 PID 參數(shù)整定及MATLAB 系統(tǒng)仿真采用衰減曲線法來整定PID控制器的參數(shù)。它是先讓控制器在純比例作用下，通過現(xiàn)場試驗(yàn)找到等幅震蕩的過渡過程， 記下此時的比例度和上升時間Tk，再通過經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算，求出PID控制器的參數(shù)。表1 衰減曲線法整定計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律PPIPID整定后圖像如下：圖4 系統(tǒng)穩(wěn)定時圖像此時，使用PID調(diào)節(jié)得到Pi=25 Ti=6 Td=2 KI=30,KP=25,KD=1得到階躍響應(yīng)曲線圖5如下：圖5 調(diào)節(jié)主控制器時，穩(wěn)定的圖像3.3 擾動加在不同對象時的曲線當(dāng)擾動作用于主控對象時，蒸汽用量增加時，主控制器能

10、通過減少進(jìn)水量，快速達(dá)到系統(tǒng)的平衡，蒸汽用量減少時，主控制器能通過增大進(jìn)水量，同時減少排水量，提高液面高度。當(dāng)擾動作用于副控對象時，蒸汽用量增加時，系統(tǒng)能夠精細(xì)的對蒸汽流量進(jìn)行控制，同時系統(tǒng)本身的蒸汽流量也對系統(tǒng)進(jìn)行作用。作用于主控時圖像6如下圖6擾動作用于主控制對象時圖像3.4 不同副調(diào)節(jié)器比例度的影響當(dāng)副調(diào)節(jié)器KP=100時，Matlab仿真圖7如下圖7副調(diào)節(jié)器KP=100時，Matlab仿真圖當(dāng)副調(diào)節(jié)器KP=5時，Matlab仿真圖8如下圖8副調(diào)節(jié)器KP=5時，Matlab仿真圖通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器比例度增大時系統(tǒng)超調(diào)量增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不變，當(dāng)系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器比例度減小時系統(tǒng)超調(diào)

11、量減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性不變。四、設(shè)計(jì)總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)可以說是一次知識的綜合應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容涉過程控制、自動控制原理、計(jì)算機(jī)控制理論與應(yīng)用、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等多方面知識，通過實(shí)際運(yùn)用與調(diào)試仿真，完成本次設(shè)計(jì)，收獲頗多。通過計(jì)算設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型及控制系統(tǒng)方塊圖，再通過Matlab仿真對系統(tǒng)進(jìn)行輸出響應(yīng)呈4：1 衰減時的主調(diào)節(jié)器的參數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定，并利用Simlink完成了系統(tǒng)整個流程的仿真涉及。系統(tǒng)的調(diào)試也是一個很重要的部分，調(diào)試就是不斷地改變參數(shù)的過程，使系統(tǒng)最后工作在最佳的工作狀態(tài)下。當(dāng)然，可能由于設(shè)計(jì)時少考慮了一些因素，使得無論怎么調(diào)試參數(shù)，都不能滿足設(shè)計(jì)要求，這時，就要重新設(shè)計(jì)，再

12、調(diào)試，直到滿足所有的指標(biāo)?；仡櫰鸫苏n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。五、參考資料【25】申晉，朱維申等三峽永久船閘高邊坡巖體裂隙分布的分形研究.巖土力學(xué)學(xué)報(bào)，1998，20(5):3539【2】毛昶熙，周名德等閘壩工程水力學(xué)與設(shè)計(jì)管理.北京：水利電力出

13、版社，1995：89英文參考文獻(xiàn)及期刊雜志【39】Tanzi，VitoTheory and policy：A comment on Dixie and on current tax theoryInternational Monetary and Fund Staff Paper (IMF), Vol.39, No.4, 1992: 957-966著作按下述格式書寫：【5】Rudiger DorbuschPolicy making in the Open EconomyOxford University Press Inc., 1993: 149會議論文按下述順序和格式書寫：【6】Alao Marti