鍋爐液位串級系統(tǒng)

1、西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文加熱爐串級控制系I第一章 緒論（空2行）1.1 國內(nèi)外控制系統(tǒng)的發(fā)展情況（四號黑體）1.1.1 國外控制系統(tǒng)的發(fā)展情況自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：1、 能夠適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制。2、 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的控制系統(tǒng)的控制。

2、3、 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的控制系統(tǒng)的控制。4、 這些控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。5、 控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)的特點(diǎn)。目前，國外控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。1.1.2 國內(nèi)控制系統(tǒng)的發(fā)展情況隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，作為工業(yè)自動(dòng)化重要分支的過程控制的任務(wù)也越來越繁重。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，過程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。

3、在上世紀(jì)30年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天，在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動(dòng)控制時(shí)期內(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，它們是：分散控制階段，集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展，無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。目前，過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，

4、對企業(yè)的經(jīng)營、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。1.2 論文研究的目的及意義加熱爐是石油工業(yè)中重要的裝置之一，加熱爐控制的主要任務(wù)就是保證工藝介質(zhì)最終溫度達(dá)到并維持在工藝要求范圍內(nèi)，由于其具有強(qiáng)耦合、大滯后等特性，控制起來非常復(fù)雜。同時(shí)，近年來能源的節(jié)約、回收和合理利用日益受到關(guān)注。加熱爐是冶金、煉油等生產(chǎn)部門的典型熱工設(shè)備，能耗很大。因此，在設(shè)計(jì)加熱爐控制系統(tǒng)時(shí)，在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能也是一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，要保證加熱爐的熱效率最高，經(jīng)濟(jì)效益最大。另外，為了更好地保護(hù)環(huán)境，在設(shè)計(jì)加熱爐控制系統(tǒng)時(shí)，還要保證燃料充分燃燒，是燃燒產(chǎn)

5、生的有害氣體最少，達(dá)到減排的目的。為此，我們設(shè)計(jì)一套以串級控制為基礎(chǔ)的加熱爐串級控制系統(tǒng)，這對提高工業(yè)產(chǎn)能具有相當(dāng)積極的意義。在一些工業(yè)過程控制中，加熱爐是關(guān)鍵部分，爐溫控制精度及其工作穩(wěn)定性已成為產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素。對于工業(yè)控制過程，PID調(diào)節(jié)器具有原理簡單、使用方便、穩(wěn)定可靠、無靜差等優(yōu)點(diǎn)，因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。在產(chǎn)品的工藝加工過程中，溫度有時(shí)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，溫度檢測和控制是十分重要的，這就需要對加熱介質(zhì)的溫度進(jìn)行連續(xù)的測量和控制。在冶金工業(yè)中，加熱爐內(nèi)的溫度控制直接關(guān)系到所冶煉金屬的產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，溫度控制不好，將給企業(yè)帶來不可彌

6、補(bǔ)的損失。1.3 論文研究的主要工作過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)任務(wù)提出到系統(tǒng)投入運(yùn)行，是一個(gè)從理論設(shè)計(jì)到實(shí)踐，再從實(shí)踐到理論設(shè)計(jì)多次反復(fù)的過程。過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)大致可分為以下幾個(gè)步驟：1、 熟悉和理解生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求與性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)的技術(shù)要求與性能指標(biāo)一般由生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)制造單位或用戶提出，這些技術(shù)要求與性能指標(biāo)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，設(shè)計(jì)者必須全面、深入地了解與掌握。技術(shù)要求與性能指標(biāo)必須科學(xué)合理、切合實(shí)際。2、 建立被控過程的數(shù)學(xué)模型 被控過程數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要解決如何用恰當(dāng)數(shù)學(xué)模型來描述被控過程的

7、動(dòng)態(tài)特性。只有掌握了過程的數(shù)學(xué)模型，才能深入分析被控過程的特性、選擇正確的控制方案。3、 控制方案的確定 控制方案包括控制方式選定和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的確定，是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟?？刂品桨傅拇_定既要依據(jù)被控過程的工藝特性、動(dòng)態(tài)特性、技術(shù)要求與性能指標(biāo)，還要考慮控制方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)實(shí)施的可行性、使用與維護(hù)的簡單性等因素，進(jìn)行反復(fù)比較與綜合評價(jià)，最終確定合理的控制方案。必要時(shí)，可在初步的控制方案確定之后，應(yīng)用系統(tǒng)仿真等方法進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、過渡過程等特性是否滿足工藝要求，對控制方案進(jìn)行修正、完善與優(yōu)化。4、 控制設(shè)備選型 根據(jù)控制方案和過渡特性、工藝

8、要求，選擇合適的傳感器、變送器、控制器與執(zhí)行器等。5、 實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證是檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確與否的重要手段。有些在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中難以確定和考慮的因素，可以在試驗(yàn)或仿真中引入，并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，以及系統(tǒng)的性能指標(biāo)是否滿足要求。若系統(tǒng)性能指標(biāo)與功能不能滿足要求，則必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。綜上所述，本次論文設(shè)計(jì)中要做的主要工作為：建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)加熱爐溫度壓力串級控制系統(tǒng)。選擇加熱爐出口溫度為主變量，燃料壓力為副變量，構(gòu)成出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)。對加熱爐溫度壓力串級控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真以及參數(shù)整定，并和單回路反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。第二章 控制系統(tǒng)2.1 被控參

9、數(shù)的選擇生產(chǎn)中希望借助控制系統(tǒng)保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的參數(shù)稱為被控參數(shù)，也稱為被控變量。被控參數(shù)選擇是控制方案設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，對控制系統(tǒng)能否達(dá)到穩(wěn)定操作、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、節(jié)能降耗、改善勞動(dòng)條件、保證生產(chǎn)安全等具有決定性意義，關(guān)系到控制方案的成敗。如果被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管選用多么先進(jìn)的檢測控制設(shè)備，均難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。被控參數(shù)的選擇與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)。影響生產(chǎn)過程正常運(yùn)行的因素很多，并非所有影響因素都要加以控制。在選擇被控參數(shù)時(shí)，必須根據(jù)工藝要求，深入分析生產(chǎn)過程，找出對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗等具有決定性作用

10、，能較好反映生產(chǎn)工藝狀態(tài)及變化的參數(shù)作為被控參數(shù)。根據(jù)被控參數(shù)與生產(chǎn)過程的關(guān)系，被控參數(shù)的選擇通常由兩種方法。一種是選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)作為被控參數(shù)，稱為直接參數(shù)法。如果生產(chǎn)過程是按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制，按理應(yīng)以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控參數(shù)，但有時(shí)由于缺乏檢測直接反映產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的有效手段，無法對產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行直接檢測；或雖能檢測，但檢測信號很微弱或滯后很大，直接參數(shù)檢測不能及時(shí)、正確地反映生產(chǎn)過程的實(shí)際情況。這時(shí)可以選擇與質(zhì)量指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系、易于測量的變量作為被控參數(shù)，間接反映產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)過程的實(shí)際情況?？偨Y(jié)：選取被控參數(shù)的基本原則是首先考慮選擇

11、對產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用、可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)；當(dāng)直接參數(shù)不易測量，或其測量滯后很大時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)易于測量，與直接參數(shù)有單值關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)；同時(shí)兼顧工藝上的合理性和所用儀表的性能及經(jīng)濟(jì)性。綜上所述，本次論文設(shè)計(jì)中，不考慮任何滯后環(huán)節(jié)，所以我們選擇加熱爐的出口溫度為被控參數(shù)。2.2 控制變量的選擇在控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為控制變量（也稱操縱變量）。在過程控制中最常見的控制變量是介質(zhì)的流量。在有些生產(chǎn)過程中，控制變量是很明顯的。但在有些生產(chǎn)過程中，影響被控參數(shù)的外部變量有幾個(gè)，這些輸入變量中，有些允

12、許控制，有些則不允許控制。從理論上講，所有允許控制的變量都可選作為控制變量，但在單輸入-單輸出（SISO）系統(tǒng)中只能有一個(gè)控制變量。原則上，在考慮生產(chǎn)過程特點(diǎn)和產(chǎn)品特點(diǎn)的情況下，要從所有允許控制的變量中盡可能地選擇一個(gè)對被控參數(shù)影響顯著、控制性能好的輸入變量作為控制變量。從控制原理的觀點(diǎn)來看，從所有允許控制的變量中選出一個(gè)作為控制變量，需要分析、比較不同的控制通道和不同的擾動(dòng)通道對系統(tǒng)特性和控制品質(zhì)的影響，作出合理的選擇。選擇控制變量也是選擇正確的控制通道。當(dāng)控制變量選定以后，其他所有未被選中的變量均被視為系統(tǒng)的干擾?？刂谱兞颗c干擾都作用于被控過程，都會(huì)引起被控參數(shù)的變化。干擾變量通過干擾通道

13、作用于被控過程，使被控參數(shù)偏離設(shè)定值，對控制質(zhì)量起著破壞作用；控制變量通過控制通道作用于被控過程，使被控參數(shù)回復(fù)到設(shè)定值，起著校正作用?？刂谱兞亢透蓴_變量對被控參數(shù)的影響都與過程的特性密切相關(guān)。因此，要認(rèn)真分析被控過程的特性，選擇合適的控制變量，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)?？刂谱兞窟x擇的一般原則：1、 控制變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。2、 控制變量一般應(yīng)比其他干擾對被控參數(shù)的影響靈敏。3、 被控過程存在多個(gè)時(shí)間常數(shù)，在選擇設(shè)備及控制參數(shù)是，應(yīng)盡量使時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開，使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他時(shí)間常數(shù)大很多，同時(shí)注意減小其他時(shí)間常數(shù)。4、 在選擇控制變量時(shí)，除了從提高控制品質(zhì)的角度考慮外，還要考慮

14、工藝的合理性與生產(chǎn)效率及生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性。一般不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量，因?yàn)樯a(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量或者用戶的需求，不允許控制。另外，從經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)盡可能地降低物料與能量的消耗。綜上所述，本次論文設(shè)計(jì)中，不考慮任何滯后環(huán)節(jié)，所以我們選擇燃料壓力為控制變量。2.3 被控過程數(shù)學(xué)模型的建立建立被控過程數(shù)學(xué)模型的基本方法有二種，即機(jī)理法和實(shí)驗(yàn)測試法。2.3.1 機(jī)理法機(jī)理法建模是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出相關(guān)的平衡方程，如：物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程，以及反映流體流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程、物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。機(jī)

15、理法建模的首要條件是必須對生產(chǎn)過程的機(jī)理有充分的了解，并且能夠比較準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)語言加以描述。機(jī)理法建模需要充分而可靠的先驗(yàn)知識，如果先驗(yàn)知識不充分，就無法得到正確的數(shù)學(xué)模型。機(jī)理法的最大優(yōu)點(diǎn)是能在還沒有系統(tǒng)設(shè)備之前就得到被控過程的數(shù)學(xué)模型，這對于控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與比較十分有利。機(jī)理法建模的基礎(chǔ)是物質(zhì)與能量平衡關(guān)系，利用物質(zhì)與能量平衡的基本關(guān)系及相應(yīng)的物理、化學(xué)定理，列寫出相應(yīng)的（代數(shù)、微分）方程，并進(jìn)行一定的運(yùn)算、變換即可得到需要的傳遞函數(shù)。由于原始的機(jī)理方程往往比較復(fù)雜，需要進(jìn)行簡化才能獲得實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。常用的簡化方法有以下三種：一是一開始就引入簡化假定，使復(fù)雜的方程簡化；二是在得到較復(fù)

16、雜的高階方程后，用低階方程去近似；三是對得到的原始模型進(jìn)行仿真，得到一系列響應(yīng)曲線（如階躍響應(yīng)曲線或頻率特性），再用低階模型近似。許多被控過程內(nèi)在機(jī)理比較復(fù)雜，人們對過程的變化機(jī)理知之甚少，很難用機(jī)理法得到簡潔的數(shù)學(xué)模型。在計(jì)算機(jī)普遍應(yīng)用以前，幾乎無法用機(jī)理法建立復(fù)雜過程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，被控過程數(shù)學(xué)模型的研究有了迅速的發(fā)展。只要機(jī)理清楚，就可以利用計(jì)算機(jī)求解出幾乎任何復(fù)雜過程的數(shù)學(xué)模型。用機(jī)理法建模時(shí)也會(huì)出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況，這是可以用辨識方法把這些參數(shù)估計(jì)出來，最后得到被控過程實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。2.3.2 測試法測試法建模通過對被控過程輸入、輸出的實(shí)測數(shù)

17、據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后求得其數(shù)學(xué)模型，這種方法也稱為系統(tǒng)辨識。用測試法建模時(shí)，可以在不十分清楚內(nèi)部機(jī)理的情況下，把被研究的對象視為一個(gè)黑匣子，完全通過外部測試來描述它的特性。被控過程的動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)下才對外表現(xiàn)出來。為了獲得過程的動(dòng)態(tài)特性，必須使被控過程處于被激勵(lì)的狀態(tài)，例如對被控過程施加階躍擾動(dòng)或脈沖擾動(dòng)等。為了有效地進(jìn)行這種測試，對被控過程內(nèi)部機(jī)理有一定程度的了解，有助于掌握哪些因素起主要作用，各種因素之間存在的因果關(guān)系等。關(guān)于被控過程豐富的先驗(yàn)知識，有助于測試法建立被控過程數(shù)學(xué)模型的順利進(jìn)行和取得好的結(jié)果。那些內(nèi)部機(jī)理尚未被人們充分了解的過程，例如復(fù)雜的生化過程，由于缺乏基本的先

18、驗(yàn)只是，也就難以用測試法建立起動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。用測試法建模一般比機(jī)理法簡單、通用性強(qiáng)，尤其對復(fù)雜生產(chǎn)過程，其優(yōu)勢更為明顯。如果機(jī)理法和測試法兩者都能達(dá)到同樣的目的時(shí)，一般優(yōu)先選用測試法建模。測試法建模又可分為經(jīng)典辨識法和現(xiàn)代辨識法二大類。經(jīng)典辨識法不考慮測試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需要對少量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較簡單的數(shù)學(xué)處理，數(shù)據(jù)處理與計(jì)算工作量較小?，F(xiàn)代辨識法的特點(diǎn)是可以消除測試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差（噪聲）的影響，因而需要用特定的方法處理大量的測試數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)是必不可少的工具。現(xiàn)代辨識法所涉及的內(nèi)容相當(dāng)豐富，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制理論一個(gè)專門的學(xué)科分支。用單一的機(jī)理法或?qū)嶒?yàn)測試法建立復(fù)雜被控過程的數(shù)學(xué)

19、模型比較困難。綜合機(jī)理法和測試法兩種基本方法特點(diǎn)的混合法是建立復(fù)雜被控過程數(shù)學(xué)模型的有效方法?；旌戏ㄍǔＳ袃煞N處理方式：對被控過程工作機(jī)理已經(jīng)非常熟悉的部分，采用機(jī)理法推導(dǎo)出響應(yīng)數(shù)學(xué)模型；對于尚不十分熟知或不很肯定的部分，則采用測試法得出其數(shù)學(xué)描述，這樣可以減少全部采用實(shí)驗(yàn)辨識的工作難度。另一方式是先通過機(jī)理分析，確定模型的結(jié)構(gòu)形式，再通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模型中各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值。第三章 控制方案的設(shè)計(jì)3.1 單回路控制系統(tǒng)本加熱爐溫度壓力控制系統(tǒng)首先采用單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。由于單回路控制系統(tǒng)較為簡單，故采用數(shù)字PID算法作為系統(tǒng)的控制算法?？刂葡到y(tǒng)通過溫度檢測元件不斷的讀取物料出口溫度，經(jīng)過

20、溫度變送器轉(zhuǎn)換后接入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將給定溫度與測得的溫度進(jìn)行比較得出偏差值，然后經(jīng)PID算法給出輸出信號，執(zhí)行器接收調(diào)節(jié)器發(fā)來的信號后，根據(jù)信號調(diào)節(jié)閥門開度，進(jìn)而控制燃料壓力，改變物料出口溫度，實(shí)現(xiàn)對物料出口溫度的控制。在運(yùn)行過程中，當(dāng)物料出口溫度受干擾影響改變時(shí)，溫度檢測元件測得的模擬信號也會(huì)發(fā)生對應(yīng)的改變，該信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換后變成調(diào)節(jié)器可分析的數(shù)字信號，進(jìn)入調(diào)節(jié)器，將變動(dòng)后的信號再與給定值相比較，得出對應(yīng)偏差信號，經(jīng)PID算法計(jì)算后輸出，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)燃料壓力，不斷重復(fù)以上過程，直至物料出口溫度接近給定值，處于允許范圍內(nèi)，且達(dá)到穩(wěn)定。由此消除干擾的影響，實(shí)現(xiàn)溫度的控制要求。3.1.1 系

21、統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程圖根據(jù)控制要求和控制方案設(shè)計(jì)的加熱爐溫度壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，系統(tǒng)為單回路負(fù)反饋溫度系統(tǒng)。圖3-1 加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)根據(jù)控制要求和結(jié)構(gòu)圖繪制得加熱爐溫度單回路控制系統(tǒng)整體控制流程圖如圖3-2所示：圖3-2 加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖3.1.2 系統(tǒng)控制參數(shù)確定通過第二章內(nèi)容所述，本次論文設(shè)計(jì)中，不考慮任何滯后環(huán)節(jié)，所以我們選擇加熱爐的出口溫度為被控參數(shù)，選擇燃料壓力為控制變量。3.1.3 調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇選擇調(diào)節(jié)規(guī)律是為了使調(diào)節(jié)器與被控過程很好地配合，組成滿足工藝要求的控制系統(tǒng)。選擇什么樣的調(diào)節(jié)規(guī)律與具體的被控過程匹配是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，需要綜合考慮

22、多種因素才能得到合理的解決。在具體控制工程的實(shí)施過程中，調(diào)節(jié)規(guī)律的最終確定還要根據(jù)被控過程特性、負(fù)荷變化情況、主要擾動(dòng)特點(diǎn)以及生產(chǎn)工藝要求等實(shí)際情況進(jìn)行分析。同時(shí)還應(yīng)考慮生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投運(yùn)、維護(hù)等因素。當(dāng)然，最終結(jié)果還要通過工程實(shí)踐最后驗(yàn)證。下面簡要介紹一些選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本原則。1. 比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)是最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律，它對控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很迅速。比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，整定簡便。一般的液位調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)均可采用比例調(diào)節(jié)器。2. 積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是沒有靜差。但是它的動(dòng)態(tài)偏差最大、調(diào)節(jié)時(shí)間長，只能用于有自衡特性的簡單對象，很少單獨(dú)使用。3. 比例積分調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)既

23、能消除靜差，又能產(chǎn)生較積分調(diào)節(jié)快得多的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對于一些調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和要求較嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，比例積分調(diào)節(jié)可以取得很好的效果。比例積分調(diào)節(jié)器是使用最多的調(diào)節(jié)器。4. 比例微分調(diào)節(jié)微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)比例系數(shù)增大，加快調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)偏差和靜差。5. 比例積分微分調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器是常規(guī)調(diào)節(jié)其中性能最好的一種調(diào)節(jié)器，它綜合了各種調(diào)節(jié)器規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，既能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以消除靜差。對于負(fù)荷變化大、容量滯后大、控制品質(zhì)要求高的控制對象（如溫度控制、pH控制等）均能適應(yīng)。但對于對象滯后很大，負(fù)荷變化劇烈、頻繁的被控過程。

24、采用PID調(diào)節(jié)還達(dá)不到工藝要求的控制品質(zhì)時(shí)，則應(yīng)選用串級控制、前饋控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。綜上所述，本次論文設(shè)計(jì)中，我們選擇PID調(diào)節(jié)器作為調(diào)節(jié)規(guī)律。3.1.4 調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法簡單控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，與被控過程的特性、干擾信號的形式和大小、控制方案及調(diào)節(jié)器的參數(shù)等因素密切相關(guān)。一旦控制方案確定，受工藝條件和設(shè)備特性限制的廣義對象特性、干擾特性等因素就完全確定，不可能隨意改變。這時(shí)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)完全取決于調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。簡單控制系統(tǒng)參數(shù)整定，就是通過一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)處于最佳過渡過程時(shí)，調(diào)節(jié)器比例度P、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td的具體數(shù)值。所謂的最佳整定參數(shù)，就是在某種評價(jià)指

25、標(biāo)下，系統(tǒng)達(dá)到最佳控制狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律所對應(yīng)的一組參數(shù)值。各種具體生產(chǎn)過程的要求不同，所期望的控制品質(zhì)不一樣，所謂“最佳”標(biāo)準(zhǔn)也不相同。對于單回路控制系統(tǒng)，較為通用的標(biāo)準(zhǔn)是所謂的“典型最佳調(diào)節(jié)過程”，即控制系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下，被控參數(shù)的過渡過程呈4:1（或10:1）的衰減震蕩過程。在這個(gè)前提下，盡量滿足準(zhǔn)確性和快速性要求，即絕對誤差時(shí)間積分最小。這時(shí)系統(tǒng)不僅具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性、快速性，而且又便于人工操作管理。習(xí)慣上把滿足這一衰減比的過渡過程所對應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)稱為最佳參數(shù)。通過整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)是有前提條件的，即控制方案合理、儀表選型正確、安裝無誤和調(diào)校準(zhǔn)確。否則，無

26、論怎樣調(diào)整調(diào)節(jié)其參數(shù)，也打不到所要求的控制品質(zhì)。這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)器的參數(shù)只能在一定范圍內(nèi)提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法可簡單歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩大類。常用的理論計(jì)算法有對數(shù)頻率特性法、根軌跡法等。理論計(jì)算法要求知道被控過程的數(shù)學(xué)模型，由于難以獲得被控過程精確的數(shù)學(xué)模型，因而理論計(jì)算法在工程上較少采用。工程整定法不需要對象特性的數(shù)學(xué)模型，可直接在現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)整定，方法簡單、操作方便、容易掌握，在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。常用的工程整定法有穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、經(jīng)驗(yàn)湊試法等。1. 穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法又稱臨界比例度法，是目前應(yīng)用較廣的一種調(diào)節(jié)器參數(shù)正定方法。在生產(chǎn)工藝容許

27、的情況下，先讓調(diào)節(jié)器按比例調(diào)節(jié)工作。從大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩；記錄此時(shí)的（臨界）比例度Pm和等幅振蕩周期Tm，再通過經(jīng)驗(yàn)公式的簡單計(jì)算，求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。2. 衰減曲線法衰減曲線法是針對臨界比例度法的不足，在總結(jié)“穩(wěn)定邊界法”和其他一些方法的基礎(chǔ)上得出的一種參數(shù)整定方法。這種方法不需要系統(tǒng)達(dá)到臨界震蕩狀態(tài)，步驟簡單，也比較安全。3. 響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法也稱動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，是一種開環(huán)整定方法，它利用系統(tǒng)廣義對象的階躍響應(yīng)特性曲線對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。因此，應(yīng)首先測定廣義對象的動(dòng)態(tài)特性，即廣義對象輸入變量作單位階躍變化時(shí)被控參數(shù)的響應(yīng)曲線，再根據(jù)響應(yīng)曲線確定該廣義

28、對象動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，然后用這些參數(shù)計(jì)算出最佳整定參數(shù)。4. 經(jīng)驗(yàn)法這種方法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，它不需要進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識，先確定一組調(diào)節(jié)參數(shù)，然后人為加入階躍擾動(dòng)，觀察被控參數(shù)的響應(yīng)曲線，并按照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響，逐次改變相應(yīng)的整定參數(shù)值，一般按先比例度P，再積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td的順序逐一進(jìn)行整定，直到獲得滿意的控制品質(zhì)為止。出于方便研究，本次論文設(shè)計(jì)中，我們采用經(jīng)驗(yàn)湊試法進(jìn)行工程整定。經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將調(diào)節(jié)器參數(shù)置于某一數(shù)值上，直接在閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中通過改變給定值施加干擾，根據(jù)得到的調(diào)節(jié)過程曲線逐步反復(fù)試湊，直到獲得滿意的過渡過程為止。各類調(diào)節(jié)系統(tǒng)中

29、調(diào)節(jié)器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表3-1：表3-1 調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值范圍經(jīng)驗(yàn)試湊法簡單可靠，適用于各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)，特別是外界干擾作用頻繁，記錄曲線不規(guī)則的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用此法最合適。但這種方法實(shí)質(zhì)上是“看曲線，調(diào)參數(shù)”，因此對熟悉的系統(tǒng)能很快試湊出合適的調(diào)節(jié)參數(shù)，而不熟悉的系統(tǒng)要試湊出滿意的過渡過程曲線則很費(fèi)時(shí)，且經(jīng)驗(yàn)也是因人而異，沒有一個(gè)明確的準(zhǔn)則。3.2 串級控制系統(tǒng)加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制溫度的目的。由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，比如原料側(cè)的擾動(dòng)及負(fù)荷擾動(dòng)；燃燒

30、側(cè)的擾動(dòng)等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐溫度為主變量，選擇滯后較小的燃料壓力為副變量，構(gòu)成爐溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿足工藝生產(chǎn)的要求。3.2.1 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程圖根據(jù)控制要求和控制方案設(shè)計(jì)的加熱爐溫度壓力串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：圖3-3 管式加熱爐串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的工作過程，就是指在擾動(dòng)作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。由加熱爐溫度壓力串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可繪制出其結(jié)構(gòu)方框圖，如圖3

31、-4所示：圖3-4 管式加熱爐串級控制系統(tǒng)框圖3.2.2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。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、副過程和主過程構(gòu)成。3.2.3 串級控制系統(tǒng)的原理加熱爐控制系統(tǒng)以

32、燃料調(diào)節(jié)閥后壓力為主被控對象，燃料油流量為副被控對象的串級控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的副回路由燃料油流量控制回路組成，因此，當(dāng)擾動(dòng)來自燃料油上游側(cè)的壓力波動(dòng)時(shí)，因擾動(dòng)進(jìn)入副回路，所以，能迅速克服該擾動(dòng)的影響。由于調(diào)節(jié)閥后壓力的控制不是單一因素所能實(shí)現(xiàn)的，所以，還要對空氣的流量進(jìn)行控制?？諝獾目刂浦苯佑绊懻{(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)狀況，不僅影響其壓力，還直接影響了能源的利用率和環(huán)境的污染。所以，對空氣的控制很有必要，其原理和燃料控制相同。3.2.4 主、副回路的設(shè)計(jì)與選擇1.主回路的設(shè)計(jì)加熱爐溫度壓力串級控制系統(tǒng)是以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。其它被控參數(shù)有爐膛溫度、爐壁溫度、燃料流量、燃料壓力、原料油

33、流量。溫度調(diào)節(jié)器對被控參數(shù)1精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對來自燃料干擾的及時(shí)控制相結(jié)合，先根據(jù)燃料壓力2的變化，改變?nèi)剂狭?，快速消除來自燃料的干擾及對燃料壓力的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度1與設(shè)定值的偏差，改變?nèi)剂蠅毫φ{(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃料量，使原料油出口溫度恒定，達(dá)到溫度控制的目的。2.副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。串級系統(tǒng)的特點(diǎn)主要來源于它的副回路，副回路的參數(shù)選擇一般應(yīng)遵循下面幾個(gè)原則： 主、副參數(shù)有對應(yīng)關(guān)系。即通過調(diào)整副參數(shù)能有效地影響主參數(shù)，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)；其次，選擇的副參數(shù)必須是物理上可測的；另外，

34、由副參數(shù)所構(gòu)成的副回路，調(diào)節(jié)通道盡可能短，調(diào)節(jié)過程時(shí)間常數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小，以便使等效過程時(shí)間常數(shù)顯著減小，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，加快控制過程反應(yīng)速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。 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。在選擇副參數(shù)時(shí)一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中，但也不是副回路包含的干擾越多越好，因?yàn)楦被芈钒母蓴_越多，其控制通道時(shí)間常數(shù)必然越大，響應(yīng)速度變慢，副回路快速克服干擾的能力將受到影響。所以在選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)在副回路反應(yīng)靈敏與包含較多干擾之間進(jìn)行合理的平衡。 副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程的時(shí)間常數(shù)的匹配，以

35、防“共振”的發(fā)生。在串級控制系統(tǒng)中，主、副回路中控制過程的時(shí)間常數(shù)不能太接近，一方面是為了保證副回路具有較快的反應(yīng)能力，另一方面由于在串級控制系統(tǒng)中，主、副回路密切相關(guān)，如果主、副回路中的時(shí)間常數(shù)比較接近，系統(tǒng)一旦受到干擾，就有可能產(chǎn)生“共振”，使控制質(zhì)量下降，甚至使系統(tǒng)因震蕩而無法工作。在選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意使主、副回路中控制過程的時(shí)間常數(shù)之比為310，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。 應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)型。綜合以上原則，我們選擇燃料壓力作為串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)能夠有效的影響主參數(shù)原料油出口溫度1，提高了主參數(shù)的控制效果。3.2.5 主、副

36、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無靜差。在加熱爐溫度壓力串級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格，又因?yàn)榧訜釥t串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，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，因而可以允許在一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。3.2

37、.6 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式和調(diào)節(jié)閥的確定1.主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋。串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇方法是：首先根據(jù)工藝要求決定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，并決定副調(diào)節(jié)器的正反作用；然后再依據(jù)主、副過程的正、反形式最終確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。由圖5-1可以得到，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全。對于副調(diào)節(jié)器，當(dāng)燃料壓力增加時(shí)，測量信號增大，為保證副回路為負(fù)反饋，此時(shí)調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)小，要求副調(diào)節(jié)器輸出信號減小

38、。按照測量信號增大，輸出信號減小的原則要求，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。對于主調(diào)節(jié)器，當(dāng)副參數(shù)升高時(shí)，主參數(shù)也升高，故主調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。2.調(diào)節(jié)閥的確定由前文得，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全得以保證。調(diào)節(jié)閥按其工作能源形勢可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三類。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥用壓縮空氣作為工作能源，主要特點(diǎn)是能在易燃易爆環(huán)境中工作，廣泛地應(yīng)用于化工、煉油等生產(chǎn)過程中；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用電源工作，其特點(diǎn)是能源取用方便，信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環(huán)境中工作；液動(dòng)調(diào)節(jié)閥用液壓推動(dòng)，推力很大，一般生產(chǎn)過程中很少使用。故本設(shè)計(jì)

39、采用了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且為氣開形式。3.2.7 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從整體上來看是定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數(shù)的要求也不同，通過正確的參數(shù)整定，可取得理想的控制效果。串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。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。但是逐步逼近法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。兩步整定法是按照串級控制系統(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。此法雖然比逐

40、步逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次4:1衰減曲線法的實(shí)測。對兩步整定法進(jìn)行簡化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次放好，不再變動(dòng)，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)。為了簡便起見，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的正定步驟為： 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/2=0.5這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。 按照單回路控制系

41、統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。對于該溫度串級控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配。根據(jù)表5-1，可以大致確定副控制器的增益Kc2及比例帶。表5-1 常見對象的副控制器比例帶的經(jīng)驗(yàn)法3.3 方案總結(jié)方案一的單回路控制系統(tǒng)有干擾時(shí)，TC輸出信號改變閥門開度，進(jìn)而改變?nèi)剂狭髁浚剂贤ㄟ^調(diào)節(jié)閥，燃料壓力改變，其過程時(shí)間常數(shù)大，可達(dá)到很長時(shí)間。因此等到

42、出口溫度改變后，再改變操縱變量，動(dòng)作不及時(shí)，偏差在較長時(shí)間內(nèi)不能被消除。方案二的串級控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)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)、初調(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)，對副回路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制質(zhì)量顯著提高。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個(gè)測量變送器與一個(gè)控制器（調(diào)節(jié)器），增加的投資并不多（對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個(gè)測量變送器），但控制效果卻有顯著的替換高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)：1、 改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，

43、提高了系統(tǒng)的工作頻率；2、 對二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力；3、 提高了對一次擾動(dòng)的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。綜上所述，串級控制系統(tǒng)明顯優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)。第四章 MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)綜合上文所述，下面對單回路控制系統(tǒng)以及串級控制系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在加熱爐溫度壓力串級控制系統(tǒng)中，構(gòu)成以出口溫度為主變量，燃料壓力為副變量的串級控制系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及先驗(yàn)知識，可得其中主、副對象的傳遞函數(shù)Go1和Go2為： （4-1） （4-2）4.1 單回路控制系統(tǒng)仿真研究4.1.1 未加校正裝置的控制系統(tǒng)加熱爐溫度控制設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)調(diào)整測試的過程，使用Simulink能大大簡化這一過程，未加校正裝置時(shí)

44、，系統(tǒng)PID控制器傳遞函數(shù)為：，根據(jù)式（4-1）及式（4-2），此時(shí)應(yīng)建立如圖4-1所示的Simulink模型：圖4-1 未加校正裝置單回路控制系統(tǒng)仿真圖通過仿真可得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形如圖4-2所示：圖4-2 未加校正裝置單回路控制仿真波形圖由上圖可知，未加校正裝置時(shí)，系統(tǒng)仿真結(jié)果并不理想，為了達(dá)到盡可能理想的控制效果，必須加以校正并進(jìn)行合適的參數(shù)整定。6.1.2 加入校正裝置后的控制系統(tǒng) 未加校正裝置時(shí)，系統(tǒng)仿真結(jié)果并不理想，在加入校正裝置后，在圖4-1的基礎(chǔ)上，可以建立如圖4-3所示的Simulink模型：圖4-3 單回路控制系統(tǒng)仿真圖 對PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，采用經(jīng)驗(yàn)法，經(jīng)過不斷試驗(yàn)，當(dāng)PID調(diào)節(jié)器輸入比例Kp=11.8，積分Ki=0.33，微分Kd=30時(shí)，如圖4-4所示；系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到比較滿意的效果，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4-5所示。圖4-4 PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)圖4-5 校正后單回路控制仿真波形圖經(jīng)過計(jì)算，可得到本系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)如下：超調(diào)量：；調(diào)節(jié)時(shí)間