蒸發(fā)器溫度控制系統(tǒng)(1)

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控變量主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為：Goi (s)1(20s 1)(30s 1)Go2(S)1e0.2s 10.1s主、副擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)分別為:Gf1(s)10.2s 1Gf2(s)1試分別采用單回路控制和審級(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)的影響做對(duì)比分析。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則，其

2、中，被控量選擇的原則是能直接反映生 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則去選擇操縱量，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)的選擇審級(jí)控制系統(tǒng)選擇主變量時(shí)要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應(yīng) 盡量選擇能直接反應(yīng)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)揮審級(jí)系 統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循

3、以下原則：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。故選擇本系統(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。在審級(jí)控制系統(tǒng)中，由于對(duì)副回路沒(méi)有太大的要求， 所以只需要有比傷J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

4、前向通道中含有主、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，所以其作為反饋?zhàn)饔糜谳斎攵藞D3-1-1單回路控制系統(tǒng)方框圖由方框圖對(duì)應(yīng)得到系統(tǒng)仿真圖圖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值以達(dá)到期望的效果。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, I=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

5、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)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=70圖 3-1-7P=7, I=0.1,無(wú)擾動(dòng)信號(hào)圖 3-1-8P=7, I=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最佳圖 3-1-9P=7, I=0.1, 一次擾動(dòng)信號(hào)圖 3-1-10P=7, I=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。加入擾動(dòng)以后超

6、調(diào)量有所增大，但后面能夠達(dá)到期望值，具有一定的 調(diào)節(jié)作用。3.2 串級(jí)控制系統(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，因此得如下圖所示框圖：副調(diào)節(jié)器主調(diào) 節(jié)器 蒸汽流量.-產(chǎn)品溫度4,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PID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) yl(t),y2(t)。用級(jí)系統(tǒng)的整定比單回路復(fù) 雜,因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)節(jié)器用在一起工作，各回路之間相互聯(lián)系，相互影響

7、。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)合適的負(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)多次調(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

8、-2-5K1=7,I=0,K2=12 ，無(wú)擾動(dòng)由上圖可知 P 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.

9、1 時(shí)震蕩劇烈，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以 I=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, I=0.1, K2=12，一、二次擾動(dòng)均作用系統(tǒng)加入時(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, I=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 ， I=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