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1、1设计任务液氨蒸发器采用出口产品温度为主被控变量，加热蒸汽流量为副被G 01 (s)1(20s 1)(30s 1)Go2S10.1se0.2s 1控变量。主、副对象的传递函数分别为:、副扰动通道的传递函数分别为:Gf1(s)10.2s 1Gf 2(s) 1试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统设计要求如下：1 分别进行控制方案设计，给出相应的闭环系统原理图；2对设计的控制系统进行仿真，整定控制器参数；3给出系统的跟踪性能和抗干扰性能仿真， 包括一次扰动和二次扰动;4 对不同控制方案对系统的影响做比照分析。2整体方案设计2.1单回路控制变量的选择对于被控量和操作量选择的原那么，其中，被控
2、量选择的原那么是能直接反 映生产过程中产品产量和质量，选择的结果直接影响生产，因此此设计的被 控量是温度。操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素， 应该遵循快速有效的克服干扰的原那么去选择操纵量，因此此设计的操纵量是 加热蒸汽流量。2.2串级控制系统的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原那么：在条件许可的情况下，首 先应尽量选择能直接反响控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的 有某 种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变 化灵敏 度。故在本系统中选择出口产品温度作为主变量。副回路的设计质量 是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原
3、那么：应使主要 干扰和更多 的干扰落入副回路；应使主、副对象的时间常数匹配；应考虑工 艺上的合理 性、可能性和经济型。应选择本系统中的加热蒸汽流量为副变量。 又因为外环是主回路，内环是副回路，所以温度调控是主回路。2.3控制器的选择PID控制器的参数整定是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。在串级控制系统中，由于对副回路没有太 大的要 求，所以只需要有比例环节即可即 P为常数，1=0。而对于要求 较高的主回路，由于主变量一般不得有偏差，所以主回路一般由比例微分控 制P,I均为常数。3系统仿真与参数整定3.1单回路系统的仿真与参数整定针对设计要求，单回路前向通
4、道中含有主、副控制器及扰动，而调节器一 般位于扰动的前面，所以PID调 节器在最前面。设计中副被控变量为加热蒸汽流量，所以其作为反响作用于输入端图3-1-2单回路控制系统simulink仿真图仿真整定过程：首先将PID的参数设置为仅存在比例调节，变换不同的P值以到达期望的效果。图 3-1-3P=1，I=0无扰动信号，图 3-1-4P=3,I=0无扰动信号，图 3-1-5P=5,I=0无扰动信号图3-1-6 P=7 ,1=0，无扰动信号上面四幅图片可得当P越大时，超调量越大，稳定性下降。但是震荡频 率 加快，响应时间变短。为了保持系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当 加大。又因为要使PI调
5、节在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较 好的稳态性 能，所以P值不应过大，因此选择P=7。图 3-1-7P=7， 1=0.1，无扰动信号图 3-1-8P=7，1=0.3，无扰动信号 积分环节的作用除消除系统的余差外，也加大了系 统的振荡频率，使响应 速度变快。但是随着I的增大，超调量过大，也调节 时间过长，系统动态性能降低，因此选择1=0.1最正确图 3-1-9P=7, 1=0.1，次扰动信号图 3-1-10P=7，1=0.1，二次扰动信号通过反复试验过程，此时系统的阶跃响应效果比较理想，控制器参数整定比较合理。参加扰动以后超调量有所增大，但后面能够到达期望值，具有一定的调节作用。3.2串级控
6、制系统的仿真与参数整定针对设计要求，产品温度作为主变量必然处于主回路，蒸汽流量作为副 变量位于副回路中，扰动要加在调节器之后，因此得如以下图所示框图：副调节副扰动主扰动蒸汽流量副 控 制 器图3-2-1串级控制系统方框图由方框图对应得到系统仿真产品温度图图3-2-2串级控制系统simulink仿真图 仿真整定过程：首先将主、副PID调节器设计为比例控制，增益分别为K1,K2，假设扰动均为零，在给定阶跃输入下得到输出响应y1(t),y2(t)。串级系统的整定比单回路 复杂，因为两个调节器串在一起工作，各回路之间相互联系，相互影响。 改变 主、副调节器中的任何一个整定参数，对主、副回路的过渡过程都
7、有影 响，这 种影响程度取决于主、副对象的动态特性、而且待整定的参数比单回 路多，因此，串级系统的整定必然比较困难和繁琐。 常用的工程整定方法有： 试凑法， 两步整定法和一步整定法。其中一步整定法步骤为：选择一个适宜 的负调节器 放大倍数K2，按纯比例控制规律设置负调节器。本设计中经过 屡次调试，确定K2=12。主调节器也先置于纯比例作用，使串级控制系统投 入运行，用整定单 回路的方法整定主调节器参数。实验步骤如以下图：图 3-2-3K1=1 ，I=0 ， K2=12 ，无扰动图 3-2-4K1=5,I=0,K2=12 ，无扰动图 3-2-5K1=7,I=0,K2=12 ，无扰动由上图可知 P
8、 越大，系统的响应过程越好， 超调量变大， 震荡频率加大， 响应时间变短。由单回路控制得知 P 不应过大，因此选择 K1=7。因为副回路是随动系统， 允许有误差，因为副调节器可以不引入积分作 用， 因此只需讨论主调节器的 I 值即可。图 3-2-6K1=5,I=0.1,K2=12 ，无扰动图 3-2-7K1=7,I=0.1,K2=12 ，无扰动图 3-2-8K1=7,I=0.2,K2=12 ，无扰动 由上图很明显得知， K1 增大震荡剧烈，超调量增 大，调节时间变短，震荡频率 加快。而引入积分环节后，超调变小，调节时 间变短。 I=0.2 时较 I=0.1 时震荡 剧烈，调节时间过长，所以 I
9、=0.1 。图 3-2-9K1=7,I=0.1,K2=12, 一次扰动主扰动图 3-2-10K1=7,I=0.1,K2=12, 二次扰动副扰动图 3-2-11K1=7，1=0.1，K2=12，、二次扰动均作用系统 参加时间滞后环节后系统的仿 真图图 3-2-12此时系统的参数整定数值为图 3-2-13K1=0.2，1=0.1，K2=0.3，一、二次扰动均作用以下为整定过程中各参数变化后的效果图 3-2-14K1=0.2 ,1=0.2，K2=0.3，一、二次扰动均作用含时滞图 3-2-15K1=0.2，I=0.1，K2=1，一、二次扰动均作用含时滞图 3-2-16K1=7，I=0.1，K2=0.3，一、二次扰动均作用含时滞主、副调节器共同作用，使得系统响应加快，两种干扰同时作用时，使超 调量进一步加大， 调节时间变长。串级控制系统由于副回路的存在，提高了系 统的工作频率， 减小了震荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时 间，提高了系统 的快速性。4 小结通过以上分析可知：串级控制的副控制器具有“粗调的作用，而主控制 器具有“细调的作用。 由串级控制器和单回路控制器的仿真图比较可知， 采 用单回路控制，系统的阶跃响应到达要求时，系统对一次，二次扰动的抑 制效 果不是很好。假设主、副控制器两者相互配合，控制质量必然高于单回路 控制系 统。