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1、 二一二二一三 学年第 一 学期 信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称： 过程控制与集散系统课程设计 班 级： 自动化 2009 级（2）班 学 号： _ 200904134064 姓 名： 指导教师： 二一二年 十一月 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计 一、 设计任务 图所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度， 然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周 的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个 调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 被加热物料 燃料 T1 支路1 支路2 炉膛
2、 出口 图 1 加热炉出口温度系统 但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不 能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统， 运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 二、 设计要求 1) 绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。 2) 以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成 炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。 3) 假设主对象的传递函数为1() = 1 (5+1)(+1)， 其中 = 10 + (学号后三 位80) 0.1，副对象的传递函数为2() = 1 +1，主
3、、副控制器的传递函数分别 为1() = 1(1 + 1 )，2() = 2，() = ，1() = 2() = 1，请确 定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程） 。 4) 利用实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出 响应曲线。 5) 根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点。 三、 设计任务分析 1. 单回路控制 在这里先可以尝试采用使用单闭环实现。加热炉出口温度单回路反馈控制系 统结构框图如下： 温度控制器控制阀 温度变送器 炉膛出口温度 给定 - 扰动扰动 图 2 单回路控制系统框图 控制器使用PI控制规则，使用衰减曲线法对控制器参数进行整定。 2. 串级控制系
4、统 由于主对象时间常数较大，直接采用串级控制。 在这里选择滞后较小的炉膛温度为副变量，炉出口温度为主变量。则该系统 的结构图如下： 被加热物料 燃料 TT1 支路1 支路2 炉膛 出口 TC1 TC2TT2 温度给定 图 3 串级控制系统图 因此，可以得到系统的方框图，如下所示。 主温度控制器控制阀 副温度变送器 炉膛出口 给定 扰动 - 副温度控制器 主温度变送器 扰动 - 图 4 串级控制系统框图 主控制器采用PI控制规则，副控制器直接采用P控制规则。使用一步法直接 确定副控制器的放大倍数。 再使用单回路控制系统的整定方法来整定主控制器的 参数。再根据K值匹配原理，适当调整主控制器的参数，
5、使主变量的品质达到规 定质量要求。 四、 详细设计 学号尾数为064，故有 = 10 + (64 80) 0.1 = 8.4。即 1() = 1 (5 + 1)(8.4 + 1) 另外设调节阀的传递函数为= = 5。 1. 单回路控制整定 使用衰减曲线法来整定调节器，将积分时间设为最大值，比例增益1设 为一个较小值。 给系统输入阶跃信号， 调整1使系统的响应出现4:1的衰减过程。 并记录下此时的比例环节增益1和振荡周期。 仿真环节如下 ： StepScope 5 Gu 1 s+1 Go2 1 42s +13.4s+1 2 Go1 P(s) Gc1 图 5 单回路控制图 经过尝试，当1= 1.2
6、54时，此时= 16.6正好是4:1衰减。如下图所示： 图 6 单回路线控制4:1响应曲线 0102030405060708090100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Step Response Time (sec) Amplitude 由图 6 可以明显看出系统存在一定的余差，需要在控制器中加入积分来消除 系统的稳态偏差。按表 1 的经验公式进行调整。 表 1 衰减曲线法整定计算公式 调节规律调节规律 /(%) / / () 1.2() 0.5 0.8() 0.3 0.1 由得到PI调节器的整定参数：1= 1.254/1.2 = 1.045，= 16.6 0.5 =
7、 8.30。加入环节后系统如下所示。 StepScope 5 Gu 1 s+1 Go2 1 42s +13.4s+1 2 Go1 PI(s) Gc1 图 7 单闭环控制仿真图 经过略微调整1和使系统满足4:1的衰减变化。最终使1= 0.909， = 13.65时于是得到如下图的仿真曲线： 图 8 单闭环控制4:1响应曲线 曲线较好的呈现4:1的衰减比，经过两个振荡周期便进入了稳态。由于积分 的作用，系统已消除了静差。 2. 串级控制参数整定 由一步法参照副控制器参数经验设置值表来整定副控制器。如表 2 所示。 0102030405060708090100 0 0.5 1 1.5 Step Re
8、sponse Time (sec) Amplitude 表 2 副控制器参数经验设置值 副变量类型副变量类型 副控制器的比例度副控制器的比例度(%) 副控制器比例放大倍数副控制器比例放大倍数 温度温度 2060 1.75 压力压力 3070 1.43 流量流量 4080 1.252.5 液位液位 2080 1.255 这里副变量是炉膛的温度，则由上表直接整定副控制器参数为1= 3， = 5 按单回路控制系统整定方法直接整定主控制器参数。将内环直接看作主环内 的一个环节1= 15 +16， 因为此时副回路可以看作一个理想的随动系统。 使用衰减 曲线法4:1，这时候同样按照单闭环的方法来整定外环。
9、如下所示： StepScope 15 s+16 G1 1 42s +13.4s+1 2 Go1 P(s) Gc1 图 9 串级控制主控制仿真图 当1= 19.4时外环出现4:1，如图 10 所示。 图 10 串级控制主控制器4:1响应曲线 参考表 1 中衰减曲线法的经验公式，则有1= 19.4/1.2 = 16.17， = 16.6 0.5 = 8.30。加入环节后系统如下所示。 Step Response Time (sec) Amplitude 0102030405060708090100 0 0.5 1 1.5 StepScope 15 s+16 G1 1 42s +13.4s+1 2
10、Go1 PI(s) Gc1 图 11 串级主控制仿真图 经过多次尝试调整1和使系统满足4:1的衰减变化。最终使1= 13， = 20时于是得到如下图的仿真曲线： 图 12 串级主控制4:1响应曲线 曲线较好的呈现4:1的衰减比，经过两个振荡周期便进入了稳态。由于积分 的作用，系统已消除了静差。 五、 仿真及性能分析 单闭环控制器和串级控制器参数均已调好。如下表 3 所示，串级控制的优势 十分明显。这里分别从衰减率、静态偏差、系统的工作频率、对干扰的抑制作用 和副对象干扰的抑制作用这几个方面进行计算和分析。 由表中所见，在同样为4:1衰减比的情况，两者均因为控制器的作用，使 得系统无静态偏差。但
11、串级系统由于内环的存在，提高了工作频率，由0.0499提 高到0.0873，几乎两倍。副回路存在使得系统响应变化，更早的达到峰值。在加 入干扰后，串级控制的自适应能力便脱颖而出，由下图的响应曲线所见，单回路 虽然能克服干扰，但最大偏差明显大于串级控制。当副回路中引入干扰 2() = 0.1时，串级控制使单回路的动态偏差由0.112降到0.0032；即使是进入 主回路的干扰1() = 0.1， 最大动态偏差也由单回路的0.023降到0.0102。 可见， 串级控制系统对扰动有一定的抑制作用，尤其是进入到副回路内的扰动。 0102030405060708090100 0 0.5 1 1.5 Ste
12、p Response Time (sec) Amplitude 表 3 串级控制效果与单回路控制效果的比较 控制品质指标 单回路控制系统 串级控制系统 1= 0.909 = 13.65 1= 13 = 20 2= 3 衰减率 75% 75% 静态偏差 0 0 系统工作频率 0.0499 0.0873 2() = 0.1作用时最大偏差 0.112 0.0032 1() = 0.1作用时最大偏差 0.023 0.0102 副对象放大系数增加时 稳定性变差 稳定性基本不变 串级控制和单回路控制的仿真对比结果以图形反应如下，明显看出两者差别。 a 给定单位阶跃变化时的响应曲线 b 2() = 0.1作
13、用时响应曲线 c 1() = 0.1作用时响应曲线 d 副对象放大系数变为2时响应曲线 图 13 仿真曲线对比图 0102030405060708090100 0 0.5 1 1.5 0102030405060708090100 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0102030405060708090100 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0102030405060708090100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 最后一图显示当副对象由2= 1 +1变为2 = 2 +1时， 串级控制
14、的响应曲线基 本不变，而单回路出现次数较多的震荡效果明显变坏，可见串级控制系统有一定 的自适应能力。 六、 心得体会 这次课程设计主要是学习整定串级系统的控制参数。在这次课程设计在参数 整定上遇到不少问题，最终通过耐心地调整以及同学的帮助，终于得到较好的控 制效果。通过本次课程设计，可以加深对过程控制理论知识的理解，同时更加熟 练地使用以及进行控制系统的仿真实验。将所学的理论与方法 应用于实际之中，提高了自己理论联系实际的能力，也丰富了自己的阅历。 七、 参考文献 【1】 方康玲 过程控制与集散系统(第一版)M， 电子工业出版社， 2009.1 【2】 吴怀宇 自动控制原理(第一版)M，华中科技大学出版社，2007.9 【3】 郑阿奇 MATLAB 实用教程(第二版)M，电子工业出版社，2007.8