比值控制系统设计与仿真毕业设计说明书.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书毕业设计说明书比值控制系统设计与仿真引 言配料系统是许多工业生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比进行是衡量产品质量的关键。工业生产中，常用比值控制策略来实现各种物料的配比控制。 在水泥、冶金、医药、玻璃、建材、化工等流程工业中，配料是生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比(组成产品的各种原料的比例)进行是衡量企业产品质量的关键，如果配料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产率，有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。配料在工业过程中广泛存在，如水泥配料、煤气混合、油品调合、配煤、烧结法炼钢及氧化铝、自来水加氯消毒等。石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调合。油品调合主要是指汽油、柴油、润滑以及原油等的调合。汽油调合是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添剂均匀混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。它是汽油成品出厂的最后一道工和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量规格要求重要手段，调合效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。通过以上分析可见，在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。配料精度的高低制约着整个生产的产品质量和产量，所以应对配料过程的控制给予足够重视。下面我们就具体介绍比值控制系统。第一章 比值控制系统概述在各种生产过程中，经常遇到生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。为此，我们引入比值控制系统。本章主要介绍单闭环比值、双闭环比值、串级比值及变比值的比值控制系统。1.1 比值控制系统定义工业中存在着大量按原料配比进行生产的过程，要求将原料配比进行控制，然而配比的变化往往意味着产品产量下降、质量下降、能量浪费、物料浪费、成本提高、环境污染、甚至安全事故。在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。例如，在煤气燃烧过程中，要求煤气与助燃空气按一定配比（最佳为1：1.05）供入燃烧室。若助燃空气输入不足，煤气得不到充分燃烧，降低了燃烧效率，造成能源浪费，环境污染，还有可能导致环境中大量煤气积存而成为事故隐患；若阻燃空气过量，过剩空气又将大量热量以废气形式排放，造成热能的大量浪费。为此，我们引入比值控制系统。在过程控制中，实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。这种控制方式在化工、制药领域中大量存在。1.2 比值控制原理在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保持一定的比例关系。最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求；造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆，许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。 通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量Q2。Q1与Q2之间的关系为 Q2KQ1 （1-1）式中，K为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。1.3 比值控制系统特点 比值控制系统的特征: 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量: 在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量），因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。2.从物料，也称为从动量: 另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2表示。3.比值系数：若两物料的比值系数设定为K，则有：（1-2）1.4 比值控制系统的类型根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断的修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂。比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。凡构成一个闭环以下的比值控制系统称为简单比值控制系统；凡构成两个闭环以上的比值控制系统称为复杂比值控制系统。比值控制系统可笼统分为：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、串级比值及变比值控制系统等。下面我们一一简单介绍这五种控制系统。1.4.1 开环比值控制系统开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其工艺流程图和原理方块图如图1-1所示。其中FT为检测变送器，FC为比值控制器。（1）工艺流程图 （2）原理方框图 图1-1 开环比值控制系统由原理方块图我们可以总结开环比值控制系统的特点如下：1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。 1.4.2 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图1-2所示。（1）工艺流程图 （2）原理方框图图1-2 单闭环比值控制系统1. 单闭环比值控制系统原理单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量、副流量，两个变送器、调节器、执行机构和一个以作为反馈信号的闭环回路组成。在稳定时，能实现主、副流量的工艺比值的要求，即 (K为常数)。系统原理框图如图1-3所示。当主流量不变、而副流量受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。主流量调节器的输出作为副流量的给定值。当主流量受到扰动时，则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变的给定值。根据给定值的变化，发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。当主副流量同时受到扰动时，调节器在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便,仅用一台比值器或比例调节器即可，因而在工业过程自动化中广泛应用。2.单闭环比值控制系统的四种工作情况：（1）当系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。 如图1-3单闭环比值控制系统的原理框图，由图可知：稳态时： 图1-3 单闭环比值控制系统的原理框图当不变，受到扰动时，闭合回路进行定值控制。当受到扰动时，输出变化，跟随变化，保证原设定的比值不变。单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。（4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。总之, 单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。【例1-1】利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料。水泥生产中，为了降低水泥中fCaO（游离氧化钙，又称游离钙）含量，提高水泥熟料质量，要求在石灰石中按一定比例自动连续地掺加萤石。利用如图1-4所示的单闭环比值控制的方式可以实现萤石与石灰石比例的恒定，达到了提高水泥质量的目的。图1-4 萤石单闭环比值控制自动配料系统框图图中粗线代表物料运送，细线代表控制线路。其中，控制中以石灰石为主动量，萤石为从动量。比值系数为两物料重量之比。1.4.3 双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制系统中主动量不受控制而产生的系统生产能力“失控”状况，在单闭环比值控制的基础上，对主动量也设置了一个闭环回路，构成对主、副物料流量都进行控制的双闭环比值控制系统。其工艺流程图和原理方框图如图1-5所示。双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成的。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现定值控制；副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。当扰动消除后，主、副流量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主、副流量变化平稳。当系统需要升降负荷时，只要改变主流量的设定值，主、副流量就会按比例同时增加或减小，从而克服上述单闭环比值系统的缺点。（1）工艺流程图 （2）原理方框图图1-5 双闭环比值控制系统在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入值。通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。如图1-6所示双闭环比值控制系统原理框图。其中，主流量回路：克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量回路：抑制副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。 扰动消除后，=R， 升降负荷时，可改变R(s) 图1-6 双闭环比值控制系统原理框图在现代工业生产过程中，对自动化的要求较高。就比值控制而言，不仅要求静态比值恒定，在扰动作用下，要求主、副流量接近同步变化，即要求静态与动态时物料量保持一定比值。如图1-7所示为引入“动态补偿环节”的双闭环比值控制， 由于副流量滞后于主流量，则动态补偿环节应具有超前特性。从原理上分析，就可以实现动态比值一定。图1-7 具有动态补偿环节的双闭环比值控制由以上分析可见双闭环控制中，主动量控制回路是一定值控制系统，而从动量控制回路是一个随动控制系统。和单闭环比值控制系统相比，双闭环比值控制系统的突出优点如下：（1）控制系统更为稳定对主动量的定值控制克服了干扰对主动量的影响，因此主动量变化平稳，从动量也将平稳，进而系统的总物料流量稳定，更好地满足了生产工艺要求。（2）系统更易于调节当需要改变主动量的设定值时，主动量控制回路通过调节控制使主动量的输出值改变为新设定值，同时从动量也将随主动量按给定比值变化。因此，当需要调整负荷时，只要改变主动量回路控制器的给定值，就可同步调整主动量和从动量，并保持主动量和从动量的比值不变。双闭环比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。1.4.4 串级比值控制系统单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制，在系统运行过程中其比值系数是不变的。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个参数的需要而变化，为此可以设计成串级比值控制系统，串级比值控制系统方块图如图1-8所示。图1-8 串级比值控制从图1-8可以看出，它的副回路是一个闭环比值系统，其比值由除法器来实现，两个流量比称为副参数。它的主回路也是一个闭环系统，由的反馈构成，为变比值信号，即单闭环比值系统的给定值。称为第三个参数或主参数（质量指标）。这是按一定的工艺指标自动修正比值系数的系统，即变比值控制系统。串级比值控制系统在稳态时，主、副流量恒定，分别将测量变送器后送至除法器，其输出即为比值，作为的测量信号，此时主参数也恒定。输出信号稳定，且，输出稳定，调节阀开度一定，所以主参数符合工艺要求，产品质量合格。当、出现扰动时，副回路可以很快动作，使两者的比例维持常数，即保持比值一定，从而不影响主参数，或大大减小扰动对主参数的影响。若主参数受某种干扰偏离给定值时，主调节器将会改变副调节器的的输出信号产生变化，修正了的给定值即修正了两个流量的比值，使系统在新的比值上重新稳定。应当指出，在串级比值控制系统中流量比值是用第三个参数来自动校正的。流量比值只是一个控制手段，不是最终目的。主参数往往是衡量质量的最终指标，因此这种系统对比值的要求大为降低，具有按主参数反馈自动校正比值系数的优点。1.4.5 变比值控制系统单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统有一个共同的特点：通过控制系统维持物料的供应比值恒定，保证生产过程的正常进行。实际生产过程中，物料按比例输入并不是最终目的，一般最终目的是生产过程的结果，如发电系统产生的电能，自来水氯气消毒系统输出水的质量与流量等。 因此，在生产过程中，往往要对除了输入物料以外的第三参量进行控制。当第三参量随输入物料的配比不同变化时，对第三参量的控制问题，变成了调节物料配比问题，这就是变比值控制，其控制的工艺图和控制方框图分别如图1-9，1-10所示。可见，变比值控制是一种内外环嵌套的复合控制，内环控制从物料的变化，外环控制第三参量的变化。通过第三参量的变化实现系统的变比值控制。主动量和从动量经检测、变送后送入除法器相除，除法器的输出即为它们的比值，同时又是比值控制器的测量值。系统在稳定工作状态下，主被控变量（即第三参量）稳定，主控制器的输出也稳定不变并和比值控制器信号相等，从物料量控制阀门稳定于某一开度，控制器的比值恒定。（1）当主物料量受到干扰发生波动时，除法器输出要发生改变，从物料控制系统调节从物料控制阀门开度，使从动量也发生变化，保证主物料量和从物料量比值不变。（2）当从物料量受到干扰发生波动时，和单闭环比值控制系统及双闭环比值控制系统一样，调节从物料流量，保证主物料量和从物料量比值不变。 图1-9 变比值控制系统工艺图（3）当主被控对象（即第三参量）受到干扰引起被控发生变化时，主控制器的输出将发生变化，也就是改变了比值控制器的设定值，即改变了主、从物料的比值。 图1-10 变比值控制系统控制方框图第二章 比值控制系统设计本章主要介绍比值控制系统中的比值控制方式的选择原则、主从物料的选择原则、比值系数的计算及调节器控制规律的确定。2.1 系统选用原则比值控制有多种控制方案，具体选用适应分析各种方案的特点，根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求等进行合理选择。（1）单闭环比值控制的选用 当要求两种物料比值精确、恒定；外干扰引起的主流量波动变化可以容忍；只有一种物料可控，其它物料不可控制；对由主流量波动引起的副流量波动和总生产能力变化没有限制时，可选用此方案。该方案实现起来方便，仅用一只比值器或比例调节器即可。（2）双闭环比值控制选用 当要求两种物料比值精确、恒定；扰动引起的主、副流量变化较大；不适用于只有一种物料可控，其它物料不可控制情况；要求总生产能力或主、副物料总量恒定；经常需要升降负荷时，可选用双闭环比值控制方案。（3）变比值控制选用 当两种物料流量的比值与主被控制量（主动量和从动量之外的第三参量）有内在关系，需要根据主动量的测得值和主被控制量的给定值调整主从物料流量的比值实现对主被控制量给定值的跟踪控制（或定值控制）时，应选用变比值控制方案。2.2 主从物料的选择在比值控制中，主从物料的选择影响系统的控制方向、产品质量、经济性及安全性。主从物料的确定是控制系统设计的首要一步，主要依循以下原则：（1）贵重原则 对有显著贵贱区别的物料，应选择贵重物料为主物料。实现以贵重物料为主进行控制，其他非贵重物料根据控制过程需要增减变化。这样可以充分利用贵重物料以合理成本完成生产过程。（2）不可控原则 某物料不可控制时，该物料选为主物料，其它为从物料。不可控物料不能利用物料量调节构成反馈控制闭环，所以不宜选为从物料。（3）主导作用原则 在多物料参与生产的过程中，如化工或制药工业中，经常将物料分成主料和辅料，生产围绕主料进行，辅料作为控制过程的调节物料。此类在诸物料中起主导作用的物料应选择为主物料，其它物料选为从物料。（4）流量大小原则 选择流量较小的物料作从物料，这样控制过程中控制阀的开度较小，系统控制灵敏，当然系统结构可能也会小些。（5）工艺需要原则 生产控制过程必须按相应的工艺过程进行，主从物料的选择也必须符合生产工艺的要求。2.3 比值系数计算比值控制系统的控制过程是通过对主、从动量以及第三参量的检测与控制实现的。一个物理量通常有多种检测方式，不同检测方式的比值系数计算方法也有相应的差别。常见的流量检测有：l 差压式流量计通过测量流动过程中两点的压力差，然后根据压力差与流量关系实现流量检测；l 靶式流量计通过测量流动过程中某一点的靶面压力，然后根据靶面压力与流量关系实现流量检测；l 浮子流量计通过将流动过程中某一点处流体引入浮子流量计，测量浮子悬浮的高度，然后根据悬浮高度与流量关系实现流量检测；椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计是将该流量计引入流动过程中某一点，测量旋转体的转速，然后根据转速与流量关系实现流量检测； l 电磁流量计则用于测量导电液体，根据电磁感应原理，利用感应电动势测量流量。综合分析各种检测方式，可把检测方法分为线性检测和非线性检测两种：1线性检测法的比值系数计算流量的线性检测一次仪表有浮子流量计、椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计等。该类仪表的流量测量原理可概括为： （2-1）式中，Q表示流量；c表示比例系数；W表示直接测量值，如转速、高度等。按比值系数公式得： （2-2）若对应变送器的测量范围（或称比值控制器输入端的主、从物料信号范围）分别为：0Q1max和0Q2max则折算成比值控制器的比值系数为：（2-3）2. 非线性检测法的比值系数计算非线性检测法的比值系数计算较为复杂，应根据具体情况具体分析。流量的非线性检测一次仪表有差压式流量计、靶式流量计等。该类流量计利用压力测量流量。流量和压力的关系可概括为： （2-4） 式中，c为差压式流量计的比例系数，为压力或压差。按比值系数公式得： （2-5）若对应变送器的测量范围（或称比值控制器输入端的主、从物料信号范围）分别为：0Q1max和0Q2max则折算成比值控制器的比值系数为： （2-6）2.4 PID控制器参数的调节及其对控制性能的影响无论哪种过程控制系统设计时都需要选择调节器，下面我们一一介绍几种常用的调节器。2.4.1 比例控制对控制性能的影响所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用u(t)与其偏差输入信号e(t)之间成比例关系， （2-7）其中，-比例增益。比例调节器的传递函数： （2-8）工程中，常用比例带来描述其控制作用的强弱，即 （2-9）其物理意义是在调节机构的位移改变100%时，被调量应有的改变量。如=20%，则表明调节器输出变化100%时，需要其输入信号变化20%。比例调节器的阶跃响应曲线如下图2-1所示。由图可以看出，在t时刻前，系统处于稳定状态；t时刻偏差信号e(t)发生阶跃变化，对于定值控制系统，即被调量产生阶跃变化，调节输出控制作用u(t)将成比例的变化，而且几乎是同时产生的。控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，是被调量回到原来的值上。从这一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。图2-1 比例调节规律由上图还可看出，在t时调节过程结束，但偏差信号e(t)仍存在；换言之，调节过程结束被调量的偏差仍未完全消除。因为采用比例调节规律的调节器，其输出的控制作用大小与偏差大小成比例关系，一定大小的控制作用是抵消扰动的影响、使系统重新稳定下来的保证。在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差，调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。调节过程结束，被调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规律的又一特点。2.4.2 积分控制对控制性能的影响比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的调节作用。然而比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制（定值调节）还需引入积分调节规律，实现无差调节。积分调节规律是调节器输出控制作用u(t)与其偏差输入信号e(t)随时间的积累值成正比，即 （2-10）其传递函数形式： （2-11）式中-积分时间。积分调节器的阶跃响应如图2-2所示。由图可以看出，当被调量出现偏差并成阶跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。从这一点看，积分调节作用是不及时的。只要偏差信号存在，调节器输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。由下式可知： （2-12）上式表明，控制作用在积分时间TI越小时越强。从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；换言之，只有偏差为零时，积分作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。不过在现实中，积分调节规律很少单独使用，它总是与比例调节规律结合成为比例积分调节规律，以发扬各自的特长，弥补对方的不足。描述比例积分调节规律的动态方程是： （2-13）式中-比例增益；-积分时间图2-2 积分作用曲线比例积分调节器的传递函数为： （2-14）综上分析，当被调量一旦偏离给定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结果；随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；只要偏差存在，控制作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停止变化。由此可见，比例积分调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点，从而克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点。2.4.3 微分控制对控制性能的影响微分调节规律是是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即 （2-15）式中Td-微分时间。传递函数式为： （2-16）由于受控对象总存在一定的容量，调节器也存在一定的不灵敏区，因此使调节器动作的偏差信号在实践上肯定落后于偏差变化速度信号，被调量变化速度（即偏差变化速度）信号又称超前信号。被调量的变化速度往往反映了对象流入量与流出量之间的不平衡状态，因此对惯性较大的对象，在调节器中加入微分调节作用实现超前调节，无疑将大大改善调节过程。微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。因此对象在受到较小的扰动后，被调量变化量及变化速度都将很小，微分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作,这样，经过一段时间后，偏差将积累成一个较大的值。就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的，微分作用要与比例作用或比例积分作用相结合，形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律。式（2-16）是理论上的微分调节规律表达式，因为在偏差阶跃变化时的瞬间，控制作用将为无穷大量，这是任何物理元件都不可能实现的。实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式： （2-17）式中TD-微分时间；KD-微分增益。由初值定理有： （2-18）由终值定理知： （2-19）如图2-3所示，微分调节的阶跃响应曲线。 图2-3 微分调节阶跃响应由图2-3也可以看出，当偏差信号做幅度为E的阶跃变化时，微分作用将立即产生，其值为偏差的KD倍。从这一点上与比例作用相比，调节及时且作用强。在时间较长后，微分作用消失，直到为零。可见微分作用要在调节过程的初期，和积分作用恰好相反。 第三章 控制系统的工程整定3.1 对控制系统性能的要求在控制过程中，一个理想的控制系统，始终应使其被控量(输出)等于给定值(输入)。但是，由于机械部分质量、惯量的存在，电路中储能元件的存在以及能源功率的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以瞬时变化。所以，当给定值变化时，被控量不可能立即等于给定值，而需要经过一个过渡过程，即动态过程。所谓动态过程就是指系统受到外加信号(给定值或扰动)作用后，被控量随时间变化的全过程。由动态过程可以反映系统内在性能的好坏，而常见的评价系统优劣的性能指标也是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。稳定性是这样来表述的：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受外作用力后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的。显然，不稳定的系统是无法正常工作的。一个能在生产实际中应用的系统，不仅应该是稳定的，而且在动态过程中的振荡也不能太大，否则不能满足生产实际的需要，甚至会导致系统部件的松动和被破坏。快速性是通过动态过程时间长短来表征的，过程时间越短，表明快速性越好，反之亦然。快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度。系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强。准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值来表征的，它反映了系统的稳态精度。若系统的最终误差为零，则称为无差系统,否则称为有差系统。稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能会造成系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统响应的快速性，则又会使系统的振荡加剧，甚至引起不稳定。比值控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性、静差和微分问题。（1）稳定问题 稳定性是控制系统正常工作的首要条件。对过程控制来说，稳定性问题不但涉及稳态情况，更涉及干扰扰动问题。干扰对过程控制的影响主要体现在：系统模型识别精确性降低、系统模型参数离散性变大、系统远离原模型静态工作点、系统工作进入非线性区等。干扰的主要后果是使控制系统处于不稳定，甚至使不安全工作状态。因此，在干扰较大的场合，如工业过程的现场，控制系统应有足够的稳定裕量。（2）快速性问题应保证系统响应的快速性从而保证比值恒定。（3）静差问题在稳态时，各比值控制的闭环均为定值控制，故系统跟踪不应存在静差。（4）微分问题比值控制系统的调节器不宜采用微分作用。因为比值控制系统对象一般都是流量对象，滞后时间都比较小。而且在管路中存在有很多不规则的干扰噪声，因此在控制器都不宜采用微分作用。 3.2 调节器的参数整定法控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定、控制仪表与控制对象等都处在正常状态的情况下，适当选择调节器的参数()使控制仪表的特性和控制对象的特性配合，从而使控制系统的运行达到最佳状态，取得最好的控制效果。显然，如果控制对象的运行方式不当，或者系统设计方案不合理，测量仪表和调节机构选型不当，安装质量不高等，则无论怎样整定调节器的参数，也不能满足调节质量的要求。另一方面，在主设备完善、系统设计方案合理、设备安装等均已完善的条件下，只有经过正确的整定，才能达到预期的控制质量。从理论上看，通过计算来整定调节器的参数是可行的办法。采用各种计算方法，求出闭环系统特征根的分布情况，对振荡频率、静态偏差、动态偏差、控制过程时间等有明确的结论，根据所得结论能够比较在不同的调节规律、不同参数值的情况下过渡过程的品质和实现保证衰减率大于所规定的数值的要求。但问题是计算方法要以控制对象的动态特性为依据，而动态特性测取时含有不精确性，更难以处理的是在工况变动时，对象的动态特性可能发生变化。另外，对控制系统中的一些非线性环节要近似为线性环节，甚至要对调节器本身在计算时也只能看作是线性的理想调节器。由于这些原因，各种计算结果只能是近似的，只宜作参考依据。在热工生产过程中，比较实用的是现场整定方法，即通过现场调试来选择调节器的参数。但是现场整定也要在正确的理论指导下才能有效进行并解决所能发现的问题，若事先不经过任何理论计算和分析，盲目地实践可能会延误时机，甚至带来麻烦。因此，计算还是有必要的。不过计算分析不必要求达到精确的结果，而是利用一些经验性图表，先估计调节器参数的取值范围，从而给现场整定提供参考。1、临界比例带法临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带以及振荡周期，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数，可以看出临界比例带法无须知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。临界比例带的具体步骤是：1） 将调节器的积分时间置于最大，即；置微分时间；置比例带于一个较大的值。2） 将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到进入等幅振荡状态。一般振荡持续45个振幅即可，试验记录曲线。3） 根据记录曲线的振荡周期此状态下调节器比例带为，然后按表3-1计算出调节器的各个参数。将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节器过程满意为止。 表3-1 临界比例带法计算公式（）规 律PPIPID临界比例带法在实际应用中有一定的局限性，有些生产过程根本不允许产生等幅振荡，如火力发电厂锅炉汽包水位控制；此外，某些惯性较大的单容对象用比例调节器又很不容易产生等幅振荡过程，得不到临界状态下的调节器比例带即振荡周期，则无法应用临界比例带法。2、衰减曲线法衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡（）过程时调节器比例带即过程上升时间，据经验公式计算出调节器的各个参数。衰减曲线法的具体步骤是：1） 置调节器的积分时间，微分时间，比例带为稍大的值；将系统投入闭环运行。2） 在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，应观察控制过程。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:1的衰减过程，对于的调节过程也是一样的做上述试验，直到出现10:1的衰减过程。记录下4:1（或10:1）的衰减振荡过程曲线。在曲线上求取时的振荡周期或时的上升时间tr，按表3-2计算出调节器的各个参数。表3-2 衰减曲线法计算公式规律0.75PPIPID 规律 0.9PPIPID3）按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。与临界比例带法一样，衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过程。从表3-2可以发现，对于，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律是引入了积分作用，因此系统的稳定性将下降，仍然能得到的衰减率，就须将放大1.2倍后作为比例积分调节器的比例带值。对于三参数调节规律，由于微分作用的引入提高了系统的稳定性和准确性，因此可将减小至后作为调节器比例带设定值，同时积分时间与无微分作用下相比也适当减小了。3、经验法如果调节系统在运行中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切的阶跃响应曲线就很困难，因此临界比例带法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。 通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。经验法可以说是根据经验进行参数试凑的方法，它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。 经验法整定具体步骤：1） 将调节器的积分时间放到最大，微分时间置于最小。根据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后做阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率（）则可，否则改变比例带值，重复上述试验。2） 将调节器的积分时间由最大调整到某一值，由于积分时间的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。做阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。3） 保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反方向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复试凑直到满意为止。如此反复试凑，直到有一组合适的积分时间和比例带。4） 对于采用三参数的调节器，在进行完上述调整试验后，将微分时间由小到大地调整，观察每次试验过程，在感到满意时便停止。3.3 比值控制系统调节器确定及工程整定 单闭环控制系统 从动量控制回路是跟随主动量而变化的随动系统。因此，要求反映快速、准确。故应采用PI控制方式，并将过渡过程整定成非周期临界情况，这时过渡过程既不振荡反应又快。控制器参数的整定步骤可归纳如下： 根据工艺要求的流量比值K，求得比值系数。 将积分时间置于最大值，由大到小逐步改变比例度，直到在阶跃干扰下过渡过程处于振荡与不振荡的临界过程为止。 适当放宽比例度（一般为20%）的情况下，逐步缓慢地减小积分时间，直到出现振荡与不振荡的临界过程或稍有一点超调的情况为止。 双闭环比值控制系统主流量控制环实现定值控制，从流量控制环实现自身的稳定控制和对主流量变化的跟踪，从而实现主、从流量的比值恒定。因此，两闭环调节器均应选择PI控制规律，而且应使从流量控制环响应较主流量控制环快，这样从流量控制系统才有能跟上主流量的变化，保证主、从流量比值恒定。主、从控制回路都应将过渡过程整定成非周期临界情况。另外，这样整定参数也防止了从动量回路共振问题。因为从动量回路通过比值器和主动量回路发生联系。主动量的变化必然引起从动量回路控制器设定值的变化，如果主动量的变化频率接近从动量回路的工作频率时，则有可能引起从动量回路的共振，以致系统的控制品质变坏。因此，主动量的过渡过程为非周期变化过程有效防止了这种可能性。 变比值控制系统 变比值控制系统，又可称为串级比值控制系统，它具有串级控制系统的一些特点，仿效串级控制系统调节器控制规律的选择原则，主调节器选择PI或PID控制规律；副调节器（即从动量调节器）可按单闭环控制系统进行整定。 第四章 双闭环比值控制系统的设计与仿真4.1 MATLAB概述火电厂是高度重视安全生产的企业之一，控制系统一旦投入运行，是不允许无关人员随便乱动的。因此，对控制系统的分析研究和自动化人员生产技能的培训只能在仿真控制系统上进行。以往的仿真控制系统主要是物理和半物理仿真，建立这样的仿真控制系统投资大，安装和维护费用也大。尤其是自动化仪表发展如此之快，使这些仿真控制系统不得不进行设备的更新改造，其经济损失是显而易见的。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。利用MATLAB软件中的SIMULINK功能可对自动控制系统进行仿真研究，它的仿真结果将会对自动控制系统的设计、安装调试和运行维护有着重要的指导意义。在火电厂中，DEH(汽轮机数字电液控制系统)是汽轮机运转的神经中枢，该系统性能只能通过动态过程才能反映出来。为此，利用MATLAB仿真工具和VB开发界面，建立DEH仿真平台，在不干扰生产的情况下，对DEH系统动态过程进行分析研究，从而避免了对系统参数调整的盲目性，使DEH系统各部分的动态过程完整地呈现出来。这对DEH系统优化运行中参数的整定、修改起到了预测和指导作用。实践证明，利用MATLAB对自动控制系统进行仿真，具有安全、可靠、节省人力、物力和财力等优点，它为加快大型火电机组热工自动控制系统的调试速度，提高火电厂热工自动控制系统的投入率，又提供了一个新的方法和手段。4.2 控制系统的性能分析频域特性分析法是经典控制理论中一种主要的分析方法。它是通过研究对系统正弦输入信号下的稳态和动态响应特性来分析系统的。频域分析法是自动控制中应用的又一种数学模型频域特性来研究系统控制过程性能（稳定性、快速性及稳态精度）的方法。这种方法不必直接求解系统的微分方程，而是间接的运用系统的开环频率特性曲线，分析闭环系统的响应。它是一种图解的方法。频域分析里主要用到三种曲线：Bode图，