控制系统仿真设计报告

1、 内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计报告题 目：加热炉出口温度仿真设计学生姓名：学 号：专 业：班 级：指导教师：目 录第1章 概述1第2章 总体方案设计22.1 设计思路22.1.1 单回路控制22.1.2 串级控制系统2第3章 Simulink建模53.1 单回路控制整定53.2 串级控制参数整定7第4章 Simulink仿真与优化设计10第5章 总结13参考文献14I第1章 概述图1-1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：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

2、节阀,用以控制燃料油流量,以达到控制出口温度的目的。图 1-1 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。第2章 总体方案设计2.1 设计思路2.1.1 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图2-1。图2-1 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。2.1.2 串级控制系统由于主对象时间常数较大，直接采用串级控制。在这里选择之后较小的炉膛温

3、度为副变量，炉出口温度为主变量。则该系统的结构图如图2-2。图2-2 串级控制系统图因此可以得到系统的方框图，如图2-3。图2-3 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控制器规则。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。第3章 Simulink建模3.1 单回路控制整定使用衰减曲线法来整定PI调节器，将积分时间T设为最大值，比例增益K设为一个较小值。给系统输入阶跃信号，调整K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K和震荡周期T。Simulink仿真环节如图3-1：图3-1 单回路P控制Simulin

4、k图经过尝试，当K=1.254时，此时T=16.6s正好是4：1衰减。如图3-2所示：图3-2 单回路P控制4：1响应曲线由图3-2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3-1的经验公式进行调节。表3-1 衰减曲线法整定计算公式由得到PI调节器的正定参数：K=1.254/1.2=1.045，T=16.60.5=8.30s。加入PI缓解后系统Simulink如图3-3所示：图3-3 单闭环PI控制Simulink仿真图经过略微调整K 和T使系统满足4：1的衰减变化。最终使K=0.909，T=13.65s时于是得到如图3-4的仿真曲线。图3-4 单闭环PI

5、控制4：1响应曲线曲线较好的呈现4：1的衰减比，经过两个震荡周期便进入了稳态。由于积分的作用，系统已消除了静差。3.2 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3-2所示。表3-2 副控制器参数经验设置值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K=3，K=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G，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，Simulink如图3-5示：图3-5 串级控制主P控制Simulink仿真图当K=19.4时外环出现4：1，如图

6、3-6所示：图3-6 串级控制主P控制器4：1响应曲线参考表3-1中衰减曲线法的经验公式，则有K=19.4/1.2=16.17，T=16.60.5=8.30s。加入PI环节后系统Simulink如图3-7所示。图3-7 串级主PI控制Simulink仿真图经过多次尝试调整K和T使系统满足4：1的衰减变化。最终使K=13，T=20s时于是得到如图3-8的仿真曲线：图3-8 串级主PI控制4：1响应曲线曲线较好的呈现4：1的衰减比，经过两个震荡周期便进入了稳态。由于积分的作用，系统已消除了静差。第4章 Simulink仿真与优化设计单闭环控制器和串级控制器参数均已调好。如表4-1所示，串级控制的优

7、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PI控制器的作用，使得系统无静态偏差。但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，由图4-1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(t)=0.1，最大动态偏差也由单回路的

8、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。表4-1 串级控制效果与单回路控制比较的结果串级控制和单回路控制的仿真对比结果以图形反映如下，明显看出两者差别。a 给定单位阶跃变化时的响应曲线b 作用时的响应曲线c (t)=0.1作用时的响应曲线d 副对象放大系数变为2时响应曲线最后一图显示当副对象由时，串级控制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。第5章 总结这次课程设计主要是学习整定串级系统的控制参数。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帮助，终于得到了较好的控制效果。通过本次课程设计，可以加深对过程控制理论知识的理解，同时更加熟练的使用matlab以及Simulink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