过程控制课程设计串级控制系统

1、目录第1章系统总体方案选择与说明1第2章系统结构框图与工作原理22.1隧道窑控制系统方案设计22.2系统控制量和被控量的选择32.3系统主副控制器的选择32.4系统各部分正反作用方式的确定3第3章软件设计43.1软件设计流程图63.2参数整定7第4章仿真与调试8第5章总结12参考文献13电气与信息工程系课程设计评分表14第1章系统总体方案选择与说明过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表 及系统來代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上 自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化。隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。几个环节都涉及 到温度的控制

2、，隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好 坏将直接影响产品的质量。制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行 烧结，烧结温度一般为1300°c,偏差不得超过5c。所以烧成带的烧结温度 是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控 变量，将燃料的流量作为操纵变量。随着现代工业生产的迅速发展，对工 艺操作条件的要求更严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高，而因 为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比较人。若采用隧道常温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后吋 间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量 将发生变化，必将引起燃烧室温

3、度的波动，再经过传热、辐射，引起烧成 带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在， 所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制 器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度 加以调节。可是这个调节作用同样耍经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以 及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧 成带的温度已偏离设定值很远了。即使发现了偏差，也得不到及时调节， 造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路 控制系统，不论控制器采用pid的什么控制作用，还是参数如何整定，都 得不到满意的控制效果。为了克服较

4、人的滞后，抑制较大的干扰以及使控 制更加的准确，简单控制系统已不能满足条件，故可选择串级控制系统。第2章 系统结构框图与工作原理2.1隧道窑控制系统方案设计隧道窑烧成带温度简单控制系统原理图如图1所示，原理方框图如图 2所示。按照简单控制系统，影响烧成带温度01的各种干扰因索都被包 括在控制冋路当屮，只要干扰造成z偏离设定值，控制器就会根据偏差 的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的山重新调冋到设 定值。控制燃烧室的温度02并不是目的，真正的目的是烧成带z的温度 稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。而燃烧 室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰d2的同吋，应该受

5、烧成带温 度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度 控制器的设定值。设足值图1隧道窑温度一温度串级控制系统结构原理图图2隧道窑温度-温度串联控制原理方框图所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出 作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控 变量具有更好的控制效果，这样的控制系统被称为串级控制系统，级系统 和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环 在里而，被称为副环或者副回路，在控制过程小起着“粗调”的作用；一 个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证 被调量满足工艺要求。无论主环或

6、副环都有齐h的调节对彖、测量变送元 件和调节器。2.2系统控制量和被控量的选择制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为 1300° c,偏差不得超过5° co所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的 重要控制指标之一，i大i此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流 量作为操纵变量。2.3系统主副控制器的选择在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选 型即调节动作规律的选择也冇不同考虑。副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，面且 副参数则并不要求无差，所以一般都选p调节器，也可以采用pd调节器, 但这增加了系统的复杂性，

7、而效果并不很大。在一般情况下，采用p调节 器就足够了。如主、副环的频率相差很大，也可以考虑采用pi调节器。 隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集，所以主、副坏 的频率相差不大，副调节器选用p调节器即可达到设计要求。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产耍求。凡是需耍采用串级 调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在偏 差，因此，主调节器都必须具有积分作用，一般都采用pi调节器。如果 副环外面的容积数目较多，同时有主耍扰动落在副环外面的话，就可以考 虑采用pid调节器。隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结 温度一般为1300。c,偏差不得超过5。c,

8、为了达到精准的控制，所以 在系统本设计中主调节器选用pid调节器。2.4系统各部分正反作用方式的确定与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现止常运行，其主、副 冋路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方 式。（1）副控制器止、反作用的选择串级控制系统中，副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求, 在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则 來确定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气 关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用方式的选择 方法相同。这时口j不考虑主控制器的作用方式，只是将主控制器的输出作 为副控制

9、器的设定值即可。在假定副测量变送装置的增益为止的情况卜： 副控制器正反作用选择的判别式为（副控制器土）x （调节阀土）x （副对象土）二（-）其中，调节阀的“土”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气 开”为“+”，“气关”为“-”；而副对象的“土”取决于控制变量和副被 控变量的关系，控制变量增大，副被控变量也增人时称其为“+”，否贝称 其为“-”。（2）主控制器正、反作用的选择串级控制系统中，主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定，而 与调节阀的气开、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据 主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。曲于副回路是一个随动控制系统，在

10、选择主控制器的作用方式时，首 先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号是主控制器的输出信 号（即副冋路的设定值），而输出信号就是副变量，其副冋路的输入信号 与输岀信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。因此，整个副回 路可看成为一个增益为止的环节。这样，在假定主测量变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反 作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号，主控制器正反作用方式选 择的判别式为（主控制器土）x （主对象土）二（-）由这个判别式也可看出，主控制器的作用方向与主对象的特性相反。 即当主对彖为正作用时，主控制器选反作用；而当主对彖为负作用时，主 控制器选止作用。在隧道窑串级控制系统

11、中，考虑到生产的安全，控制阀选择“气开” 工作方式,根据主、副控制器的止反选择规律分析，两个控制器都选择“反” 作用方式。第3章软件设计3.1软件设计流程图对于系统的主要执行程序，包括了 a/d采样、pid运算、结果输出和d/a转换，总体程序设计流程图如图3所示。图3主程序的设计流程图图屮对主回路的pid运算是将给定值减去主冋路通过液位变送器1 反馈得到的参数得到控制器输入量，经过运算输出后，送至副冋路的给定 值，减去副回路通过液位变送器2反馈得到的参数作为副回路p运算的给 定值。副回路的输出量送至d/a进行驱动。对于主回路的pid参数选择 需要通过调试来实现，使得在参数在较大的变动范围内能够

12、实现控制。通 常，这里的pid运算要引入积分分离及输出限幅。3.2参数整定主控制器为pid控制器，副控制器为p控制器。可设定控制系统所用主、一 （ 1 ）副控制器的传递函数分别为:g“g） = kd 1 + 7> , gc2（s） = kc2fi g 丿假设主对象的传递函数为gm（$） =1（30$ + 阪 +1）副对象的传递函数为g，2（5）（10s + lx$ + lgv.（5）= 1,g/n1（5）= gw2（5）= 1串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法;一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际屮很少使用。两步整定法虽然 比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要

13、做两次4： 1衰减曲线法的实测。 对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提岀了一步整定法。为 了简便起见，本设计采用一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先 确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。在在simulink屮建立系统结构图，如图4所示。图4在simulink中控制系统的结构图第4章仿真与调试根据衰减曲线法求出來的主副控制器的各项参数，口j以在simulink 中进行仿真。为了使仿真结果更直观更具比较性，让经过系统调节后的输 出与给定进行比较，可以在如图4所示的结构图中增加一条出阶跃信号直 接到示波器的线。将所整

14、定出來的主副调节器的各项参数代入图4中，得 到如图5所示，即为整定好时simulink中系统模型结构图。由图6可以看出，经过串级控制系统主副控制器的调节后，系统在稳1 14-1态时口j以达到无静羞，且cr% = - = 14% ,超调量较小。系统在110s 时达到稳定。当考虑到主回路里加入干扰时，在系统稳定运行到大约130strjnrttifch2ppg时，加入一个幅值为设定值40%的阶跃扰动信号，如图所示。"lzj-oiinlim“i*gjln2ml”图7主凹路加入干扰时系统结构模型图对其进行仿真后如图8所示，可以看出干扰很快被抑制，由主回路所c1 -06 1/加干扰引起的系统的超

15、调量为b%二一-=6% ,在220s时系统很快 重新达到稳定。冃达到稳定后系统无静差。图8主回路加入干扰后simulink系统仿真图当考虑到副回路里加入干扰时,如在系统在稳定运行到大约130s时, 加入一个幅值为设定值40%的阶跃扰动信号，如图9所示。图9副回路加入干扰时系统结构模型图对系统进行仿真后如图10所示，可以看岀干扰很快被抑制，而冃由 干扰引起的超调量为3% ,明显比主回路加入干扰时超 调量要小，表明串级控制系统对加在副回路里的干扰的抑制作用更强，在 系统设计时应尽量将主要的干扰包含在副凹路中。系统在220s时重新达 到稳定。月达到稳定后系统无静差。图10苗ijih路加入干扰后sim

16、ulink系统仿真图再来分析若主回路和副回路同时加入干扰时系统的抗扰性能，如在 系统在稳定运行到大约130s时，主回路和副回路屮均加入一个幅值为设 定值40%的阶跃扰动信号，如图11所示。ldwi tz h zx, itimirtirat tunsitifaii1pihw1ttmtifauldwtumpah图11主副回路同时加入干扰后simulink系统结构模型图060402图12主副冋路同时加入干扰后simulink系统仿真图对其进行仿真后如图14所示，可以看出干扰很快被抑制，由主冋路所加干扰引起的系统的超调量为” = "75-1 “5%,在220s时系统1重新达到稳定，稳态无静差

17、。从以上三种情况时的抗扰分析可以得出，串 级控制系统对主冋路和副冋路中的干扰有较好的抑制作用，系统都可以较 快地达到稳定。而且稳态均无静菲。另外系统对加在副冋路中的干扰信号 的抑制作用更强。第5章总结通过这次课程设计，能够对所学知识加以实际应用，加深对理论的了 解以及理解，使自己的水平不断得到提升。学习不再局限于书木屮的寥寥 数语，而是向更宽广更丰富的知识海洋。在做过控课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个 全面和系统更深刻的了解和掌握。在这个过程屮我认真查阅了大量资料和 工具书增长了我的知识，开阔了我的视野。不过我看得更多的还是教材， 万变不离其宗，对任何一个设计其基木原理最终都

18、可以在书本上找到答 案。所以书木是最重要的，完全吃透书木课程设计才能发挥得更好。 虽然课程设计源于书本，但是和应用于生活联系得更加紧密。这就要求我 们在学习和生活的过程中每个人都耍学会应用资源和我们自身的优势，同 吋留心观察身边的事物。另外在做课程设计过程中,涉及到mat lab的仿真。通过亲自仿真实践, 掌握了如何在simulink中进行仿真。另外为了模拟这个工业控制过程， 我述专门下载了组态王软件，但是因为不太会用，所以最终没有能仿真出 其控制的动态过程，不过却让我认识了这款软件，并且了解了一些基本的 操作。只有亲自动手才会发现问题，在做课设过程中，我遇到了关t word 排版的问题，公式编缉的问题，以及进行截图要用到虚拟打印机的问题等, 我最终都比较顺利的完成了，这更锻炼了我解决问题的能力。课程设计着重于对当代大学生的接受能力，对各种技巧的掌握、运用 能力，对所学知识的应用、拓展与延伸、方法的选择与实现能力等等的锻 炼，设计中为了达到自己的要求，我查阅了很多资料。参考文献1 王再英.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社，20062 孙洪程、李大宇.过程控制工程.北京：高等教育出版社，20063 张晋格.控制系统cad基于matlab.北京: