蒸发器温度控制系统(1)

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控变量主、副对象的传递函数分别为：Goi (s)1(20s 1)(30s 1)Go2(S)1e0.2s 10.1s主、副扰动通道的传递函数分别为:Gf1(s)10.2s 1Gf2(s)1试分别采用单回路控制和审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对比分析。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则，其

2、中，被控量选择的原则是能直接反映生 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则去选择操纵量，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审级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应 尽量选择能直接反应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审级系 统优点的关键。副变量的选择应遵循

3、以下原则：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。故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。在审级控制系统中，由于对副回路没有太大的要求， 所以只需要有比伤J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

4、前向通道中含有主、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，所以其作为反馈作用于输入端图3-1-1单回路控制系统方框图由方框图对应得到系统仿真图图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值以达到期望的效果。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, I=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

5、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=70图 3-1-7P=7, I=0.1,无扰动信号图 3-1-8P=7, I=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最佳图 3-1-9P=7, I=0.1, 一次扰动信号图 3-1-10P=7, I=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。加入扰动以后超

6、调量有所增大，但后面能够达到期望值，具有一定的 调节作用。3.2 串级控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，因此得如下图所示框图：副调节器主调 节器 蒸汽流量.-产品温度4,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 yl(t),y2(t)。用级系统的整定比单回路复 杂,因为两个调节器用在一起工作，各回路之间相互联系，相互影响

7、。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： 选择一个合适的负调节器放大倍数K2 ，按纯比例控制规律设置负调节器。本设计中经过多次调试，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

8、-2-5K1=7,I=0,K2=12 ，无扰动由上图可知 P 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.

9、1 时震荡剧烈，调节时间过长，所以 I=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, I=0.1, K2=12，一、二次扰动均作用系统加入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, I=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 ， I=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