自动化仪表与过程控制课程大作业20121.doc

自动化仪表与过程控制课程大作业1、（15分）如图所示为加热炉的两种控制方案。试分别画出（a）、（b）所示两种情况的方框图，说明其调节过程并比较这两种控制方案的特点。（1）系统框图(a)(b)（2）调节过程1）(a)图加热炉的串级控制系统的调节过程：燃料油物料的流量和初温变化f1(t)二次扰动扰动f1(t)先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，改变燃料油量，克服上述干扰对炉膛温度的影响。如果扰动量不大，经过副调节器的及时控制一般不影响炉膛的温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副调节器的及时校正，仍影响炉膛温度，此时在由主调节器进一步调节，从而完全克服上述扰动，使炉膛温度调到给定值上来。原油压力、热值变化f2(t)和烟筒抽力变化f3(t)一次扰动扰动f2(t)和f3(t)使炉膛温度变化时，主调节器产生校正作用，克服f2(t)和f3(t)对炉膛温度的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对炉膛温度的影响比单回路系统时要小。一次扰动和二次扰动同时存在假设加热炉串级控制系统中调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉膛温度很快调回到给定值。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减小，此时主、副调节器对调节阀的控制方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变化即满足控制要求。2）（b）图前馈-反馈控制系统调节过程：由于原油量经常发生变化，因而对此主要扰动进行前馈控制。前馈控制器将在原油量发生变化时及时产生控制作用。通过改变燃料量来消除原油量变化对炉膛温度的影响。同时反馈控制温度调节器获得温度变化的信号后，将按照一定的控制规律对燃料流量产生控制作用。两个控制通道作用叠加得结果将使炉膛温度回到给定值。在系统出现其他干扰时，如进料温度、燃料油压力等变化时，由于这些信息未被引入前馈补偿器，故只能依靠反馈调节器产生的控制作用克服它们对被控温度的影响。（3）控制方案的特点1）串级控制串级控制系统的主回路是定值控制系统，而副回路则为一个随动系统。改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。对二次干扰有很强的克服能力。提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。2）前馈-反馈系统前馈控制器是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，故前馈控制又称为“扰动补偿”。扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。前馈控制属于开环控制，所以只要系统中个环节是稳定的，则控制系统必然稳定。只适合有来克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其他扰动无抑制作用。因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性。因此，往往控制规律比较复杂。2、（20分）（用MATLAB仿真实现）某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下：t(s)0102030405060708090100h(mm)00.82.84.55.45.96.16.26.36.36.3如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T和，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。(1)确定参数K、T、静态放大系数 t=0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;h=0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3;plot(t,h);xlabel(时间t(s);ylabel(液位h(mm);grid on;hold on;为了计算方便，取，则可得则过程传递函数（2）PI参数整定由于，所以3、（20分）某隧道窑系统，考虑将燃料室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数分别为：，其中有一个10s的传输延迟，其传递函数为。当延迟环节分别放在主回路和副回路时，设计串级控制主、副PID控制器的参数，并绘制出整定后的阶跃响应曲线，分析二次扰动系统的影响。由于主、副回路的时间常数比在3-10范围内，所以用逐步逼近法对副、主回路经行整定。副控制器为P调节，主控制器为PI调节。（1）延时单元在主回路 1）第一步，主回路开环，先整定副回路。按单回路方法整定副控制器，不断的试验，当Kc2=10时，控制曲线如下：，从下图中可知，此时的衰减比约为4：1。2）第二步：主回路闭合，整定主回路。副控制的参数为Kc2=10，调节主控制器参数，当Kc1=3.3时，阶跃响应如下图所示：，此时Ts1=45s。3）第三步，在主回路闭环的情况下重新整定副调节器参数，根据衰减曲线法取Kc1=2.75，Ki1=0.122,Kc2=10，系统阶跃响应曲线如下图：4)第四步：由于超调量过大在进行反复调节副回路的调节器调节规律： 主回路的调节器调节规律：（2）延时单元在副回路副回路的调节器调节规律： 主回路的调节器调节规律：串级控制系统是针对二次干扰而提出来的，由于副回路的存在，对二次干扰有很强的抑制作用。下面就从理论上加以证明。 在串级控制系统中，假定二次干扰从控制阀前进入副回路，如下图所示 由上图可得串级控制系统与单回路系统的抗二次扰动能力之比：当调节器都采用P调节时：从上述分析可知，由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动的影响。4、（20分）如图是一种带的Smith预估补偿控制系统。试导出系统对干扰和实现完全补偿的条件。为抗干扰反馈控制器，为测量反馈控制器，为主控制器，为被控对象线性部分的传递函数。（1）令X(s)=0,则要实现对干扰全补偿，则： 即（2）令X(s)=0, ，则要实现对干扰全补偿，则： 即5、(25分)温度流量解耦控制系统的设计与仿真已知被控对象传递函数为：，控制器传递函数为,采用对角阵解耦法来做。1）确定解耦控制器的另外两个控制器传递函数耦合过程：设广义过程：由由则2）画出温度流量解耦控制系统的系统方框图3）画出无解耦控制器的控制系统的系统方框图4）用Matlab的simulink画出上述两个系统5）选PID调节器的参数使解耦控制系统的控制性能较好，并画出系统的单位阶跃响应曲线 有解耦控制系统的单位阶跃响应曲线6）观察无解耦控制器时控制系统的耦合现象和有解耦控制器时控制系统的无耦合现象，并说明原因。保持PID的参数不变无解耦控制系统的单位阶跃响应曲线不带解耦网络的每一个输出都将会受到两个输入的影响，因此当第1