串级控制在锅炉汽包液位控制系统中的应用（附外文翻译）

太原科技大学毕业设计（论文）设计论文题目串级控制在锅炉汽包液位控制系统中的应用姓名学院（系）机电工程系专业过程装备与控制工程年级2008级指导教师2012年6月1日太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）化学与生物工程学院时间2012年3月1日学生姓名指导教师设计（论文）题目串级控制在锅炉汽包液位控制系统中的应用主要研究内容1锅炉的工作过程；2各种控制策略；3提出锅炉水位的控制方案；4应用MATLAB软件中的SIMULINK平台进行控制系统的仿真。研究方法调查法、观察法、文献研究法、用MATLAB软件等。主要技术指标或研究目标通过这次毕业论文的设计，进一步加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握；培养设计计算、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、外文应用等基本工作实践能力。主要参考文献1李国勇过程控制试验教程北京清华大学出版社20112李国勇，谢克明，杨丽娟计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的控制系统（第2版）M北京电子工业出版社，20083刘文定，王东林过程控制系统的MATLAB仿真北京机械工业出版社20094孙洪程，李大字过程控制工程设计（第二版）M北京化学工业出版社太原科技大学设计（论文）I目录摘要IIIABSTRACTIV第1章绪论111锅炉概述112课题来源及主要任务4第2章过程控制基础521工业过程控制的发展概况522控制策略的介绍6第3章锅炉汽包液位特性2331锅炉汽包液位特性的综述2332汽包液位在给水流量作用下的动态特性2533汽包液位在蒸汽流量扰动下的动态特性27第4章数学建模与控制策略的选择3041被控对象数学模型的建立30411数学模型实验测定的主要方法30412锅炉汽包液位控制系统数学模型的建立3142锅炉汽包液位的控制方案32421单冲量水位调节系统32422双冲量水位调节系统34423三冲量水位调节系统35424三冲量水位调节系统的分析36425蒸汽流量分流系数DA的选择38426汽包液位的三冲量PID串级控制系统38第5章仿真与结论4051SIMULINK简介4052锅炉汽包液位控制系统仿真40521锅炉汽包液位双冲量PID控制系统40522锅炉汽包液位三冲量串级PID控制系统41太原科技大学设计（论文）II53锅炉汽包液位的三冲量串级PID控制系统参数整定42第6章结论45参考文献46致谢47附录48太原科技大学设计（论文）III串级控制在锅炉汽包液位控制系统中的应用摘要锅炉是电力、石油、化工等工业部门的重要热源、能源动力设备，锅炉控制系统的水平已经成为衡量锅炉性能的一个重要因素。由于锅炉往往启停频繁、负荷变化大，依靠人工操作很难保证其安全、稳定的在经济工况下长期运行。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗，确保整个网络安全运行具有重要意义。在实际运行中，自动控制已成为锅炉安全高效运行的保证。锅炉控制是一个比较复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，各个环节的工艺参数必须严格控制，而汽包水位控制系统是锅炉自动控制系统中最重要的环节。汽包水位是锅炉正常运行的重要参数，维持汽包水位在一定的范围内变化，锅炉水位控制的重要任务之一，也是保证汽机和锅炉安全运行的重要条件。所以研究锅炉汽包水位的控制有着重要意义。目前锅炉汽包水位的控制大多采用常规PID控制方式，由于其控制参数是固定不变的，不能进行在线调整，其控制效果往往难以满足要求。根据锅炉控制现状，介绍了国内外研究成果及现状，叙述了锅炉的工艺流程及其他设备，说明了所涉及的过程装备控制原理，设计了汽包水位控制系统的串级控制方案，并在MATLAB软件平台上进行了仿真，结果表明后者的自适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。最后总结了本方案优缺点并对汽包水位控制系统控制前景做了展望。关键词汽包水位；三冲量；串级控制；前馈控制；PID控制；MATLAB太原科技大学设计（论文）IVABSTRACTBOILERISONEKINDOFVERYIMPORTANTHEATENERGYPOWERRESOURCEEQUIPMENTTOSERVENATIONALINDUSTRYOFELECTRIC,PETROLEUM,CHEMICALANDOTHERSTHECONTROLLEVELOFBOILERSYSTEMBECOMESONEKEYFACTORTOMEASURETHEPERFORMANCEOFSYSTEMBECAUSEBOILERBEARSFREQUENTOPERATIONONSTARTINGANDPAUSINGWITHVARIANTLOAD,ITISDIFFICULTTORELYONMANUALOPERATIONTOENSUREITSSECURITY,STABILITYANDLONGTERMOPERATIONTOBEECONOMICALINREALPRODUCTIONCONDITIONSTHEPROBLEMOFMODELINGANDCONTROLISAATTENTIONFOCUSOFPEOPLETHEBOILERWATERLEVERISIMPORTANCEINDEXOFINDUSTRYBOILERSAFETYANDSTABILIZATIONITISIMPORTANCEMEANINGTOENSUREWATERLEVELINDEFINITERANGEFORINCREASINGQUALITYOFSTEAMANDREDUCINGWASTAGEOFEQUIPMENTANDINSURINGSAFETYOFWHOLEHEARTPOWERNETACTUALLYCONTROLAUTOMATIONHASBECOMEAGUARANTEETOOPERATIONOFSAFETYANDHIGHEFFICIENCYBOILERCONTROLISAMORECOMPLICATEDCONTROLPROCESS,INORDERTOENSURETHEPROVISIONOFQUALIFIEDNEEDSTHESTEAMLOADANDTHESAFEOPERATIONOFBOILERS,EACHASPECTOFTHEPROCESSPARAMETERSMUSTBESTRICTLYCONTROLLED,ANDTHEDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMFORAUTOMATICCONTROLSYSTEMFORBOILERSARETHEMOSTIMPORTANTASPECTBOILERDRUMWATERLEVELISIMPORTANTPARAMETERSOFTHENORMALOPERATIONTOMAINTAINTHEDRUMWATERLEVELATACERTAINRANGEOFCHANGESBOILERWATERLEVELCONTROLLINGISAMONGONEOFANIMPORTANTTASKSASWELLASSTEAMTURBINEANDBOILERTOENSURESAFEOPERATIONOFANIMPORTANTCONDITIONSORESEARCHOFBOILERDRUMWATERLEVELCONTROLISOFANIMPORTANTSIGNIFICANCEATPRESENT,THEBOILERDRUMWATERLEVELCONTROLOFMOSTLYCONVENTIONALPIDCONTROLMETHOD,BECAUSEITSCONTROLPARAMETERSAREFIXEDANDCANNOTBEADJUSTEDONLINE,ANDITSCONTROLISOFTENDIFFICULTTOMEETTHEREQUIREMENTSACCORDINGTOACTUALITYOFBOILERCONTROL,THISPAPERINTRODUCESDOMESTICANDINTERNATIONALRESEARCHRESULTSANDTHEPRESENTSITUATION,DESCRIBESTHEPROCESSOFBOILERANDOTHEREQUIPMENT,ANDEXPLAINSTHEPROCESSESINVOLVEDEQUIPMENTCONTROLPRINCIPLE,THEDESIGNOFTHEDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMCASCADECONTROLSCHEME,ANDINTHEMATLABSOFTWARE太原科技大学设计（论文）VPLATFORMSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHELATTERADAPTIVEABILITYSTRONG,THEANTIINTERFERENCEABILITYANDBETTERROBUSTNESS,GUARANTEETHESTABILITYOFTHEWATERLEVELITSUMMARIZESTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFTHISSCHEMEANDDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMCONTROLPROSPECTKEYWORDSWATERLEVELTHREEIMPULSECASCADESYSTEMFEEDFORWARDCONTROL；PIDCONTROLLERMATLAB太原科技大学设计（论文）1第1章绪论11锅炉概述锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，是化工、炼油、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反应器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动提供动力来源。但是，由于锅炉往往负荷变化大，启停频繁，依靠人工操作很难保证其安全、稳定的在经济工况下长期运行，所以必须装备自动控制设备。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用动力设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则发生爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。其中锅炉压力、水位、温度是锅炉运行质量的重要指标，水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，使水位严格控制在规定范围。正常运行时的锅炉燃烧系统必需使出口的过热蒸汽温度维持在一定范围内，该参数的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性17。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图11所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。太原科技大学设计（论文）2图11锅炉的汽水系统锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管13。“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。16与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图12所示。太原科技大学设计（论文）3图12锅炉主要工艺流程图1燃烧嘴；2炉膛；3汽包；4减温器；5炉墙；6过热器；7省煤器；8空气预热器锅炉的控制系统包括燃烧控制系统、送引风控制系统、给水控制系统和辅助控制系统。其结构如图13所示。图13锅炉控制系统总图锅炉是重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发热量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备的主要控制要求如下供给蒸汽量适应负荷变化需求或保持给定负荷。锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应保持在一定范围内。汽包水位保持在一定范围内。保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。、过热蒸汽温度应保持在一定范围内。炉膛负压保持在一定范围内。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是锅炉给水量、燃烧量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、太原科技大学设计（论文）4过剩空气（氧气含量等）。系统输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响。减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化等。所以锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象。12课题来源及主要任务1课题来源在焦化厂参观实习后，通过查阅有关文献掌握了锅炉工艺流程和设备的相关知识。对我国锅炉现有生产技术有了大概了解。通过阅读大量相关文献，结合自己在大学期间所学的基本知识，基本掌握了锅炉汽包液位控制系统。根据实际情况提出了本课题。2课题的主要任务锅炉汽包液位是锅炉运行质量的重要指标。水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，使水位严格控制在规定范围。锅炉汽包液位控制系统的基本任务是在满足生产工艺要求前提下，实现原料的最大利用、达到理想产量的目的。工作过程要求效率高，系统稳定，能源和原料利用率高。由于目前锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，汽包液位的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性。为更好的解决因为锅炉汽包液位所带来的干扰滞后问题，急需研究并应用一种有效的汽包液位控制策略。太原科技大学设计（论文）5第2章过程控制基础21工业过程控制的发展概况自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度、液位、压力、流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制、比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展14。现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快精度高存储量大编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十太原科技大学设计（论文）6分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用1。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象检测与执行装置外）。1过程计算机系统的硬件部分A由中央处理器时钟电路内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集数据处理逻辑判断控制量计算越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。B包括各种控制开关数字键功能键指示灯声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。C通用外围设备包括打印机记录仪图形显示器闪存等，它们用来显示存储打印记录各种数据。DI/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。2过程计算机系统的软件部分A系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。B应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集滤波程序控制量计算程序生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能精度和效率2。22控制策略的介绍221反馈控制太原科技大学设计（论文）7目前，最基本也是应用最广泛的控制系统是反馈控制系统，它由被控对象、测量变送环节、反馈控制器以及末端执行机构组成，如图21所示。实现对被控变量的定值或跟踪控制。图21反馈控制系统原理图反馈控制器的作用是将测量信号与设定值相比产生偏差信号，并按照一定的运算规律产生输出信号，用来操纵末端执行元件。下面介绍三种基本的反馈控制模式比例控制（P）、比例积分控制PI、比例积分微分控制（PID）15。比例（P）调节在P调节中，控制器的输出信号U与偏差信号E成比例，即21CK式中，称为比例增益视情况可设置为正或负。CK比例度的定义在过程控制中，通常用比例度表示控制器输出与偏差成线性关系的比例控制器输入偏差的范围。因此，比例度又称为比例带，其定义为22MIN/|10AXEU如果采用的是单元组合仪表，控制器的输入和输出都是统一的标准信号，此时23MAXINMAXINEU则有24100PUK这表明，比例度与控制器比例增益的倒数成正比。当采用无量纲形式（如采用C单元组合仪表）时，比例度就等于控制器比例增益的倒数。比例度小，意味着较C小的偏差就能激励控制器产生100的开度变化，相应的比例增益就大。K太原科技大学设计（论文）8比例控制的特点理想比例控制器的输出特性对于控制器的输出没有物理限制，而实际的控制器是具有物理限制的，当输出达到上限或者下限，控制器就饱和了。比例控制器增益调整的基本矛盾稳定程度与控制精度的矛盾。增加能使控制精度提CK高，但稳定程度变差。参数的整定，就是对这两项指标在作权衡。CK纯比例控制器有一个缺点就是当设定值改变后总是存在一定的余差。因此在实际使用中常采用带有积分作用的控制器。不过对于那些允许余差存在的应用，纯比例控制器往往由于它的简单而得到青睐。例如，对于一些储罐的液位，只希望保持储罐中的液位不会溢出且不会干涸，因此只需要将液位控制在一定的上下限之间即可，这时采用纯比例控制器将是一个不错的选择。比例调节的显著特点就是有差调节。如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有余（残）差。因为根据比例调节的特点，只有控制器的输入有变化，即被调量和设定值之间有偏差,控制器的输出才会发生变化。比例度对控制过程的影响1误差余（残）差随着比例度的加大而加大。2稳定性稳定性随着比例度的加大而提高。比例度过小就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。比例积分PI控制积分控制1积分控制的调节规律在I调节中，控制器的输出信号的变化速度DUDT与偏差信号E成正比，即250UTSED式中称为积分速度，可视情况取正值或负值。01/IST2积分控制的特点太原科技大学设计（论文）9消除余差稳定作用比P调节差。其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，表现在振荡频率较低。3积分速度对于控制过程的影响采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度成正比。0S因此，增大积分速度即减小积分时间TI将会降低控制系统的稳定程度,见图22。图22积分速度对于控制过程的影响PI控制1比例积分的调节规律为2601UTIEDT式中为比例带，可视情况取正值或负值；TI为积分时间。TI愈小，积分部分所占的比重愈大。2PI控制的特点PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。应当指出，PI调节引入积分动作带来消除系统残差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。为保持控制系统原来的衰减率，PI控制器比例度必须适当加大。所以PI调节是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。太原科技大学设计（论文）10图23积分时间对控制过程的影响比例微分控制1PD控制器的动作规律是27D1UETT式中，为比例带，可视情况取正值或负值；TD为微分时间。PD控制器有导前作用，其导前时间即是微分时间TD。2比例微分控制的特点PD调节也是有差调节，与P调节相同。因在稳态下，DEDT0，PD控制器的微分部分输出为零。提高控制系统稳定性的作用。因微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡。适度引入微分动作可以允许稍许减小比例度，同时保持衰减率不变10。PID控制原理在过程控制中，绝大部分都采用PID控制。例外的情况有两种一种是被控对象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更简单的开关控制方式。另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，这时如果PID控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。比例积分微分控制规律为2801UTTEDITE式中、TI和TD参数意义与PI、PD控制器同。比例积分微分控制规律是最为理想的控制，它集三者之长既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。太原科技大学设计（论文）11图24各种控制规律的响应过程1比例控制；2积分控制；3PI控制；4PD控制；5PID控制当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。PID控制具有以下优点1原理简单，使用方便。2适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。3鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。4按PID控制进行工作的自动控制器早已商品化。5因此，PID控制器适应性较强，技术比较成熟，应用也非常广泛。比例积分微分（PID）控制作用微分控制作用是通过误差的变化率来预报误差信号的未来变化趋势。理想的微分控制作用如式（29）所示。（29）0UDETTTU式中，是微分时间。当误差是常数时，即，微分控制器的输出就等于初始值。DT0U因此微分作用不单独使用，总是与比例或比例积分作用同时使用。一个理想的PID控制器可用式210所示。1UCDISKTS（210）太原科技大学设计（论文）12由于理想的微分作用在物理上是不能实现的，所以一般用超前滞后单元来产生近似的微分作用。它的传递函数如式（211）所示。（211）1GDTSA式中，通常取。A1620微分作用通过提供超前作用使得被控过程趋于稳定，因此它常用来抵消积分作用带来的不稳定趋势，同时微分作用也能减小过渡过程时间，从而改善被控变量的动态响应。不过微分作用在高频下有较大的振幅比。如果测量值含有很大的噪声，即含有高频或随机的变化，由于微分作用会对高频噪声起到了放大作用，小的噪声也会使控制阀产生很大的动作。因此存在高频噪声的地方不宜用微分，除非先将信号进行滤波。另外对于纯滞后过程，由于在纯滞后阶段，微分作用为零，所以附加微分作用对纯滞0DET后是不起作用的3。在自动控制的发展过程中，PID调节是历史最悠久的、控制性能最强的基本调节方式。PID调节原理简单、易于整定、使用方便；PID调节可用于补偿系统使之达到大多数品质指标的要求。直到目前为止，PID调节仍然是应用最广泛的基本控制方式。在PID调节作用下，对误差信号分别进行了比例、积分、微分运算，三个作用分量之ET和作为控制信号输出给被控对象。PID调节器的微分方程数学模型如式（212）所示。（212）01UTIPDIETTKETT其中PID调节器的输出信号UT放大倍数PK积分时间常数IT微分时间常数D设定值与测量值的偏差信号ET太原科技大学设计（论文）13式中,其中是系统的设定信号，是被控量的测量值。式212ETRCTRTCT也常写成213的形式。（213）0UIPDETTKETTK式中为比例增益，为积分增益，为微分增益。PKID数字PID控制由于计算机技术的发展，数字PID控制器的应用也越来越广泛，将逐渐的取代传统的模拟PID控制器。数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式中的积分和微分不能直接使用，需要进行离散化处理。设采样周期为T，按模拟PID控制算法的算式，以一系列的采样时刻点KT代替连续时间T，以和式代替积分，以增量代替微分，采样周期T必须足够短，上述离散过程才能保证有足够的精度15。离散后的数字PID算法可表示为式（214）。2140UKEKPITDEEKT为了书写方便，将简化表示为，即省去采样周期，如式（215）所示。EKT2150U1KDPITEEKE式中、分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数；PKITD采样周期；采样序号，K0，1，2，；K第K次采样时刻的计算机输出值；UT第K次采样时刻输入的偏差值；E第K一1次采样时刻输入的偏差值。1由于控制器的输出直接去控制执行机构如阀门，的值和执行机构的位置UKUK如阀门开度是一一对应的，所以通常式214或215称为位置式PID控制算法。这太原科技大学设计（论文）14种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对值进行累加，计算机运算的工作量大。而且，因为计算机的输出对应的是执行机构EK的实际位置，如计算机出现故障，的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度UK变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID算法。由215式根据递推得式（216）。21610U112KDPJITKKEEKE用式215减去216得式（217）。217U1212DPITKEKEKEK上式称为增量式PID控制算法。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期，一旦确定了，和，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由上式求出TPKID控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置UT如阀门开度的增量。对应阀门实际位置的控制量，可通过式（217）计算出来。218U1KK增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点1由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去除。2手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。3算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近三次的采样值有关，所以较UT容易通过加权处理而获得较好的控制效果11。PID参数的整定方法参数的整定有两种方法理论设计法和实验确定法。用理论设计法确定PID控制器参数的前提是被控对象要有准确的数学模型，这在一般工业过程中是很难做到的。因此，主要采用的还是实验确定法。1试凑法试凑法是通过仿真或实际运行，观测系统对典型输入的响应，根据各控制参数对系统性能的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。太原科技大学设计（论文）15采用试凑法重要的一点是要熟悉各控制参数对系统响应的影响。增大比例系数,一般将加快系统的响应速度，如果是有差系统，则有利于减少KP净差。但比例系数过大，会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。增大积分时间，有利于减少超调，使系统稳定性提高，但系统抗干扰能力变差，IT对干扰过于敏感。根据上述各参数对系统动、静态性能的影响，可直接对控制器参数进行整定，并对有关参数进行反复调试，直到系统响应满意为止。具体方法如下1纯比例控制器，比例系数由小到大逐渐增加，观测相应的响应，使系统的KP过度过程达到41的衰减振荡和较小的静差。如果系统净差已小到允许的范围内，系统响应满意，那么只需用比例控制器即可，参数整定完毕。2加入积分，整定积分时间。如果只用比例控制，系统的净差不能满足设计要求，则需加入积分部分。整定使，先将比例系数减小1020，以补偿因加入积分KP作用而引起的系统稳定性下降。然后由大到小调节，在保持系统响应良好的情况下，IT使净差得到消除。这一步可以反复进行，以便得到满意的效果。3加入微分，整定微分时间。经过以上两步调整后，如果系统动态过程仍不能令人满意，可加入微分部分，构成PID控制器。整定时由0开始逐渐增大，同时反复DT调节及，直到获得较满意的控制效果为止。KPIT应该指出，PID控制器的参数对控制质量的影响并不十分的敏感，因而同一系统的参数并不是唯一的。在实际应用中，只要被控对象的主要指标达到设计要求，就可选定相应的控制参数作为有效的控制参数。2实验确定法采用上述试凑法确定PID控制器参数，需要较多的现场试验，有时做起来很不方便，所以，人们利用整定模拟PID控制器参数时已取得的经验，根据一些基本的试验所得数据，由经验公式导出PID控制器参数，从而减少了试凑次数。常用临界比例法。其方法是投入比例控制器，形成闭环，逐渐增大比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，记下此时的比例系数（临界比例系数）和振荡KP周期（临界振荡周期）。然后利用经验公式，求取PID控制器参数。TP太原科技大学设计（论文）16222前馈控制1前馈控制的基本原理前馈控制的基本原理就是测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变化），并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控变量维持在设定值上。反馈控制的一个突出优点是本身不形成闭合回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性的矛盾。不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。“不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响6。进入控制系统中的扰动会通过被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离其设定值得变化。不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。对于任何一个系统，总是希望被控变量受扰动的影响越小越好。不变性的定义如式（219）所示。当时，F0T219Y0T即被控变量与扰动无关。YTFT一般情况下存在着以下几种类型的不变性绝对不变性所谓绝对不变性是指在扰动的作用下被控变量在整个过渡过FTYT程中始终保持不变，即控制过程的动态和静态偏差均为零。误差不变性误差不变性又称不变性，是指在扰动的作用下，被控变量FT的波动小于一个很小的值，如式（220）所示。YT,220YT0YT误差不变性在工程上具有现实意义。对于大量工程上应用的前馈或前馈反馈控制系统，由于实际补偿的模型与理想的补偿模型之间存在误差，以及测量变送装置精度的限制，有时难以实现绝对不变性控制。因此，总是按照工艺上的要求提出一个允许的偏差值，依次进行误差不变性系统的设计。这种误差不变性系统由于满足工程领域的实际要求，获得了迅速的发展和广泛的应用。稳态不变性稳态不变性是指系统在稳态工况下被控变量与扰动无关。即系统在扰动的作用下，稳态时被控变量的偏差为零，静态前馈系统就是属于这种稳态不变FTYT太原科技大学设计（论文）17性系统，工程上常将不变性与稳态不变性结合起来应用，这样构成的系统既能消除静态偏差，又能满足工艺上对动态偏差的要求。选择不变性被控变量往往受到若干个干扰的影响，若系统对其中几个主要的干扰实现不变性补偿，就称为选择不变性。基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实际上是根据不变性原理对干扰进行补偿的一种开环控制系统。2前馈控制系统的特点1前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时，前馈控制是针对干扰作用进行控制的，当干扰一出现，前馈控制器就根据检测到的干扰，按一定控制规律进行控制。从理论上说，当干扰发生后，被控变量还未发生变化，前馈控制器就产生了控制作用把偏差彻底消除。因此前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时的多，这也是前馈控制的一个主要优点。2前馈控制属于开环控制系统，反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制属于开环控制系统。前馈控制器根据干扰产生的控制作用对被控变量进行影响，而被控变量并不会反过来影响前馈控制器的输入信号（扰动量）。从一定意义上来说前馈控制系统是开环控制系统这一点是前馈控制的不足之处，由于前馈控制不存在闭环，因此前馈控制的效果无法通过反馈加以检验。因此采用前馈控制时，对被控对象的了解必须比采用反馈控制时清楚的多，才能得到比较合适的前馈控制系统。3前馈控制采用的是由对象特性确定的“专用”控制器，一般的反馈控制系统均采用通用的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的。4一种前馈只能补偿一种干扰。在理论上，前馈控制可以实现被控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因前馈控制系统仍然会存在偏差。实际的工业对象会存在多个扰动，若都设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要干扰加前馈控制。这样设计的前馈控制器对于其它干扰是丝毫没有校正作用的。受前馈控制模型精度的限制。用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节或纯微分环节时，在物理上是不能实现的。因此构建的前馈控制器只能是近似的，如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节。3前馈控制应用的场合太原科技大学设计（论文）18实现前馈控制的前提是干扰可以测量的。下列几种情况采用前馈控制比较有利。1系统中存在幅度大，频率高且可测的干扰，该干扰对被控参数影响显著，反馈控制难以克服，而工艺上对被控参数又要求十分严格，这时可引入前馈控制来改善系统的质量。2当主要干扰无法用串级控制系统使其包围在副回路时，采用前馈控制将会比串级控制获得更好的效果。3当对象干扰通道和控制通道的时间常数相差不大时，引入前馈控制可以很好地改善控制质量。当干扰通道的时间常数比控制通道的时间常数大的多时，反馈控制可获得良好的控制效果，无需再加前馈控制。这时只有当对控制质量要求较高时，才有必要引入前馈控制。如果干扰通道比控制通道的时间常数小得多，由于干扰对被控对象的影响十分迅速，以致即使前馈控制器响应时间为零，也无法完全补偿干扰的影响，这时使用前馈控制效果不佳。4前馈反馈控制系统前馈控制系统中，不存在被控变量的反馈，即对补偿的效果没有检验的手段。因此，如果控制的结果无法消除被控变量的偏差，系统将无法做进一步的校正。5为了解决前馈控制的这一局限性，在工程上往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈反馈控制系统。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动以及对被控变量进行检验的长处，是一种适合过程控制的好方法。前馈反馈控制系统具有以下几个优点1从前馈控制角度，由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。2从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了反馈控制的负担。223串级控制系统串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制技术。当PID控制应用于单回路控制一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于整定。但是，当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。串级控制针对上述情况，在原控制回路中，增加一个或几个控制内回路，用以控太原科技大学设计（论文）19制可能引起被控量变化的其它因素，从而有效地抑制了被控对象的时滞特性，提高了系统动态响应的快速性。传统的反馈控制系统是在被控变量和设定值之间产生偏差之后才起作用的，前馈控制可以用来帮助克服干扰的影响。但是如果干扰不可测量或者无法获得干扰与被控变量之间的模型时，就不能采用前馈控制策略。另外一种可以克服干扰的方法就是串级控制，它通过选择第二个测量点构成第二个反馈回路来克服干扰7。第二个测量点应该比被控变量更快感知到干扰的影响，这样才能在干扰对被控变量产生很大的影响之前通过第二个反馈回路迅速克服干扰的影响。一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称作“串级”控制。如图25所示。图25串级控制系统的框图主变量保持其平稳是串级控制的主要目标。Y1副变量被控制过程中引入的中间变量。2主对象主变量副变量之间的通道特性。1PGS副对象变量之间的通道特性。2主控制器接受的是主变量的偏差，其输出用来改变副控制器的设定值。1CS副控制器接受的是副变量的偏差，其输出去操纵阀门。副回路处于串级控制系统内部的，由副变量测量变送器，副控制器，控制阀，副对象组成的回路。主回路若将副回路看成一个以主控制器输出为输入，以副变量为输出的等效环节，R2Y2则串级系统转化为一个单回路，称这个单回路为主回路。必须注意的是主回路并不是指将副变量测量变送环节前（后）断开后形成的单回路。太原科技大学设计（论文）20两个控制器都具有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给执行器，这样组成的系统称为串级控制系统。串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统。因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但由于串级控制系统从对象中引出了一个中间变量构成了回路，因此和单回路控制系统相比它具有自己的特点。1副回路具有快速调节作用，能有效克服发生与副回路的干扰影响2串级系统对副对象和控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性副回路具有较高的增益时，副回路前向通道（这里主要是指控制阀和副对象）特性的变化不大会影响副回路等效环节的特性。这也就使得串级系统对控制阀和副对象特性的变化具有鲁棒性。这里需要注意以下两点主回路对副对象及控制阀的特性变化具有鲁棒性，但副回路本身却并没有这种特性。副对象或控制阀特性的变化依然会较敏感地影响副回路的稳定性。主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分情况进行分析1）扰动作用于副回路2）扰动作用于主过程3）扰动同时作用于副回路和主过程。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。分析可以看到，串级控制系统改善了过程的动态特性、提高了系统控制质量、能迅速克服进入副回路的二次扰动、提高了系统的工作频率、对负荷变化的适应性较强等。其主要工程应用场合有容量滞后较大的过程、纯时延较大的过程、扰动变化激烈而且幅度大的过程、参数互相关联的过程、非线性过程等。串级控制系统具有以下较好的控制性能1对二次干扰有很强的克服能力。2改善了对象的动态特性，提高了系统的工作能力。3对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。二、串级控制系统设计的几个问题太原科技大学设计（论文）211、副参数的选择应使副环的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。副环应包含被控对象所受到的主要干扰。2、为确保串级系统不受共振现象的威胁，取TD13TD2，一般TD1310TD2。3、串级系统控制方式有两种一种是异步采样控制，即主环的采样控制周期是副环采样控制周期的整数倍。另一种是同步采样控制，即是主、副环的采样控制周期相同，这时，应根据副环选择采样周期，因为副环的受控对象的响应速度快。4、串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型有不同的考虑。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，而且副参数则并不要求无差，所以一般情况选项P调节器，如主副环频率相差很大，也可采用PI调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要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11。因此，主调节器一般采用PI调节器，如副环外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的话，采用PID调节器。三、串级控制系统的参数整定串级控制系统从主回路来看是一个定值控制系统，对主变量有较高的质量要求，其控制质量指标与单回路定值控制系统是一样的。从副回路看，是一个随动控制系统，对副变量的控制质量一般要求不高，只要能快速准确地跟随主控制器的输出变化就行。因此串级控制系统两个回路参数的整定根据各自的作用和对主、副变量