蒸发器温度控制系统

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：G01 (s)1(20s 1)(30s 1)G02( s)10.1 se 0.2s 1主、副扰动通道的传递函数分别为：Gf1(s)10.2s 1Gf 2(s ) 1试分别采用单回路控制和串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

2、的原则， 其中，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串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串级系 统优点的关键

3、。 副变量的选择应遵循以下原则： 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。 在串级控制系统中， 由于对副回路没有太大的要求， 所以只需要有比例环节即可（即 P为常数， I=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

4、单回路系统的仿真与参数整定针对设计要求， 单回路前向通道中含有主、 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蒸汽流量测量图 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 3-1-5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。

5、为了保持系统原来的衰减率， 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=7。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 I=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

6、数整定 比较合理。 加入扰动以后超调量有所增大， 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：主调节器副调节器蒸汽流量 产品温度图 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 y1(t),y2(t) 。串级系统的整定比单回路复杂，因为

7、两个调节器串在一起工作，各回路之间相互联系，相互影响。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=

8、12 ，无扰动图 3-2-4K1=5,I=0,K2=12 ，无扰动图 3-2-5K1=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

9、。而引入积分环节后，超调变小，调节时间变短。 I=0.2 时较 I=0.1 时震荡剧图 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 了系统