锅炉液位串级控制系统的仿真与结果分析

1、摘要在大多数情况下，简单控制系统由于其自身需要的自动化仪表少，设备投资少，维护、投运简单，同时，生产实践证明它能解决大量的生产控制问题，满足定值控制的要求，因此，简单控制系统是生产过程自动控制中最简单、最基本、应用最广的一种形式，约占自动控制系统的90%左右。但是，针对不同的生产过程为满足其生产过程的生产工艺、生产参数的不同要求，简单控制系统已不能满足生产要求，所以相继出现了各种复杂控制系统，例如，串级控制系统，前馈控制系统，纯滞后补偿控制系统和解耦控制系统等。在各种复杂控制系统中，串级控制系统占有较大比重。串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，为双闭环或多闭环控制系统。串级控制系统

2、可以应用于容量滞后较大的对象，纯滞后较大的对象，扰动变化激烈而且幅度大的对象和参数互相关联的对象。锅炉液位控制方案是通过对锅炉内的压力和液位的直接控制，在有蒸汽流量的改变时，系统能够很快的做出设置，使系统稳定。运用副回路的快速作用，将有效地提高控制质量，可以满足生产要求。为此设计以串级控制为基础的加热炉串级控制系统，对该生产过程有积极意义。关键词：串级控制，锅炉液位，前馈-串级控制 matlab 目 录一、对串级系统研究1二、系统器件选择（包括器件参数）及系统分析22.1 系统器件选择22.2 串级控制系统性能分析22.3 主、副控制规律的设计22.4 控制参数的工程整定3三、锅炉液位串级控制

3、系统的仿真与结果分析431锅炉液位仿真图如下所示43.2 PID 参数整定及MATLAB 系统仿真43.3 扰动加在不同对象时的曲线53.4 不同副调节器比例度的影响6四、设计总结8五、参考资料9一、对串级系统研究串级控制系统性能特点：串级控制系统即在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环双闭环。就其主回路来看是一个定值控制框图，而副回路则为一个随动系统。副回路对液位起“粗调”的作用，主回路对液位起“细调”的任务。1）串级控制系统由于副回路的存在，对于进入其中的扰动具有较强的克服能力，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率所以控制质量比较高。2)对二次干扰有较强的克服能力。3）对一次扰动

4、的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。因此对于控制质量要求较高，扰动大，滞后时间长的过程当采用单回路控制系统达到质量要求时，采用串级控制方案往往可以获得满意结果。不过串级控制比单回路控制系统所需仪表多，系统的投运和参数整定相应地也要复杂一些。因此如果单回路控制系统能够解决的问题就尽量不采用串级控制系统方案。锅炉液位系统方块图如图1所示图1 锅炉液位方块锅炉液位串级控制Matlab仿真图2如下图2 锅炉液位方块二、系统器件选择（包括器件参数）及系统分析2.1 系统器件选择1、执行器 ：采用电动调节阀（气关式） 执行器正作用：执行器（调节阀）是气关式， < 0 执行器反作用：执行器（调节阀

5、）是气开式， > 02、控制器 ：采用PID 控制器正作用：控制器测量值增加（或减少），其输出量亦增加（或减少） 控制器反作用：控制器测量值增加（或减少），其输出量亦减少（或增加）3、变送器 ：采用液注式压力检测仪表 变送器的静态放大倍数通常为正，即 > 04、被控对象 ：采用液体管道压力 对象正作用：对象的输入量增加（或减少），其输出量亦增加（或减少） 对象反作用：对象的输入量增加（或减少），其输出量亦减少（或增加）2.2 串级控制系统性能分析 在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主副调节器串联工作；主调节器输出作副调节器设定值。系统通过副调节器输出控制执行

6、器动作，实现对参数的设定控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。 串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点。 加热炉串级控制系统的主要性能特点为： 副控回路具有快速性，能够有效地克服进入副控回路的二次干扰； 副控制回路起到了改善对象动态特性的作用，可以加大主控制器的增益，提高系统的工作频率； 由于副控制回路的存在，使串级系统的自适应能力增强 。 从以上串级控制的特点来看，副控制回路给控制系统带来了

7、一系列优点，因此串级控制可应用于抑制控制系统的扰动，克服对象的纯滞后，减少对象的非线性影响，完全适用于加热炉控制系统。 2.3 主、副控制规律的设计 在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。 在加热炉温度串级控制中，选择出口温度为主要被控参数，原料温度影响产品生产质量，工艺要求严格；又由于加热炉串级控制系统有很大的容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。 控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有误差。在加热炉的温度控制，采用炉膛温度作为副

8、被控量，炉膛温度过分偏离设定值严重影响了炉子的安全运行，这种情况下副控制器可以采用P控制。所以副调节器调节规律选择P控制。 2.4 控制参数的工程整定 串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种。两步整定法、逐步逼近法和一步整定法。 按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。 一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次整定好，不再变动，然后按照一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。 逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。在这里选择二步整定法三、锅炉液位串级控制系统的仿真与结果分析3

9、1锅炉液位仿真图如下所示图3 系统仿真框图3.2 PID 参数整定及MATLAB 系统仿真采用衰减曲线法来整定PID控制器的参数。它是先让控制器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅震荡的过渡过程， 记下此时的比例度和上升时间Tk，再通过经验公式的计算，求出PID控制器的参数。表1 衰减曲线法整定计算公式 调节器参数控制规律PPIPID整定后图像如下：图4 系统稳定时图像此时，使用PID调节得到Pi=25 Ti=6 Td=2 KI=30,KP=25,KD=1得到阶跃响应曲线图5如下：图5 调节主控制器时，稳定的图像3.3 扰动加在不同对象时的曲线当扰动作用于主控对象时，蒸汽用量增加时，主控制器能

10、通过减少进水量，快速达到系统的平衡，蒸汽用量减少时，主控制器能通过增大进水量，同时减少排水量，提高液面高度。当扰动作用于副控对象时，蒸汽用量增加时，系统能够精细的对蒸汽流量进行控制，同时系统本身的蒸汽流量也对系统进行作用。作用于主控时图像6如下图6扰动作用于主控制对象时图像3.4 不同副调节器比例度的影响当副调节器KP=100时，Matlab仿真图7如下图7副调节器KP=100时，Matlab仿真图当副调节器KP=5时，Matlab仿真图8如下图8副调节器KP=5时，Matlab仿真图通过对比发现，当系统的副调节器比例度增大时系统超调量增大，系统稳定性不变，当系统的副调节器比例度减小时系统超调

11、量减小，系统稳定性不变。四、设计总结此次课程设计可以说是一次知识的综合应用。本设计的内容涉过程控制、自动控制原理、计算机控制理论与应用、模拟电子技术基础、数字电子技术基础等多方面知识，通过实际运用与调试仿真，完成本次设计，收获颇多。通过计算设计系统模型及控制系统方块图，再通过Matlab仿真对系统进行输出响应呈4：1 衰减时的主调节器的参数系统稳定，并利用Simlink完成了系统整个流程的仿真涉及。系统的调试也是一个很重要的部分，调试就是不断地改变参数的过程，使系统最后工作在最佳的工作状态下。当然，可能由于设计时少考虑了一些因素，使得无论怎么调试参数，都不能满足设计要求，这时，就要重新设计，再

12、调试，直到满足所有的指标。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。五、参考资料【25】申晋，朱维申等三峡永久船闸高边坡岩体裂隙分布的分形研究.岩土力学学报，1998，20(5):3539【2】毛昶熙，周名德等闸坝工程水力学与设计管理.北京：水利电力出

13、版社，1995：89英文参考文献及期刊杂志【39】Tanzi，VitoTheory and policy：A comment on Dixie and on current tax theoryInternational Monetary and Fund Staff Paper (IMF), Vol.39, No.4, 1992: 957-966著作按下述格式书写：【5】Rudiger DorbuschPolicy making in the Open EconomyOxford University Press Inc., 1993: 149会议论文按下述顺序和格式书写：【6】Alao Marti