《过程控制技术》课程设计-锅炉内胆动态水温控制系统设计与仿真2

1、设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：锅炉内胆动态水温控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14级电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日目录全套设计加扣 3012250582目录21、设计任务分析31.1背景31.2设计内容及目的32、控制系统总体方案设计32.1 双容液位控制系统对象简介42.2 控制系统的方案选择52.1.3被控参数及控制参数的选择52.1.3测量变送器的选择52.1.3执行器的选择52.1.3控制器的选择53、被控对象数学模型的建立53.1 被控对象数学模型的建立的

2、方法简介53.2 *对象数学模型的建立64、在Matlab上进行模型的搭建与仿真64.1 在Matlab上进行模型的搭建64.2 控制器的参数整定74.2.1临界比例度整定方法94.2.2*整定方法94.3 整定后的阶跃响应曲线95、结论101、设计任务分析1.1背景随着控制理论的不断发展，过程控制在工业生产中得到了广泛应用。在本设计中以锅炉内胆水温反馈控制系统为研究目标，合理设计及方案。考虑到锅炉的温度事整个工业控制系统的重要量，所以很好的控制温度意义重大。通过本次实验，来熟悉THJ-2型高级过程控制实验装置。通过本次工程实践，来熟悉工业过程控制的工作流程以及其控制原理。 THJ-2型高级过

3、程控制实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的优点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识， 单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。在本次设计中，主要采取了单回路控制系统对锅炉内胆水温进行控制。1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：锅炉内胆动态水温控制系统设计与仿真设计内容及目的：本设计的目的是控制锅炉内胆动态水温监控

4、系统的温度，使锅炉温度维持在某个给定值上下，或在某一小范围变化。要求设计一个水温控制系统。 2、控制系统总体方案设计2.1 锅炉内胆动态水温控制系统对象简介一、概述 “THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工

5、参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。实验对象总貌图如图2-1所示： 实验对象总貌图 2-1 二、被控对象模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却

6、层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50左右。2.2 控制系统的方案选择2.2.1被控参数及控制参数的选择被控参数：锅炉水温控制参数：三箱加热管的输入电压2.2.2测量变送器的选择测量变送器：温度传感器2.2.3执行器的选择执行器：三相电加热管2.2.4控制器的选择控制器：AI智能调节仪表3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介机理演绎

7、法：又称解析法。它是根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，以及某些物性方程设备特性方程等，用数学解析法的方法求取被控过程的数学模型。实验辨识法：又称系统辨识与参数估算法。运用过程的输入-输出实验数据确定其模型结构与参数的方法，通常称为实验辨识法。3.2 锅炉温度数学模型的建立Go（s）=1/（2s+1）/(13s+1)/(15s+1)4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建4.2 控制器的参数整定4.2.1临界比例度整定方法简介这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输

8、出响应呈现等幅振荡。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表4-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。表4-2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.7k0.5TS0.125TS 表4-2 临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。4.2.2临界比例度整定过程 1.设TI=

9、，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡。如图4-2-1 图4-2-1根据图4-2-1可求得临界比例度&k &k=1/Kp=1/18.35 2.等幅振荡下的相邻波峰间的时间常数测定。如图4-2-2 图 4-2-2根据图4-2-2可求得时间常数Ts Ts=58.8-36.8=20.03.根据临界比例度k和振荡周期TS，按表4-2所列的经验算式，求取PID调节器的参考参 数值: &=1.7*&k=1.7/18.35 TI=0.5*Ts=0.5*20.0 TD=0.125*Ts=0.125*20.04.3 整定后的阶跃响应曲线 图4-3-14.3.1

10、.加扰动后： 5、结论5.1本次实验是把锅炉内胆温度直接反馈到输入端构成闭环，实现自动控制。由于系统是根据负反馈原理按照偏差进行控制的，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能，在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。5.2通过实验，可以验证PID控制具有以下的规律：Kp：Kp越大，系统反应越灵敏，过渡过程越快，但稳定度下降。Ti：Ti越小，积分作用越强，消除余差越快，稳定度下降，振荡加强。Td：Td越大，微分作用越强，能够克服测量的滞后，但对突变信号反应灵敏。 6设计体会本次设计完成了题目要求的基本部分的全部要求，基本部分各单元工作稳定。通过本次设计使我学会如何去培养我们的创新精神，从而不断的战胜自己，超越自己。在一开始基础到题目时一脸妈的不知所措，但是经过自己的坚持不懈，积极主动的寻求舍友的帮助，终于完成了本次设计。在成功调试出题目要求所需要的波形时，内