过程控制课程设计-纸机温度控制系统设计与仿真

目录第一部分设计任务........................................................................................................................11.1研究对象............................................................................................................................11.2研究任务............................................................................................................................21.3仿真研究要求....................................................................................................................2第二部分分析计算........................................................................................................................32.1参数及仪表的选择...........................................................................................................32.2参数选择及传递函数的计算...........................................................................................3第三部分方案的实现与仿真测试...............................................................................................53.1方案一：带Smith预估补偿的前馈补偿解耦控制系统..............................................53.1.1控制系统原理框图................................................................................................53.1.2SIMULINK仿真系统开环控制模型......................................................................73.1.3开环阶跃响应曲线................................................................................................83.1.4PID参数整定........................................................................................................123.1.5闭环系统的跟踪实验和抗扰动实验.................................................................163.1.6控制系统闭环动态特性测试.............................................................................203.2方案二：带Smith预估补偿的对角矩阵解耦控制系统............................................263.2.1控制系统原理框图..............................................................................................263.2.2SIMULINK仿真系统开环控制模型....................................................................283.2.3开环阶跃响应曲线..............................................................................................293.2.4PID参数整定........................................................................................................333.2.5闭环系统的跟踪实验和抗扰动实验.................................................................363.2.6控制系统闭环动态特性测试.............................................................................40第四部分心得体会......................................................................................................................46第五部分参考文献......................................................................................................................47第1页共51页第一部分设计任务1.1研究对象热水W纸浆Q白水F1F2冷水去铜网图1低速纸机直接加热器试验装置某造纸厂低速纸机纸浆温度控制试验装置如图1所示，图中白水主要用于稀释纸浆，为了满足后序工序需要，要求严格控制纸浆和加热器的液位（要求3.060℃,10150mmH2O）。采用纸浆流量控制液位，热水流量控制温度，要求系统有较好的跟踪性能，在外界干扰下有满意的动态品质。为便于控制方案研究，假设如下：（1）该加热装置的静态工作点为T0=60℃，L0=150mmH2O（毫米水柱）。（2）加热器温度的测量范围都为0~100℃，液位L的测量范围为0~250mmH2O。（3）液位测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用带纯滞后的一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数8.0T，纯滞后时间4.0＝，单位为分。（4）假设控制阀都为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为1或-1（根据选择的气开气关式阀门来确定正负号）。（5）假设白水F1扰动对液位和温度扰动的动态特性可分别表示为：1)(11L1sTKsGLL，sTTTesTKsG21111)(其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]100,50[1LK(mmH2O/(t/h))；]3,1[1TK℃/(T/hr),]15,10[1LT分，]5.5,5.4[1TT分。（6）假设冷水F2对液位和温度影响的动态特性可表示为:1)(222sTKsGLLL,1)(222sTKsGTTT其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]4,3[2TK℃/(T/hr)，]30,10[2TT分；]100,50[2LKmmH2O/(t/h)，]20,15[2LT分。（7）对于加热器装置，假设控制通道的动态特性可表示为第2页共51页11112222212112121111sTKsTKsTKsTKGGLT；其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]15.0,14.0[11K℃/(T/hr)，]09.0,1.0[12K℃/(T/hr)，]06.0,05.0[21K℃/(T/hr)，]06.0,05.0[22K℃/(T/hr)，]3,5.2[11T分，]3,5.2[12T分，]5.4,4.4[21T分，]5.4,4.4[22T分。1.2研究任务对于上述被控过程，所受的主要扰动为白水F1，冷水F2而且变化范围均为：1050T/hr；另外，被控变量T的设定范围为3.060T℃，被控变量L的设定范围为10150LmmH2O。试应用单回路、串级、前馈、比值、选择、Smith预估、解耦等控制方法，设计至少2套控制系统，达到控制加热器的目的，使被控变量的波动在规定的范围内。对于每一套控制方案，具体要求：1)说明所采用的控制方案以及采用该方案的原因，并在工艺流程上表明该控制系统。2)确定所用控制器的正反作用（这里要求加热器内的混合物不能益处，且不能过热），画出控制系统完整的方框图（需注明方框图各环节的输入输出信号），并选择合适的PID控制规律。3)在SIMULINK仿真环境下，对所采用的控制系统进行仿真研究。具体步骤包括：a)在对象特性参数的变化范围内，确定各环节对象的传递函数模型，并构造SIMULINK对象模型；b)引入手动/自动切换环节，在手动状态下对控制通道、干扰通道分别进行阶跃响应试验，以获得“广义对象”开环阶跃响应曲线；c)依据PID参数整定方法，确定各控制器的参数；d)在控制系统处于“闭环”状态下，进行液位、温度设定值跟踪响应试验、白水，冷水对系统输出的扰动响应试验，并获得相应的响应曲线；e)在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在其变化范围内发生变化时，重新进行液位、温度设定值跟踪试验与扰动响应试验，并获得相应的响应曲线。f)根据不同控制方案的闭环响应曲线，比较控制性能（包括是否稳定、衰减比、超调量、过渡过程时间等）。1.3仿真研究要求为使仿真研究结果具有可比性，要求：(外界干扰和给定干扰10%)1)跟踪响应试验前控制系统达到稳态，液位、温度设定值与测量值一致，分别对应150mmH2O，60℃；跟踪响应试验中，液位、温度设定值的阶跃变化幅度对应实际液位、温度分别为15mmH2O，+6℃。2)扰动响应试验前控制系统达到稳态，液位、温度设定值与测量值一致，分别对应150mmH2O，60℃；扰动响应试验中，白水和冷水的阶跃变化幅度为±10mmH2O。第3页共51页第二部分分析计算2.1参数及仪表的选择1)被控参数选择:①加热器温度T,静态工作点为T0=60℃,测量范围为0~100℃。②加热器液位L，静态工作点为L0=150mmH2O,测量范围为0~250mmH2O。2)控制变量选择:①、热水流量W温度。②、纸浆流量Q控制液位。3)干扰:主要扰动为白水F1，冷水F2而且变化范围均为：1050T/hr。4)检测仪表选择:温度测量仪表、液位测量仪表、流量测量仪表等。5)控制阀选择:纸浆、热水控制阀,RLRTVV都为线性阀。6)控制方案选择:①单回路控制系统②前馈控制系统，调节器控制规律。2.2参数选择及传递函数的计算(1)液位测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数0.8T，纯滞后时间0.4，单位为分。其传递函数为：0.4()0.81smTeGss，m1LG(2)假设控制阀,RLRTVV都为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为()()1()VLvLfsGsus,()()1()VTvTfsGsus其中，纸浆和热水流量控制阀均为气开式。(3)假设白水F1扰动对液位