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二○一二～二○一三学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：自动化2009级（2）班学号：___200904134064姓名：指导教师：二○一二年十一月加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计一、设计任务图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。被加热物料燃料T1支路1支路2炉膛出口图1加热炉出口温度系统但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。二、设计要求1)绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。2)以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。3)假设主对象的传递函数为𝐺𝑜1(𝑠)=1(5𝑠+1)(𝑋𝑠+1)，其中𝑋=10+(学号后三位−80)∗0.1，副对象的传递函数为𝐺𝑜2(𝑠)=1𝑠+1，主、副控制器的传递函数分别为𝐺𝑐1(𝑠)=𝐾𝑐1(1+1𝑇𝐼𝑠)，𝐺𝑐2(𝑠)=𝐾𝑐2，𝐺𝑣(𝑠)=𝐾𝑣，𝐺𝑚1(𝑠)=𝐺𝑚2(𝑠)=1，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。4)利用𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。5)根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点。三、设计任务分析1.单回路控制在这里先可以尝试采用使用单闭环实现。加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图如下：温度控制器控制阀温度变送器炉膛出口温度给定-扰动扰动图2单回路控制系统框图控制器使用PI控制规则，使用衰减曲线法对控制器参数进行整定。2.串级控制系统由于主对象时间常数较大，直接采用串级控制。在这里选择滞后较小的炉膛温度为副变量，炉出口温度为主变量。则该系统的结构图如下：被加热物料燃料TT1支路1支路2炉膛出口TC1TC2TT2温度给定图3串级控制系统图因此，可以得到系统的方框图，如下所示。主温度控制器控制阀副温度变送器炉膛出口给定扰动-副温度控制器主温度变送器扰动-图4串级控制系统框图主控制器采用PI控制规则，副控制器直接采用P控制规则。使用一步法直接确定副控制器的放大倍数。再使用单回路控制系统的整定方法来整定主控制器的参数。再根据K值匹配原理，适当调整主控制器的参数，使主变量的品质达到规定质量要求。四、详细设计学号尾数为064，故有𝑋=10+(64−80)∗0.1=8.4。即𝐺𝑜1(𝑠)=1(5𝑠+1)(8.4𝑠+1)另外设调节阀的传递函数为𝐺𝑣=𝐾𝑣=5。1.单回路控制整定使用衰减曲线法来整定𝑃𝑃调节器，将积分时间𝑇𝐼设为最大值，比例增益𝐾𝑐1设为一个较小值。给系统输入阶跃信号，调整𝐾𝑐1使系统的响应出现4:1的衰减过程。并记录下此时的比例环节增益𝐾𝑐1和振荡周期𝑇𝑠。𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠仿真环节如下：StepScope5Gu1s+1Go2142s+13.4s+12Go1P(s)Gc1图5单回路𝑃控制𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠图经过尝试，当𝐾𝑐1=1.254时，此时𝑇𝑠=16.6𝑠正好是4:1衰减。如下图所示：图6单回路线𝑃控制4:1响应曲线010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4StepResponseTime(sec)Amplitude由图6可以明显看出系统存在一定的余差，需要在控制器中加入积分来消除系统的稳态偏差。按表1的经验公式进行调整。表1衰减曲线法整定计算公式调节规律𝜹/(%)𝑻𝑰/𝒎𝒎𝒎𝑻𝑫/𝒎𝒎𝒎𝑷𝛿(𝑠)𝑷𝑰1.2𝛿(𝑠)0.5𝑇𝑠𝑷𝑰𝑫0.8𝛿(𝑠)0.3𝑇𝑠0.1𝑇𝑠由得到PI调节器的整定参数：𝐾𝑐1=1.254/1.2=1.045，𝑇𝐼=16.6×0.5=8.30𝑠。加入𝑃𝑃环节后系统𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠如下所示。StepScope5Gu1s+1Go2142s+13.4s+12Go1PI(s)Gc1图7单闭环𝑃𝑃控制𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠仿真图经过略微调整𝐾𝑐1和𝑇𝐼使系统满足4:1的衰减变化。最终使𝐾𝑐1=0.909，𝑇𝐼=13.65𝑠时于是得到如下图的仿真曲线：图8单闭环𝑃𝑃控制4:1响应曲线曲线较好的呈现4:1的衰减比，经过两个振荡周期便进入了稳态。由于积分的作用，系统已消除了静差。2.串级控制参数整定由一步法参照副控制器参数经验设置值表来整定副控制器。如表2所示。010203040506070809010000.511.5StepResponseTime(sec)Amplitude表2副控制器参数经验设置值副变量类型副控制器的比例度𝛅𝟐(%)副控制器比例放大倍数𝑲𝑻𝟐温度20~601.7~5压力30~701.4~3流量40~801.25~2.5液位20~801.25~5这里副变量是炉膛的温度，则由上表直接整定副控制器参数为𝐾𝑇1=3，𝐾𝑣=5按单回路控制系统整定方法直接整定主控制器参数。将内环直接看作主环内的一个环节𝐺1=15𝑠+16，因为此时副回路可以看作一个理想的随动系统。使用衰减曲线法4:1，这时候同样按照单闭环的方法来整定外环。𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠如下所示：StepScope15s+16G1142s+13.4s+12Go1P(s)Gc1图9串级控制主𝑃控制𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠仿真图当𝐾𝑐1=19.4时外环出现4:1，如图10所示。图10串级控制主𝑃控制器4:1响应曲线参考表1中衰减曲线法的经验公式，则有𝐾𝑐1=19.4/1.2=16.17，𝑇𝐼=16.6×0.5=8.30𝑠。加入𝑃𝑃环节后系统𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠如下所示。StepResponseTime(sec)Amplitude010203040506070809010000.511.5StepScope15s+16G1142s+13.4s+12Go1PI(s)Gc1图11串级主𝑃𝑃控制𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠仿真图经过多次尝试调整𝐾𝑐1和𝑇𝐼使系统满足4:1的衰减变化。最终使𝐾𝑐1=13，𝑇𝐼=20𝑠时于是得到如下图的仿真曲线：图12串级主𝑃𝑃控制4:1响应曲线曲线较好的呈现4:1的衰减比，经过两个振荡周期便进入了稳态。由于积分的作用，系统已消除了静差。五、仿真及性能分析单闭环控制器和串级控制器参数均已调好。如下表3所示，串级控制的优势十分明显。这里分别从衰减率、静态偏差、系统的工作频率、对干扰的抑制作用和副对象干扰的抑制作用这几个方面进行计算和分析。由表中所见，在同样为4:1衰减比的情况，两者均因为𝑃𝑃控制器的作用，使得系统无静态偏差。但串级系统由于内环的存在，提高了工作频率，由0.0499提高到0.0873，几乎两倍。副回路存在使得系统响应变化，更早的达到峰值。在加入干扰后，串级控制的自适应能力便脱颖而出，由下图的响应曲线所见，单回路虽然能克服干扰，但最大偏差明显大于串级控制。当副回路中引入干扰𝜆2(𝑡)=0.1时，串级控制使单回路的动态偏差由0.112降到0.0032；即使是进入主回路的干扰𝜆1(𝑡)=0.1，最大动态偏差也由单回路的0.023降到0.0102。可见，串级控制系统对扰动有一定的抑制作用，尤其是进入到副回路内的扰动。010203040506070809010000.511.5StepResponseTime(sec)Amplitude表3串级控制效果与单回路控制效果的比较控制品质指标单回路控制系统串级控制系统𝐾𝑐1=0.909𝑇𝐼=13.65𝑠𝐾𝑐1=13𝑇𝐼=20𝐾𝑐2=3衰减率75%75%静态偏差00系统工作频率0.04990.0873𝜆2(𝑡)=0.1作用时最大偏差0.1120.0032𝜆1(𝑡)=0.1作用时最大偏差0.0230.0102副对象放大系数增加时稳定性变差稳定性基本不变串级控制和单回路控制的仿真对比结果以图形反应如下，明显看出两者差别。a给定单位阶跃变化时的响应曲线b𝜆2(𝑡)=0.1作用时响应曲线c𝜆1(𝑡)=0.1作用时响应曲线d副对象放大系数变为2时响应曲线图13仿真曲线对比图010203040506070809010000.511.5010203040506070809010000.020.040.060.080.10.120102030405060708090100-0.00500.0050.010.0150.020.025010203040506070809010000.20.40.60.811.21.41.61.8最后一图显示当副对象由𝐺𝑜2=1𝑠+1变为𝐺𝑜2=2𝑠+1时，串级控制的响应曲线基本不变，而单回路出现次数较多的震荡效果明显变坏，可见串级控制系统有一定的自适应能力。六、心得体会这次课程设计主要是学习整定串级系统的控制参数。在这次课程设计在参数整定上遇到不少问题，最终通过耐心地调整以及同学的帮助，终于得到较好的控制效果。通过本次课程设计，可以加深对过程控制理论知识的理解，同时更加熟练地使用𝑠𝑚𝑡𝑠𝑚𝑚以及𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠进行控制系统的仿真实验。将所学的理论与方法应用于实际之中，提高了自己理论联系实际的能力，也丰富了自己的阅历。七、参考文献【1】方康玲过程控制与集散系统(第一版)[M]，电子工业出版社，2009.1【2】吴怀宇自动控制原理(第一版)[M]，华中科技大学出版社，2007.9【3】郑阿奇MATLAB实用教程(第二版)[M]，电子工业出版社，2007.8