蒸发器温度控制系统

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：011()(201)(301)Gsss，0.1021()0.21sGses主、副扰动通道的传递函数分别为：11()0.21fGss，2()1fGs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。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调节器副控制器主控制器扰动2扰动1蒸汽流量测量图3-1-2单回路控制系统simulink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3-1-5P=5,I=0，无扰动信号图3-1-6P=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。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：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：主调节器副调节器副控制器主控制器副扰动主扰动蒸汽流量产品温度图3-2-3K1=1，I=0，K2=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。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时震荡剧烈，调节时间过长，所以I=0.1。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，提高了系统的快速性。4小结通过以上分析可知：串级控制的副控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有“细调”的作用。由串级控制器和单回路控制器的仿真图比较可知，采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次，二次扰动的抑制效果不是很好。若主、副控制器两者相互配合，控制质量必然高于单回路控制系统。