亚美体育官方app下载过程控制课程设计串级温度控制系统pdf

　　亚美体育官方app下载过程控制课程设计串级温度控制系统pdf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： ___ 4 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。 T1 出口 支路1 炉膛 支路2 燃料 被加热物料 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。 ( ) 1 3)假设主对象的传递函数为ᵃ ᵆ = ，其中ᵄ=10+(学号后三 ᵅ1 ( )( ) 5ᵆ+1 ᵄᵆ+1 位−80)∗0.1，副对象的传递函数为 ( ) 1 亚美体育APP下载地址，主、副的传递函数分别 ᵃ ᵆ = ᵅ2 ᵆ+1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 为ᵃ (ᵆ)=ᵃ (1+ )，ᵃ ᵆ =ᵃ ，ᵃ ᵆ =ᵃ ，ᵃ ᵆ =ᵃ ᵆ =1，请确 ᵅ1 ᵅ1 ᵅ2 ᵅ2 ᵆ ᵆ ᵅ1 ᵅ2 ᵄᵆ ᵃ 定主、副的参数 （要求写出详细的参数估算过程）。 4) 利用ᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ 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)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： 扰动 扰动 给定 温度 控制阀 炉膛 出口温度 - 温度变送器 图 2单回路控制系统框图 使用PI控制规则，使用衰减曲线法对参数进行整定。 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： 温度给定 TC TT 1 1 出口 TC TT 2 2 炉膛 支路1 燃料 支路2 被加热物料 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。 扰动 扰动 给定 主温度 副温度 控制阀 炉膛 出口 - - 副温度变送器 主温度变送器 图 4 串级控制系统框图 主采用PI控制规则，副直接采用P控制规则。使用一步法直接 确定副的放大倍数。再使用单回路控制系统的整定方法来整定主的 参数。再根据K值匹配原理，适当调整主的参数，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ᵄ =10+ 64−80 ∗0.1=8.4。( ) 即 1 ᵃ (ᵆ)= ᵅ1 ( )( ) 5ᵆ+1 8.4ᵆ+1 另外设调节阀的传递函数为ᵃ =ᵃ =5。 ᵆ ᵆ 1. 单回路控制整定 使用衰减曲线法来整定ᵄᵄ调节器，将积分时间ᵄ设为最大值，比例增益ᵃ 设 ᵃ ᵅ1 为一个较小值。给系统输入阶跃信号，调整ᵃ 使系统的响应出现4:1的衰减过程。 ᵅ1 并记录下此时的比例环节增益ᵃ 和振荡周期ᵄ 。 ᵅ1 ᵆ ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ仿线 Step Gc1 Gu Go2 Go1 Scope 图 5单回路ᵄ控制ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ图 经过尝试，当ᵃ =1.254时，此时ᵄ =16.6ᵆ正好是4:1衰减。如下图所示： ᵅ1 ᵆ Step Response 1.4 1.2 1 0.8 e d u t i l p m A 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (sec) 图 6单回路线响应曲线 可以明显看出系统存在一定的余差，需要在中加入积分来消除 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 ᵳ/(%) ᵇ /ᵈᵈᵈ ᵇ /ᵈᵈᵈ ᵇ ᵆ ᵇ ᵯ(ᵆ) ᵇᵇ 1.2ᵯ(ᵆ) 0.5ᵄ ᵆ ᵇᵇᵆ 0.8ᵯ(ᵆ) 0.3ᵄ 0.1ᵄ ᵆ ᵆ 由得到PI调节器的整定参数：ᵃ =1.254/1.2=1.045，ᵄ =16.6×0.5= ᵅ1 ᵃ 8.30ᵆ。加入ᵄᵄ环节后系统ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ 如下所示。 1 1 PI(s) 5 s+1 2 42s +13.4s+1 Step Gc1 Gu Go2 Go1 Scope 图 7单闭环ᵄᵄ控制ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ仿真图 经过略微调整ᵃ 和ᵄ使系统满足4:1的衰减变化。最终使ᵃ =0.909， ᵅ1 ᵃ ᵅ1 ᵄ =13.65ᵆ时于是得到如下图的仿真曲线： ᵃ Step Response 1.5 1 e d u t i l p m A 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (sec) 图 8单闭环ᵄᵄ控制4:1响应曲线的衰减比，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 由一步法参照副参数经验设置值表来整定副。如表2 所示。 表 2副参数经验设置值 副变量类型 副的比例度ᵬ (%) 副比例放大倍数ᵇ ᵽ ᵇᵽ 温度 20~60 1.7~5 压力 30~70 1.4~3 流量 40~80 1.25~2.5 液位 20~80 1.25~5 这里副变量是炉膛的温度，则由上表直接整定副参数为ᵃ =3， ᵄ1 ᵃ =5 ᵆ 按单回路控制系统整定方法直接整定主参数。将内环直接看作主环内 15 的一个环节ᵃ = ，因为此时副回路可以看作一个理想的随动系统。使用衰减 1 ᵆ+16 曲线，这时候同样按照单闭环的方法来整定外环。ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ如下所示： 15 1 P(s) s+16 2 42s +13.4s+1 Step Gc1 G Go1 Scope 1 图 9 串级控制主ᵄ控制ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ仿线 Step Response 1.5 1 e d u t i l p m A 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (sec) 图 10串级控制主ᵄ4:1响应曲线 中衰减曲线法的经验公式，则有ᵃ =19.4/1.2=16.17， ᵅ1 ᵄ =16.6×0.5=8.30ᵆ。加入ᵄᵄ环节后系统ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ如下所示。 ᵃ 15 1 PI(s) s+16 2 42s +13.4s+1 Step Gc1 G Go1 Scope 1 图 11串级主ᵄᵄ控制ᵄᵆᵆᵆᵆᵆᵆᵆ 仿真图 经过多次尝试调整ᵃ 和ᵄ使系统满足4:1的衰减变化。最终使ᵃ =13， ᵅ1 ᵃ ᵅ1 ᵄ =20ᵆ时于是得到如下图的仿真曲线： ᵃ Step Response 1.5 1 e d u t i l p m A 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (sec) 图 12串级主ᵄᵄ控制4:1响应曲线的衰减比，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 单闭环和串级参数均已调好。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、静态偏差亚美体育APP下载地址、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ᵄᵄ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 虽然能克服干扰亚美体育APP下载地址，但最大 偏差明显大 于串级控制。当副回路中引入干扰 ( ) ᵰ ᵆ =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 2 ( ) 主 回路的干扰ᵰ ᵆ =0.1，最大动态偏差也 由单回路的0.023降到0.0102。可见， 1 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 。 表 3串级控制效果与单回路控制效果的比较 单回路控制系统 串级控制系统 控制品质指标 ᵃ =0.909 ᵃ =13 ᵄ =20 ᵅ1 ᵅ1 ᵃ ᵄ =13.65ᵆ ᵃ =3 ᵃ ᵅ2 衰减率 75% 75% 静态偏差 0 0 系统工作频率 0.0499 0.0873 ( ) ᵰ ᵆ =0.1作用时最大偏差 0.112

　　原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者