過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)

1、目錄第1章系統(tǒng)總體方案選擇與說(shuō)明1第2章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理22.1隧道窯控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22.2系統(tǒng)控制量和被控量的選擇32.3系統(tǒng)主副控制器的選擇32.4系統(tǒng)各部分正反作用方式的確定3第3章軟件設(shè)計(jì)43.1軟件設(shè)計(jì)流程圖63.2參數(shù)整定7第4章仿真與調(diào)試8第5章總結(jié)12參考文獻(xiàn)13電氣與信息工程系課程設(shè)計(jì)評(píng)分表14第1章系統(tǒng)總體方案選擇與說(shuō)明過(guò)程控制是指在生產(chǎn)過(guò)程中，運(yùn)用合適的控制策略，采用自動(dòng)化儀表 及系統(tǒng)來(lái)代替操作人員的部分或全部直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)過(guò)程在不同程度上 自動(dòng)地運(yùn)行，所以過(guò)程控制又被稱(chēng)為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。隧道窯是對(duì)陶瓷制品進(jìn)行預(yù)熱、燒成、冷卻的裝置。幾個(gè)環(huán)節(jié)都涉及 到溫度的控制

2、，隧道窯的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)，溫度控制的好 壞將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。制品在窯道的燒成帶內(nèi)按工藝規(guī)定的溫度進(jìn)行 燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般為1300°c,偏差不得超過(guò)5c。所以燒成帶的燒結(jié)溫度 是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要控制指標(biāo)之一，因此將窯道燒成帶的溫度作為被控 變量，將燃料的流量作為操縱變量。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)工 藝操作條件的要求更嚴(yán)格，對(duì)安全運(yùn)行及對(duì)控制質(zhì)量的要求也更高，而因 為隧道窯溫度的變化比較慢，所以滯后比較人。若采用隧道常溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，由于從控制閥到窯道燒成帶滯后吋 間太大，如果燃料的壓力發(fā)生波動(dòng)，盡管控制閥門(mén)開(kāi)度沒(méi)變，但燃料流量 將發(fā)生變化，必將引起燃燒室溫

3、度的波動(dòng)，再經(jīng)過(guò)傳熱、輻射，引起燒成 帶溫度的變化。因?yàn)橹挥袩蓭囟瘸霈F(xiàn)偏差時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在， 所以對(duì)于燃料壓力的干擾不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制 器根據(jù)偏差的性質(zhì)立即改變控制閥的開(kāi)度，改變?nèi)剂狭髁浚瑢?duì)燒成帶溫度 加以調(diào)節(jié)?？墒沁@個(gè)調(diào)節(jié)作用同樣耍經(jīng)歷燃燒室的燃燒、隔焰板的傳熱以 及燒成帶溫度的變化這個(gè)時(shí)間滯后很長(zhǎng)的通道，當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)程起作用時(shí)，燒 成帶的溫度已偏離設(shè)定值很遠(yuǎn)了。即使發(fā)現(xiàn)了偏差，也得不到及時(shí)調(diào)節(jié)， 造成超調(diào)量增大，穩(wěn)定性下降。如果燃料壓力干擾頻繁出現(xiàn)，對(duì)于單回路 控制系統(tǒng)，不論控制器采用pid的什么控制作用，還是參數(shù)如何整定，都 得不到滿(mǎn)意的控制效果。為了克服較

4、人的滯后，抑制較大的干擾以及使控 制更加的準(zhǔn)確，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足條件，故可選擇串級(jí)控制系統(tǒng)。第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理2.1隧道窯控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)隧道窯燒成帶溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示，原理方框圖如圖 2所示。按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，影響燒成帶溫度01的各種干擾因索都被包 括在控制冋路當(dāng)屮，只要干擾造成z偏離設(shè)定值，控制器就會(huì)根據(jù)偏差 的情況，通過(guò)控制閥改變?nèi)剂系牧髁?，從而把變化了的山重新調(diào)冋到設(shè) 定值?？刂迫紵业臏囟?2并不是目的，真正的目的是燒成帶z的溫度 穩(wěn)定不變，所以燒成帶溫度控制器應(yīng)該是定值控制，起主導(dǎo)作用。而燃燒 室溫度控制器則起輔助作用，它在克服干擾d2的同吋，應(yīng)該受

5、燒成帶溫 度控制器的操縱，操縱方法就是燒成帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度 控制器的設(shè)定值。設(shè)足值圖1隧道窯溫度一溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖2隧道窯溫度-溫度串聯(lián)控制原理方框圖所謂串級(jí)控制系統(tǒng)，就是采用兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出 作為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對(duì)主被控 變量具有更好的控制效果，這樣的控制系統(tǒng)被稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)，級(jí)系統(tǒng) 和簡(jiǎn)單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)閉環(huán) 在里而，被稱(chēng)為副環(huán)或者副回路，在控制過(guò)程小起著“粗調(diào)”的作用；一 個(gè)環(huán)在外面，被稱(chēng)為主環(huán)或主回路，用來(lái)完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終保證 被調(diào)量滿(mǎn)足工藝要求。無(wú)論主環(huán)或

6、副環(huán)都有齊h的調(diào)節(jié)對(duì)彖、測(cè)量變送元 件和調(diào)節(jié)器。2.2系統(tǒng)控制量和被控量的選擇制品在窯道的燒成帶內(nèi)按工藝規(guī)定的溫度進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般為 1300° c,偏差不得超過(guò)5° co所以燒成帶的燒結(jié)溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的 重要控制指標(biāo)之一，i大i此將窯道燒成帶的溫度作為被控變量，將燃料的流 量作為操縱變量。2.3系統(tǒng)主副控制器的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對(duì)于它們的選 型即調(diào)節(jié)動(dòng)作規(guī)律的選擇也冇不同考慮。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快動(dòng)作以迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的二次擾動(dòng)，面且 副參數(shù)則并不要求無(wú)差，所以一般都選p調(diào)節(jié)器，也可以采用pd調(diào)節(jié)器, 但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，

7、而效果并不很大。在一般情況下，采用p調(diào)節(jié) 器就足夠了。如主、副環(huán)的頻率相差很大，也可以考慮采用pi調(diào)節(jié)器。 隧道窯串級(jí)控制系統(tǒng)中由于主、副對(duì)象都是對(duì)溫度的采集，所以主、副壞 的頻率相差不大，副調(diào)節(jié)器選用p調(diào)節(jié)器即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)耍求。凡是需耍采用串級(jí) 調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，工藝上對(duì)控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許被調(diào)量存在偏 差，因此，主調(diào)節(jié)器都必須具有積分作用，一般都采用pi調(diào)節(jié)器。如果 副環(huán)外面的容積數(shù)目較多，同時(shí)有主耍擾動(dòng)落在副環(huán)外面的話(huà)，就可以考 慮采用pid調(diào)節(jié)器。隧道窯串級(jí)控制系統(tǒng)中對(duì)燒成帶的溫度控制要求燒結(jié) 溫度一般為1300。c,偏差不得超過(guò)5。c,

8、為了達(dá)到精準(zhǔn)的控制，所以 在系統(tǒng)本設(shè)計(jì)中主調(diào)節(jié)器選用pid調(diào)節(jié)器。2.4系統(tǒng)各部分正反作用方式的確定與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣，一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)止常運(yùn)行，其主、副 冋路都必須構(gòu)成負(fù)反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方 式。（1）副控制器止、反作用的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)中，副控制器作用方式的選擇，是根據(jù)工藝安全等要求, 在選定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式后，按照使副回路構(gòu)成副反饋系統(tǒng)的原則 來(lái)確定的。因此，副控制器的作用方式與副對(duì)象特性及調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣 關(guān)形式有關(guān)，其選擇方法與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式的選擇 方法相同。這時(shí)口j不考慮主控制器的作用方式，只是將主控制器的輸出作 為副控制

9、器的設(shè)定值即可。在假定副測(cè)量變送裝置的增益為止的情況卜： 副控制器正反作用選擇的判別式為（副控制器土）x （調(diào)節(jié)閥土）x （副對(duì)象土）二（-）其中，調(diào)節(jié)閥的“土”取決于它的“氣開(kāi)”還是“氣關(guān)”作用方式，“氣 開(kāi)”為“+”，“氣關(guān)”為“-”；而副對(duì)象的“土”取決于控制變量和副被 控變量的關(guān)系，控制變量增大，副被控變量也增人時(shí)稱(chēng)其為“+”，否貝稱(chēng) 其為“-”。（2）主控制器正、反作用的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)中，主控制器作用方式的選擇完全由工藝情況確定，而 與調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式及副控制器的作用方式完全無(wú)關(guān)，即只需根據(jù) 主對(duì)象的特性，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了。曲于副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，在

10、選擇主控制器的作用方式時(shí)，首 先把整個(gè)副回路簡(jiǎn)化為一個(gè)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是主控制器的輸出信 號(hào)（即副冋路的設(shè)定值），而輸出信號(hào)就是副變量，其副冋路的輸入信號(hào) 與輸岀信號(hào)之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個(gè)副回 路可看成為一個(gè)增益為止的環(huán)節(jié)。這樣，在假定主測(cè)量變送裝置的增益為正的情況下，主控制器正、反 作用的選擇實(shí)際上只取決于主對(duì)象的增益符號(hào)，主控制器正反作用方式選 擇的判別式為（主控制器土）x （主對(duì)象土）二（-）由這個(gè)判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對(duì)象的特性相反。 即當(dāng)主對(duì)彖為正作用時(shí)，主控制器選反作用；而當(dāng)主對(duì)彖為負(fù)作用時(shí)，主 控制器選止作用。在隧道窯串級(jí)控制系統(tǒng)

11、中，考慮到生產(chǎn)的安全，控制閥選擇“氣開(kāi)” 工作方式,根據(jù)主、副控制器的止反選擇規(guī)律分析，兩個(gè)控制器都選擇“反” 作用方式。第3章軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)流程圖對(duì)于系統(tǒng)的主要執(zhí)行程序，包括了 a/d采樣、pid運(yùn)算、結(jié)果輸出和d/a轉(zhuǎn)換，總體程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。圖3主程序的設(shè)計(jì)流程圖圖屮對(duì)主回路的pid運(yùn)算是將給定值減去主冋路通過(guò)液位變送器1 反饋得到的參數(shù)得到控制器輸入量，經(jīng)過(guò)運(yùn)算輸出后，送至副冋路的給定 值，減去副回路通過(guò)液位變送器2反饋得到的參數(shù)作為副回路p運(yùn)算的給 定值。副回路的輸出量送至d/a進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于主回路的pid參數(shù)選擇 需要通過(guò)調(diào)試來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得在參數(shù)在較大的變動(dòng)范圍內(nèi)能夠

12、實(shí)現(xiàn)控制。通 常，這里的pid運(yùn)算要引入積分分離及輸出限幅。3.2參數(shù)整定主控制器為pid控制器，副控制器為p控制器?？稍O(shè)定控制系統(tǒng)所用主、一 （ 1 ）副控制器的傳遞函數(shù)分別為:g“g） = kd 1 + 7> , gc2（s） = kc2fi g 丿假設(shè)主對(duì)象的傳遞函數(shù)為gm（$） =1（30$ + 阪 +1）副對(duì)象的傳遞函數(shù)為g，2（5）（10s + lx$ + lgv.（5）= 1,g/n1（5）= gw2（5）= 1串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：逐步逼近法；兩步整定法;一步整定法。逐步逼近法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際屮很少使用。兩步整定法雖然 比逐步逼近法簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程，但還是要

13、做兩次4： 1衰減曲線(xiàn)法的實(shí)測(cè)。 對(duì)兩步整定法進(jìn)行簡(jiǎn)化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提岀了一步整定法。為 了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先 確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在在simulink屮建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。圖4在simulink中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖第4章仿真與調(diào)試根據(jù)衰減曲線(xiàn)法求出來(lái)的主副控制器的各項(xiàng)參數(shù)，口j以在simulink 中進(jìn)行仿真。為了使仿真結(jié)果更直觀(guān)更具比較性，讓經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的輸 出與給定進(jìn)行比較，可以在如圖4所示的結(jié)構(gòu)圖中增加一條出階躍信號(hào)直 接到示波器的線(xiàn)。將所整

14、定出來(lái)的主副調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)參數(shù)代入圖4中，得 到如圖5所示，即為整定好時(shí)simulink中系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖。由圖6可以看出，經(jīng)過(guò)串級(jí)控制系統(tǒng)主副控制器的調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)在穩(wěn)1 14-1態(tài)時(shí)口j以達(dá)到無(wú)靜羞，且cr% = - = 14% ,超調(diào)量較小。系統(tǒng)在110s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)考慮到主回路里加入干擾時(shí)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行到大約130strjnrttifch2ppg時(shí)，加入一個(gè)幅值為設(shè)定值40%的階躍擾動(dòng)信號(hào)，如圖所示。"lzj-oiinlim“i*gjln2ml”圖7主凹路加入干擾時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖對(duì)其進(jìn)行仿真后如圖8所示，可以看出干擾很快被抑制，由主回路所c1 -06 1/加干擾引起的系統(tǒng)的超

15、調(diào)量為b%二一-=6% ,在220s時(shí)系統(tǒng)很快 重新達(dá)到穩(wěn)定。冃達(dá)到穩(wěn)定后系統(tǒng)無(wú)靜差。圖8主回路加入干擾后simulink系統(tǒng)仿真圖當(dāng)考慮到副回路里加入干擾時(shí),如在系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行到大約130s時(shí), 加入一個(gè)幅值為設(shè)定值40%的階躍擾動(dòng)信號(hào)，如圖9所示。圖9副回路加入干擾時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真后如圖10所示，可以看岀干擾很快被抑制，而冃由 干擾引起的超調(diào)量為3% ,明顯比主回路加入干擾時(shí)超 調(diào)量要小，表明串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)加在副回路里的干擾的抑制作用更強(qiáng)，在 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將主要的干擾包含在副凹路中。系統(tǒng)在220s時(shí)重新達(dá) 到穩(wěn)定。月達(dá)到穩(wěn)定后系統(tǒng)無(wú)靜差。圖10苗ijih路加入干擾后sim

16、ulink系統(tǒng)仿真圖再來(lái)分析若主回路和副回路同時(shí)加入干擾時(shí)系統(tǒng)的抗擾性能，如在 系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行到大約130s時(shí)，主回路和副回路屮均加入一個(gè)幅值為設(shè) 定值40%的階躍擾動(dòng)信號(hào)，如圖11所示。ldwi tz h zx, itimirtirat tunsitifaii1pihw1ttmtifauldwtumpah圖11主副回路同時(shí)加入干擾后simulink系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖060402圖12主副冋路同時(shí)加入干擾后simulink系統(tǒng)仿真圖對(duì)其進(jìn)行仿真后如圖14所示，可以看出干擾很快被抑制，由主冋路所加干擾引起的系統(tǒng)的超調(diào)量為” = "75-1 “5%,在220s時(shí)系統(tǒng)1重新達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差

17、。從以上三種情況時(shí)的抗擾分析可以得出，串 級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)主冋路和副冋路中的干擾有較好的抑制作用，系統(tǒng)都可以較 快地達(dá)到穩(wěn)定。而且穩(wěn)態(tài)均無(wú)靜菲。另外系統(tǒng)對(duì)加在副冋路中的干擾信號(hào) 的抑制作用更強(qiáng)。第5章總結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，能夠?qū)λ鶎W(xué)知識(shí)加以實(shí)際應(yīng)用，加深對(duì)理論的了 解以及理解，使自己的水平不斷得到提升。學(xué)習(xí)不再局限于書(shū)木屮的寥寥 數(shù)語(yǔ)，而是向更寬廣更豐富的知識(shí)海洋。在做過(guò)控課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中我更能認(rèn)真和全面的對(duì)所學(xué)知識(shí)有一個(gè) 全面和系統(tǒng)更深刻的了解和掌握。在這個(gè)過(guò)程屮我認(rèn)真查閱了大量資料和 工具書(shū)增長(zhǎng)了我的知識(shí)，開(kāi)闊了我的視野。不過(guò)我看得更多的還是教材， 萬(wàn)變不離其宗，對(duì)任何一個(gè)設(shè)計(jì)其基木原理最終都

18、可以在書(shū)本上找到答 案。所以書(shū)木是最重要的，完全吃透書(shū)木課程設(shè)計(jì)才能發(fā)揮得更好。 雖然課程設(shè)計(jì)源于書(shū)本，但是和應(yīng)用于生活聯(lián)系得更加緊密。這就要求我 們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活的過(guò)程中每個(gè)人都耍學(xué)會(huì)應(yīng)用資源和我們自身的優(yōu)勢(shì)，同 吋留心觀(guān)察身邊的事物。另外在做課程設(shè)計(jì)過(guò)程中,涉及到mat lab的仿真。通過(guò)親自仿真實(shí)踐, 掌握了如何在simulink中進(jìn)行仿真。另外為了模擬這個(gè)工業(yè)控制過(guò)程， 我述專(zhuān)門(mén)下載了組態(tài)王軟件，但是因?yàn)椴惶珪?huì)用，所以最終沒(méi)有能仿真出 其控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不過(guò)卻讓我認(rèn)識(shí)了這款軟件，并且了解了一些基本的 操作。只有親自動(dòng)手才會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在做課設(shè)過(guò)程中，我遇到了關(guān)t word 排版的問(wèn)題，公式編緝的問(wèn)題，以及進(jìn)行截圖要用到虛擬打印機(jī)的問(wèn)題等, 我最終都比較順利的完成了，這更鍛煉了我解決問(wèn)題的能力。課程設(shè)計(jì)著重于對(duì)當(dāng)代大學(xué)生的接受能力，對(duì)各種技巧的掌握、運(yùn)用 能力，對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用、拓展與延伸、方法的選擇與實(shí)現(xiàn)能力等等的鍛 煉，設(shè)計(jì)中為了達(dá)到自己的要求，我查閱了很多資料。參考文獻(xiàn)1 王再英.過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20062 孫洪程、李大宇.過(guò)程控制工程.北京：高等教育出版社，20063 張晉格.控制系統(tǒng)cad基于matlab.北京: