鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1、 華北水利水電大學(xué) North China University of Water Resources and Electric Power 課程 設(shè)計(jì) 題目 鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 學(xué) 院 電力學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 自動(dòng)化 姓 名 朱青 學(xué) 號(hào) 201312008 指導(dǎo)教師 張紅濤 完成時(shí)間 2016年7月 歡迎下載目錄摘要.第一章 雙容液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 1.1生產(chǎn)工藝. 1.1.1國(guó)內(nèi)外鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀. 1.1.2熱水鍋爐溫度檢測(cè)的背景及意義. 1.2 控制原理介紹. 1.2.1PID控制方案. 1.2.2PID控制器參數(shù)整定的方法. 1.2.3積分分離判斷. 1.2.4積分分離PID

2、控制算法. 1.3控制參數(shù)和被控參數(shù)及控制儀表及技術(shù)參數(shù)的選擇. 1.3.1由測(cè)量?jī)x器和傳感器的選型原則. 1.3.2檢測(cè)變送裝置. 1.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu). 1.3.4控制器.第二章 控制系統(tǒng)方框圖及控制流程圖. 2.1控制系統(tǒng)方框圖. 2.2控制流程圖.第三章 仿真模型，仿真程序和仿真結(jié)果. 3.1 被控參數(shù)整定. 3.2 控制參數(shù)整定. 3.3 仿真程序. 3.4仿真結(jié)果.第四章 總結(jié)與展望.歡迎下載第五章 心得體會(huì).參考文獻(xiàn).致謝.歡迎下載鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)摘要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源和環(huán)境矛盾日趨尖銳，是我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作為溫度控制系統(tǒng)重要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的鍋爐能耗巨大，

3、占我國(guó)原煤產(chǎn)量的三分之一左右。然而，我國(guó)目前運(yùn)行的很多鍋爐控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平不高，安全性低，工作效率和環(huán)境污染普遍低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此實(shí)現(xiàn)鍋爐的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制具有重要的意義。本文鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的控制算法完成對(duì)過(guò)程溫度控制的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐出口水溫的快速精確地控制，不僅節(jié)省能源而且還提高了鍋爐的安全性。關(guān)鍵詞：鍋爐出口水溫 MATLAB 數(shù)字積分分離PID歡迎下載Boiler outlet water temperature computer control systemAbstractwith the development of our country econom

4、y, resources and the environment has become increasingly acute contradictions is the modernization of our country is facing severe challenges. As the temperature control system is an important energy conversion device of the boiler energy consumption is huge, accounts for about one third of the coal

5、 production in our country. However, in our country a lot of boiler control system automation level is not high, low safety, efficiency and environmental pollution generally lower than the national standard, thus realizing the boiler computer automatic control has important significance. The boiler

6、water temperature at the outlet of the computer control system is the advanced control algorithm for temperature control in the process of the control system, the realization of the water temperature at the outlet of the boiler The rapid and accurate control not 歡迎下載only save energy but also improve

7、 the safety of the boiler.Key words: boiler outlet water temperature MATLAB digital integral separation PID歡迎下載正文第一章 鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.1 生產(chǎn)工藝1.1.1國(guó)內(nèi)外鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲(chǔ)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都能扮演著極其重要的角色。它己經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。國(guó)外的鍋爐控制工業(yè)5060年代發(fā)展最快，70年代達(dá)到高峰。我國(guó)的鍋爐工業(yè)是在新中國(guó)

8、成立后才建立和發(fā)展起來(lái)的，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠。從其在生產(chǎn)和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發(fā)電廠；工業(yè)鍋爐，主要用于直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或驅(qū)動(dòng)機(jī)械能源；生產(chǎn)鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應(yīng)該說(shuō)鍋爐控制問(wèn)題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了，它長(zhǎng)期以來(lái)就是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型問(wèn)題。伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動(dòng)化控制，經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代星期的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制幾個(gè)階段。隨著六十年代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用以及此后計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸

9、進(jìn)入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。計(jì)算機(jī)很強(qiáng)的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計(jì)算功能為實(shí)現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進(jìn)的控制理論和控制算法進(jìn)入鍋爐控制己經(jīng)有了可能性。目前，國(guó)外鍋爐的控制技術(shù)已日趨成熟，尤其在計(jì)算機(jī)控制和PLC控制領(lǐng)域得到很好的發(fā)展。我國(guó)雖然在鍋爐自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展較快，但整體技術(shù)水平和發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。1.1.2 熱水鍋爐溫度檢測(cè)的背景及意義隨著我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與人民生活水平的迅速提高，對(duì)鍋爐的需求量有日益增加的趨勢(shì)。如果鍋爐的控制設(shè)備簡(jiǎn)陋，控制技術(shù)落后，效率低，就會(huì)造成了燃料的大量浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染空氣，也不利于安全生產(chǎn)。而熱水鍋爐的控制雖然

10、沒(méi)有工業(yè)鍋爐復(fù)雜，精確度要求也沒(méi)工業(yè)要求高，但熱水鍋爐的應(yīng)用也十分廣泛，如果要人工控制就不僅需要很大的工作量，而且不能保證控制的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，因此用采用自動(dòng)檢測(cè)和控制，不僅大大減少工作量，而且準(zhǔn)確，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠。溫度檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)、工程建設(shè)及日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，早期的溫度檢測(cè)主要應(yīng)用于工廠中，在人們的日常生活中，溫度檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用和作用也體現(xiàn)到了各個(gè)方面。PID控制技術(shù)能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題。1.2控制原理介紹1.2.1 PID控制方案目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID控制技術(shù)日趨成熟。先進(jìn)的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實(shí)際

11、中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。 y(t)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)+r(t) 比例P積分I微分D被控對(duì)象構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。圖1 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差： （式1） 控制規(guī)律為： （式2） 函數(shù)形式表示： （式3）:比例系數(shù) :積分

12、時(shí)間常數(shù) :微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零

13、。但是過(guò)大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣具有比例

14、+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中動(dòng)態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。1.2.2 PID控制器參數(shù)整定的方法一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過(guò)程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過(guò)程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參

15、數(shù)整定，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。臨界比例法：在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，微分時(shí)間置零，比例度置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，將調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過(guò)程，記錄下此時(shí)的臨界比例度和臨界振蕩周期。 阻尼振蕩法：在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，微分時(shí)間置零，比例度置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并逐漸減少比例

16、度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時(shí)的4：1衰減比例度和衰減周期。 反應(yīng)曲線法：若被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程測(cè)量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號(hào)，記錄測(cè)量變送器的輸出響應(yīng)曲線，并根據(jù)該曲線求出代表廣義過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，我采用的是PID參數(shù)的工程整定方法中的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法。先通過(guò)兩點(diǎn)法求出等效的帶純延遲的一階環(huán)節(jié)特性方程，經(jīng)過(guò)與廣義對(duì)象的曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出來(lái)兩條曲線基本吻合，故可以用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法。接下來(lái)有兩種方法可以得到PID參數(shù)，一種是Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式法，一種是柯恩-庫(kù)恩整定公式法，下面

17、會(huì)一一介紹并且計(jì)算，并把兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，之后就是進(jìn)行自行的調(diào)整，使其滿足設(shè)計(jì)要求。1.2.3積分分離判斷 在一般的PID控制中，當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，由于此時(shí)有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。特別對(duì)于溫度等變化緩慢的過(guò)程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重，為此，可采用積分分離措施。即偏差e(t)較大時(shí)，取消積分作用，當(dāng)偏差較小時(shí)才將積分作用投入。 積分分離閾值應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及控制要求，若閾值（）過(guò)大，則達(dá)不到積分分離的目的，若閾值過(guò)小，則一旦被控量y(t)無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)性PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。為了實(shí)現(xiàn)積分分離，編寫(xiě)

18、程序時(shí)必須從數(shù)字PID差分方程式中分離出積分項(xiàng)，進(jìn)行特殊處理。1.2.4積分分離PID控制算法實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多過(guò)程控制時(shí)，都能得到滿意的效果，不過(guò)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，不是簡(jiǎn)單的把模擬PID規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制更靈活，更能滿足生產(chǎn)過(guò)程提出的要求。PID算法推到如下：U：調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e: 偏差信號(hào)K：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti：調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；Td：調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間；對(duì)應(yīng)的模擬PID的傳遞函數(shù)（式4） 在計(jì)算機(jī)控制中，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，必須對(duì)上式進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，設(shè)系統(tǒng)

19、的采樣周期為T(mén)，在時(shí)刻進(jìn)行采樣，（式5）（式6）（式7）式中e(k):根據(jù)本次采樣值所得到的偏差 e(k-1)：由上次采樣值得到的偏差 T 為采樣周期 K 為采樣序號(hào) 由以上可得（式8）式中T 為采樣周期，項(xiàng)為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)（式9）值得確定應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)及具體對(duì)象及控制要求，若值過(guò)大時(shí)，則達(dá)不到積分分離的目的，若值過(guò)小，則一旦被控量y(t)無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)性PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。1.3 控制參數(shù)和被控參數(shù)及控制儀表及技術(shù)參數(shù)的選擇1.3.1由測(cè)量?jī)x器和傳感器的選型原則（1） 可靠性原則；（2） 實(shí)用性原則；（3） 先進(jìn)性原則。1.3.2檢測(cè)變送裝置 在此溫度控制系統(tǒng)中，使用的測(cè)溫元

20、件是K型熱電偶，并且使用K型補(bǔ)償導(dǎo)線來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在此系統(tǒng)中采用溫度變送器，采用的是DDZ-型溫度變送器。熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最普遍的測(cè)溫器件，它的特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測(cè)量精度，能夠滿足工業(yè)過(guò)程溫度測(cè)量的需要。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；輸出為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制。熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象即是熱電效應(yīng)。熱電偶的要求：（1） 在測(cè)溫范圍內(nèi)熱電偶性能穩(wěn)定，不隨時(shí)間和被控對(duì)象而變化；（2） 在測(cè)量范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕，耐輻射；（3） 所組成的熱電偶要有

21、足夠的靈敏度，熱電偶隨溫度的變化率要足夠大；（4） 熱電特性接近單值線性或近似線性；（5） 電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)少；（6） 機(jī)械特性好，機(jī)械強(qiáng)度高，材質(zhì)均勻；工藝性好，易加工，復(fù)制性好，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。 目前市面上流行的主要8種常用熱電偶以及測(cè)高溫的鎢錸熱電偶（02300），綜合考慮上述熱電偶，只有K型熱電偶比較適合大規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 K型熱電偶是由鎳鉻-鎳硅雙金屬組成的，其中鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極。K型熱電偶的測(cè)溫范圍為-2701300之間，適用于氧氣氣氛中，穩(wěn)定性屬于中等程度。表1 K型熱電偶分度表變送器:把被測(cè)信號(hào)檢測(cè)出來(lái),并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)進(jìn)行輸出的儀器。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào):指物理

22、量的形式和數(shù)值范圍都符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào),如4-20mADC, 1-5VDC,空氣壓力0.02-0.1MPa。DDZ-型溫度變送器的種類(lèi)包括熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器和直流毫伏溫度變送器。DDZ-型溫度變送器的基本誤差為0.5%,輸出信號(hào):4-20mA及1-5VDC。圖2 熱電偶溫度變送器的工作原理圖1.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)在此控制系統(tǒng)中，由于在現(xiàn)場(chǎng)的煤氣鍋爐環(huán)境下，高溫、高壓，易燃易爆，電動(dòng)執(zhí)行器難以滿足生產(chǎn)要求，所以選用氣動(dòng)執(zhí)行器。在此溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)燒壞過(guò)熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞，造成生產(chǎn)停頓，還會(huì)引起高溫鍋爐爆炸等嚴(yán)重的后果，所以調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣閉形式；但溫

23、度過(guò)低時(shí)就會(huì)降低生產(chǎn)的工作熱效率并影響汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所以調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣開(kāi)形式。在此情況下，出現(xiàn)了矛盾的情況，在此情況下要分清主要矛盾和次要矛盾，權(quán)衡利弊，主要矛盾是溫度過(guò)高出現(xiàn)的嚴(yán)重后果，所以調(diào)節(jié)閥選用氣閉形式。調(diào)節(jié)閥的尺寸主要指調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和口徑，它們的選擇對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響很大。若調(diào)節(jié)閥口徑過(guò)小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥即使運(yùn)行在全開(kāi)狀態(tài)，也會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)暫時(shí)失控現(xiàn)象；若口徑選擇過(guò)大，則在運(yùn)行中閥門(mén)會(huì)經(jīng)常處于小開(kāi)度狀態(tài)，容易造成流體對(duì)閥芯和閥座的頻繁沖蝕，甚至使調(diào)節(jié)閥失靈。因此，調(diào)節(jié)閥的口徑和開(kāi)度選擇應(yīng)該給予充分重視。在正常工況下一般要求調(diào)節(jié)閥開(kāi)度應(yīng)處于15%85%之間，具體應(yīng)

24、根據(jù)實(shí)際需求的流通能力的大小進(jìn)行選擇。調(diào)節(jié)閥的流量特性應(yīng)滿足調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的要求。若調(diào)節(jié)對(duì)象特性是線性的，可采用直線型工作特性的調(diào)節(jié)閥。對(duì)于放大系數(shù)隨負(fù)荷增大而變小的調(diào)節(jié)對(duì)象，則選用的調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性是放大系數(shù)隨負(fù)荷增大而增大，可采用等百分比特性的調(diào)節(jié)閥。這樣，調(diào)節(jié)對(duì)象特性和調(diào)節(jié)閥特性互相補(bǔ)償，使總的特性近似直線特性。所以，在此系統(tǒng)中應(yīng)采用對(duì)數(shù)特性的調(diào)節(jié)閥。1.3.4控制器在儀表過(guò)程控制系統(tǒng)中，使用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器。采用上海萬(wàn)訊儀表有限公司的AI-808型儀表，采用AI人工智能調(diào)節(jié)方式，內(nèi)含PID調(diào)節(jié)算法。其可以在誤差較大時(shí)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除PID積分飽和現(xiàn)象；當(dāng)誤差趨小時(shí)

25、，采用改進(jìn)后的PID算法調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)優(yōu)化效果。選用的AI-808P型儀表技術(shù)指標(biāo)如下：熱電偶輸入：KSREJ等響應(yīng)時(shí)間：0.5s熱電阻輸入：Cu50Pt100調(diào)節(jié)方式：位式調(diào)節(jié)方式/AI人工智能調(diào)節(jié)線性電壓輸入：05V輸出規(guī)格：420mA線性電流輸入：420mA報(bào)警功能：上限下限正負(fù)偏差測(cè)量范圍：-19999999電源：100240VAC/50Hz測(cè)量精度：0.2級(jí)環(huán)境溫度：050。C表2 智能儀表技術(shù)指標(biāo)第二章 控制系統(tǒng)方框圖及控制流程圖控制器控制閥被控對(duì)象檢測(cè)變送設(shè)定值(r) +輸出y2.1控制系統(tǒng)方框圖 圖3 鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方框圖2.2 控制流程圖 圖4 數(shù)字式PID增量式控制

26、算法程序框圖第三章 仿真模型，仿真程序和仿真結(jié)果3.1 被控參數(shù)整定假定被控對(duì)象為二階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：（式10）測(cè)量裝置的特性為：（式11）調(diào)節(jié)閥的特性為：（式12）廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為Gp(s)=Gv(s)G(s)Gm(s)（式13）需用matlab求出Gp（S）的單位階躍響應(yīng)，仿真程序如下：num1=1den1=100 180 97 18 1sys1=tf(num1,den1) step(sys1)其階躍響應(yīng)曲線如圖圖5 廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)曲線將其等效為一階慣性純滯后（式14）運(yùn)用兩點(diǎn)法，為了方便計(jì)算，可??；（式15）從上圖可以得到兩點(diǎn)（12.9，0.39），（19，0.6

27、3）帶入下邊公式。（式16）可得：T=12.2；=6.8（式17）則該一階慣性純滯后為（式18）通過(guò)觀察對(duì)比廣義對(duì)象階躍響應(yīng)曲線和近似的帶純延遲的一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，可以驗(yàn)證等效的合理性。程序：num=1den=100 180 97 18 1f0=tf(num,den)k=1,T=12.2,t=6.8;f1=tf(k,T 1);m,n=pade(t,2);f2=tf(m,n);f=f1*f2;figure(2),hold on;step(f0);step(f);grid;對(duì)比圖如下圖6 其中藍(lán)色為廣義對(duì)象階躍響應(yīng)曲線，綠色為近似的帶純延遲的一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線3.2 控制參數(shù)整定運(yùn)用動(dòng)態(tài)

28、特性參數(shù)法整定（比例積分微分調(diào)節(jié)器）：科恩（Cohen）-庫(kù)恩（Coon）整定公式（式19）把K=1，T=12.2,=6.8帶入，得：（式20）根據(jù)下面公式（式21）得：（式22）Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式法（式23）把K=1，T=12.2,=6.8帶入，得：（式24）根據(jù)下面公式（式25）得：（式26）兩種方法得到的仿真曲線圖如下圖7 柯恩-庫(kù)恩整定公式法圖8 Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式法圖9 藍(lán)色為柯恩-庫(kù)恩整定公式法，紅色為Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式法可以看出來(lái)柯恩-庫(kù)恩整定公式法得到的曲線調(diào)節(jié)時(shí)間更小，穩(wěn)定的更快，故采用此方法。3.3 仿真程序柯恩-庫(kù)恩整定公式法%積分分離式PIDts=1;

29、 %采樣時(shí)間，香農(nóng)采樣定律sys=tf(1,100 180 97 18 1); %被控對(duì)象離散化dsys=c2d(sys,ts,'zoh'); %零階保持器num,den=tfdata(dsys,'v'); %離散化之后，變成數(shù)值u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0; %賦初值y_1=0;y_2=0;y_3=0;y_4=0;error_1=0;error_2=0;ei=0; %誤差累加for k=1:1:200 %采樣時(shí)間 time(k)=k*ts; %離散化對(duì)象 yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3-de

30、n(5)*y_4+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3+num(5)*u_4; %Z域：輸出Y(Z)=G(Z)*U(Z);G(Z)=num(z)/den(z);因此： den(z)Y(z)=num(z)*u(z) %Z逆變換：deni*yk=numj*uk %積分分離 rin(k)=40; %給定 error(k)=rin(k)-yout(k); %偏差 ei=ei+error(k)*ts; %誤差累加 M=1;%通過(guò)在此處改變M取值來(lái)選擇是用普通PID或積分分離PID if M=1 %采用分段積分分離方式 if abs(error(k)>=30&ab

31、s(error(k)<=40 beta=0.3; elseif abs(error(k)>=20&abs(error(k)<=30 beta=0.6; elseif abs(error(k)>=10&abs(error(k)<=20 beta=0.9; else beta=1.0; end elseif M=2 %不采用積分分離方式 beta=1.0; endkp=2.692;ki=0.1901;kd=6.094;u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/ts+beta*ki*ei; %積分分離控制算法 %控制器

32、的輸出限幅 if u(k)>=110 u(k)=110; end if u(k)<=-110 u(k)=-110; end u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); %實(shí)時(shí)采集下一個(gè) y_4=y_3;y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_2=error_1; error_1=error(k);endplot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');圖10 柯恩-庫(kù)恩整定公式

33、法Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式法%積分分離式PIDts=1; %采樣時(shí)間，香農(nóng)采樣定律sys=tf(1,100 180 97 18 1); %被控對(duì)象離散化dsys=c2d(sys,ts,'zoh'); %零階保持器num,den=tfdata(dsys,'v'); %離散化之后，變成數(shù)值u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0; %賦初值y_1=0;y_2=0;y_3=0;y_4=0;error_1=0;error_2=0;ei=0; %誤差累加for k=1:1:200 %采樣時(shí)間 time(k)=k*ts; %離散化對(duì)象 yout(k)=-den(2)*

34、y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3-den(5)*y_4+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3+num(5)*u_4; %Z域：輸出Y(Z)=G(Z)*U(Z);G(Z)=num(z)/den(z);因此： den(z)Y(z)=num(z)*u(z) %Z逆變換：deni*yk=numj*uk %積分分離 rin(k)=40; %給定 error(k)=rin(k)-yout(k); %偏差 ei=ei+error(k)*ts; %誤差累加 M=1;%通過(guò)在此處改變M取值來(lái)選擇是用普通PID或積分分離PID if M=1 %采用分段積分分離方式 i

35、f abs(error(k)>=30&abs(error(k)<=40 beta=0.3; elseif abs(error(k)>=20&abs(error(k)<=30 beta=0.6; elseif abs(error(k)>=10&abs(error(k)<=20 beta=0.9; else beta=1.0; end elseif M=2 %不采用積分分離方式 beta=1.0; endkp=2.111;ki=0.1552;kd=7.1774;u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/

36、ts+beta*ki*ei; %積分分離控制算法 %控制器的輸出限幅 if u(k)>=110 u(k)=110; end if u(k)<=-110 u(k)=-110; end u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); %實(shí)時(shí)采集下一個(gè) y_4=y_3;y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_2=error_1; error_1=error(k);endplot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('

37、;rin,yout');圖11 Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式法3.4 仿真結(jié)果沒(méi)有調(diào)節(jié)參數(shù)得下圖圖12 調(diào)節(jié)參數(shù)前調(diào)節(jié)參數(shù)得下圖（kp=2.692;ki=0.116;kd=6.094;）（，%=9.425%符合要求）圖13 調(diào)節(jié)參數(shù)后對(duì)比圖（藍(lán)色為調(diào)節(jié)參數(shù)前，紅色為調(diào)節(jié)參數(shù)之后）圖14 對(duì)比圖第四章 總結(jié)與展望在這次課程設(shè)計(jì)中我選的題目是“鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”根據(jù)任務(wù)要求完成以下任務(wù)：1) 需先求出廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)，求出等效的一階慣性純滯后系統(tǒng)，并用兩點(diǎn)法求出參數(shù)K,T,，并根據(jù)圖像的擬合度判斷等效的合理性。2) 運(yùn)用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)整定法，運(yùn)用柯恩-庫(kù)恩整定公式是整定出，進(jìn)一步整定出控制器的PID參數(shù);3) 將被控對(duì)象進(jìn)行帶零階保持器的數(shù)字化處