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1、LOGO蒸发器温度控制系统集团文件版本号：(M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988)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：G。1 S (20s + 1)(30s +1),Go2(s) = 02771 一主、副扰动通道的传递函数分别为：Gf i（ s） = 02771,G（ s） =1f2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
2、，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
3、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，1=0）。而 对于要求较高的主回路，由
4、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由方框图对应得到系统仿真图图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=O,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3-1-6 P=7，
5、1=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, 1=0.1,无扰动信号图 3-1-8P=7, 1=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, 次扰动信号图 3-1-10P=7，I=0.
6、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 3-2-2 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
7、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：图 3-2-3Kl=l, 1=0, K2=12,无扰动图 3-2-4K1=5,I=0,K2=12，无扰动图
8、 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。1=0.2时较 I=0.1 时震荡剧烈，
9、调节时间过长，所以 I=0.1。图 3-2-9K1=7,I=0.1,K2=12, 次扰动（主扰动）图 3-2-10Kl=7,I=0.1,K2=12,二次扰动（副扰动）图 3-2-11K1=7, 1=0.1, K2=12,、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, 1=0.1, K2=0.3, 、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, 1=0.2, K2=0.3, 、二次扰动均作用（含时滞）图 3-2-15K1=0.2, 1=0.1, K2=1, 、二次扰动均作用（含时滞）图 3-2-16K1=7, 1=0.1, K2=0.3, 、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。
