鍋爐課程設(shè)計(jì)說明書

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)分析…………………………………………………2</p><p><b>　　二、總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)目的……………………………………………………2</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)裝置 …

2、…………………………………………………3</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)要求……………………………………………………3</p><p>　　三、被控對(duì)象與控制設(shè)備…………………………………………4</p><p>　　3.1 被控對(duì)象……………………………………………………4</p><p>　　3.2 檢測(cè)裝置……………………………

3、………………………5</p><p>　　3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)……………………………………………………6</p><p>　　3.4控制器…………………………………………………………6</p><p>　　3.5 系統(tǒng)特點(diǎn)……………………………………………………9</p><p>　　3.6 被控對(duì)象的調(diào)節(jié)……………………………………………

4、…10</p><p><b>　　四、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　4.1 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) …………………………………………11</p><p>　　4.2 副回路的設(shè)計(jì) ………………………………………………15</p><p>　　4.3 主副回路工作頻率的選………………………………………15<

5、;/p><p>　　5.4控制系統(tǒng)連線示意圖…………………………………………16</p><p>　　五、MATLAB仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　5.1夾套介質(zhì)溫度曲線的測(cè)定與結(jié)果分析 …………………17</p><p>　　5.2 鍋爐的夾套溫度曲線測(cè)量與結(jié)果分析 …………………20</p><p>　　5.

6、3Matalab仿真，記錄調(diào)節(jié)器參數(shù) ……………………………21</p><p>　　5.5記錄最佳調(diào)節(jié)器參數(shù)以及結(jié)果曲線…………………………22</p><p>　　六、課程設(shè)計(jì)體會(huì)………………………………………………23</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)分析</b></p><p>　　熟悉THJ-2型高級(jí)

7、過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，獲取鍋爐夾套與夾套的動(dòng)態(tài)特性曲線，利用實(shí)驗(yàn)建模法求出它們的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)串級(jí)控制，選擇合適的主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，并在Matlab上進(jìn)行仿真。最終在過控實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)上完成實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試，并說明兩種方法的所得結(jié)果的差別。</p><p><b>　　二、總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)目的</b&g

8、t;</p><p>　　通過對(duì)過程控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，讓我對(duì)用過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用得到了很深的了解。課堂上老師講解的知識(shí)在我們與課程同步的實(shí)驗(yàn)中得到了鞏固和提高。通過這次的課程設(shè)計(jì)更是升華了我們平時(shí)學(xué)習(xí)中所獲得的知識(shí)。我發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)在我們以后的工作與學(xué)習(xí)中將起到很大的作用，會(huì)讓我們?yōu)樯鐣?huì)做出更大的貢獻(xiàn)。課程設(shè)計(jì)要求我們立足實(shí)際，觀點(diǎn)新穎，多謝創(chuàng)新，盡量滿足現(xiàn)實(shí)情況的前提下開工腦筋，大膽別致的做出更好的

9、作品。經(jīng)過兩個(gè)星期的研究與學(xué)習(xí)終于做出了自己的設(shè)計(jì)，在完成設(shè)計(jì)的過程中查閱了很多資料，把課程的知識(shí)綜合的系統(tǒng)的應(yīng)用在我的設(shè)計(jì)之中。在本課程設(shè)計(jì)中，通過一個(gè)完整的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使學(xué)生在進(jìn)一步加深理解和掌握《過程控制系統(tǒng)》課程中所學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，著重訓(xùn)練學(xué)生將《過程檢測(cè)與控制儀表》、《自動(dòng)控制原理》、《微機(jī)控制技術(shù)》和《過程工程基礎(chǔ)》等課程中所學(xué)到知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用。鍛煉學(xué)生的綜合知識(shí)應(yīng)用能力，讓學(xué)生了解一般工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、步

10、驟，系統(tǒng)的集成和投運(yùn)。</p><p><b>　　2.2實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　2-1 實(shí)驗(yàn)裝置總貌圖</p><p><b>　　2.3設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　從組成、工作原理上對(duì)工業(yè)型傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一深刻的了解和認(rèn)識(shí)。</p><p>　

11、　分析控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，從實(shí)驗(yàn)中獲得各環(huán)節(jié)的特性曲線，建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　根據(jù)其數(shù)學(xué)模型，選擇被控規(guī)律和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。</p><p>　　在Matlab上進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，獲得最佳控制效果。</p><p>　　了解和掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并在THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)平臺(tái)上完成本控制系統(tǒng)線路連接和參數(shù)調(diào)試

12、，得到最佳控制效果。</p><p>　　分析仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果的差異，鞏固所學(xué)的知識(shí)。</p><p>　　三、被控對(duì)象與控制設(shè)備</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和控制儀表兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由三（380V交流）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由日本三菱變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、

13、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。</p><p><b>　　3.1 被控對(duì)象</b></p><p>　　由不銹鋼儲(chǔ)水箱、上、中、下三個(gè)串接有機(jī)玻璃圓筒形水箱、4.5千瓦電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋爐夾套加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套構(gòu)成)、冷熱水交換盤管和敷塑不銹鋼管道組成。</p><p>　　水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。 上

14、、中、下水箱采用優(yōu)質(zhì)淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。水箱結(jié)構(gòu)非常獨(dú)特，有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階液位單回路控制實(shí)驗(yàn)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級(jí)控制等實(shí)驗(yàn)。儲(chǔ)水箱是采用不銹鋼板制成，尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=68cm×52㎝×43㎝ 完全能滿足上、中、下水箱的實(shí)驗(yàn)需要。&

15、lt;/p><p>　　模擬鍋爐：本裝置采用模擬鍋爐進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，此鍋爐采用不銹鋼精制而成，由二層組成：加熱層（夾套）和冷卻層（夾套）。做溫度單回路實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都有溫度傳感器檢測(cè)其溫度。</p><p>　　盤管：長(zhǎng)37米（43圈），可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤管上有三個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，它們的滯后時(shí)間常數(shù)不同，在實(shí)驗(yàn)過程

16、中根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的滯后時(shí)間常數(shù)。盤管出來的水既可以回流到鍋爐夾套，也可以經(jīng)過渦輪流量計(jì)完成流量滯后實(shí)驗(yàn)。</p><p><b>　　3.2 檢測(cè)裝置</b></p><p>　　壓力傳感器、變送器：采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來對(duì)上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其精度為0.5級(jí)

17、，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。</p><p>　　溫度傳感器：本裝置采用六個(gè)Pt100傳感器，分別用來檢測(cè)上水箱出口、鍋爐夾套、鍋爐夾套以及盤管的水溫。經(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～ 20mADC電流信號(hào)。Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性較好。</p><p>　　流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量

18、。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY-10，流量范圍：0～1.2m3/h，精度：1.0%。輸出：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本裝置用了三套渦輪流量傳感器、變送器。</p><p><b>　　3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSVP-16K。具有精度高、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、操作方便

19、等優(yōu)點(diǎn)，控制信號(hào)為4～20mA DC或1～5V DC，輸出4～20mA DC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。</p><p>　　變頻器：本裝置采用日本三菱變頻器，控制信號(hào)輸入為4～20mADC或0～5VDC，～220V變頻輸出用來驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。 </p><p>　　水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。本裝置采用兩只磁力驅(qū)

20、動(dòng)泵。一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。</p><p>　　電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝2，最大壓力為7Kg

21、/㎝2 ；工作溫度：－5～80℃。</p><p><b>　　3.4 控制器</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)裝置基本配置的控制器有調(diào)節(jié)儀表、比值器/前饋-反饋補(bǔ)償器、解耦裝置。</p><p><b>　　調(diào)節(jié)儀表：</b></p><p>　　本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置采用上海萬(wàn)迅儀表有限公司的AI系列

22、儀表，其主要特點(diǎn)有：</p><p>　　全球通用的85～246VAC范圍開關(guān)電源或者24VDC電源供電，并具備多種外形尺寸。</p><p>　　輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線性校正表格，測(cè)量精確穩(wěn)定。</p><p>　　采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能。</p><p>　　本裝置有4臺(tái)調(diào)

23、節(jié)器。其中三臺(tái)型號(hào)是AI-818，另一臺(tái)型號(hào)是AI-708。</p><p><b>　　技術(shù)規(guī)格</b></p><p>　　熱電偶：K、S、R、E、J、T、B、N</p><p>　　熱電阻：Cu50、Pt100</p><p>　　線性電壓：0－5V、1－5V、0－1V、0－100mV、0－20mV等</p&

24、gt;<p>　　線性電流（需外接分流電阻）：0－10mA、0－20mA、4－20mA等</p><p><b>　　測(cè)量范圍</b></p><p>　　K（-50＋1300℃）、S（-50－1700℃）、R（-50－＋1650℃）、T（-200－＋550℃）、E（0－800℃）、J（0－1000℃）、B（0－1800℃）、N（0－1300℃）、<

25、;/p><p>　　Cu50（-50－＋150℃）、Pt100（-200－＋600℃）</p><p><b>　　測(cè)量精度</b></p><p>　　0.2級(jí)（熱電阻、線性電壓、線性電流及熱電偶輸入且采用銅電阻補(bǔ)償或冰點(diǎn)補(bǔ)償冷端時(shí)）</p><p>　　0.2%FS±2.0℃（熱電偶輸入且采用儀表內(nèi)部元件測(cè)溫補(bǔ)

26、償冷端時(shí)）</p><p><b>　　響應(yīng)時(shí)間</b></p><p>　　≤0.5秒（設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)dL=0時(shí)）</p><p>　　注：儀表對(duì)B分度號(hào)熱電偶在0—600℃范圍時(shí)可以進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量精度無法達(dá)到0.2級(jí)，在600-1800℃范圍可保證0.2級(jí)測(cè)量精度。</p><p>　　AI人工智能調(diào)節(jié)，包含模糊

27、邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進(jìn)控制算法。</p><p><b>　　輸出規(guī)格（模塊化）</b></p><p>　　繼電器觸點(diǎn)開關(guān)輸出（常開+常閉）：250VAC/1A或30VDC/1A</p><p>　　可控硅無觸點(diǎn)開關(guān)輸出（常開或常閉）：100-240VAC/0.2A（持續(xù)），2A（20mS瞬時(shí)，重復(fù)周期大于5S）</p&g

28、t;<p>　　SSR電壓輸出：12VDC/30mA（用于驅(qū)動(dòng)SSR固態(tài)繼電器）</p><p>　　可控硅觸發(fā)輸出：可觸發(fā)5-500A的雙向可控硅、2個(gè)單向可控硅反并聯(lián)連接或可控硅功率模塊</p><p>　　線性電流輸出：0-10 mA可4-20 mA可定義（安裝X模塊時(shí)輸出電壓≥10.5V；X4模塊輸出電壓≥7V）</p><p><b&g

29、t;　　報(bào)警功能</b></p><p>　　上限、下限、正偏差、負(fù)偏差等4種方式，最多可輸出3路，有上電免除報(bào)警選擇功能。</p><p><b>　　手動(dòng)功能</b></p><p>　　自動(dòng)/手動(dòng)雙向無擾動(dòng)切換（僅A1-808/808P系列具備此功能）</p><p>　　電源：100-240VAC，-

30、15%，+10%50-60HZ；</p><p><b>　　電源消耗：≤5W</b></p><p>　　環(huán)境溫度：0-50℃</p><p>　　比值器、前饋-反饋裝置：</p><p>　　此控制器與調(diào)節(jié)器一起使用既可以實(shí)現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，又可以實(shí)現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋-反饋控制系

31、統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。</p><p><b>　　解耦控制裝置：</b></p><p>　　此控制器與調(diào)節(jié)器一起使用可以實(shí)現(xiàn)鍋爐夾套與鍋爐夾套的溫度、上水箱液位與出口溫度的解耦控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。</p><p><b>　　儀表綜合控制臺(tái)：</b></p><p>　　儀表控制臺(tái)面板由三部分組成：</p&g

32、t;<p>　　電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。</p><p>　　儀表面板：1塊變頻調(diào)速器面板、3塊AI/818A智能調(diào)節(jié)儀面板、1塊AI/708A智能位式調(diào)節(jié)儀、解耦裝置面板，比值器/前饋-反饋裝置面板，各裝置外接線端子通過面板上自鎖緊插孔引出。</p><p>　　I/O信號(hào)接口面板：該面板的作用主要是將

33、各傳感器檢測(cè)及執(zhí)行器控制信號(hào)同面板上自鎖緊插孔相連，再通過航空插頭同對(duì)象系統(tǒng)連接，便于學(xué)生自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，進(jìn)行幾十種過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。</p><p><b>　　3.5 系統(tǒng)特點(diǎn)</b></p><p>　　被控參數(shù)全面，涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。</p><p>　　本裝置由控制對(duì)象、智能儀

34、表綜合控制臺(tái)、計(jì)算機(jī)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局合理，造型美觀大方。</p><p>　　直實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。</p><p>　　具有廣泛的擴(kuò)展性和后續(xù)開發(fā)功能，所有I/O信號(hào)全部采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC信號(hào)，可通過信號(hào)接口電纜與任何后續(xù)智能化控制平臺(tái)連接。</p><p>　　執(zhí)行器中既有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥儀表類執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又有變頻器、可控硅移

35、相調(diào)壓裝置、接觸器位式控制裝置等。</p><p>　　調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有調(diào)節(jié)器的設(shè)定值階躍擾動(dòng)外，還可以通過對(duì)象中電磁閥和手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)。</p><p>　　一個(gè)被調(diào)參數(shù)可在不同動(dòng)力源、不同執(zhí)行器、不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使2個(gè)信號(hào)在本對(duì)象中存在著相互耦合，二者同時(shí)需要對(duì)原獨(dú)立調(diào)

36、節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定，或進(jìn)行解耦實(shí)驗(yàn)，以符合工業(yè)實(shí)際的性能要求。</p><p>　　能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表在MCGS軟件系統(tǒng)中很容易存儲(chǔ)及調(diào)用，以實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的比較和分析。</p><p>

37、　　3.6 被控對(duì)象的調(diào)節(jié)</p><p>　　儲(chǔ)水箱儲(chǔ)存著一定體積的水，通過磁力驅(qū)動(dòng)泵把水達(dá)到鍋爐內(nèi)，水經(jīng)過F2-6與F1-12進(jìn)入夾套，而通過F2-6與F1-13到達(dá)夾套，讓磁力驅(qū)動(dòng)泵工作一段時(shí)間，使得鍋爐夾套的水位達(dá)到規(guī)定值，若夾套的水位沒有達(dá)到規(guī)定值時(shí)啟動(dòng)裝置，會(huì)有報(bào)警，所以調(diào)節(jié)鍋爐水位時(shí)要小心，必須要夾套的水位達(dá)到一個(gè)規(guī)定值以上。</p><p>　　夾套的水是通過F2-11回流

38、到儲(chǔ)水箱內(nèi)，回流過程中帶走夾套介質(zhì)的部分熱量，從而控制夾套介質(zhì)溫度，回流量通過F2-11和F2-11以及磁力驅(qū)動(dòng)泵來控制，根據(jù)回流量的大少，可以對(duì)夾套介質(zhì)溫度的調(diào)節(jié)。</p><p>　　加滿鍋爐夾套的水，手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出，使可控整流電源的輸出電壓為80～100V。此電壓加在加熱管兩端，夾套中的水溫因之而逐漸上升。根據(jù)熱平衡的原理，當(dāng)夾套中的水溫上升到某一值時(shí)，水的吸熱和放熱作用完全相等，從而使夾套中的水溫達(dá)

39、到平衡狀態(tài)。</p><p>　　在鍋爐上裝上了溫度傳感器，用于對(duì)鍋爐夾套溫度與夾套溫度的測(cè)量，把測(cè)量值送入控制器進(jìn)行PID計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)加熱棒兩端電壓進(jìn)行控制，從而對(duì)夾套介質(zhì)溫度的控制。</p><p><b>　　四、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇是控制方案中最重要的一個(gè)步驟。在過程控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中我們學(xué)

40、習(xí)到控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有單回路控制、串級(jí)控制（雙回路控制）、比值控制（特殊多變量控制）、前饋控制與大滯后控制（補(bǔ)償控制）、分程與選擇控制（非線性切換控制）、多變量解耦控制（多輸入多輸出解耦）等等。</p><p>　　4.1串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　選擇合適的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先要綜合被控對(duì)象的特征以及各個(gè)控制結(jié)構(gòu)性能分析，然后從眾多的控制結(jié)構(gòu)中選擇一種，以期運(yùn)行后能滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)

41、。以下以選擇了串級(jí)控制為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行闡述。</p><p><b>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖4-1 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　從圖中可以看出，串級(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)在里面

42、，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制過程中起著“粗調(diào)”的作用；一個(gè)在外面，被稱為主環(huán)或主回路，用來完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。無論主環(huán)或副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象，測(cè)量變送元件和調(diào)節(jié)器。在主環(huán)內(nèi)的調(diào)節(jié)對(duì)象，被測(cè)參數(shù)和調(diào)節(jié)器被稱為主調(diào)節(jié)對(duì)象，主參數(shù)和主調(diào)節(jié)器。在副環(huán)內(nèi)則相應(yīng)地被稱為副調(diào)節(jié)對(duì)象，副參數(shù)和副調(diào)節(jié)器。應(yīng)該指出，系統(tǒng)中盡管有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，它們的作用各不相同。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)

43、節(jié)器的輸出信號(hào)則是送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。比較串級(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)，前者只比后者多了一個(gè)測(cè)量變送元件和一個(gè)調(diào)節(jié)器，增加的儀表投資并不多，但控制效果卻又可以顯著的提高。</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與分析</p><p>　　在分析串級(jí)控制系統(tǒng)之前，先把擾動(dòng)以其作用位置的不同分為兩類，一般把包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)稱為二次擾動(dòng)，而把作用于副環(huán)之外的擾動(dòng)稱為一次擾動(dòng)。這兩類擾動(dòng)對(duì)串級(jí)控制

44、效果有本質(zhì)的差別。分析串級(jí)控制系統(tǒng)可知串級(jí)控制系統(tǒng)具有較好的控制性能的原因歸納為：</p><p>　　首先是副環(huán)具有快速作用，它能夠有效地克服二次擾動(dòng)的影響?？梢哉f串級(jí)系統(tǒng)主要是用來克服進(jìn)入副回路的二次干擾的。與單回路控制系統(tǒng)相比，被調(diào)量受二次干擾的影響往往可以減小10～100倍，這要視主環(huán)與副環(huán)中容積分布情況而定。</p><p>　　其次，由于副環(huán)起了改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用，因此可以

45、加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。</p><p>　　最后，由于副環(huán)的存在，使串級(jí)系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。眾所周知，生產(chǎn)過程往往包含一些非線性因素。因此，在一定負(fù)荷下，即在確定的工作點(diǎn)情況下，按一定控制質(zhì)量指標(biāo)整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)只適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍。如果負(fù)荷變化過大，超出這個(gè)范圍，那么控制質(zhì)量就會(huì)下降，在單回路控制中若不采取其它措施是難以解決的。但在串級(jí)系統(tǒng)中情況就不同了，負(fù)荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)

46、節(jié)參數(shù)的變化，可以較少或不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。</p><p>　　采用串級(jí)控制前后比較實(shí)例</p><p>　　圖4-2 串級(jí)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　設(shè)串級(jí)系統(tǒng)的方框圖如上圖所示，其中主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　　…………(1) </p><p><b>　　…………(2)

47、</b></p><p>　　主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為： </p><p>　　估算結(jié)果如下表1： </p><p>　　從表1中可以看到，由于采用了串級(jí)控制，系統(tǒng)工作頻率由單回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍；二次擾動(dòng)下的短期最大偏差由單回路控制時(shí)的0.24減小到0.011，大約減小了22倍多；即使一次擾動(dòng)下，短期最大偏差也由單回路控

48、制時(shí)的0.3減小到0.11，減小了近三倍?？梢姶?jí)系統(tǒng)對(duì)控制效果的改善是十分明顯的，但是必須指出，上述的估算結(jié)果沒有考慮非線性因素的影響。實(shí)際上，由于串級(jí)系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器增益往往很大，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度也相應(yīng)增大，有時(shí)可能處于飽和狀態(tài)，因此串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)際效果要比表中估算的結(jié)果略為差一些。</p><p>　　串級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題</p><p>　　4.2副回路的設(shè)計(jì)：</p&g

49、t;<p>　　串級(jí)系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn)都是因?yàn)樵黾恿烁被芈返木壒省？梢哉f，副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵所在。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)單回路，問題的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為副對(duì)象，然后組成一個(gè)副控制回路，這也是可以歸納為如何選取副參數(shù)。下面是有關(guān)副回路設(shè)計(jì)的兩個(gè)原則：</p><p>　　副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；</p>&l

50、t;p>　　副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。</p><p>　　串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次干擾有較強(qiáng)的克服能力。為了發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副環(huán)盡可能多的包括一些擾動(dòng)。當(dāng)然也不能走極端，試圖把所有擾動(dòng)都包括進(jìn)去，這樣將使得主調(diào)節(jié)器失去作用，也就不成其為串級(jí)控制了。因此，在要求副回路調(diào)節(jié)通道短、反應(yīng)快與盡可能多的納入干擾這兩者之間存在著矛盾，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加以協(xié)調(diào)。</p>&

51、lt;p>　　4.3 主副回路工作頻率的選擇：</p><p>　　為了保持串級(jí)控制系統(tǒng)的控制性能，應(yīng)避免閉合副環(huán)進(jìn)入高增益取，即主回路周期Td1為（1～3）Td2的區(qū)域。還句話說，應(yīng)該使主回路周期小于Td2，因此上述調(diào)節(jié)可以用下列不等式來描述，即：Td1>3Td2。這個(gè)結(jié)論是從發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn)的角度得到的。此外還應(yīng)根據(jù)主、副回路之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來分析。由于主、副回路是兩個(gè)相互獨(dú)立又密切相關(guān)的回路，在一

52、定條件下，如果受到某種干擾的作用，主參數(shù)的變化進(jìn)入副環(huán)時(shí)會(huì)引起副環(huán)中副參數(shù)波動(dòng)振幅的增加，而副參數(shù)的變化傳送到主環(huán)后，又迫使主參數(shù)的變化幅度增加，如此往復(fù)，就會(huì)使主副參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間地大幅度地波動(dòng)，這就是所謂的串級(jí)系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。一旦發(fā)生了共振，系統(tǒng)就會(huì)失去控制，不僅控制品質(zhì)惡化，如不及時(shí)處理，甚至可以導(dǎo)致生產(chǎn)事故，引起嚴(yán)重的后果。</p><p>　　4.4控制系統(tǒng)連線示意圖</p><p>

53、　　五、MATLAB仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　5.1 夾套介質(zhì)溫度曲線的測(cè)定與結(jié)果分析</p><p>　　按照結(jié)構(gòu)圖在智能儀表控制臺(tái)接好線路。TT1是夾套溫度測(cè)量變送器，TT1的測(cè)量輸出接到AI/818A智能調(diào)節(jié)儀的輸入端，調(diào)節(jié)好AI/818A智能調(diào)節(jié)儀的參數(shù)，參數(shù)調(diào)節(jié)如下：</p><p>　　CTRL=0 DIL=0 SN=21 CTL=

54、0 DIH=0 CF=8</p><p>　　調(diào)節(jié)好以上的參數(shù)后，在調(diào)節(jié)加熱棒的兩端端電壓。</p><p>　　還要連接好磁力泵調(diào)速器，調(diào)節(jié)控制磁力泵的速度，從而調(diào)節(jié)會(huì)流水的流量。把AI/818A智能調(diào)節(jié)儀的輸出接到 的輸入。</p><p>　　以上的步驟準(zhǔn)備好就可以啟動(dòng)電源，啟動(dòng)變頻器，經(jīng)驗(yàn)讓磁力泵的速度調(diào)節(jié)到16轉(zhuǎn)每秒，調(diào)節(jié)好后讓系統(tǒng)工作一段時(shí)間，

55、使得儀表上的溫度不變時(shí)，把加熱棒的端電壓增加15%，相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)階躍輸入，此時(shí)此刻記錄下當(dāng)時(shí)的時(shí)間與溫度值以及階躍值，然后就等系統(tǒng)慢慢的變化，慢慢的跟隨輸入的變化而變化，當(dāng)輸出變化穩(wěn)定后從電腦的MCGS中得到溫度的曲線。根據(jù)得到的曲線，MATLAB進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的仿真曲線以及調(diào)節(jié)器與副對(duì)象的傳遞函數(shù)。</p><p>　　實(shí)際的溫度曲線如圖5-1</p><p>　　圖5-1 鍋爐夾

56、套溫度曲線</p><p>　　鍋爐夾套溫度曲線溫度值與時(shí)間段如表2：</p><p>　　表2 鍋爐夾套溫度曲線溫度值與時(shí)間段</p><p>　　MATLAB鍋爐夾套溫度仿真曲線如下圖5-2</p><p>　　圖5-2 MATLAB鍋爐夾套溫度仿真曲線</p><p>　　從MATLAB上仿真的曲線與實(shí)際的曲

57、線比較接近的相似，所以可以從仿真中得到的傳遞函數(shù)比較適合。</p><p>　　以下是鍋爐夾套的結(jié)構(gòu)圖與調(diào)節(jié)器、副對(duì)象的傳遞函數(shù)，其結(jié)構(gòu)圖 如圖5-3：</p><p>　　圖5-3 鍋爐夾套的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　從圖中我們可以知道調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：</p><p>　　9.5/（13s+1）…………(3)</p>

58、<p><b>　　副對(duì)象的傳遞函數(shù)是</b></p><p>　　9.5/（s+1）………(4)</p><p>　　5.2 鍋爐的夾套溫度曲線測(cè)量與結(jié)果分析</p><p>　　方法與步驟與鍋爐夾套溫度曲線的測(cè)量一樣，只是測(cè)量的傳感器是TT2，把AI/818A智能調(diào)節(jié)儀的輸入接到TT2的輸出口，其他的工作步驟跟測(cè)量夾套的溫度曲線的

59、一樣，最終也是要得到一條溫度曲線。</p><p>　　如下是實(shí)際的鍋爐夾套溫度曲線圖5-4：</p><p>　　圖5-4 鍋爐夾套實(shí)際溫度曲線 </p><p>　　表3 鍋爐夾套溫度曲線溫度值與時(shí)間段</p><p>　　以下是通過MATLAB仿真得到的鍋爐夾套溫度曲線如圖5-5</p><p>　　圖5-5

60、 鍋爐夾套仿真溫度曲線</p><p>　　從MATLAB上仿真的曲線與實(shí)際的曲線比較接近的相似，所以可以從中得到的傳遞函數(shù)比較適合。以下是鍋爐夾套的結(jié)構(gòu)圖如圖5-6所示</p><p>　　圖5-6 鍋爐夾套結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由圖可知道主對(duì)象的傳遞函數(shù)是</p><p>　　[12/（2s^2+s+1）]*e^(-0.2s)…

61、………(5)</p><p>　　5.3Matalab仿真，記錄調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　圖5-3 Matlab仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　調(diào)節(jié)器參數(shù)如下：</b></p><p>　　調(diào)節(jié)儀1：P=30;I=60;D=0;Sn=21;CF=0;ADDR=1;SV=35；diH=100;dil=0;

62、</p><p>　　調(diào)節(jié)儀2：P=65;I=0;D=0;Sn=21;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;</p><p>　　5.4記錄最佳調(diào)節(jié)器參數(shù)以及結(jié)果曲線</p><p>　　圖5-4鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫度串級(jí)控制</p><p>　　解析：由于設(shè)備和我們操作等各種原因造成的誤差導(dǎo)致了上圖曲線有些偏差，結(jié)果還是符合理

63、論的。</p><p><b>　　六、總結(jié)與體會(huì)</b></p><p>　　在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來越重要的作用。近幾十年來，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，在宇宙航行、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動(dòng)力等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，自動(dòng)控制技術(shù)更具有特別重要的作用。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的作用現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)

64、代社會(huì)活動(dòng)不可缺少的重要組成部分。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到的理論知識(shí)得到了實(shí)踐，尤其是PID控制算法在實(shí)踐控制中的應(yīng)用得到了過度。在書本和課程中，我們主要學(xué)到的是理論知識(shí)，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，我掌握了MATALAB在過程控制中的應(yīng)用，經(jīng)過了課程設(shè)計(jì)，在老師的指導(dǎo)下順利完成了課程設(shè)計(jì)，我深刻體會(huì)到理論結(jié)合實(shí)踐的重要意義，也對(duì)過程控制的學(xué)習(xí)掌握更深入了一層。</p><p>

65、<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]邵裕森 過程控制工程[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 2009</p><p>　　[2]孫炳達(dá) 自動(dòng)控制原理[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 2009</p><p>　　[3]潘永湘，楊延西，趙躍編著.過程控制與自動(dòng)化儀表[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007[4]翁維勤.過程控制系統(tǒng)及工程[M].北