鍋爐課程設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設(shè)計任務(wù)分析…………………………………………………2</p><p><b>　　二、總體方案設(shè)計</b></p><p>　　2.1 設(shè)計目的……………………………………………………2</p><p>　　2.2 實驗裝置 …

2、…………………………………………………3</p><p>　　2.3 設(shè)計要求……………………………………………………3</p><p>　　三、被控對象與控制設(shè)備…………………………………………4</p><p>　　3.1 被控對象……………………………………………………4</p><p>　　3.2 檢測裝置……………………………

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……………………………………………………9</p><p>　　3.6 被控對象的調(diào)節(jié)……………………………………………

4、…10</p><p><b>　　四、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　4.1 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) …………………………………………11</p><p>　　4.2 副回路的設(shè)計 ………………………………………………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仿真與實驗結(jié)果</p><p>　　5.1夾套介質(zhì)溫度曲線的測定與結(jié)果分析 …………………17</p><p>　　5.2 鍋爐的夾套溫度曲線測量與結(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)計體會………………………………………………23</p><p><b>　　一、設(shè)計任務(wù)分析</b></p><p>　　熟悉THJ-2型高級

7、過程控制系統(tǒng)實驗裝置，獲取鍋爐夾套與夾套的動態(tài)特性曲線，利用實驗建模法求出它們的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)串級控制，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。最終在過控實驗裝置平臺上完成實際系統(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</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計目的</b&g

8、t;</p><p>　　通過對過程控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，讓我對用過程控制系統(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在我們與課程同步的實驗中得到了鞏固和提高。通過這次的課程設(shè)計更是升華了我們平時學(xué)習(xí)中所獲得的知識。我發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)在我們以后的工作與學(xué)習(xí)中將起到很大的作用，會讓我們?yōu)樯鐣龀龈蟮呢暙I(xiàn)。課程設(shè)計要求我們立足實際，觀點新穎，多謝創(chuàng)新，盡量滿足現(xiàn)實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)過兩個星期的研究與學(xué)習(xí)終于做出了自己的設(shè)計，在完成設(shè)計的過程中查閱了很多資料，把課程的知識綜合的系統(tǒng)的應(yīng)用在我的設(shè)計之中。在本課程設(shè)計中，通過一個完整的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計，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《過程檢測與控制儀表》、《自動控制原理》、《微機(jī)控制技術(shù)》和《過程工程基礎(chǔ)》等課程中所學(xué)到知識進(jìn)行綜合應(yīng)用。鍛煉學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力，讓學(xué)生了解一般工程系統(tǒng)的設(shè)計方法、步

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

11、　分析控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，從實驗中獲得各環(huán)節(jié)的特性曲線，建立被控對象的數(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>　　了解和掌握自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法，并在THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)平臺上完成本控制系統(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)果與實際系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果的差異，鞏固所學(xué)的知識。</p><p>　　三、被控對象與控制設(shè)備</p><p>　　本實驗裝置由被控對象和控制儀表兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三（380V交流）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由日本三菱變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、

13、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。</p><p><b>　　3.1 被控對象</b></p><p>　　由不銹鋼儲水箱、上、中、下三個串接有機(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)非常獨特，有三個槽，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驗和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控制等實驗。儲水箱是采用不銹鋼板制成，尺寸為：長×寬×高=68cm×52㎝×43㎝ 完全能滿足上、中、下水箱的實驗需要。&

15、lt;/p><p>　　模擬鍋爐：本裝置采用模擬鍋爐進(jìn)行溫度實驗，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）。做溫度單回路實驗時，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其溫度。</p><p>　　盤管：長37米（43圈），可做溫度純滯后實驗，在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數(shù)不同，在實驗過程

16、中根據(jù)不同的實驗需要選擇不同的滯后時間常數(shù)。盤管出來的水既可以回流到鍋爐夾套，也可以經(jīng)過渦輪流量計完成流量滯后實驗。</p><p><b>　　3.2 檢測裝置</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，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測，其精度為0.5級

17、，因為為二線制，故工作時需串接24V直流電源。</p><p>　　溫度傳感器：本裝置采用六個Pt100傳感器，分別用來檢測上水箱出口、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，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4～ 20mADC電流信號。Pt100傳感器精度高，熱補償性較好。</p><p>　　流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對電動調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測量

18、。渦輪流量計型號：LWGY-10，流量范圍：0～1.2m3/h，精度：1.0%。輸出：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號。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>　　電動調(diào)節(jié)閥：采用智能型電動調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、操作方便

19、等優(yōu)點，控制信號為4～20mA DC或1～5V DC，輸出4～20mA DC的閥位信號，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，控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，～220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。 </p><p>　　水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P，流量為32升/分，揚程為8米，功率為180W。本裝置采用兩只磁力驅(qū)

20、動泵。一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動。</p><p>　　可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。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調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：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>　　本實驗裝置基本配置的控制器有調(diào)節(jié)儀表、比值器/前饋-反饋補償器、解耦裝置。</p><p><b>　　調(diào)節(jié)儀表：</b></p><p>　　本系統(tǒng)實驗裝置采用上海萬迅儀表有限公司的AI系列

22、儀表，其主要特點有：</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臺調(diào)

23、節(jié)器。其中三臺型號是AI-818，另一臺型號是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>　　測量精度</b></p><p>　　0.2級（熱電阻、線性電壓、線性電流及熱電偶輸入且采用銅電阻補償或冰點補償冷端時）</p><p>　　0.2%FS±2.0℃（熱電偶輸入且采用儀表內(nèi)部元件測溫補

26、償冷端時）</p><p><b>　　響應(yīng)時間</b></p><p>　　≤0.5秒（設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)dL=0時）</p><p>　　注：儀表對B分度號熱電偶在0—600℃范圍時可以進(jìn)行測量，但測量精度無法達(dá)到0.2級，在600-1800℃范圍可保證0.2級測量精度。</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>　　繼電器觸點開關(guān)輸出（常開+常閉）：250VAC/1A或30VDC/1A</p><p>　　可控硅無觸點開關(guān)輸出（常開或常閉）：100-240VAC/0.2A（持續(xù)），2A（20mS瞬時，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模塊時輸出電壓≥10.5V；X4模塊輸出電壓≥7V）</p><p><b&g

29、t;　　報警功能</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，有上電免除報警選擇功能。</p><p><b>　　手動功能</b></p><p>　　自動/手動雙向無擾動切換（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現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實驗，又可以實現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋-反饋控制系

31、統(tǒng)實驗。</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)實驗。</p><p><b>　　儀表綜合控制臺：</b></p><p>　　儀表控制臺面板由三部分組成：</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信號接口面板：該面板的作用主要是將

33、各傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號同面板上自鎖緊插孔相連，再通過航空插頭同對象系統(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)的實驗。</p><p><b>　　3.5 系統(tǒng)特點</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>　　本裝置由控制對象、智能儀

34、表綜合控制臺、計算機(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>　　直實性、直觀性、綜合性強，控制對象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場。</p><p>　　具有廣泛的擴(kuò)展性和后續(xù)開發(fā)功能，所有I/O信號全部采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC信號，可通過信號接口電纜與任何后續(xù)智能化控制平臺連接。</p><p>　　執(zhí)行器中既有電動調(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)定值階躍擾動外，還可以通過對象中電磁閥和手動操作閥制造各種擾動。</p><p>　　一個被調(diào)參數(shù)可在不同動力源、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)計時使2個信號在本對象中存在著相互耦合，二者同時需要對原獨立調(diào)

36、節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定，或進(jìn)行解耦實驗，以符合工業(yè)實際的性能要求。</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)實驗。</p><p>　　各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的實驗軟件平臺上都可以實現(xiàn)。</p><p>　　實驗數(shù)據(jù)及圖表在MCGS軟件系統(tǒng)中很容易存儲及調(diào)用，以實驗者進(jìn)行實驗后的比較和分析。</p><p>

37、　　3.6 被控對象的調(diào)節(jié)</p><p>　　儲水箱儲存著一定體積的水，通過磁力驅(qū)動泵把水達(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)動泵工作一段時間，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)定值時啟動裝置，會有報警，所以調(diào)節(jié)鍋爐水位時要小心，必須要夾套的水位達(dá)到一個規(guī)定值以上。</p><p>　　夾套的水是通過F2-11回流

38、到儲水箱內(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)動泵來控制，根據(jù)回流量的大少，可以對夾套介質(zhì)溫度的調(diào)節(jié)。</p><p>　　加滿鍋爐夾套的水，手動操作調(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，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，用于對鍋爐夾套溫度與夾套溫度的測量，把測量值送入控制器進(jìn)行PID計算，根據(jù)計算結(jié)果對加熱棒兩端電壓進(jìn)行控制，從而對夾套介質(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)，首先要綜合被控對象的特征以及各個控制結(jié)構(gòu)性能分析，然后從眾多的控制結(jié)構(gòu)中選擇一種，以期運行后能滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)

41、。以下以選擇了串級控制為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行闡述。</p><p><b>　　串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖4-1 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　從圖中可以看出，串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)。一個閉環(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)對象，測量變送元件和調(diào)節(jié)器。在主環(huán)內(nèi)的調(diào)節(jié)對象，被測參數(shù)和調(diào)節(jié)器被稱為主調(diào)節(jié)對象，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)器的輸出信號則是送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。比較串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)，前者只比后者多了一個測量變送元件和一個調(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>　　串級控制系統(tǒng)的特點與分析</p><p>　　在分析串級控制系統(tǒng)之前，先把擾動以其作用位置的不同分為兩類，一般把包括在副回路內(nèi)的擾動稱為二次擾動，而把作用于副環(huán)之外的擾動稱為一次擾動。這兩類擾動對串級控制

44、效果有本質(zhì)的差別。分析串級控制系統(tǒng)可知串級控制系統(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的影響。可以說串級系統(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)起了改善對象動態(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)于工作點附近的一個小范圍。如果負(fù)荷變化過大，超出這個范圍，那么控制質(zhì)量就會下降，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>　　采用串級控制前后比較實例</p><p>　　圖4-2 串級系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　設(shè)串級系統(tǒng)的方框圖如上圖所示，其中主、副對象的傳遞函數(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；二次擾動下的短期最大偏差由單回路控制時的0.24減小到0.011，大約減小了22倍多；即使一次擾動下，短期最大偏差也由單回路控

48、制時的0.3減小到0.11，減小了近三倍?？梢姶壪到y(tǒng)對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。實際上，由于串級系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器增益往往很大，調(diào)節(jié)閥的動作幅度也相應(yīng)增大，有時可能處于飽和狀態(tài)，因此串級控制系統(tǒng)的實際效果要比表中估算的結(jié)果略為差一些。</p><p>　　串級系統(tǒng)設(shè)計中的幾個問題</p><p>　　4.2副回路的設(shè)計：</p&g

49、t;<p>　　串級系統(tǒng)的種種優(yōu)點都是因為增加了副回路的緣故?？梢哉f，副回路的設(shè)計質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點的關(guān)鍵所在。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個單回路，問題的實質(zhì)在于如何從整個對象中選取一部分作為副對象，然后組成一個副控制回路，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)計的兩個原則：</p><p>　　副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；</p>&l

50、t;p>　　副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾。</p><p>　　串級系統(tǒng)對二次干擾有較強的克服能力。為了發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計時，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。當(dāng)然也不能走極端，試圖把所有擾動都包括進(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)計時加以協(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。這個結(jié)論是從發(fā)揮串級系統(tǒng)特點的角度得到的。此外還應(yīng)根據(jù)主、副回路之間的動態(tài)關(guān)系來分析。由于主、副回路是兩個相互獨立又密切相關(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)時會引起副環(huán)中副參數(shù)波動振幅的增加，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)，就會使主副參數(shù)長時間地大幅度地波動，這就是所謂的串級系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。一旦發(fā)生了共振，系統(tǒng)就會失去控制，不僅控制品質(zhì)惡化，如不及時處理，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仿真與實驗結(jié)果</p><p>　　5.1 夾套介質(zhì)溫度曲線的測定與結(jié)果分析</p><p>　　按照結(jié)構(gòu)圖在智能儀表控制臺接好線路。TT1是夾套溫度測量變送器，TT1的測量輸出接到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)備好就可以啟動電源，啟動變頻器，經(jīng)驗讓磁力泵的速度調(diào)節(jié)到16轉(zhuǎn)每秒，調(diào)節(jié)好后讓系統(tǒng)工作一段時間，

55、使得儀表上的溫度不變時，把加熱棒的端電壓增加15%，相當(dāng)于產(chǎn)生一個階躍輸入，此時此刻記錄下當(dāng)時的時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)器與副對象的傳遞函數(shù)。</p><p>　　實際的溫度曲線如圖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間段如表2：</p><p>　　表2 鍋爐夾套溫度曲線溫度值與時間段</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量一樣，只是測量的傳感器是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>　　如下是實際的鍋爐夾套溫度曲線圖5-4：</p><p>　　圖5-4 鍋爐夾套實際溫度曲線 </p><p>　　表3 鍋爐夾套溫度曲線溫度值與時間段</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</b></p><p>　　在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(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)以及核動力等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，自動控制技術(shù)更具有特別重要的作用。不僅如此，自動控制技術(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)等各個領(lǐng)域中，自動控制已成為現(xiàn)

64、代社會活動不可缺少的重要組成部分。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計，讓我學(xué)到的理論知識得到了實踐，尤其是PID控制算法在實踐控制中的應(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，通過實驗學(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，在老師的指導(dǎo)下順利完成了課程設(shè)計，我深刻體會到理論結(jié)合實踐的重要意義，也對過程控制的學(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