LOGO蒸发器温度控制系统集团文件版本号：(M92&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°'（S）=（20s+1）（30s+1）,=恙TT严"主、副扰动通道的传递函数分别为：G/,（5）=02771,G,2（s）=]试分别釆用单回路控制和串级控制设计温度控制系统。设计
要求
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如下：（1）分别进行控制
方案
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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，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）o而对于要求较高的主回路，由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图3-1-1单回路控制系统方框图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二1,I二0,无扰动信号图3-1-4P二3,I二0,无扰动信号图3-1-5P二5,I二0,无扰动信号图3-1-6P二7,1=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二7。图3-1-7P=7,1=0.1,无扰动信号图3-1-8P二7,1=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1=0.1最佳图3-1-9P二7,1=0.1,一次扰动信号图3-1-10P二7,1=0.1,二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:亘il+4I-*主扰产品漏图3-2-1串级控制系统方框图由方框图对应得到系统仿真图图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yl(t),y2(t)o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借数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K2二12。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,K2二12,无扰动图3-2-4Kl=5,1=0,K2=12,无扰动图3-2-5Kl=7,1=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Kl=7o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3-2-6Kl=5,1=0.1,K2=12,无扰动图3-2-7Kl=7,1=0.1,K2=12,无扰动图3-2-8Kl=7,1=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二0.1时震荡剧烈，调节时间过长，所以I二0.1。图3-2-9Kl=7,1=0.1,K2=12,一次扰动（主扰动）图3-2-10Kl=7,1=0.1,K2=12,二次扰动（副扰动）图3-2-11K1二7,1=0.1,K2二12,—、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3-2-13K1二0.2,1=0.1,K2二0.3,一、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3-2-14K1二0.2,1=0.2,K2二0.3,—、二次扰动均作用（含时滞）图3-2-15K1二0.2,1=0.1,K2=l,一、二次扰动均作用（含时滞）图3-2-16Kl=7,1=0.1,K2=0.3,一、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。
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