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过程控制参数整定概述
摘要:
随着社会生产力的不断发展和人们生活质量的不断提高,必将对控制理论、技术、系统与应用提出越来越多、越来越高的要求,因此有必要进一步加强、加深对这方面的研究。
本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计,而对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。
PID控制是迄今为止最通用的控制方法,大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。
关键词:
生产、生活、PID、控制、反馈
Abstract:
withthecontinuousdevelopmentofsocialproductiveforcesandthepeopleconstantlyimprovethequalityoflife,isboundtothecontroltheory,systemandapplication,putsforwardmoreandmore,moreandmorehighdemand,itisnecessarytofurtherstrengthen,deepentheresearchonthisaspect.Thispaperisaimedattheanalysisanddesignofboilersuperheatedsteamtemperaturecontrolsystem,andgoodcontroloftemperatureofsuperheatedsteamisaprerequisitetoensurethesystemoutputsteamtemperaturestability.PIDcontrolisbyfarthemostcommon,mostfeedbackloopusingthismethodoritssmalldeformationcontrol.
Keywords:
production、life、PID、control、feedback
目录
前言…………………………………………………………………………………………….1
2总体方案设计………………………………………………………………………….....….2
2.1方案比较………………………………………………………………………………………….2
2.2方案论证3
2.3任务与设计要求3
3.单元模块介绍………………………………………………………………………………..5
3.1输入模块5
3.2控制系统图模块5
3.3仿真干扰源8
3.4主回路及副回路9
3.5输出模块..9
4.软件设计................................................................................................................................10
4.1设计平台介绍…………………………………………………………………………………...10
4.2串级控制系统设计10
4.2.1干扰在主回路10
4.2.2干扰在副回路14
4.3单回路控制系统15
5系统阐述……………………………………………………………………………………19
5.1串级控制系统优点19
5.2抗干扰分析19
6.系统性能分析………………………………………………………………………………20
7.心得体会……………………………………………………………………………………21
前言
随着我国国民经济的快速发展,加热炉的使用范围越来越广泛。
而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。
现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化,这就为加热炉的自动化提供了有利条件。
蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数,因此对蒸汽温度控制要求严格。
过高的蒸汽温度会造成过热器、蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏;蒸汽温度过低,又会引起热效率降低,影响经济运行。
锅炉控制现场环境恶劣,采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机,不仅结构比较复杂,效率比较低,并且可靠性也不高。
而本设计就是阐述用PID对控制的作用和意义,在PID控制器的设计中,参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展,对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件,例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。
本设计就是借助此软件主要运用simulink来研究PID控制器的设计方法,设计一个温控系统的PID控制器,并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。
2总体方案设计
2.1方案比较
方案一:
用串级控制系统设计
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称主变量(主被控参数),即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称副变量(副被控参数),是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
图2.1串级系统原理图
方案二:
单回路控制系统
单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。
由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭环。
在所有的反馈控制系统中它是最简单最基本的一种,因此它又被称为简单控制系统。
单回路控制系统有4个基本环节组成,即1被控对象或者被控过程,2测量变送装置,3控制器,4控制阀。
它也是一个简单的PID控制。
特点:
结构简单,易分析设计、投资少、便于施工,并能满足一般生产过程的控制要求,应用广泛。
图2.2单回路控制原理图
2.2方案论证
串级控制系统:
在串级控制系统中,由于引入了一个副回路,不仅能及早克服进入副回路的扰动,而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用,从而使其控制品质得到进一步提高。
系统特点及分析,它改善了过程的动态特性,提高了系统控制质量,能迅速克服进入副回路的二次扰动,提高了系统的工作频率,对负荷变化的适应性较强。
单回路控制系统:
单回路控制系统是简单最简单的控制系统,他的优点是结构简单,生产工艺也相对简单。
从燃料流量到引起原料油出口温度的变化,它的反应比较缓慢,而温度调节器是根据原料油的出口温度与设定值的偏差进行控制。
当燃料部分出现干扰后,单回路控制系统并不能及时产生控制作用,克服干扰对被控参数的影响,控制质量差。
当生产工艺对原料油出口温度要求很严格时,此单回路控制系统很难满足要求。
2.3任务与设计要求
1.和控制系统设计组配合,进行主、副回路的参数整定工作;
2.对单回路进行比较,验证串级控制的优点;
3.进行抗干扰分析;
4.绘制相应的控制图和MATLAB仿真。
主对象传递函数:
副对象传递函数:
3.单元模块介绍
3.1输入模块
图3.1输入的单位阶跃信号模块及仿真
单位阶跃信号是指在t<0的时候,信号量恒为0,在t>0的时候,信号量恒为1。
它是一种理想化的模型,因为在实际中,信号总是连续的,不可能在0点出现这样的“突变”.但是,建立这样一种模型,可以使我们分析的问题大为简化,抓住了主要因素,忽略了次要因素。
同时,建立这样一种简化的模型,有利于我们的学习。
3.2控制系统图模块
将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较,用输出信号源(2-10v或4-20mA)去控制最终控制组件。
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近60年的历史了,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它设计技术难以使用,系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候,便最适合用PID控制技术。
1.比例P控制:
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。
图3.2比例电路
公式(3-1)
2.积分(I)控制:
在积分控制中,控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取关于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
图3.3积分电路
公式(3-2)
3.微分(D)控制:
在微分控制中,控制器的输出与输入误差讯号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性的组件(环节)和(或)有滞后(delay)的组件,使力图克服误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”,即在误差接近零时,克服误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使克服误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重地冲过头。
图3.4微分电路
(式3-3)
实际中也有PI和PD控制器。
PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量,控制器输出和控制器输入(误差)之间的关系在时域中如公式(3-4)和(3-5):
u(t)=Kp(e(t)+Td
+
)公式(3-4)
U(s)=[
+
]E(s)公式(3-5)
公式中U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换,
,
,其中
、
、
分别为控制器的比例、积分、微分系数。
3.3仿真干扰源
图3.5干扰源及仿真
3.4主回路及副回路
图3.6主回路及副回路模块
串级控制系统的主回路是定值控制,其设计单回路控制系统的设计类似,设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
由于副回路是随动系统,对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力,二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小,因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中,此外要尽可能包含较多的扰动。
3.5输出模块
图3.7示波器
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。
它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象,便于人们研究各种电现象的变化过程。
示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点。
在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。
利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。
4.软件设计
4.1设计平台介绍
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
4.2串级控制系统设计
4.2.1干扰在主回路
设计原理:
主控制器的选择:
主被控变量是工艺操作的主要指标(温度),允许波动的范围很小,一般要求无余差,主控制器应选PID控制规律。
副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量,提高系统的反应速度,提高控制质量,可以允许在一定范围内变化,允许有余差,因此副控制器只要选P控制规律就可以了。
在工程实践中,串级控制系统常用的整定方法有以下三种:
逐步逼近法;两步整定法;一步整定法。
逐步逼近法费时费力,在实际中很少使用。
两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程,但还是要做两次4:
1衰减曲线法的实测。
对两步整定法进行简化,在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。
为了简便起见,本设计采用一步整定法。
所谓一步整定法,就是根据经验先确定副调节器的参数,然后将副回路作为主回路的一个环节,按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。
具体的整定步骤为:
(1)在工况稳定,系统为纯比例作用的情况下,根据K2/δS=0.5这一关系式,通过副过程放大系数K2,求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取,并将其设置在副调节器上。
(2)按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。
(3)改变给定值,观察被控制量的响应曲线。
根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理,适当调整调节器的参数,使主参数品质最佳。
(4)如果出现较大的振荡现象,只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数Ti,即可得到改善。
对于该温度串级控制系统,在一定范围内,主、副控制器的增益可以相互匹配。
根据表4.1,可以大致确定副控制器的增益K2及比例带。
表4.1常见对象的副控制器比例带的经验法
副控制器对象
温度
压力
流量
液位
比例带
20—60
30—70
40—80
20—80
增益Kc2
1.7—5.0
1.4—3.0
1.25—2.5
1.25—5.0
根据本设计,适当选取K2=2(整定时可以根据具体情况再做适当调整)。
然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器,本方案采用衰减曲线法整定,因此采用10:
1衰减曲线法整定主控制器参数。
衰减曲线法是在闭环系统中,先把调节器设置为纯比例作用,然后把比例度由大逐渐减小,加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程,直至4:
1衰减过程为止。
这时的比例度称为4:
1衰减比例度(除了4:
1的比例衰减度之外还有10:
1的衰减度),用δS表示之。
相邻两波峰间的距离称为4:
1衰减周期Ts。
根据δS和TS,运用表4.2所示的经验公式,就可计算出调节器预整定的参数值。
表4.2衰减曲线法整定计算公式
衰减率
整定参数
调节规律
δ
Ti
Td
0.75
P
δS
—
—
PI
1.2δS
0.5TS
—
PID
1.8δS
0.3TS
0.1TS
0.9
P
δS
—
—
PI
1.2δS
2TS
—
PID
1.8δS
1.2TS
0.4TS
根
据串级控制系统的原理图在matlab的simulink模块中画出整个控制过程。
(此时扰动是在主回路中)断开积分环节和微分环节,用经验值法确定负反馈的P为2。
在投入的运行过程中,主回路的系数由大到小,直到出现衰减率为10:
1的仿真曲线为止(见图4.2)。
图4.1串级纯控制比例环节
图4.2串级控制纯比例仿真图
Kc1的值从大到小取值,采用10:
1衰减曲线法
在kc1=8的时候,在t1=20s出现第一峰值,为1.2。
在t2=50s出现第二峰值,为0.9。
曲线稳定值为0.82。
符合10:
1衰减曲线。
P1=8/0.8=10,Ts=30s,Ti=1/30*1.2=0.028
Td=1/30*0.4=0.083连接上积分微分曲线则:
图4.3串级控制PID模块图
图4.4串级控制PID仿真图
发现改变后加入的微分和积分环节并不能让输出仿真曲线满足工艺要求,那是由于衰减曲线的衰减率不是很好确定,所以适当改变下,PID参数得到如下仿真曲线。
P=7,Ti=0.028,Td=0.083.
4.2.2干扰在副回路
4.2.2干扰在副回路
图4.5串级控制干扰在副回路模块图
图4.6,串级控制干扰在副回路仿真图
4.3单回路控制系统
图4.7单回路原理框图
图4.8单回路控制系统
此次设计也采用一步整定法,在纯比例环节下,就是根据经验确定调节器的参数,如果出现较大的振荡现象,只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数Ti,即可得到改善。
根据本设计,适当选取K(整定时可以根据具体情况再做适当调整)。
然后在按单回路控制器参数整定方法整定主控制器,本方案采用衰减曲线法整定,因此采用4:
1衰减曲线法整定主控制器参数。
衰减曲线法是在闭环系统中,先把调节器设置为纯比例作用,然后把比例度由大逐渐减小,加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程,直至4:
1衰减过程为止。
这时的比例度称为4:
1衰减比例度(除了4:
1的比例衰减度之外还有10:
1的衰减度),用δS表示之。
相邻两波峰间的距离称为4:
1衰减周期Ts。
根据δS和TS,运用表4.2所示的经验公式,就可计算出调节器预整定的参数值。
具体步骤如下
1.根据单回路控制系统的原理图在matlab的simulink模块中画出整个控制过程。
2.断开积分环节和微分环节。
3.在投入的运行过程中,主回路的系数由大到小,直到出现衰减率为4:
1的仿真曲线为止。
4.在k=5的时候出现了衰减率为4:
1的曲线。
(见图4.10)
图4.9单回路模块图
图4.10单回路纯比例仿真图
K的值从大到小取值,采用4:
1衰减曲线法
在k=5的时候,在t1=30s出现第一峰值,为1.2。
在t2=80s出现第二峰值,为0.95。
曲线稳定值为0.82。
符合4:
1衰减曲线。
P1=5/0.8=6.3,Ts=50s,Ti=1/50*0.3=0.067,Td=1/50*0.1=0.2连接上积分微分曲线则:
图4.11单回路单回路仿真图
所以适当改变下微分积分参数和K,PID参数得到如上仿真曲线。
P=6,Ti=0.01,Td=0.08。
5系统阐述
5.1串级控制系统优点
经过以上实验证明串级控制具有以下优点:
1.副回路具有快速调节作用,它能有效地克服二次扰动的影响(串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早,缩短了上升时间,减小了对象时间常数,系统快速性增强。
);
2.能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响(系统振荡幅度明显得到改善,增强了系统的稳定性。
);
5.2抗干扰分析
1在串级控制系统中当干扰发生在副回路,由于副回路控制通道环节少,时间常数小,反应灵敏,所以当干扰进入副回路时,串级系统可以获得比单回路系统更快的控制作用,有效的克服干扰对控制品质的影响,从而大大提高控制质量。
干扰在串级控制主回路,首先会引起原料油出口温度变化,温度变送器会及时测量到它的变化,并马上通过主调节器改变副调节器的设定值,使其回到设定值。
这是由于有副调节器存在,加快了校正作用。
对于串级控制和单回路控制系统由于有副调节器的作用,当干扰较小时,经过副调节器,一般不会对品质有音响,但是干扰较大时,其大部分扰动会被副回路所克服。
所以串级控制比单回路控制有更强的抗扰动能力。
6.系统性能分析
对串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线对比可知,串级控制系统由于增加了副控制回路,使控制系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应能力都得到明显改善。
其性能可归纳为:
1、可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力,甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。
由于副回路调节作用的加快,整个系统的调节作用也加快,对一次扰动的抑制能力也得到提高。
2、提高了系统的工作频率,由于副回路性能的改善,使得主控制器的比例带可以更窄,从而提高了系统工作频率。
3、提高了系统的动态性能,由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性,减少了时间常数和相位滞后,使得整个系统的动态性能得到明显改善。
4、对负荷干扰或操作条件的变化有一定的自适应能力。
包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时,其特性变化对系统的影响显著地削弱。
但串级控制系统也存在一些不足:
只有当中间变量能够检测出来时,才可能采用串级控制系统,但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的;串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表,串级控制系统的投放和整定也比单回路控制系统复杂些。
在实际生产中,如果是单回路控制系统能够解决的问题,就不一定非要采用串级控制系统方案,一般当单回路控制方案质量达不到实际要求时,才考虑采用串级控制。
7.心得体会
通过这次课程设计是我巩固了课堂中学到的理论知识,并且对于过程控制在生产过程中的应用有了更深的理解。
通过这次设计,我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识,对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。
我学到了控制系统的设计方法和步骤,拓展了知识面,了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。
在设计过程中,从拿到题目,方案的设计到方案的确定,都经过了严谨的思考,回路的设计,被控参数的选择,使系统能够达到设计目的。
在设计中,遇到了许多困难,老师对各个环节给予细心指引与教导,同时,其他的同学,在设计的过程中曾耐心给与帮助,使我得以最终完成这次关于管式加热炉温度控制系统的设计。
我们以前学习的知识都渐渐离我们远去,甚至不知
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