过程控制课程设计串级控制系统---副本

辽宁工程技术大学
过程控制与自动化仪表课程设计
设计题目
指导教师
专业班级
学号
姓名
日期
课程设计成绩评定表
学期2014/2015学年第2学
期
姓名
专业自动化班级
课程名称过程控制与自动化仪表
设计题目
成绩
评分项目
优良中及格不及格
设计表现1.设计态度
非常认
真
认真较认真一般不认真2.设计纪律
严格遵
守
遵守
基本遵
守
少量违
反
严重违
反3.独立工作
能力
强较强
能独立
设计完
成
基本独
立设计
完成
不能独
立设计
完成4.上交设计
时间
提早或
按时
按时
迟交半
天
迟交一
天
迟交一
天以上
设计
说明书5.设计内容
设计思
路清晰，
结构方
案良好，
设计参
数选择
正确，条
理清楚，
内容完
设计思
路清晰，
结构方
案合理，
设计参
数选择
正确，条
理清楚，
内容较
设计思
路较清
晰，结构
方案基
本合理，
设计参
数选择
基本正
确，调理
设计思
路基本
清晰，结
构方案
基本合
理，设计
参数选
择基本
正确，调
设计思
路不清
晰，结构
方案不
合理，关
键设计
参数选
择有错
误，调理
整，结果正确完整，极
少量错
误
清楚，内
容基本
完整，有
少量错
误
理清楚，
内容基
本完整，
有些错
误
清楚，内
容不完
整，有明
显错误
6.设计书写、字体、排版规范、整
洁、有条
理，排版
很好
较规范、
整洁、有
条理，个
别排版
有问题
基本规
范、整
洁、有条
理，个别
排版有
问题
基本规
范、整
洁、有条
理，排版
有问题
较多
不规范、
不整洁、
无条理，
排版有
问题很
大
7.封面、目录、参考文献完整较完整
基本完
整
缺项较
多
不完整
图纸8.绘图效果很出色较出色一般较差很差
9.布局
合理、美
观
较合理
基本合
理
有些混
乱
布局混
乱10.绘图工程
标准
符合标
准
较符合
标准
基本符
合标准
个别不
符合标
准
完全不
符合标
准
评定说明：
不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；
优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。

最终成绩：评定教师签字：
过程控制与自动化仪表课程设计任务书
题
目
设
计
要
求
目录
第1章系统总体方案选择与说明 (6)
第2章系统结构框图与工作原理 (7)
2.1 隧道窑控制系统方案设计 (7)
2.2 系统控制量和被控量的选择 (8)
2.3 系统主副控制器的选择 (8)
2.4 系统各部分正反作用方式的确定 (8)
第3章软件设计 (9)
3.1软件设计流程图 (11)
3.2参数整定 (12)
第4章仿真与调试 (13)
第5章总结 (15)
参考文献 (16)
电气与信息工程系课程设计评分表 (17)
第1章系统总体方案选择与说明过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化。

隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。

几个环节都涉及到温度的控制，隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。

制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。

所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。

随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高，而因为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比较大。

若采用隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过传热、辐射，引起烧成带温度的变化。

因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。

烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。

可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。

即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。

如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。

为了克服较大的滞后，抑制较大的干扰以及使控制更加的准确，简单控制系统已不能满足条件，故可选择串级控制系统。

6
7
第2章 系统结构框图与工作原理
2.1 隧道窑控制系统方案设计
隧道窑烧成带温度简单控制系统原理图如图1所示，原理方框图如图2所示。

按照简单控制系统，影响烧成带温度θ1
的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成θ1偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的θ1重新调回到设定值。

控制燃烧室的温度θ2并不是目的，真正的目的是烧成带θ1的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。

而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰D2的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值。

图1 隧道窑温度—温度串级控制系统结构原理图
设
图2 隧道窑温度-温度串联控制原理方框图
所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出
作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果，这样的控制系统被称为串级控制系统，级系统
和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。

一个闭环
在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。

无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元
件和调节器。

2.2 系统控制量和被控量的选择
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C。

所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。

2.3 系统主副控制器的选择
在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即调节动作规律的选择也有不同考虑。

副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，面且副参数则并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可以采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，而效果并不很大。

在一般情况下，采用P调节器就足够了。

如主、副环的频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。

隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集，所以主、副环的频率相差不大，副调节器选用P调节器即可达到设计要求。

主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。

凡是需要采用串级调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器都必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。

如果副环外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的话，就可以考虑采用PID调节器。

隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C，为了达到精准的控制，所以在系统本设计中主调节器选用PID调节器。

8
2.4 系统各部分正反作用方式的确定
与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。

(1)副控制器正、反作用的选择
串级控制系统中，副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则来确定的。

因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用方式的选择方法相同。

这时可不考虑主控制器的作用方式，只是将主控制器的输出作为副控制器的设定值即可。

在假定副测量变送装置的增益为正的情况下，副控制器正反作用选择的判别式为
（副控制器±）×（调节阀±）×（副对象±）=（-）
其中，调节阀的“±”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气开”为“+”，“气关”为“-”；而副对象的“±”取决于控制变量和副被控变量的关系，控制变量增大，副被控变量也增大时称其为“+”，否则称其为“-”。

(2)主控制器正、反作用的选择
串级控制系统中，主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定，而与调节阀的气开、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。

由于副回路是一个随动控制系统，在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号是主控制器的输出信号（即副回路的设定值），而输出信号就是副变量，其副回路的输入信号与输出信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。

因此，整个副回路可看成为一个增益为正的环节。

这样，在假定主测量变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反
作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号，主控制器正反作用方式选择的判别式为
（主控制器±）× (主对象±）=（-）
由这个判别式也可看出，主控制器的作用方向与主对象的特性相反。

即当主对象为正作用时，主控制器选反作用；而当主对象为负作用时，主控制器选正作用。

在隧道窑串级控制系统中，考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式，根据主、副控制器的正反选择规律分析，两个控制器都选择“反”作用方式。

第3章软件设计
3.1软件设计流程图
对于系统的主要执行程序，包括了A/D采样、PID运算、结果输出和D/A转换，总体程序设计流程图如图3所示。

开始
初始化
键盘扫描
检测温度并显示
对主回路进行PID运算
对副回路进行P运算
读取A/D转换结果
运算结果输出D/A
结束？
结束Y
N
图3主程序的设计流程图
图中对主回路的PID运算是将给定值减去主回路通过液位变送器1反馈得到的参数得到控制器输入量，经过运算输出后，送至副回路的给定值，减去副回路通过液位变送器2反馈得到的参数作为副回路P运算的给定值。

副回路的输出量送至D/A进行驱动。

对于主回路的PID参数选择需要通过调试来实现，使得在参数在较大的变动范围内能够实现控制。

通常，这里的PID 运算要引入积分分离及输出限幅。

3.2参数整定
主控制器为PID 控制器，副控制器为P 控制器。

可设定控制系统所用主、
副控制器的传递函数分别为：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=s T s T K s G d i c c 1
1)(11，22)(c c K s G =，
假设主对象的传递函数为()()
131301
)(1++=s s s G o ，副对象的传递函数为
()()2
211101
)(++s s s G o ，1)(=s G v ,1)()(21==s G s G m m 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。

在在Simulink 中建立系统结构图，如图4所示。

图4在Simulink 中控制系统的结构图
第4章仿真与调试
根据衰减曲线法求出来的主副控制器的各项参数，可以在Simulink 中进行仿真。

为了使仿真结果更直观更具比较性，让经过系统调节后的输出与给定进行比较，可以在如图4所示的结构图中增加一条由阶跃信号直接到示波器的线。

将所整定出来的主副调节器的各项参数代入图4中，得到如图5所示，即为整定好时Simulink中系统模型结构图。

图5整定好时Simulink中系统模型结构图
点击Start simulation,在示波器里面双击进行查看，可以得到如图6所示的仿真图形。

图6整定好后Simulink系统仿真图
由图6可以看出，经过串级控制系统主副控制器的调节后，系统在稳
态时可以达到无静差，且 ，超调量较小。

系统在110s
时达到稳定。

当考虑到主回路里加入干扰时，在系统稳定运行到大约130s 时，加入一个幅值为设定值40%的阶跃扰动信号，如图所示。

图7主回路加入干扰时系统结构模型图
对其进行仿真后如图8所示，可以看出干扰很快被抑制，由主回路所
加干扰引起的系统的超调量为 ，在220s 时系统很快
重新达到稳定。

且达到稳定后系统无静差。

图8主回路加入干扰后Simulink 系统仿真图
%141
1
14.1%=-=σ%61
106.1%=-=σ
第5章总结
通过这次课程设计，能够对所学知识加以实际应用，加深对理论的了解以及理解，使自己的水平不断得到提升。

学习不再局限于书本中的寥寥数语，而是向更宽广更丰富的知识海洋。

在做过控课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和掌握。

在这个过程中我认真查阅了大量资料和工具书增长了我的知识，开阔了我的视野。

不过我看得更多的还是教材，万变不离其宗，对任何一个设计其基本原理最终都可以在书本上找到答案。

所以书本是最重要的，完全吃透书本课程设计才能发挥得更好。

虽然课程设计源于书本，但是和应用于生活联系得更加紧密。

这就要求我们在学习和生活的过程中每个人都要学会应用资源和我们自身的优势，同时留心观察身边的事物。

另外在做课程设计过程中，涉及到Matlab的仿真。

通过亲自仿真实践，掌握了如何在Simulink中进行仿真。

另外为了模拟这个工业控制过程，我还专门下载了组态王软件，但是因为不太会用，所以最终没有能仿真出其控制的动态过程，不过却让我认识了这款软件，并且了解了一些基本的操作。

只有亲自动手才会发现问题，在做课设过程中，我遇到了关于Word 排版的问题，公式编缉的问题，以及进行截图要用到虚拟打印机的问题等，我最终都比较顺利的完成了，这更锻炼了我解决问题的能力。

课程设计着重于对当代大学生的接受能力，对各种技巧的掌握、运用能力，对所学知识的应用、拓展与延伸、方法的选择与实现能力等等的锻炼，设计中为了达到自己的要求，我查阅了很多资料。

参考文献
[1] 王再英.过程控制系统与仪表. 北京：机械工业出版社, 2006
[2] 孙洪程、李大宇.过程控制工程. 北京：高等教育出版社，2006
[3]张晋格.控制系统CAD—基于MATLAB. 北京：机械工业出版社，2010
[4] 蒋珉.控制系统计算机仿真. 北京:电子工业出版社，2006
[5] 梁昭峰.过程控制工程. 北京：北京理工大学出版社，2010
[6] 王选民. 智能仪器原理及设计. 北京:清华大学出版社，2008
电气与信息工程系课程设计评分表
评价
项目
优良中及格差
设计方案的合理性与创造性
软件设计完成情况
硬件调试完成情况
设计说明书与设计图纸质量
答辩情况
独立工作能力
完成任务情况
出勤情况
综合评分
指导教师签名：________________
日期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。