过程控制课程设计报告

过程控制课程设计报告
设计题目：液氨蒸发器温度控制器设计
学号：
110210124
姓名：王希进
指导教师：谢玮
信息与电气工程学院
二零一四年十一月
液氨蒸发器温度控制器设计
1. 设计任务
液氨蒸发器主、副对象的传递函数分别为:
主、副扰动通道的传递函数分别为:
试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：
1） 分别进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的 闭环系统原理图；
2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二 次扰动）；
3） 说明不同控制方案对系统的影响。

2. 整体方案设计
2.1单回路控制系统选择
液氨蒸发器是一个换热设备。

它是利用液氨的汽化需要吸收大量热量，以此 来冷却流经管内的被冷物料。

工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。

其中，干扰时客观存在 的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统 重新稳定运行的因素。

操纵变量的基本原则为：选择对所选定的被控变量影响较 大的输入变量作为操纵变量；在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为 控制变量，以便易于控制；在前面的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入 变量作为控制变量，使控制系统响应较快；液氨流量方便控制，且对温度的影响 较大，故选择液氨流量作为操纵变量。

2.2串级控制系统选择
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。

故在本系统中选择物料温度作为主变量。

G oi (s) 1 (20s 1)(30s 1) G 02 (s) 1 0.1s
e 0.2s 1 G f1(s) 1
0.2s 1 G f2(s) 1
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。

故选择本系统中的液氨温度为副变量。

2.3调节阀开关形式的选择
调节阀的气开、气关形式需要考虑到以下几种因素：
生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生
产工艺设备的安全，不至发生事故；
保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应
降低；尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
从生产安全的角度出发，物料温度过高后果会很严重，必须加以控制。

所以为了防止物料温度在失去控制信号时过高发生危险，调节阀选择气关阀。

2.4 控制器的选择
在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求
不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定波动和余差。

从串级控制
的结构上看，主环是一个定值系统，副环是一个随动系统。

对于本系统由于温度变化缓
慢造成的滞后较大，为克服较大滞后，故主控制选用PI控制
器,副控制器选用P控制。

3. 系统仿真与调试
3.1单回路控制系统控制器的参数整定仿真
图3-1单回路控制系统方框图
图3-2单回路控制系统simulink仿真图仿真整定：
图3-3 P=1,l=0
图3-4 P=4,l=0
图3-5 P=7,l=0
图3-6 P=7,l=0.1 加入干扰后：
图3-7加入干扰
通过反复试验过程，由图可知系统的阶跃响应效果比较理想，此时整定的控制器参数比较合理。

当然，还可以调整不同的参数组合，以取得满意的输出响应曲线。

3.2串级控制系统控制器的参数整定仿真
图3-8串级控制系统系统框图
图3-9串级控制系统仿真图
先整定副回路:
图3-10复回路整定仿真图
K2=12 加入主回路后整定:
K i=0.3,l=0.1
由图可知系统的阶跃响应效果比较理想，此时整定的主副回路的参数比较合理。

加入干扰：
一次扰动
二次扰动
4. 小结
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。

串级控制系统对动态干扰过程改善更为明显，在衰减比均为4:1 的情况下，串级控制系统对二次干扰相对于单回路控制系统来说：超调量减少约25%，峰值时间减小2 倍，过渡过程时间减小3 倍，振荡频率增加3 倍。

如果系统在二次干扰下满足要求，那么在一次干扰下一定可以满足要求。