多回路控制系统的设计和仿真

本科实验报告课程名称：过程控制工程唐子涵姓名：院系：控制系专业：控制09043090104383学号：指导教师：戴连奎2012年4月16日目录一、实验目的和要求 (2)二、主要仪器设备 (2)三、实验内容和模型建立与实现 (2)A. 实验背景描述 (2)B. 仿真模型建立 (4)C. 仿真任务1：使用串级控制的多回路控制策略 (6)D. 仿真任务2：使用前馈控制的多回路控制策略 (12)E. 总结 (18)实验报告课程名称： 过程控制工程 指导老师：戴连奎 成绩：_________ 实验名称： 多回路控制仿真练习 实验类型： 同组学生： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1. 学习搭建SimuLink 仿真模型的过程和方法；2. 学习多回路控制策略的设计和实现方法；3. 学习在SimuLink 仿真环境下对多回路控制系统进行PID 参数整定；4. 在闭环的条件下，学习对系统的动态特性进行评估的方法；二、主要仪器设备PC 机、Matlab 软件。

三、实验内容和模型建立与实现A. 实验背景描述针对某一单程逆流列管式换热器，对应的工艺介质出口温度单回路控制系统如图3-1所示。

它采用饱和蒸汽冷凝所释放的热量对工艺介质进行加热，使工艺介质的出口温度2T 稳定在某个定值。

图3-1中，F R 为工艺介质流量，1T 为工艺介质的进口温度，它们都由上游流程决定，是影响工艺介质出口温度2T 的主要干扰；V R 为加热蒸汽流量，作为工艺介质出口温度2T 的专业：自动化（控制） 姓名：唐子涵学号：3090104383 日期：2012.4.16 地点：玉泉五舍515控制手段，V P 为蒸汽入口压力；u 为蒸汽控制阀的相对输入信号（以DDZ III 型为例，当输入电流为4 mA 时，对应相对输入信号为0 %；当输入电流为20 mA 时，对应相对输入信号为100 %）。

图中1m T 、2m T 、Fm R 、Vm R 分别为1T 、2T 、F R 、V R 的测量值。

图1换热器温度控制问题该模型应包含对象下列非线性静态关系和动态特性： 假设换热器满足如下的稳态热平衡方程：c p R F (T 2−T 1)=ηH V R V (1)c p 其中代表工艺介质的比热，H V 为饱和蒸汽的汽化热，η表示换热器的传热效率，并有：K V =ηH Vp=450℃ (2) 此外，T 1、R F 、R V 分别为T 1、R F 、R V 的稳态值。

现在假设1、F V T 1、R F 、R V 之间的动态关系分别为：g 1(s )=T 1(s )1()=12e −3s (3) g 2(s )=R F (s)R F (s)=14s +1e −3s (4) g 3(s )=R V (s)V =1e −5s (5) 假设该换热器的静态工作点为020V R =kg/min ，0150F R =kg/min ，0130T =℃。

假设在静态工作点处有阀门的相对输入信号%800=u ，%800=V f ，0100V P =kPa 。

这里，V f 为蒸汽阀的相对流通面积。

又假设控制阀为线性阀，其动态特性可表示为11)()()(+==s T s u s f s G V V v (6)这里假设T V = 0.5 min 。

对于饱和蒸汽流量对象，假设R V 与控制阀开度f V 、阀前压力P V 的静态特性满足下面方程关系：R V =0.025f V √P V (7)各传感变送器的测量范围分别为：TT 11的测量范围为0 ~ 200℃；TT 12的测量范围为0 ~ 60℃；FT 31的测量范围为0 ~ 300 kg/min ；FT 32的测量范围为0 ~ 50 kg/min 。

1T 、2T 、F R 、V R 的测量值1m T 、2m T 、Fm R 、Vm R 均用%来表示，即1m T 、2m T 、Fm R 、Vm R 的最小值为0，最大值为100。

假设流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用一阶环节来近似，并且两个温度测量环节的一阶时间常数均为0.6 min 。

B. 仿真模型建立将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)，则可得到如下结果：g 2(s )R F (s )[T 2(s )−g 1(s )T 1(s )]=K V g 3(s )R V (s ) (8)当输入为T 1、R F 、R V ；而对象输出为T 2时，有：T 2(s )=g 1(s )T 1(s )+K V g 3(s)R V (s)2()F ()(9)依据式(9)，可在SimuLink 下构建如图2所示的换热器(HeatExchanger)子系统模型。

图2 换热器HeatExchanger 子系统模型由式(6)、(7)，可以得到如下关系：R V (s )=0.025G V (s )u (s )√P V (s ) (10)温度测量环节可以表示为：G T (s )=T m (s)=1(11)其中时间常数T=0.6min。

由此可以搭建相对应的广义对象(GeneralizedObject)子系统模型。

图3 广义对象GeneralizedObject子系统模型在SimuLink中搭建所使用的PID控制器子系统模型。

图4 PID Controller子系统模型由此搭建单回路控制系统如下：图5 控制系统的仿真模型C. 仿真任务1：使用串级控制的多回路控制策略主要考虑阀前压力P V的干扰，知：被控变量T2对P V的变化感受较慢，而蒸汽流量R V对P V 的变化感受较快，故这里选用一个“温度–流量”串级控制。

加入串级控制后的带控制点的工艺流程图为：图6 “温度–流量”串级控制的工艺流程图改进之处在于加入了副控制器FC31，从而构成了“温度–流量”串级控制，蒸汽流量R V对P V的感受较快，这里主要为了消除蒸汽压力P V变化时产生的纯滞后。

同时，副回路包括了蒸汽供应子系统的非线性环节，可以消除一些非线性。

该“温度–流量”串级控制的方块图为：图7 “温度–流量”串级控制的方块图控制阀为气开阀（正作用），故流量控制器FC31为反作用控制器；当检测到的温度T2m增大时，应该减小蒸汽流量R V，故F sp减小，温度控制器TC11为反作用控制器。

对已构建的仿真模型，修改如下：将原广义对象模型中的R V作为一个输出，经归一化引出；加入副控制器和副回路，引入串级控制；具体如图8、图9。

图8 修改后的原广义对象(GeneralObeject)子系统图9 修改后的“温度–流量”串级控制多回路控制系统对该系统进行PID参数整定，首先将Man/Auto和Auto/Cas档均调至Man档，由UManual 设置阶跃输入，由于该回路为流量回路，整定原则时T i=0.1min，调整K c使对阶跃输入的跟踪不出现超调，副控制器FC31的参数如表1所示。

表1 副控制器FC31的PID参数将Man/Auto 调至Auto 档，由F sp 设定流量控制器FC31设定值的阶跃输入，测得该“温度 – 流量”串级控制系统中主控制器TC11的广义对象的动态特性如下：图10 主控制器TC11的广义对象的输出特性曲线由图10的数据，可以读读的控制通道的特性参数如下：{ K =TO f −TO i f i =52.5%−45%=0.75T =1.5×(T 0.632∆O −T 0.283∆O )=5.1minτ=T 0.632∆O −T 0−T =6.1min (12)采用Lambda 法进行PID 参数整定，该温度控制器TC11采用“PID ”控制策略，整定后的参数如表2所示。

表2 主控制器TC11的PID 参数设置好相应的PID 参数，对该系统进行对设定值的跟踪响应，可以得到图11所示曲线。

按照下述干扰变化设置相应干扰：T 2sp {45%,t ≤1042%,else P V ={120kPa,t ∈[60,110] 100kPa,elseT 1={30,t ≤16020,else R F ={190kg/min,t ∈[250,350]150kg/min,else可以得到 “温度 – 流量”串级控制系统中，T 2m 和U 的响应曲线如图12和图13所示。

time minU % T O %图11 温度设定值的跟踪响应曲线图12 “温度 – 流量”串级控制系统中广义对象输出T 2m 的干扰响应曲线time minT O % C O %广义对象输出对温度设定值T sp 的跟踪响应time minT O %time minU %图13 “温度 – 流量”串级控制系统中蒸汽控制阀相对输入信号U 的干扰响应曲线对比“温度 – 流量”串级控制系统和单回路控制系统，可以得到图14和图15所示曲线，从中可以看出串级控制的优点，可以消除蒸汽压力P V 干扰对广义对象输出TO 的影响。

同时在蒸汽压力产生干扰时，蒸汽控制阀会有提前操作。

图14 广义对象输出T 2m 的干扰响应曲线图15 蒸汽控制阀相对输入信号U 的干扰响应曲线从图15中可以看出，在大约t ∈[250,400]时，“温度 – 流量”串级控制系统存在积分饱和现象，主要原因是在t =250时突然加大了工艺介质流量，从150kg/min 增大到了190kg/min ，此时主控制器TC11做出了增大蒸汽流量的决定；然而当蒸汽控制阀全开，即U =100%时，仍然无法使工艺出口温度T 2稳定到设定值，此时的控制阀只能尽力而为的保持全开状态。

从控制器的角度来说，当持续进行积分作用，使U 的值超过100，此时控制阀time minT O %time minU %全开，达到饱和，控制器试图消除余差，将会继续积分作用，然而U 再增大也无法调节控制阀，即达到积分饱和。

从图可以看出，蒸汽阀的相对输入在t =400左右时才下降，这是因为这里存在积分饱和现象。

在这里，我们可以对主控制器TC11进行修改，使用串级系统的抗积分饱和的控制器，用R Vm 取代u 进行引入积分环节，当副回路的输出u 达到限值时，主控制器输出追踪R Vm ，将副控制器的输出限制在100%，具体的原理图如图16所示。

图16 抗积分饱和原理积分饱和与抗积分饱和的曲线如下：图17 抗积分饱和与积分饱和time minT O %图18 积分饱和与抗积分饱和D. 仿真任务2：使用前馈控制的多回路控制策略仿真任务1中的串级控制系统，只能有效的消除蒸汽压力P V 的干扰。

现在考虑工艺介质入口温度T 1和工艺介质流量R F 的干扰，引入前馈控制。