2015过程控制系统课程设计对象及要求

对象一锅炉水温与流量串级控制系统（2-4人）

一、系统说明

本系统以锅炉水温为主要控制对象，以进水流量为辅助控制对象。目的是在一定加热功率下，控制水温的恒定。其流程图如图1.1所示：

图1.1 测量被控对象阶跃响应流程图

由温度传感器（主检测变送器）将温度信号转变为电信号与温度给定值相比较后送至主控制器，主控制器输出流量控制值与流量变送器（副检测变送器）反馈回来的进水流量信号相比较后输入流量调节器（副控制器），由流量调节器控制调节阀的开度来控制进水流量，由此来对锅炉水温进行定值控制。其系统框图如图1.2所示：Array图1.2 锅炉水温与流量串级控制系统框图

二、设计要求及步骤如下：

1）建立被控对象的数学模型

在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数

学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依

据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。

假如给进水流量加阶跃扰动，流量阶跃幅值为3.7。从阶跃时刻起以20s 为采样周期，采得水温温度数据序列如下：

33.71 33.34 32.87 32.90 32.12 32.01 31.76 31.56 31.80 31.32 31.69 31.53 31.16 31.20 30.98 31.09 30.57 30.91 30.90 30.58 30.32 30.33 30.25 30.25 30.24 30.48 30.10 30.16 29.85 30.31 30.09。

请根据以上数据确定水位系统模型（一阶惯性环节）。 2）根据图1.2，假设电动调节阀增益30.01 K ，在组态王和SIMULINK 环境下搭建过热汽温串级控制系统仿真组态图。

3）串级系统内，外控制器参数整定。

4）完成串级控制系统的参数整定后，在500s 时加入水流量20%阶跃扰动，观察分析响应曲线。

对象二 双容水箱液位串级控制系统（2-8人）

一、对象说明

已知某双容水箱液位串级控制系统，如图2-1所示，其中上水箱尺寸为：d=25cm,h=20cm;

下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm 。

对上位水箱：手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP 1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP 2=60,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。

图2-1上位机监控界面参考图

对下位水箱：手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP1=40,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=50,即对下水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。

二、具体设计要求如下:

1)根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

2)根据辨识结果设计一个无差液位串级控制系统（给出带控制点的控制流程图、控制系统

原理图等，选择控制规律）；

3)对设计系统进行仿真设计，首先按反应曲线法求出整定参数，然后按4:1衰减曲线法整

定运行参数。

4)用组态王进行组态设计（完成组态画面，参数设定，趋势曲线显示等）参考图如图2-1

所示。

5)完成串级控制系统的参数整定后，在1000s时加入进水流量20%阶跃扰动，观察分析响

应曲线。

对象三 主蒸汽温度串级控制系统（4-8人）

一、系统说明

本实验以某300MW 机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，其原理结构图如下图所示：

图3-1 过热汽温串级控制系统原理结构图

由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：

图3-2 过热汽温串级控制系统方框图

过热汽温串级控制系统中主调节器()1T W s 采用比例积分微分（PID ）调节器，其传递函数为：

()1111111111

1T d p i d i W s T s K K K s T s s δ⎛⎫=

++=++ ⎪⎝⎭

式中：1p K ——主调节器比例系数(111p K =)；1i K ——主调节器积分系数(1111i i K T δ=)；1d K ——主调节器微分系数(111d d K T δ=)。

过热汽温串级控制系统中副调节器()2T W s 采用比例（P ）调节器，其传递函数为：

()222

1

T p W s K δ=

=

式中：2p K ——副调节器比例系数(221p K δ=)。

过热汽温串级控制系统中导前区对象()2W s 和惰性区对象()1W s 传递函数分别按照第一部分确定的37%、50%、75%、100% 负荷下的对象传递函数确定。 某主汽温对象不同负荷下导前区和惰性区对象动态特性如下：

负荷比例 导前区 惰性区 37%

25.072784561

s s -++ 876

1.048

[105251369305681s + 14852831385004s + 918363352844s + - 543232463032788s + 717119674s +10135196s + 89516s + 452s + 1]

50%

23.067625501s s -++ 7651.119230539333248s + 38423222208s + 2744515872s +

432108909360s + 2593080s + 37044s + 294s+ 1]

75%

21.657400401s s -++ 7651.202

10734579485s + 2772769608s + 306948665s +

4

3

2

18877531s + 696587s + 15422s + 189s+ 1]

100%

20.815324361s s -++ 6543

1.276

38806720s + 12654365s +1719343s +124590s +

2

5078s + 110s+ 1]

二、设计要求及步骤如下：

1、首先整定内回路，即副调节器参数的整定

根据图3-2在组态王和SIMULINK 环境下搭建过热汽温串级控制系统仿真组态图（以负荷100%时为例），其中主回路反馈系数r1设为0（即断开主回路的反馈），同时令主调节器的比例系数11p K =，积分系数10i K =，微分系数10d K =。将阶跃信号输出模块（Step ）的终值（Final value ）设为过热蒸汽温度的稳态值535℃，仿真时间设为1000s ，逐渐增加