蒸发器温度控制系统(1)

1 设计任务
液氨蒸发器采用出口产品温度为主被控变量，加热蒸汽流量为副被控变量。

主、副对象的传递函数分别为：
011()(201)(301)G s s s =++， 0.1021()0.21s
G s e s -=+
主、副扰动通道的传递函数分别为：
11
()0.21f G s s =+， 2()1f G s =
试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统。

设计要求如下：
（1）分别进行控制方案设计，给出相应的闭环系统原理图；
（2）对设计的控制系统进行仿真，整定控制器参数；
（3）给出系统的跟踪性能和抗干扰性能仿真，包括一次扰动和二次扰动；
（4）对不同控制方案对系统的影响做对比分析。

2 整体方案设计
2.1 单回路控制变量的选择
对于被控量和操作量选择的原则，其中，被控量选择的原则是能直接反映生产过程中产品产量和质量，选择的结果直接影响生产，因此此设计的被控量是温度。

操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素，应该遵循快速有效的克服干扰的原则去选择操纵量，因此此设计的操纵量是加热蒸汽流量。

2.2 串级控制系统的选择
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。

故在本系统中选择出口产品温度作为主变量。

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。

故选择本系统中的加热蒸汽流量为副变量。

又因为外环是主回路，内环是副回路，所以温度调控是主回路。

2.3 控制器的选择
PID控制器的参数整定是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

在串级控制系统中，由于对副回路没有太大的要求，所以只需要有比例环节即可（即P为常数，I=0）。

而对于要求较高的主回路，由于主变量一般不得有偏差，所以主回路一般由比例微分控制（P,I均为常数）。

3 系统仿真与参数整定
3.1 单回路系统的仿真与参数整定
针对设计要求，单回路前向通道中含有主、副控制器及扰动，而调节器一般位于扰动的前面，所以PID调节器在最前面。

设计中副被控变量为加热蒸汽流量，所以其作为反馈作用于输入端
图3-1-1单回路控制系统方框图
由方框图对应得到系统仿真图
图3-1-2 单回路控制系统simulink仿真图
仿真整定过程：
首先将PID的参数设置为仅存在比例调节，变换不同的P值以达到期望的效果。

图3-1-3
P=1,I=0，无扰动信号
图3-1-4
P=3,I=0，无扰动信号
图3-1-5
P=5,I=0，无扰动信号
图3-1-6 P=7，I=0，无扰动信号
上面四幅图片可得当P越大时，超调量越大，稳定性下降。

但是震荡频率加快，响应时间变短。

为了保持系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加
大。

又因为要使PI调节在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能，所以P值不应过大，因此选择P=7。

图3-1-7
P=7，I=0.1，无扰动信号
图3-1-8
P=7，I=0.3，无扰动信号
积分环节的作用除消除系统的余差外，也加大了系统的振荡频率，使响应速度变快。

但是随着I的增大，超调量过大，也调节时间过长，系统动态性能降低，因此选择I=0.1最佳
图3-1-9
P=7，I=0.1，一次扰动信号
图3-1-10
P=7，I=0.1，二次扰动信号
通过反复试验过程，此时系统的阶跃响应效果比较理想，控制器参数整定比较合理。

加入扰动以后超调量有所增大，但后面能够达到期望值，具有一定的调节作用。

3.2 串级控制系统的仿真与参数整定
针对设计要求，产品温度作为主变量必然处于主回路，蒸汽流量作为副变量位于副回路中，扰动要加在调节器之后，因此得如下图所示框图：
图3-2-1串级控制系统方框图
由方框图对应得到系统仿真图
图3-2-2 串级控制系统simulink仿真图
仿真整定过程：
首先将主、副PID调节器设计为比例控制，增益分别为K1,K2，假设扰动均为零，在给定阶跃输入下得到输出响应y1(t),y2(t)。

串级系统的整定比单回路复杂，因为两个调节器串在一起工作，各回路之间相互联系，相互影响。

改变主、副调节器中的任何一个整定参数，对主、副回路的过渡过程都有影响，这种影响
程度取决于主、副对象的动态特性、而且待整定的参数比单回路多，因此，串级系统的整定必然比较困难和繁琐。

常用的工程整定方法有：试凑法，两步整定法和一步整定法。

其中一步整定法步骤为：选择一个合适的负调节器放大倍数K2，按纯比例控制规律设置负调节器。

本设计中经过多次调试，确定K2=12。

主调节器也先置于纯比例作用，使串级控制系统投入运行，用整定单回路的方法整定主调节器参数。

实验步骤如下图：
图3-2-3
K1=1，I=0，K2=12，无扰动
图3-2-4
K1=5,I=0,K2=12，无扰动
图3-2-5
K1=7,I=0,K2=12，无扰动
由上图可知P越大，系统的响应过程越好，超调量变大，震荡频率加大，响应时间变短。

由单回路控制得知P不应过大，因此选择K1=7。

因为副回路是随动系统，允许有误差，因为副调节器可以不引入积分作用，因此只需讨论主调节器的I值即可。

图3-2-6
K1=5,I=0.1,K2=12，无扰动
图3-2-7
K1=7,I=0.1,K2=12，无扰动
图3-2-8
K1=7,I=0.2,K2=12，无扰动
由上图很明显得知，K1增大震荡剧烈，超调量增大，调节时间变短，震荡频率加快。

而引入积分环节后，超调变小，调节时间变短。

I=0.2时较I=0.1时震荡剧烈，调节时间过长，所以I=0.1。

图3-2-9
K1=7,I=0.1,K2=12,一次扰动（主扰动）
图3-2-10
K1=7,I=0.1,K2=12,二次扰动（副扰动）
图3-2-11
K1=7，I=0.1，K2=12,一、二次扰动均作用系统
加入时间滞后环节后系统的仿真图
图3-2-12
此时系统的参数整定数值为
图3-2-13
K1=0.2，I=0.1，K2=0.3，一、二次扰动均作用
以下为整定过程中各参数变化后的效果
图3-2-14
K1=0.2，I=0.2，K2=0.3，一、二次扰动均作用（含时滞）
图3-2-15
K1=0.2，I=0.1，K2=1，一、二次扰动均作用（含时滞）
图3-2-16
K1=7，I=0.1，K2=0.3，一、二次扰动均作用（含时滞）
主、副调节器共同作用，使得系统响应加快，两种干扰同时作用时，使超调量进一步加大，调节时间变长。

串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了震荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。

4 小结
通过以上分析可知：串级控制的副控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有“细调”的作用。

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。

若主、副控制器两者相互配合，控制质量必然高于单回路控制系统。