锅炉水温与流量串级控制系统设计 ppt课件

三、控制系统建立及仿真
1、设计系统框图
• 本设计采用串级控制，考虑流量变化快，时 间惯性小，应较快得到抑制，选择流量作为 副被控参数，副环是随动控制，追求快速性， 因而采用 P 调节，P 调节器输出信号控制阀 的开度改变流量，流量传感器将检测信号送 回 P 调节器并形成负反馈，此闭环作为内环。
• 温度变化相对缓慢，时间惯性大，作为主被 控参数，主环是定值控制，追求准确性，采 用 PID 调节
锅炉水温与流量串级控制系统设计
锅炉水温与流量串级控制系统设计
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一、背景
• 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。
二、建模过程
1、系统框图及工作原理
• 1、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；一步法整定串级回路参数
整定副回路P调节器参数
• 即先将主回路反馈断开，主回路调至纯比例调节，调节系 数为1，将系统当成单回路来整定副回路P调节器的参数， 随后将副回路调节器参数确定下来不再变动，在此条件下 进行主回路PID调节器的参数，此方法适用于副回路精度 要求不高的情况。
• 通过上述方法调节副回路调节器参数，最终确定P调节器 参数Kp为20
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 • 当给出阶跃信号后，温度响应曲线逐渐下降至稳定，为符合一般习惯，方便处理，将数据以第一次采
样值为标准，转换为逐渐上升至稳定的曲线。转换方法y=33.71-x。式中 y 为处理后数据，x 为处理前 数据。 • 得到如下数据序列： • 0 0.37 0.84 0.81 1.59 1.70 1.95 2.15 1.91 2.39 2.02 2.18 2.55 2.51 2.73 2.62 3.14 2.80 2.81 3.10 3.39 3.38 3.46 3.46 3.47 3.43 3.61 3.55 3.86 3.40 3.62 • 另外由试验测得给定阀的开度分别为 12.5、25、40、80 时对应传感器测得流量值为 6.5、10.2、14.6、26.2
• 2、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）；
• 3、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。
2、被控对象选择及建模仿真
• 在水温-流量串级控制系统中，我们所关心的是如何在一定的电 热功率下控制好水温的恒定。进水流量是系统的被控对象，必须 通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性， 为其他的设计工作提供依据。
（2）对响应曲线进行拟合
• 由于实验测定数据可能存在误 差，所以在MATLAB 中运用 polyfit函数对实验数据进行拟 合处理。
（3）求取被控对象传递函数
• 其中，t的一次项的系数为 0.024429，即函数在零点处(t=0)的切 线斜率为 k =0.024429。再利用切线法，算出传递函数参数:
• 将给定值与温度传感器反馈信号的差值ei1输入主调节器，进行 PID 运算，实现控制 算。主调节器输出信号作为内环的给定值，与流量传感器反馈信号的差值ei2送 P 调 节器运算并输出，以控制调节阀，通过流量变化，影响锅炉温度。
2、simulink仿真
（1）建立simulink模型
• 注：此流程图中各调节器参数未整定, ，Saturation 和 Coulomb&Viscous friction两个环节组合形成阀的流量特性。 Saturation 为限幅环节，上限幅值为 100，下限幅值为0，Coulomb&Viscous friction为粘滞摩擦环节，函数设为 y=0.30x+2.9
(2)调节器参数整定
经验法整定参数
• 若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于 同一类别的系统，其对象往往比较接近，无论是控制器形式还 是所整定的参数均可相互参考。下表为经验法整定参数的参考 数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微 分作用，微分时间常数按 TD=（1/3 ～1/4）TI计算。
• K0为传递函数的放大系数，y 为稳定值，y(0)为初值， x0为阶 跃的扰动值，大小为 3.7，k 为零点处的斜率。
（4）拟合并计算控制阀的增益
• 由试验测得给定阀的开度分别 为 12.5、25、40、80 时对应 传感器测得流量 值为 6.5、 10.2、14.6、26.2，综合仿真效 果选用 1 次函数拟合阀的流量 特性
• 从而可得电动调节阀增益 K1=0.3，其增益特性曲线可用 y=0.3x+2.9来表示
• 考虑到从给出阀的控制信号到调节阀响应，再影响流量，实际是 个微小的惯性环节，但由于时间常数相对锅炉非常小，对控制的 影响不大，在本设计中忽略不计
（5）检验传递函数的正确性
阶跃信号幅值设为 3.7，采样时间为 20s,仿真时间 600s
• 阶跃前后流量测量值分别为 6.5 和 10.2。 阶跃值为 10.2-6.5=3.7
• 从阶跃时刻起以 20s 为采样周期，采得温度数据序列如下： • 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
（1）测定被控对象阶跃响应曲线
• 通过实验建模的方法，分别测定被控对象温度和流量在输入阶跃 信号后的响应曲线和相关参数。
• 通过 MCGS 监控软件改变调节阀开度,实现 对被控对象的阶跃信号输入；
• 电动调节阀输入信号范围为 4—20mA 电流 信号。这样就可以实现电动调节阀阶跃信 号给定。
• 6mA 对应电动调节阀开度为（6-4）/（204）=12.5%。8mA 电流则对应（8-4）/ （20-4）=25%的开度。