二○一二～二○一三学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：自动化班
学号：
姓名：
指导教师：刘晓玉
二○一二年十月
一、题目、任务及要求
1. 设计题目
锅炉过热汽温串级控制系统设计
2. 设计任务
图1所示锅炉过热汽的温度采用以减温器喷水的方法加以控制，要求过热汽温θ1稳定在给定值。鉴于减温器距离过热器出口较远、过热器热容较大，且减温水易出现自扰（如减温水水压不稳），试设计合理的控制方案，维持过热汽温θ1的恒定。
过热器高温段
图1 锅炉过热汽温控制系统
二、设计任务分析
1、系统建模
1）单回路控制
2）串级控制
2、控制方案
1）单回路控制
单回路控制系统是由被控对象、控制器、执行器、和测量变送装置四大基本部分组成。在广义对象（被控对象、执行器、和测量变送装置）特性已确定，不能改变的情况下，只能通过控制规律的选择来提高系统的稳定性与控制质量。
常用的控制规律主要有：位式控制、P控制、PI控制、PD控制、PID控制。2）串级控制
当对象容量滞后或纯滞后较大，负荷和干扰变化比较剧烈而频繁，或是工艺对产品质量的要求很高时，而采用单回路控制方法不太有效，这时就可以采用串级控制。
串级控制系统，采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀。及时调节校正二次干扰，减少对主对象的影响。
3）前馈—反馈复合控制
当反馈控制系统出现较大的动态偏差时，采用前馈控制方式，在扰动尚未影响被控对象前，提前调节已补偿扰动对被控对象的影响。
3、控制方案比较
锅炉过热汽温控制系统，以减温器的喷水作为控制手段，目的是控制过热汽温稳定在给定值。因为减温器距离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，
主汽温对象的滞后和惯性较大。若采用单回路控制系统控制主汽温，即将作为主信号反馈到控制器，直接去控制阀门开度，这种方案似乎完善合理，但实践表明这种方案的控制效果差，无法取得满意的控制品质。因为从控制阀到过热器的出口迟延时间太大，比如减温水发生自扰，由于过热器管路较长，需要一定的时间过热汽温才能反映出来，再通过测量变送器测量出来，到控制器比较偏差进行控制，这个过程迟延时间太长，控制不及时，会造成超调量增大，稳定性下降。采用单回路控制系统很难得到满意效果。
为此，取一个对减温水量变化反应快得中间温度信号作为导前信号，增加一个控制器组成一个串级控制系统。控制器根据信号控制减温水阀，如果有某种扰动是汽温比提早反应，那么由于的提前动作,使扰动引起的波动
很快就会被消除，从而使主汽温基本不受影响。另外，的给定值受的影响，后者根据改变的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持满足要求。采用串级控制调节可得到满意效果。
三、单回路PID控制的设计
1）PID参数的整定方法和步骤
采用PI控制器，结合经验法、试凑法和衰减曲线法，得到一个适宜的衰减比为4:1的曲线。P参数设置为0.75，I参数设置为0.02，D参数设置为0。2）Simulink的建模与仿真
3）有、无干扰情况下仿真结果的比较
无干扰单回路控制
100秒时加入干扰单回路控制
四、串级控制系统的设计
1）串级控制结构的设计
在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为内回路或者副回路，在控制过程中起着出粗调的作用；一个闭环在外面，被称为外回路或者主回路，用来完成细调任务，以最终保证被调量满足生产要求。无论主回路还是副回路都有各自的控制对象、测量变送器和控制器。在主回路内的控制对象、被测参数和控制器分别被称作主对象、主参数和主控制器。在副回路内则相应地被称为副对象、副参数和副控制器。系统的两个控制器作用各不相同，主控制器具有自己独立的
给定值，它的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出信号则是送到控制
机构去控制生产过程。
2）主副控制器设计
主回路采取PI控制器，P设置参数为3.2，I设置参数为0.145，D设置参数为0；副回路采用P控制器，P设置参数为7，I设置参数为0，D设置参数为0。3）Simulink的建模与仿真
4）仿真结果
无扰动串级控制系统
100秒时加入扰动串级控制系统
减温段放大系数为1.5
5）仿真结果分析
通过比较单回路控制系统和串级控制系统可知：
a) 串级控制系统比单回路控制调节时间短；
b) 串级控制系统超调量比单回路控制超调量小；
c) 串级控制系统Ts比单回路控制小；
d）同样在100秒处加干扰，串级控制系统能很好的调节干扰且将值维持在期望值，波动特别小，而单回路控制系统对干扰的调节很不理想。
由上述分析可知，串级控制系统是改善控制过程品质极为有效的方法，它的
调节时间短，超调小，Ts小，对于干扰控制极好，并且不影响响应速度。
可将这些特点总结为：串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力；由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统响应速度；提高系统的工作频率，改善了系统的控制质量；串级系统有一定的自适应能力。
五、设计小结
通过这次课程设计调试，我了解到了PID调节器的参数整定的方法，深化了我对过程控制系统的理解。
在实验中，我利用课本上学到的比例、积分及微分作用对系统性能的影响的相关知识，设计了单回路控制系统和串级控制系统，并根据所获得的响应曲线进行P、I、D参数地整定，从而进一步得到满意的响应曲线。同时，在PID调节器整定的过程中，我对比例积分微分对系统性能的影响有更深的理解，提高了对课本知识的融合。
通过对单回路控制系统和串级控制系统结果的分析比较，我深入了解了两种控制方案的实施方法，并对串级控制系统的优越性有了认识。
经过这次课程设计，我运用书本知识解决实践问题，同时又使得我对理论知识的理解更加深入。总之，此次课程设计让我对我受益匪浅。
六、参考文献
《过程控制与集散系统》方康玲主编
