过程控制课程设计报告
设计题目：液氨蒸发器温度控制器设计
学号：110210124
姓名：王希进
指导教师：谢玮
信息与电气工程学院
二零一四年十一月
液氨蒸发器温度控制器设计
1. 设计任务
液氨蒸发器主、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，具体要求如下：
1) 分别进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；
2) 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次扰动）；
3) 说明不同控制方案对系统的影响。
2. 整体方案设计
2.1单回路控制系统选择
液氨蒸发器是一个换热设备。它是利用液氨的汽化需要吸收大量热量，以此来冷却流经管内的被冷物料。
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；在前面的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；液氨流量方便控制，且对温度的影响较大，故选择液氨流量作为操纵变量。
2.2串级控制系统选择
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。
故在本系统中选择物料温度作为主变量。
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。
故选择本系统中的液氨温度为副变量。
2.3调节阀开关形式的选择
调节阀的气开、气关形式需要考虑到以下几种因素：
生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
从生产安全的角度出发，物料温度过高后果会很严重，必须加以控制。
所以为了防止物料温度在失去控制信号时过高发生危险，调节阀选择气关阀。
2.4 控制器的选择
在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定波动和余差。从串级控制的结构上看，主环是一个定值系统，副环是一个随动系统。对于本系统由于温度变化缓慢造成的滞后较大，为克服较大滞后，故主控制选用PI控制器,副控制器选用P控制。
3. 系统仿真与调试
3.1单回路控制系统控制器的参数整定仿真
图3-1 单回路控制系统方框图
图3-2 单回路控制系统simulink仿真图仿真整定：
图3-3 P=1,I=0
图3-4 P=4,I=0
图3-5 P=7,I=0
图3-6 P=7,I=0.1 加入干扰后：
图3-7 加入干扰
通过反复试验过程，由图可知系统的阶跃响应效果比较理想，此时整定的控制器参数比较合理。当然，还可以调整不同的参数组合，以取得满意的输出响应曲线。
3.2串级控制系统控制器的参数整定仿真
副控制器调节阀
主控制对象副控制对象温度测量
设定温度扰动1
扰动2输出温度测量
主控制器图3-8 串级控制系统系统框图
图3-9 串级控制系统仿真图
先整定副回路：
图3-10 复回路整定仿真图
K2=12 加入主回路后整定：
K1=1,I=0
K1=1,I=0.1
K1=0.3,I=0.1
由图可知系统的阶跃响应效果比较理想，此时整定的主副回路的参数比较合理。加入干扰：
一次扰动
二次扰动
4.小结
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。串级控制系统对动态干扰过程改善更为明显，在衰减比均为4:1的情况下，串级控制系统对二次干扰相对于单回路控制系统来说：超调量减少约25%，峰值时间减小2倍，过渡过程时间减小3倍，振荡频率增加3倍。如果系统在二次干扰下满足要求，那么在一次干扰下一定可以满足要求。
