过程控制课程设计-纸机温度控制系统设计与仿真

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第二部分 分析计算
2.1 参数及仪表的选择
等控制方法，设计至少 2 套控制系统，达到控制加热器的目的，使被控变量的波动在规 定的范围内。对于每一套控制方案，具体要求： 1) 说明所采用的控制方案以及采用该方案的原因，并在工艺流程上表明该控制系 统。 2) 确定所用控制器的正反作用（这里要求加热器内的混合物不能益处，且不能过 热） ，画出控制系统完整的方框图（需注明方框图各环节的输入输出信号） ，并选 择合适的 PID 控制规律。 3) 在 SIMULINK 仿真环境下，对所采用的控制系统进行仿真研究。具体步骤包括： a) b) c) d) e) 在对象特性参数的变化范围内，确定各环节对象的传递函数模型，并构造 SIMULINK 对象模型； 引入手动/自动切换环节，在手动状态下对控制通道、 干扰通道分别进行阶 跃响应试验，以获得“广义对象”开环阶跃响应曲线； 依据 PID 参数整定方法，确定各控制器的参数； 在控制系统处于“闭环”状态下，进行液位、温度设定值跟踪响应试验、 白水，冷水对系统输出的扰动响应试验，并获得相应的响应曲线； 在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在其变化范围内发生变 化时，重新进行液位、温度设定值跟踪试验与扰动响应试验，并获得相应 的响应曲线。 根据不同控制方案的闭环响应曲线，比较控制性能（包括是否稳定、衰减 比、超调量、过渡过程时间等） 。
f)
1.3 仿真研究要求
为使仿真研究结果具有可比性，要求：(外界干扰和给定干扰 10%) 1) 跟踪响应试验前控制系统达到稳态，液位、温度设定值与测量值一致，分别对 应 150 mmH2O，60℃；跟踪响应试验中，液位、温度设定值的阶跃变化幅度对 2) 应实际液位、温度分别为 15 mmH2O， +6℃。 扰动响应试验前控制系统达到稳态，液位、温度设定值与测量值一致，分别对应 150 mmH2O，60 ℃；扰动响应试验中，白水和冷水的阶跃变化幅度为±10 mmH2O。
（7） 对于加热器装置，假设控制通道的动态特性可表示为
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K12 K11 G T T11s 1 T12s 1 ； G K 21 K 22 L T s 1 T s 1 22 21
K11 [0.14, 0.15] ℃ /(T/hr) ， K12 [0.1, 0.09] ℃ /(T/hr) ， K21 [0.05, 0.06] ℃ /(T/hr) ， K22 [0.05, 0.06] ℃ /(T/hr)， T11 [2.5, 3] 分， T12 [2.5, 3] 分， T21 [4.4, 4.5] 分， T22 [4.4, 4.5] 分。
目录
第一部分 设计任务 ........................................................................................................................ 1 1.1 研究对象 ............................................................................................................................ 1 1.2 研究任务 ............................................................................................................................ 2 1.3 仿真研究要求 .................................................................................................................... 2 第二部分 分析计算 ........................................................................................................................ 3 2.1 参数及仪表的选择 ........................................................................................................... 3 2.2 参数选择及传递函数的计算 ........................................................................................... 3 第三部分 方案的实现与仿真测试 ............................................................................................... 5 3.1 方案一：带 Smith 预估补偿的前馈补偿解耦控制系统 .............................................. 5 3.1.1 控制系统原理框图 ................................................................................................ 5 3.1.2 SIMULINK 仿真系统开环控制模型 ...................................................................... 7 3.1.3 开环阶跃响应曲线 ................................................................................................ 8 3.1.4 PID 参数整定 ........................................................................................................12 3.1.5 闭环系统的跟踪实验和抗扰动实验 .................................................................16 3.1.6 控制系统闭环动态特性测试 ............................................................................. 20 3.2 方案二：带 Smith 预估补偿的对角矩阵解耦控制系统 ............................................ 26 3.2.1 控制系统原理框图 .............................................................................................. 26 3.2.2 SIMULINK 仿真系统开环控制模型 ....................................................................28 3.2.3 开环阶跃响应曲线 ..............................................................................................29 3.2.4 PID 参数整定 ........................................................................................................33 3.2.5 闭环系统的跟踪实验和抗扰动实验 .................................................................36 3.2.6 控制系统闭环动态特性测试 .............................................................................40 第四部分 心得体会 ......................................................................................................................46 第五部分 参考文献 ...................................................................................................................... 47
GL1 ( s)
KT 1 2 s K L1 ， GT 1 ( s) e TT 1s 1 TL1s 1
K L1 [50, 100] (mmH2O/(t/h))； KT 1 [1, 3] ℃/(T/hr), TL1 [10, 15] 分，TT 1 [4.5, 5.5] 分。
其中 对象 特 性参 数均 可 能在 以下 范 围内10 T/hr；另外，被控变量 T 的设定范围为 T 60 0.3 ℃，被控变量 L 的设定范围 为 L 150 10 mmH2O。试应用单回路、串级、前馈、比值、选择、Smith 预估、解耦
对于上述被控过程，所受的主要扰动为白水 F1 ，冷水 F 2 而且变化范围均为：
第一部分 设计任务
1.1 研究对象
白水 F1 热水W
F2 冷水
去铜网 纸浆Q
图 1 低速纸机直接加热器试验装置
某造纸厂低速纸机纸浆温度控制试验装置如图 1 所示， 图中白水主要用于稀释纸浆， 为 了 满 足 后 序 工 序 需 要 ， 要 求 严 格 控 制 纸 浆 和 加 热 器 的 液 位 （ 要 求 60 0.3 ℃ , 150 10 mmH2O） 。采用纸浆流量控制液位，热水流量控制温度，要求系统有较好的跟 踪性能，在外界干扰下有满意的动态品质。 为便于控制方案研究，假设如下： （1） 该加热装置的静态工作点为 T0 = 60℃，L0 =150 mmH2O（毫米水柱） 。 （2） 加热器温度的测量范围都为 0 ~ 100 ℃，液位 L 的测量范围为 0 ~ 250 mmH2O。 （3） 液位测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用带纯滞后的一阶环 节来近似，温度测量环节的一阶时间常数 T 0.8 ，纯滞后时间 ＝0.4 ，单位 为分。 （4） 假设控制阀都为线性阀， 其动态滞后忽略不计， 动态特性可表示为 1 或 -1 （根 据选择的气开气关式阀门来确定正负号） 。 （5） 假设白水 F 1 扰动对液位和温度扰动的动态特性可分别表示为：