【正文】 ( )Q s Q s K?， 就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)比值一定。 因此，當(dāng)需要調(diào)整負(fù)荷時(shí)，只要改變主動(dòng)量回路控制器的給定值，就可同步調(diào)整主動(dòng)量和從動(dòng)量，并保持主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值不變。在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)參數(shù)的需要而變化，為此可以設(shè)計(jì)成串級(jí)比值控制系統(tǒng)，串級(jí)比值控制系統(tǒng)方塊圖如圖 18 所示。這是按一定的工藝指標(biāo)自動(dòng)修正比值系數(shù)的系統(tǒng)，即變比值控制系統(tǒng)。若主參數(shù)受某種干擾偏離給定值 1()Rs時(shí)， 主調(diào)節(jié)器將會(huì)改變副調(diào)節(jié)器的 1()TWs的輸出信號(hào) 2()Rs產(chǎn)生變化，修正了 2()TWs的給定值即修正了兩個(gè)流量的比值，使系統(tǒng)在新的比值上重新穩(wěn)定。 變比值控制 系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：通過(guò)控制系統(tǒng)維持物料的供應(yīng)比值恒定，保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。 可見，變比值控制是一種內(nèi)外環(huán)嵌套的復(fù)合控制，內(nèi)環(huán)控制從物料的變化，外環(huán)控制第三參量的變化。 （ 1）當(dāng)主物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)， 除法器輸出要發(fā)生改變，從物料控制系統(tǒng) 調(diào)節(jié)從物料控制閥門開度，使從動(dòng)量也發(fā) 生變化 ，保證主物料量和從物料量比值不 變。 系統(tǒng)選用原則 比值控制有多種控制方案，具體選用適應(yīng)分析各種方案的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工藝情況、負(fù)荷變化、擾動(dòng)性質(zhì)、控制要求等進(jìn)行合理選擇。 （ 3）變比值控制選用 當(dāng)兩種物料流量的比值與主被控制量（主動(dòng)量和從動(dòng)量之外的第三參量）有內(nèi)在關(guān)系，需要根據(jù)主動(dòng)量的測(cè)得值和主被控制量的給定值調(diào)整主從物料流量的比值實(shí)現(xiàn)對(duì)主被控制量給定值的跟蹤控制（或定值控制）時(shí)，應(yīng)選用變比值控制方案。這樣可以充分利用貴重物料以合理成本完成生產(chǎn)過(guò)程。此類在諸物料中起主導(dǎo)作用的物料應(yīng)選擇為主物料，其它物料選為從物料。一個(gè)物理量通常有多種檢測(cè)方式，不同檢測(cè)方式的比值系數(shù)計(jì)算方 法也有相應(yīng)的差別。 按比值系數(shù)公式得： （ 22） 若對(duì)應(yīng)變送器的測(cè)量范圍（或稱比值控制器輸入端的主、從物料信號(hào)范圍）分別為： 0～ Q1max和 0～ Q2max 則折算成比值控制器的比值系數(shù)為： （ 23） 2. 非線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算 非線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。 按比值系數(shù)公式得： 221 1pQkKQ p??? ? （ 25） 若對(duì)應(yīng)變送器的測(cè)量范圍（或稱比值控制器輸入端的主、從物料信號(hào)范圍）分別為： 0～ Q1max和 0～ Q2max 則折算成比值控制器的比值系數(shù)為： 21 m a x 1 m a x22 m a x 2 m a xpQk K Kp Q???? （ 26） PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)及其對(duì)控制性能的影響 無(wú)論哪種過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都需要選擇調(diào)節(jié)器，下面我們一一介紹幾種常用的調(diào)節(jié)器。 比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖 21所示。 圖 21 比例調(diào)節(jié)規(guī)律 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 15 由上圖還可看出，在 t ?? 時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，但偏差信號(hào) e(t)仍存在；換言之，調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。 積分控制對(duì)控制性能的影響 比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時(shí)，控制作用貫穿整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并成階躍形式變化時(shí)，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開始線性增長(zhǎng)。 從響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時(shí)，積分作用才 停止變化。 描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程是： ??? dtteTKteKtu iPP )()()( （ 213） 式中 pK 比例增益； iT 積分時(shí)間 圖 22 積分作用曲線 比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： ???????? ?????????? ?? sTsTKsW iiPPI 11111)( ? （ 214） 綜上分析，當(dāng)被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來(lái)；只要偏差存在，控制作用就一直增長(zhǎng)下去，直至消除偏差時(shí)，控制作用才停止變化。 傳遞函數(shù)式為： sTsW dD ?)( （ 216） 由于受控對(duì)象總存在一定的容量，調(diào)節(jié)器也 存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動(dòng)作的偏差信號(hào)在實(shí)踐上肯定落后于偏差變化速度信號(hào)，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號(hào)又稱超前信號(hào)。就是說(shuō)純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。 由初值定理有： EKsEsT sTKsU DddDs ????? ?? 1lim)0( （ 218） 由終值定理知： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 01lim)( 0 ?????? ? sEsT sTKsU ddDs （ 219） 如圖 23所示，微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線?？梢娢⒎肿饔靡谡{(diào)節(jié)過(guò)程的初期，和積分作用恰好相 反。所謂動(dòng)態(tài)過(guò)程就是指系統(tǒng)受 到外加信號(hào) (給定值或擾動(dòng) )作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過(guò)程。如果系統(tǒng)受外作用力后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量可以達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度。 穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。對(duì)過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性問(wèn)題不但涉及穩(wěn)態(tài)情況，更涉及干擾擾動(dòng)問(wèn)題。 （ 2）快速性問(wèn)題 應(yīng)保證系統(tǒng)響 應(yīng)的快速性從而保證比值恒定。而且在管路中存在有很多不規(guī)則的干擾噪聲，因此在控制器都不宜采用微分作用。 從理論上看，通過(guò)計(jì)算來(lái)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可行的辦法。由于這些原因，各種計(jì)算結(jié)果只能是近似的，只宜作參考依據(jù)。不過(guò)計(jì)算分析不必要求達(dá)到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗(yàn)性圖表，先估計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值范圍，從而給現(xiàn)場(chǎng)整定提供參考。 2） 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減 小比例帶 ? ，直到進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。 表 31 臨界比例帶法計(jì)算公式（ ?? ） 規(guī) 律 ? iT dT P PI PID 2k? ? ? — — — 臨界比例帶法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，有些生產(chǎn)過(guò)程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩，如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對(duì)象用比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過(guò)程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶 k? 即振蕩周期kT ，則無(wú)法應(yīng)用臨界比例帶法。如果過(guò)渡過(guò)程衰減率大于 ，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗(yàn)，直到過(guò)渡過(guò)程曲線出現(xiàn) 4:1 的衰減過(guò)程，對(duì)于 ?? 的調(diào)節(jié)過(guò)程也是一樣的做上述試驗(yàn)，直到出現(xiàn) 10:1 的衰減過(guò)程。 與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過(guò)程。 通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，稱之為經(jīng)驗(yàn)法。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，穩(wěn)定后做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，若過(guò)渡過(guò)程有希望的衰減率（ ~ ? ? ）則可，否則改變比例帶 ? 值，重復(fù)上述試驗(yàn)。保持比例帶不變修改積分時(shí)間，同樣反復(fù)試湊直到滿意為止。因此，要求反映快速、準(zhǔn)確。 ⑶ 適當(dāng)放寬比例度（一般為 20%）的情況下，逐步緩慢地減小積分時(shí)間，直到出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程或稍有一點(diǎn)超調(diào)的情況為止。 另外，這樣整定參 數(shù)也防止了從動(dòng)量回路共振問(wèn)題。 ㈢ 變比值控制系統(tǒng) 變比值控制系統(tǒng)，又可稱為串級(jí)比值控制系統(tǒng)，它具有串級(jí)控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，仿效串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則，主調(diào)節(jié)器選擇 PI 或 PID 控制規(guī)律；副調(diào)節(jié)器（即從動(dòng)量調(diào)節(jié)器）可按單閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行整 定。尤其是自動(dòng)化儀表發(fā)展如此之快，使這些仿真控制系統(tǒng)不得不進(jìn)行設(shè)備的更新改造，其經(jīng)濟(jì)損失是顯而易見的。為此，利用 MATLAB仿真工具和 VB開發(fā)界面，建立 DEH仿真平臺(tái)，在不干擾生產(chǎn)的情況下，對(duì) DEH系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò) 程進(jìn)行分析研究，從而避免了對(duì)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的盲目性，使 DEH系統(tǒng)各部分的動(dòng)態(tài)過(guò)程完整地呈現(xiàn)出來(lái)。它是通過(guò)研究對(duì)系統(tǒng)正弦輸入信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性來(lái)分析系統(tǒng)的。頻域分析里主要用到三種曲線：Bode 圖， Nyquist 曲線， Nichols 曲線。借助計(jì)算機(jī)及其軟件，特別是利用 MATLAB 軟件提供的頻域分析的函數(shù)，能夠方便、簡(jiǎn)單、快捷地繪制曲線，并計(jì)算出頻域性能指標(biāo)，還可以借助這些曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析?；蚍翟６?Gm1，表示系統(tǒng)穩(wěn)定；相角裕度 Pm0176。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 已知：雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主動(dòng)控制量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和從動(dòng)量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下 : 53() 15 1 sG s es ?? ? 53()( 20 1 ) (10 1 ) sG s ess ?? ?? 現(xiàn)在我們就其所給的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。 ① 主動(dòng)量無(wú)調(diào)節(jié)器的開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。 [num2,den2]=pade(5,10)。在執(zhí)行以下語(yǔ)句： margin(G12) 我們可得到主動(dòng)量無(wú)調(diào)節(jié)器的開環(huán) Bode 圖，如圖 41 所示為主動(dòng)量無(wú)調(diào)節(jié)器的開環(huán) Bode 圖。 仍采用頻域分析法，其 MATLAB 程序如下： num1=3。 G2=tf(num2,den2)?？梢?，系統(tǒng)是穩(wěn)定的（ Gm1,Pm0176。其中 ? 代表比值，即雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的比值系數(shù)，在此我們?cè)O(shè)定為 4， 1()cGs和 2()cGs分別為主動(dòng)量控制環(huán)和從動(dòng)量控制環(huán)控制器 ，按前述分析取為 PI 調(diào)節(jié)器形式。由系統(tǒng)等幅振蕩的圖形，我們可以讀出系統(tǒng)等幅振蕩的周期 crT ，這樣，根據(jù)表的計(jì)算公式 k??? 和 ? 及 1/ pK?? 可以確定 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。其階躍響應(yīng)等幅振蕩如圖 45 所示。 圖 46 臨界曲線整定后主動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng) Simulink 框圖 圖 47 整定后主動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 由圖 47所示階躍響應(yīng)，我們可以得出系統(tǒng)有約 25%30%的超調(diào)量，為了使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更加完善，我們進(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)中的 PI 參數(shù)，使曲線處于振蕩與不振蕩的邊界。我 們繼續(xù)調(diào)節(jié)，讓 pK 減小為 ， IK減小為 ，圖 410 為其 Simulink 框圖，則可得到則得到圖 411所示的響應(yīng)曲線。此時(shí)，其階躍響應(yīng)等幅振蕩如圖 413所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 34 圖 414 臨界曲線整定后從動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng) Simulink 框圖 圖 415 整定后從主動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 可見，系統(tǒng)有約 50%以上的超調(diào)量，系統(tǒng)響應(yīng)較快，且無(wú)常值偏差。我們繼續(xù)調(diào)節(jié)，讓 pK 減小為 ， IK減小為 ，圖 418 為其 Simulink 框圖，則可得到則得到圖 419所示的響應(yīng)曲線。以上我們已經(jīng)根據(jù)所給的主、從動(dòng)量控制參數(shù)確定了 PI 參數(shù)，現(xiàn)假定主動(dòng)量給定值為 5，主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值根據(jù)工藝要求 及測(cè)量?jī)x表假定為 4，則系統(tǒng)控制過(guò)程 Simulink 仿真框圖如圖 420所示。但我們還可以看出初始時(shí)間從動(dòng)量響應(yīng)有一個(gè)負(fù)的“超調(diào)量”，并沒(méi)有立刻達(dá)到終值 20，這可能是我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中沒(méi)有保證從動(dòng)量控制環(huán)要比 主流量控制環(huán)快，這樣不能使從流量控制環(huán)跟隨主流量控制環(huán)而變化。初始時(shí)間從動(dòng)量即跟隨主動(dòng)量，且從動(dòng)量跟隨主動(dòng)量時(shí) 波動(dòng)較小。 圖 424 加隨機(jī)擾動(dòng)的雙閉環(huán) Simulink 框圖 主動(dòng)量在 2020s 以后加單位階躍擾動(dòng)，從動(dòng)量在 1000s 以后加單位階躍隨機(jī)擾動(dòng)，下面我們觀察所得到的曲線圖，如圖 425所示。 ② 主動(dòng)量與從動(dòng)量在同一時(shí)刻加隨機(jī)擾動(dòng)。 在控制過(guò)程中，當(dāng)需要調(diào)整負(fù)荷時(shí)，只要改變主動(dòng)量回路控制器的給定值， 就可同步調(diào)整主動(dòng)量和從動(dòng)量，并保持主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值不變。 上述設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)投運(yùn)后，控制平穩(wěn)，基本上滿足了生產(chǎn)控制要求。 本 文 在設(shè)計(jì)時(shí)由于時(shí)間倉(cāng)促，沒(méi)有充足的時(shí)間來(lái)更 加 完善系統(tǒng)，系統(tǒng)有些地方可能還沒(méi)有想到，并且由于設(shè)計(jì)者能力有限，難免有一些漏洞，希望各位老師指出錯(cuò)誤，我將虛心地接受并加以改進(jìn)。 首先感謝各位任課老師，四年來(lái)是你們的孜孜教誨豐富了我的知識(shí)，使我在作這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)有了豐富的知識(shí)底蘊(yùn)，為論文的順利完成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；你們的言傳身教讓我受益終生。 最后，感謝評(píng)審組的各位老師，感謝您們?cè)诎倜χ?，抽出寶貴的時(shí)間，來(lái)評(píng)審我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，歡迎您們提出寶貴的意見，謝謝！ 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 44