【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程。，給出系統(tǒng)總體設(shè)計方案；MATLAB對系統(tǒng)進行仿真分析。

　　

【正文】 系統(tǒng)，這樣意味著最大限度提高了系統(tǒng)的出重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 處理速度以及系統(tǒng)的質(zhì)量，所以在串級控制系統(tǒng)中首先要考慮的是，內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)速度要遠遠的高于外環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的速度。 在過程系統(tǒng)控制里面串級控制系統(tǒng)運用比較廣泛，因為它是調(diào)節(jié)和改善質(zhì)量最 有效的方法。在精餾塔溫度串級控制系統(tǒng)中，出口溫度變化有很多原因 ， 比如被加熱流量的擾動、熱質(zhì)的改變、壓力的變化和回流量的擾動等。但是對于這些干擾因素單回路控制系統(tǒng)不 能把所有的干擾都概括到一起，所以不可以將出口的溫度變化固定在要求的值之上。但是串聯(lián)級控制系統(tǒng)可以解決上提到的控制要求與滯后時間之間的矛盾，這樣就可以實現(xiàn)穩(wěn)定出口流量溫度，使溫度保持不變 。 （一） 串級控制系統(tǒng) 串級控制在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，成為內(nèi)環(huán)、副環(huán)或副控回路，其控制器稱為副控制器，在控制中起 “ 粗調(diào) ” 作用；一個閉環(huán)在外面，成為外環(huán)、主環(huán)或主控回路，其控制器稱為主控制器，起 “ 細調(diào) ” 作用，最終保證被控量滿足控制要求。 主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而副控制器的輸出則去控制被控對象。 這種由 兩個控制器串在一起控制一個執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)，稱為串級控制系統(tǒng)。作用在外環(huán)的擾動??1Vs稱為一次擾動 ， 作用在內(nèi)環(huán)的擾動 ??2Vs稱為二次擾動 [16]。圖 是串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 ? ?1Ds ? ?2Ds ? ?2Gs ? ?1Gs? ?Rs ? ?2Rs ? ?2Vs ? ?1Vs? ?2Ys ? ?Ys??圖 串級控制系統(tǒng)方框圖 與單回路控制系統(tǒng)相比較，串聯(lián)級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多增加了一個副控回路，因為有副控電路的存在，所以串級控制系統(tǒng)具有自己獨特的特點。 ① 副控回路具有快速性，能夠有效地克服進入副控回路的二次干擾。與單回路控制系統(tǒng)相比，被控量受二次干擾的影響可以減至原來的 1/100~1/10。 ② 因為副控回路有著改善被控對象的動態(tài)特征的作用，所以能增加大主控制器的增益。從而提高系統(tǒng)的工作頻率。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 ③ 由于副控回路的存在，使串級系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強。 （二） 串級控制系統(tǒng)的特點 串級控制系統(tǒng)是在單回路 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展并且壯大的一種控制技術(shù)。串級控制系統(tǒng)是在原有的控制回 路當(dāng)中，多加了一個或者多個控制內(nèi)回路，用來控制可能引起被控量變化的其它條件，這樣就可以更加有效的減小被控對象的時滯特性，提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的速度。 ① 抗干擾能力強。因為有主回路的存在，所以降低了干擾因素進入對副回路的影響。而且，因為串級控制系統(tǒng)多了一個副回路，擁有主、副兩個調(diào)節(jié)器，在很大程度上增加了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，也就是說增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，特別是對副回路的干擾，體現(xiàn)的尤為突出。 ② 及時性好。串級控制對克服容量滯后大的對象特別有效。 ③ 適應(yīng)能力強。串級控制系統(tǒng)就其主回路來說，它是一個定值控制系統(tǒng)，但是對于其副回路對主調(diào)節(jié)器來說，卻是一個隨動控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器會根據(jù)對象操作條件與負荷的變化情況不同而不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定的值，從而達到適應(yīng)操作條件和負荷的變化。 ④ 可以更加準確的控制操縱變量的流量。如果副被控的變量是流量的時候，末引入流量副回路，控制閥的回流差、閥前壓力的波動都有可能會影響到操縱的流量，從而使它不可以與主控制器輸出信號保持著嚴格的一一對應(yīng)的關(guān)系。運用串級控制系后，引入流量副回路，使流量測量值與主控制器輸出完全對應(yīng)，以達到可以更加精確的控制操縱變量的流量。 （三） 精餾塔溫度控制的過程分析 控制最終的目的是讓精餾塔的溫度保持不變，現(xiàn)在選擇溫度與回流量組成串級隨動系統(tǒng)。如圖 。 圖中 TC表示溫度調(diào)節(jié)器， LC表示量調(diào)節(jié)器液位調(diào)節(jié)器， TC通常按 PID調(diào)節(jié)規(guī)律，流量調(diào)節(jié)器按 P調(diào)節(jié)規(guī)律。如果溫度發(fā)生改變時，由主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器 TC）來調(diào)節(jié)控制，讓輸出作為副調(diào)節(jié)器（液位調(diào)節(jié)器 LC）的給定值控制閥門的開度，主控回路的輸出成為副控回路設(shè)定值修正的主要依據(jù)，然而副控回路的輸出成為最終控制量 作用于被控對象。如果液位發(fā)生了改變，那么副控回路能及時的調(diào)整控制閥門的開度，盡快的調(diào)節(jié)液位以達到液位變化對出料溫度的影響。如果液位是確定的，不會改變，那么就只需要測量出實際溫度，然后與設(shè)定溫度的值比較，利用兩者之間的溫度偏差來控制閥門的開度，這樣就可以使溫度保持不變。路中，以補償過程的動態(tài)特性，使被控對象的滯后時間 ? 超重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 前反映到控制器，更加有效的處理了大慣性環(huán)節(jié)的時間滯后問題，從而降低了系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程所花的時間。而且，可以增大液位調(diào)節(jié)器的比 例增益，系統(tǒng)的等效時間常數(shù)能得到最小的值，這樣就可以增加副控制回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作效率 [4]。 圖 精餾塔溫度串級控制系統(tǒng) 其控制器的正、反作用選擇如下： ① 主被控變量：精餾塔精溫度 。 ② 副被控變量：回流量 。 ③ 控制閥：從安全角度考慮，選擇氣開型控制閥， Kv0。 ④ 副被控對象：控制閥打開，進料流量增加，回流量也增加，因此， Kp20。 TC LC 調(diào)節(jié)閥 副對象+主對象TTLTTf 2 f 1Tsp 圖 精餾塔溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ⑤ 副控制器 ： 為保證負反饋，應(yīng)滿足 Kc2KvKp2Km20，因 Km20，應(yīng)選 Kc20，即選用反作用控制器。 ⑥ 主被控對象 ： 當(dāng)蒸汽流量增加時，精餾 塔 溫度升高，因此， Kp10。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 ⑦ 主控制器 ： 為保證負反饋，應(yīng)滿足 Kp1Kc1Km10，因 Km10，應(yīng)選 Kc10，即選用反作用控制器。 在這個計算機串級隨動控制系統(tǒng)中，串級控制可以馬上檢測出系統(tǒng) 中可能引起被控量發(fā)生變化的一些因素并且加以控制，閥位置與流量可以得到及時的調(diào)節(jié)，可以使精餾塔溫度控制達到一個很好的控制效果，而且可以讓系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)的能力，更加有效的解決了被控對象的等效純滯后時間 ? 很長的問題。由于二次干擾為串級系統(tǒng)的主要擾動，副控回路能有效且迅速的克服二次擾動帶來的影響；如果擾動不在副控制回路而在副 控回路以外時，例如物料、能量的傳輸變化而引起的溫度變化，溫度調(diào) 節(jié) 器可以迅速的改變其輸出信號，然后由副控回路去調(diào)節(jié)流量，從而可以克服擾動帶 來的影響 [5]。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 第三章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 檢測變送環(huán)節(jié)有著非常重要的作用，它是將工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)（壓力、溫度、成分等）經(jīng)檢測、變送單元轉(zhuǎn)換為標(biāo)準信號。在模擬儀表中，標(biāo)準信號通常采用的是 4～ 20mA，1～ 5V， 0～ 10mA 電流或者是電壓信號， 20～ 100kPa 氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標(biāo)準信號為數(shù)字信號。 圖 為 檢測變送環(huán)節(jié)的工作原理。 檢測元件過程變量 變送器溫度 標(biāo)準信號 圖 檢測變送環(huán)節(jié)工作原理圖 檢測元件和變送器的基本要求是準確、迅速和可靠。準確指檢測元件和變送器能正確反映被控或被測變量，誤差應(yīng)?。谎杆僦笝z測原件可以及時反映出被控或被測變量發(fā)生了變化；可靠是檢測元件和變送器的基本要求，它應(yīng)能在環(huán)境工況下長期穩(wěn)定運行。 第一節(jié) 溫度變送器的選擇 SBWR 系列熱電偶溫度變送器是 DDZS 系列儀表中的現(xiàn)場安裝式溫度變送器單元。它采用二線制傳送方式（兩根導(dǎo)線作為電源輸入，信號輸出的公用傳輸線）。把熱電偶信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c 4～ 20mA 成線性的輸入信號或與溫度信號。 變送器可以安裝于熱電偶的接 線盒內(nèi)與之形成一體化結(jié)構(gòu)。它作為新一代測溫儀表主要應(yīng)在冶金、石油化工、食品、國防以及科研等工業(yè)部門得到了廣泛的運用。 一 、 特點 ① 采用硅橡膠密封結(jié)構(gòu)，因此耐 振 ，耐濕，適合在惡劣現(xiàn)場環(huán)境中安裝使用。 ② 變送器安裝于熱電偶的接線盒內(nèi)，然后再輸出 4～ 20mA，如此做不但可以使傳輸過程中信號抗干擾的能力變強了，而且也可以去掉因補償導(dǎo)線而產(chǎn)生的費用。 ③ 變送器具有輸入端開路指示作用。冷端溫度自動補償功能也是熱電偶變送器的功能。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 ④ 準確度高、功能消耗低、使用環(huán)境溫度范圍寬，工作性能穩(wěn)定。 ⑤ 應(yīng)用面廣，既可與熱電偶形成一體化現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)，也可作為功能模塊安裝在檢測設(shè)備中。 ⑥ 智能型溫度變送器可使用帶 HART 協(xié)議的通訊設(shè)備、一臺 PC 機，設(shè)置變送器的型號、分度號及被測溫度的量程范圍。 ⑦ 數(shù)顯型溫度變送器可按用戶實際需要調(diào)整變送器顯示屏的顯示方向。 二、主要技術(shù)指標(biāo) 輸入：熱電偶主要包含的型號有： T 型、 E 型、 N 型、 S 型 、 K 型、 J 型、 B 型。 輸出：在量程范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成輸出為 4～ 20mA 直流信號。并且與溫度信號或者輸入的信號成線性。 隔離溫度變送器，輸入與輸出相隔離，隔離電壓為 增加抗共模干擾能力，更適合計算機聯(lián)網(wǎng)使用。 基本誤差： *177。％ FS 傳送方式：二線制 顯示方式：（數(shù)顯型） LCD 四位顯示，熱電偶開路時顯示 E…… 標(biāo)志且輸出大于 20mA。 工作電源：變送器工作電源電壓最低 12V，最高 35V，額定工作電壓 24V。 負 載：極限負載電阻按下式計算： RL(max)=50(Vmin12)（即 24V 時，負載電阻可在0～ 600Ω 范圍內(nèi)選擇用）額定負載 250Ω。 正常工作環(huán)境： ① 環(huán)境溫度－ 250C～ 800C（常規(guī)型） 250C～ 700C（數(shù)顯型） ② 相對濕度 5％～ 95％ ③ 機械振動 f≤50Hz，振幅 ④ 周圍空氣中不含對鉻、鎳鍍層、有色金屬及其它合金起腐蝕作用的介質(zhì)。 環(huán)境溫度影響： ≤ 第二節(jié) 執(zhí)行器的選擇 執(zhí)行器位于控制回路的 最終端，因此，又稱為最終元件。執(zhí)行器直接與被控介質(zhì)接觸，重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 在高低溫、高壓、腐蝕性、粉塵和爆炸性環(huán)境運行時，執(zhí)行器的選擇尤為重要。 控制器的動作是由調(diào)節(jié)器的輸出信號通過各種執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)的，在由電信號作為控制信號的控制系統(tǒng)中，目前廣泛使用的是以下三種控制方式： ●按動力來源分，有氣動和電動兩大類； ●按動作極性分，有正作用和反作用兩大類； ●按動作特性分，有比例和積分兩大類。 本系統(tǒng)采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥的型號為 QSVP16K。具有精度高、技術(shù)先進、體積小、重量輕、 推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、可靠性強、操作方便等優(yōu)點。電源為單相 220V， 控制信號為4～ 20mA 或 1～ 5VDC，輸出為 4～ 20mADC 的閥位信號，使用和校正非常方便。 第三節(jié) 調(diào)節(jié)器的選擇 調(diào)節(jié)器是系統(tǒng)的大腦和指揮中心，是整個控制系統(tǒng)的核心所在。輸入信號進入調(diào)節(jié)器，并且按照調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律進行計算，即進行大腦的信號處理，運算處理的結(jié)果作為輸出信號控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，完成指揮控制系統(tǒng)的任務(wù) [15]。 本系統(tǒng)選擇 DDZⅢ 型 PID 調(diào)節(jié)器 。 DDZⅢ 型儀表采用了集成電路和安全火花型防 爆結(jié)構(gòu)，提高了儀表的精度和儀表可靠性以及安全性，實用與大型工業(yè)生產(chǎn)的防爆要求。 DDZⅢ 型儀表具有以下主要特點： ① 采用國際電工委員會（ IEC）統(tǒng)一信號標(biāo)準，現(xiàn)場的傳輸信號確定為 DC 4～ 20mA?？刂剖业穆?lián)絡(luò)信號是 DC 1～ 5V，電壓與信號電流的轉(zhuǎn)換電阻為 250Ω。 ② 廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。 ③ 整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。 DDZⅢ 型儀表室按國家防爆規(guī)程進行設(shè)計的，而且增加了安全柵，實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險的場所中使用。 DTZ2400 DDZⅢ 型 PID 調(diào)節(jié)器的接線端子圖如圖 ， 主要由輸入電路、給定電路、PID 運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。 調(diào)節(jié)器接收變送器送來的測量信號 （ DC 4～ 20mA 或 DC 1～ 5V） ， 在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在 PD 與 PI 電路中進行 PID 運算，最后由輸出電路重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 直流電流輸出。 DTZ2400 儀表技術(shù)參數(shù) : ●輸入信號： 1～ 5V DC ●內(nèi)給定信號： 1～ 5V DC ●外給定信號： 4～ 20mA DC ●調(diào)節(jié)作用： 比例 +積分 +微分；比例帶： 2～ 500%； 積分時間： ～ 分；微分時間： ～ 10 分（可切除） ●輸入、給定指示表： 指示范圍： 0～ 100%；誤差： 177。1% ●輸出指示表：指示范圍： 0～ 100%；誤差： 177。25% ●輸出信號： 4～ 20mA DC 7