【正文】 進(jìn)行仿真分析，通過與單回路控制系統(tǒng)控制性能比較，副回路，主回路分別加擾動(dòng)，改變副回路時(shí)間常數(shù)和放大倍數(shù)驗(yàn)證串級(jí)控制系統(tǒng)的相關(guān)性能。（1）合成一段爐出口溫度—流量串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)控制效果對(duì)比分析。運(yùn)行SIMULINK，建立如圖48所示的SIMULINK模型。圖48串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型單回路控制系統(tǒng)采用PID控制。按4:1衰減曲線法整定單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，單回路控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)整定如圖（48）所示。串級(jí)控制系統(tǒng)主副控制器參數(shù)PID參數(shù)如前述設(shè)置。合成一段爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)控制效果比較如圖49所示：串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線單回路系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖49串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖由圖49可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)衰減比，調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量等控制品質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)，即串級(jí)控制系統(tǒng)因副回路的引入，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，相比對(duì)應(yīng)的單回路控制系統(tǒng)擁有更好的控制品質(zhì)。（2）串級(jí)控制系統(tǒng)抗擾性能仿真分析。1）在合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)中，燃燒天然氣在閥門開度不變的情況下，總管天然氣壓力的突變會(huì)在控制系統(tǒng)副回路中引入干擾導(dǎo)致天然氣流量的波動(dòng)。在此用引入副回路的單位階躍干擾模擬天然氣供應(yīng)壓力突變干擾，驗(yàn)證控制系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制效果，同時(shí)為了增加對(duì)比效果，對(duì)單回路控制系統(tǒng)一并進(jìn)行仿真。副回路加階躍擾動(dòng)作用下串級(jí)控制SIMULINK仿真模型如圖410所示圖410副回路加擾動(dòng)時(shí)SIMULINK模型串級(jí)控制系統(tǒng)在副回路上加階躍為1的擾動(dòng)，階躍響應(yīng)曲線如圖411所示：串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線單回路系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖411串級(jí)控制系統(tǒng)副回路階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線由圖411可知合成一段爐出口溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)因副回路的引入，當(dāng)擾動(dòng)進(jìn)入副回路后，即二次擾動(dòng)產(chǎn)生后，副被控變量首先檢測(cè)到擾動(dòng)的影響，并通過副回路的定值控制作用及時(shí)控制操作變量，使副被控變量恢復(fù)到副設(shè)定值，從而使二次擾動(dòng)對(duì)主被控變量的影響減小，在副回路階躍擾動(dòng)干擾下，控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線基本沒有變化。而對(duì)比之下，單回路控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線有了明顯變化，衰減比下降，調(diào)節(jié)時(shí)間變大等。圖411體現(xiàn)了串級(jí)控制系統(tǒng)良好的抗二次干擾能力。2） 當(dāng)合成一段爐入口氣體溫度，流量發(fā)生變化時(shí)，等效于在主控制回路引入擾動(dòng)，其擾動(dòng)地點(diǎn)與測(cè)量蒸汽溫度的地點(diǎn)之間有著較大的距離，此時(shí)合成一段爐是一個(gè)有純滯后的多容對(duì)象，擾動(dòng)的純延遲時(shí)間較大。(延時(shí)時(shí)間3s)環(huán)節(jié)來模擬上述擾動(dòng)。同樣引入單回路控制系統(tǒng)增強(qiáng)對(duì)比效果，主回路加擾動(dòng)作用下串級(jí)控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型如圖412所示：圖412 主回路加擾動(dòng)SIMULINK模型其響應(yīng)曲線如圖413所示：串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線單回路系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖413主回路加擾動(dòng)響應(yīng)曲線當(dāng)原料氣入口流量溫度流量擾動(dòng)進(jìn)人主控制回路時(shí)，合成一段爐出口溫度受干擾影響而波動(dòng)，這時(shí)距離干擾更近的溫度控制器先發(fā)生控制作用，其輸出變化迅速改變流量控制器的設(shè)定值而使流量控制器發(fā)出控制信號(hào)，通過調(diào)節(jié)閥開度的迅速變化，調(diào)節(jié)燃燒天然氣流量，使主被控量很快回到設(shè)定值。在這個(gè)過程中副回路雖然不能對(duì)擾動(dòng)發(fā)揮控制作用，但由于副回路的存在，加速了整個(gè)系統(tǒng)的控制作用。但此時(shí)從擾動(dòng)發(fā)生到合成一段爐出口溫度變化即主控制器發(fā)揮作用有一定的時(shí)間延遲。由圖413主回路加擾動(dòng)響應(yīng)曲線可已看出此時(shí)，在主副回路的共同作用下，克服擾動(dòng)的影響較單回路控制快，控制過程也較短，控制效果仍優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)但優(yōu)勢(shì)已經(jīng)不明顯，可見串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入主回路的干擾即一次擾動(dòng)的抑制作用有限。由此可得當(dāng) 合成一段爐的主要擾動(dòng)來自入口原料氣體溫度，流量波動(dòng)時(shí)，采用串級(jí)控制仍有一定的效果。（3）串級(jí)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力檢測(cè)。當(dāng)生產(chǎn)過程負(fù)荷變化，或控制閥流量特性發(fā)生改變即副對(duì)象特征發(fā)生變化時(shí)，副回路的時(shí)間常數(shù)或放大倍數(shù)會(huì)發(fā)生變化，下面通過改變副回路時(shí)間常數(shù)和副對(duì)象放大倍數(shù)而控制器PID參數(shù)保持不變來模擬在此等狀況下，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果，檢測(cè)串級(jí)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。1） 改變副回路時(shí)間常數(shù)的SIMULINK模型如圖414所示：圖414改變副回路時(shí)間常數(shù)的simulink模型改變副回路時(shí)間常數(shù)串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖415所示單回路系統(tǒng)響應(yīng)曲線串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖415改變副回路時(shí)間常數(shù)串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線通過與副回路時(shí)間常數(shù)改變前串級(jí)控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（圖37）比較，可得在副對(duì)象時(shí)間常數(shù)發(fā)生改變時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)并沒有大的改變，相比單回路控制系統(tǒng)其控制品質(zhì)優(yōu)勢(shì)更加明顯。即串級(jí)控制有一定的自適應(yīng)能力。在被控對(duì)象特性改變時(shí)，是無須調(diào)節(jié)控制參數(shù)也能在一定程度上保證控制品質(zhì)的要求。2） 改變副回路增益simulink模型如圖416所示：圖416 副回路增益simulink模型串級(jí)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線單回路系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖417副回路增益變化系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線仿真圖由圖417系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖知，在副回路增益變化時(shí)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)的控制效果均有一定的波動(dòng)，在副回路增益變化擾動(dòng)下，單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線趨于振蕩，響應(yīng)速度大幅度下降，穩(wěn)定性大為降低，系統(tǒng)已經(jīng)不能穩(wěn)定的工作。而對(duì)應(yīng)的串級(jí)控制控制系統(tǒng)控制效果雖有所下降，但系統(tǒng)還保持一定的快速性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定的工作。通過以上仿真分析,在合成一段爐出口溫度控制中應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)能有效的克服副回路干擾，克服副回路副對(duì)象特性變化的影響，并具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，有效提高了合成一段爐出口溫度的控制品質(zhì)。第5章 結(jié)束語本文主要進(jìn)行了下面三個(gè)方面的研究：1． 串級(jí)控制系統(tǒng)特性的研究串級(jí)控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：（1） 改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。與單回路控制系統(tǒng)相比，在相同衰減比的條件下，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率要高。系統(tǒng)工作頻率的提高，操作周期就可以縮短，過渡過程的時(shí)間相對(duì)也較短，因而控制質(zhì)量獲得改善。（2） 串級(jí)控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力。串級(jí)控制系統(tǒng)中由于有主副兩只控制器合力對(duì)干擾采取控制措施，因而抗干擾能力大為增強(qiáng)。（3） 串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主環(huán)是一個(gè)定值系統(tǒng)，而副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。主控制器能夠根據(jù)操作條件和負(fù)荷的變化（從主變量變化中體現(xiàn)出來），不斷修改副控制器的給定值，以適應(yīng)操作條件和負(fù)荷變化的情況。如果對(duì)象有非線性特性存在，那么可以把它設(shè)計(jì)在副回路中，當(dāng)操作條件或負(fù)荷變化時(shí)，雖然副回路的衰減比會(huì)發(fā)生一些變化，穩(wěn)定裕度相對(duì)有所降低，但這對(duì)主回路的影響卻是非常小的。2． 合成一段爐動(dòng)態(tài)特性的研究合成一段爐內(nèi)同時(shí)進(jìn)行著多種化學(xué)反應(yīng)，這其中既有放熱反應(yīng)也有吸熱反應(yīng)，同時(shí)合成一段爐整個(gè)爐膛的燃燒以及傳熱過程也是非常復(fù)雜的。同時(shí)合成一段爐出口溫度常受原料預(yù)熱蒸汽入口流量，溫度變化，燃燒天然氣流量，成分變化的擾動(dòng)，處于頻繁的波動(dòng)中。調(diào)節(jié)燃燒天燃?xì)饬髁磕苡行Э朔蓴_影響 ，因此，通常的合成一段爐都采用調(diào)整燃燒天然氣流量的方式控制一段轉(zhuǎn)化爐出口蒸汽的溫度。在合成一段爐出口溫度控制上，合成一段爐出口溫度對(duì)象因一段爐的熱容量的存在及熱量傳遞，溫度檢測(cè)的滯后性，使得整個(gè)一段爐溫度對(duì)象動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)出較大的時(shí)延和慣性特性。文中通過對(duì)合成一段爐出口溫度與燃燒天然氣流量關(guān)系的研究，建立合成一段爐熱平衡方程，求解出燃燒天然氣流量到合成一段爐出口溫度的近似傳遞函數(shù)模型，為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)。3． 串級(jí)控制系統(tǒng)在合成一段爐出口溫度控制上的應(yīng)用及仿真分析在本文中利用求解得到的合成一段爐傳遞函數(shù)和串級(jí)控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)整定辦法，利用simulink仿真器分別進(jìn)行了合成一段爐出口溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)主回路和副回路的設(shè)計(jì)，副回路比例控制參數(shù)整定和主回路PID控制參數(shù)整定。并利用simulink仿真器進(jìn)行了串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)控制效果的比較。通過分別在串級(jí)控制系統(tǒng)主環(huán)和副環(huán)加入階躍干擾信號(hào)測(cè)試串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾性能。通過改變副回路時(shí)間常數(shù)，模擬實(shí)際中操作條件或負(fù)荷變化引起的副對(duì)像特性變化，檢驗(yàn)串級(jí)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。 本文從一般串級(jí)控制系統(tǒng)開始研究，在完成合成一段爐傳遞函數(shù)求解的基礎(chǔ)上，成功完成合成一段爐出口溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析。從理論上對(duì)合成一段爐特性進(jìn)行了分析研究，論證了串級(jí)控制在合成一段爐上應(yīng)用的可行性和其良好的控制效果。在實(shí)際合成一段爐出口溫度控制上有很好的借鑒作用。由于本人知識(shí)水平有限，對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的理論研究還有待深入，另外在求解合成一段爐傳遞函數(shù)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算上，還只能是一定程度上的近似，文中也難免有錯(cuò)誤和不完善之處，謹(jǐn)請(qǐng)讀者給予批評(píng)和指正。致 謝 本論文是在***導(dǎo)師的精心指導(dǎo)下完成的。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成過程中，導(dǎo)師給予了全程認(rèn)真負(fù)責(zé)的監(jiān)督和指導(dǎo)。對(duì)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的問題，***導(dǎo)師在第一時(shí)間給予我許多建設(shè)性意見，使問題最終得到完美解決。在這一過程中，本人感覺收獲很大，對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和研究有了進(jìn)一步的深入。***對(duì)論文工作嚴(yán)格要求，耐心指導(dǎo)，使我能按期完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。**導(dǎo)師誨人不倦的師德及以身作則的作風(fēng)必將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)、工作和生活產(chǎn)生深刻的影響，在此對(duì)**導(dǎo)師表示崇高的敬意和衷心的感謝! 還有我的同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)論文撰寫期間，他們給予了我極大的支持和幫助，大家一起共同探討，相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步，在此對(duì)給予我支持和幫助的同學(xué)致以我誠(chéng)摯的感謝！ 參考文獻(xiàn)[1] Sverre G, Torgeir R, Magne H, et al. 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MODERN CONTROL SYSTEMS ANALYSIS AND DESIGN USING MATLAB AND SIMULINK[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.附 錄衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例度法和其他一些方法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出來的。該方法主要分為4:l衰減曲線法和10:1衰減曲線法兩種，下面對(duì)論文中用到的4:1衰減曲線法進(jìn)行介紹。純比例作用下的一個(gè)控制系統(tǒng)，在比例度逐步減少的過程中會(huì)出現(xiàn)如附圖11所示的控制過程。附圖11 4:1衰減控制過程這時(shí)的比例度稱為4:1衰減比例度Ps，兩個(gè)相鄰波峰之間的時(shí)間稱為4:1衰減周期Ts。4:1衰減曲線法，就是要在純比例作用下的閉合控制系統(tǒng)中求得Ps和Ts,.進(jìn)而由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出P , Ti,Td值。其具體步驟如下: (1)把積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間取為零。待控制系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小比例度。觀察輸出及控制過程的波動(dòng)情況，直到出現(xiàn)4:1的衰減過程為止，記下衰減比例度Ps和操作周期Ts.(2)由表附表11所提供的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出控制器各參數(shù)P Ti，Td值。附表11 衰減曲線法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式控制器類型%最小最小PPIP