【導(dǎo)讀】武漢理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書

　　

【正文】 號不但符合設(shè)計(jì)要求，且價(jià)格合理，易于維護(hù)。 武漢理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 16 4 軟件設(shè)計(jì) 程序流程圖 該系統(tǒng)的工作過程是由于水不斷蒸發(fā)使水位下降， 8051 單片機(jī)發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使給水閥門開打，注水量增加，水位恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)；當(dāng)水位高于規(guī)定值時(shí)， 8051 單片機(jī)再次發(fā)出控制信號，使給水閥門變小，注水量降低，水位又恢復(fù)到規(guī)定范圍。如此循環(huán)工作，使汽包水位得以準(zhǔn)確控制，保證鍋爐的安全、可靠運(yùn)行。程序流程圖如圖 所示。 圖 程序流程圖 PID控制系統(tǒng)算法 PID 控制的本質(zhì)是一個(gè)二階線性控制器，通過調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)參數(shù)，使得大多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。對于水位系統(tǒng)的建模，可近似地認(rèn)為“純滯后 +一階慣性”環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對于一階慣性環(huán)節(jié)對象，往往采用 PID控制算法， PID 調(diào)節(jié)器如圖 所示。 武漢理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 17 圖 PID 調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的比例 微分 積分關(guān)系如下： u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫ e(t)dt+Td*de(t)/dt] 其中 Kp 為比例系數(shù) ,Ti 為積分時(shí)間常數(shù) ,Td 為微分時(shí)間常數(shù)。 式中 T 是采樣周期，周期 T 必須足夠短 ,才能保證有足夠的精度，因此數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器，表達(dá)式如下： u(kT)=Kp{e(kT)+T/Ti∑ e(jT)+Td/T[e(Kd)― e(Kt― T)]} 在反饋控制部分，如果過早地引入積分作用容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過大的超調(diào)量，預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的 PID 控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。 積分分離法思想： 1— 一般 PID 調(diào)節(jié)曲線 2— 積分分離 PID 調(diào)節(jié)曲線 Q— 從此點(diǎn)開始引入積分作用 圖 PID 調(diào)節(jié)曲線 KP Ki/S Kd*S ??? ??? 控制，保證消除靜差當(dāng) 控制，保證快速性當(dāng) P I DkTe PDkTeKL ,)(0,)(1 ??})])1(()([)()({)( 0?? ????? kj dLip TkekTeTTjTeKTTkTeKkTu武漢理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 18 5 系統(tǒng)分析及參數(shù)整定 給水控制系統(tǒng)分析及整定 根據(jù)串級雙沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理 , 對主回路和副回路進(jìn)行分析整定。 副回路的分析和整定 根據(jù)串級控制系統(tǒng)的分析整定方法 , 應(yīng)將副回路處理為具有近似比例特性的快速隨動系統(tǒng) , 以使副回路具有快速消除內(nèi)擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。用試探的方法選擇副調(diào)節(jié)器的比例帶 ,以保證內(nèi)回路不振蕩為原則。在試探時(shí) ,給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)可設(shè)置為任意數(shù)值 ,以得到滿意的比例帶值。如果傳遞函數(shù)以后需要改變 ,則應(yīng)相應(yīng)地改變比例帶值 ,使傳遞函數(shù)與比例帶的比值保持為試探時(shí)的值 ,以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。因?yàn)檎{(diào)節(jié)通道放大系數(shù)較大 ,副調(diào)節(jié)回路可等效為反饋回路的倒數(shù)。 主回路的分析和整定 在主回路中 , 如果把副回路近似看作為比例環(huán)節(jié) , 則主回路等效為一個(gè) 單回路控制系統(tǒng)。如果以給水流量 W 作為被控對象的輸入信號 , 水位變送單元的輸出為輸出信號 , 可以把主調(diào)節(jié)器與副回路兩者看作為等效主調(diào)節(jié)器。主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定 , 如通過試驗(yàn)方法求取主回路被控對象的階躍響應(yīng)曲線 ,并由曲線求得參數(shù) , 再按響應(yīng)曲線法中給定的公式計(jì)算等效調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 鍋爐水位 PID控制的總體結(jié)構(gòu)及仿真 通過前述各方面的分析，我們可以作出鍋爐水位 PID 控制的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 武漢理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 19 圖 鍋爐水位 PPID 串級控制結(jié)構(gòu)圖 其中前述 ??sG1 和 ??sG2 分別為控制回路的擾動通道的傳遞函數(shù)， D? 、 W? 、別為蒸汽流量、給水流量和汽包水位測量器件的傳遞系數(shù)， D? 、 W? 分別為蒸汽流量和給水流量的分壓系 數(shù)， ZK 、 PK 分別為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥們的特性系數(shù)，回路 ??sCC 采用 PID控制以快速消除給水?dāng)_動，外回路采用預(yù)測 PID 來抑制蒸汽擾動，其算法為： ??tu = — 當(dāng)忽略蒸汽擾動和給水?dāng)_動時(shí)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為如下： ??sG = 取工程書中廣泛采用的參數(shù)對設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真， 1 ?? fkk ， 301?T ， ?k ，152?T ， ?? wD ?? ， ?? wD ?? ， ?H? ， .2,10 ?? PZ KK 預(yù)測 PI 控制器的比例系數(shù) ?K ，內(nèi)回路控制器取純比例控制 ?? 1?sGc ，為了便于比較控制效果，在考慮了擾動抑制性能后，取 ?PK ， ?K ，由以上所取的數(shù)值，可得控制系統(tǒng)仿真圖如圖 所示。 圖 采用廣義參數(shù)的系統(tǒng)仿真圖 ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?HPZCPZwwPZC sGsUKKsGKKsG sGsUKKsG ??? ?????? ???111?????sRsC? ?tesTKi ???????? ? 11 ? ? ? ?? ?TtutusTi ??1武漢理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 20 由圖可以看出，經(jīng)過 P— PID 控制系統(tǒng)控制的鍋爐水位輸出的超調(diào)量有所 減小，在蒸汽擾動作用下，水位波動范圍也減小了，達(dá)到了控制的目的。 6 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，鍋爐燃燒過程控制有許多被控量和控制變量，這些變量互相關(guān)聯(lián)，要對其建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一，本文采用的 PID 控制方式在鍋爐水位的自動調(diào)節(jié)中參數(shù)是固定不變，在穩(wěn)定的工況下可以投入自動，應(yīng)用 PID 控制對汽包水位進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中的 PID控制方法對鍋爐水位進(jìn)行的控制，通過比較 前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)和串級前饋系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用了串級前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)參與整個(gè)控制，內(nèi)循環(huán)采用 PID 控制快速消除了控制通道的給水?dāng)_動，外回路采用的 PID 方法克服了蒸汽擾動的影響，并通過采用廣泛的工程參數(shù)進(jìn)行仿真，可以看出用此系統(tǒng)可以有效的控制鍋爐汽包水 位。武漢理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 21 參考文獻(xiàn) [1] 孫優(yōu)賢 《 鍋爐設(shè)備的自動調(diào)節(jié) 》中國電力出版社 [2] 廖初《 新型 PID 控制及其應(yīng)用 》機(jī)械工業(yè)出版社 [3] 周萬河《 過程控制與自動化儀表 》電子工業(yè)出版社 [4] 李家強(qiáng)《 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 》機(jī)械工業(yè)出版社 [5] 范勝宇《 MATLAB 及其在電路與控制理論中的應(yīng)用 》中國電力出版社 [6] 張國兵《 工業(yè)鍋爐微機(jī)控制 》清華大學(xué)出版社