1、 本科生课程设计（论文）过程控制系统 课程设计（论文）题目： 液位闭环反馈控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化093 学 号： 09030209 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 12.6.25-12.7.6 本科生课程设计（论文）0课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化学 号 090302091 学生姓名 赵霖 专业班级 自动化093设计题目液位闭环反馈控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计一个液位闭环反馈控制系统 。在工业生产中经常要对储罐、反应器等密闭容器的液位进行控制，为了能够精确控
2、制液位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制工艺 P&ID 图、系统框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。技术参数测量范围：20100cm ；控制精度：0.5cm ；控制液位：80cm；最大偏差：1cm；工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （2 天，分散完成）2、确定
3、系统的控制方案，绘制 P&ID 图、系统框图。 （1 天，实验室完成）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。 （2 天，分散完成）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。 （实验室 1 天）5、仿真分析或实验测试、答辩。 （3 天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1 天，分散完成）本科生课程设计（论文）1摘要锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是
4、因为水位过低，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式,常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。单冲量单纯采用流量控制的负反馈回路对于汽包液位波动较大的情况液位会产生很大的波动不符合控制参数要求；双冲量采用前馈反馈的控制模式，在对给水系统中的水压等干扰
5、因素造成的波动不能及时抑制。三冲量控制系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。本文将引入锅炉汽包水位双冲量控制。关键词：汽包水位；三冲量；PID控制指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日本科生课程设计（论文）2本科生课程设计（论文）3目 录第 1 章 绪论 .4第 2 章 课程设计的方案及论证 .52.1 提出方案 52.2 总体方案论述 .7第 3 章 系统设计及器件组成 83.1 三冲量控制系统原理 83.2 硬件设计 93.2.1 液位变送器的选择 93.2.2 压力传感器与
6、变送器选择 103.2.3 执行器的选择 .103.2.4 控制器的选择 .113.2.5 控制器的作用方式 113.2.6 阀的开闭选择形式 .113.3 软件设计 .113.3.1 PID 对控制的影响 .113.3.2 PID 控制器的参数调整 123.4 给水调节对象的动态特性 13第 4 章 系统仿真及设计 14第 5 章 课程设计总结 18参考文献 .19本科生课程设计（论文）4第 1 章 绪论“控制”是一种很常见的概念，人们生活中也随处可见。事实上，自然界中的万事万物都相互支配，相互制约，彼此之间都受到不同程度的控制。在自动控制中， “控制”是为了克服各种扰动的操作，达到预期目标
7、，对生产过程（或系统）中的某一个或一些物理量进行的操作。如：生活中对空调、电视；工业上对电机、水箱等的控制。所谓自动控制系统就是在无人直接参与情况下，通过外加的设备或装置（控制器） ，使机器、设备或过程（被控量）自动按照规定的要求进行。与其他自动控制系统比较，工业生产过程有许多特点，过程控制系统由过程检测，变送和控制仪表，执行装置等组成。过程控制是通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测，变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。它也具有非线性、时变、时滞及不确定性等特点。工业生产过程的控制方案有多样性。由于工业过程多样性，为适应被控过程的特点，控制方案也具有多样性。除去控制方案多样性，实施过程控
8、制的手段也具有多样性，尤其在开放系统互操作性和互连性等问题得到解决后，实现过程控制目标的手段丰富。工业生产过程控制的发展有两个明显的特点：一、同步性。控制理论的开拓、技术工具手段的进展、工程应用的实现三者相互推动，相互促进，现实了一幅交错复杂，但又轮廓分明的画卷，三者间明显明晰的同步性；二、综合性。自动化技术是一门综合性的技术，控制论更是一门广义的学科，在自动化的各个领域，移植借鉴，交流汇合，表现强烈的交流性。典型的工业过程可分为三种：连续控制（continuous process） 、离散过程（discrete process）和批量过程（batch process） 。然而，锅炉汽包水位控
9、制系统设计采集的是实时的液位和流量值，所以属于连续控制。锅炉是工业生产中重要的供暖设备，而汽包水位又是锅炉安全运行的重要参数。同时，它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。因此，锅炉汽包水位一直受到重视。保持锅炉汽包水位在一定的范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器关闭结垢，传热效率下降，过热温度下降，而汽包内水的全部汽化导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。本科生课程设计
10、（论文）5第 2 章 课程设计的方案及论证2.1 提出方案方案一：单冲量水位控制系统额直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，这种系统称为单冲量水位控制系统。直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，在蒸汽流量忽然增加时，给水流量小于蒸发量，水位应当下降。但由于炉筒内的贮汽减少，内部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使水位迅速上升，产生“虚假水位”现象。而控制器根据偏差信号改变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动，所以在负荷变化频繁情况下，不能采用
11、单冲量水位控制系统。单冲量水位控制系统原理图如图 2.1 所示：本科生课程设计（论文）6汽包LC省煤器过热器图 2.1 单冲量水位控制系统原理图方案二：双冲量水位控制系统将蒸汽负荷的作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统。在水位上升与蒸汽流量增加时，控制阀门动作反向，因此可节省仪表。但由于水位控制器的测量信号是水位信号与蒸汽流量信号之差，因此采用前馈时，不能保证水位无余差。双冲量水位控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位存在影响，但对给水量扰动为加考虑，因此，适用与给水流量波动较小的场合。 双冲量水位控制系统的优点：能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务，在给水压力比较平稳时采
12、用双冲量水位控制系统是能够达到调节要求的。双冲量水位控制系统的缺点：调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，当给水侧扰动时，调节系统等于单冲量调节，因为，如果给水管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。双冲量水位控制系统原理图如图 2.2 所示：本科生课程设计（论文）7汽包LC省煤器蒸汽过热器LYFTFY方案三：三冲量水位控制系统，考虑到给水流量的扰动影响及由于被空对象的非线性等因素，将给水流量引入到双冲连不过控制系统中，组成三冲量水位控制系统。三冲量水位控制系统中，除了汽包水位和蒸汽流量外，引入的第三个冲量是给水流量。三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被空变量，
13、给水量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈串级反馈控制系统。三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。三冲量水位控制系统原理图如图 2.3 所示：图 2.2 双冲量水位控制系统原理图本科生课程设计
14、（论文）8汽包LT省煤器蒸汽过热器LYFTFYFC图 2.3 三冲量水位控制系统原理图2.2 总体方案论述通过比较看到三种控制方案中，第一个方案由于单纯采用流量控制的负反馈回路对于汽包液位波动较大的情况液位会产生很大的波动不符合控制参数要求。第二种方案采用前馈反馈的控制模式，在对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。第三种方案控制效果最好，三冲量控制系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。综上所述，本系统应选用水位串级控制。主回路用于直接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作
15、，维持水本科生课程设计（论文）9位不变。副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。本科生课程设计（论文）10第 3 章 系统设计及器件组成3.1 三冲量控制系统原理三冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统。液位控制器 LC 与流量控制器 FC 构成串级控制系统。汽包液位是主变量、给水量是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量的波动时引起汽包液位变化因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入 FC，使给水流量做相应的变化，所以这是按干扰进行的控制，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。控制过程：根据串级控制系统选择主、副控制器的正反作用的
16、原则，水位控制器 LC 反作用选反作用，流量控制器 FC 为正作用，控制器为气关阀。当水位由于扰动而升高时，因 LC 反作用，它的输出下降，进入加法器后，使 FC 给定值减小而输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，水位下降，保持在设定值上；当蒸汽流量增加时，FC 给定值增加而输出减小，调节阀的开度增加，给水量增加，保持水蒸气平衡，使水位不变；副回路克服给水自身的扰动，要进一步稳定了水位的自动控制；给水量增加，FC 输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸气平衡。我们知道，水位控制的主要干扰是蒸汽流量的波动，而单冲量调节系统出现这一干扰时，给水量的变化与负荷变化的方向相反，加剧了进
17、出物料的不平衡，使水D图 3.1 三冲量水位控制结构框图本科生课程设计（论文）11位偏差变大。双冲量调节能消除蒸汽流量变化对水位的影响，但是系统对水位时一个开环系统，当负荷与给水量之间有一个偏差时，水位的偏差会越来越大。三冲量汽包水位控制系统能及时克服给水系统的干扰，改善了控制品质。但是调节过程中还需要解决一个输入信号系统的静态匹配问题，且动态整定过程也比较复杂，因此采用前馈串级控制方案。利用前馈使给水量及时跟踪输出量，利用内环实现对给水量的调节，利用外环实现对水位的调节。串级控制系统由两个回路构成；主回路和副回路。副回路起粗调作用，主回路起细调作用。把副回路之外的扰动叫做一次扰动。副回路的频
18、率比主回路的频率高的多，副调节器能很快的克服二次扰动。带前馈的串级水位控制系统框图如图 3.1 所示。由 Gc2、Gv2 、Gp2 、Gm2 组成副回路，其中 Gc2 为副控制器，Kv 就是副回路的控制对象。由 Gc1、Gp1 、Gm1 及副回路一起构成副回路，Gc1 为主控制器。因为所有变动器的时间常数都较小，因此忽略不计。主回路用于直接控制水位，主控制器一般都采用比例积分控制，维持水位不变。副回路是流量系统，副回路调节器可以采用比例或者比例积分控制。与一般串级系统不同的这里引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，所以这是一个静态前馈的串级控制系统。由于水位变化对负荷（蒸汽量）扰动 D 的响应速度要
19、比对基本扰动的影响速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化速度加以限制。由图 3.1 可知，带静态前馈的水位初级控制系统中蒸汽流量到给水量之间是一个随动系统，使给水量跟随蒸汽流量的变化而变化。水位串级控制系统中的水位扰动属于内部扰动，内环能很快控制稳定，而蒸汽流量扰动属于外部扰动，必须依赖于回路的控制器进行控制。 3.2 硬件设计3.2.1 液位变送器的选择选 择 TK3051L 液 位 变 送 器 ：(1)工 作 原 理 ：工 作 时 高 低 压 侧 的 隔 离 膜 片 和 灌 充 液 将 过 程 压 力 传 给 灌 充 液 ， 接 着 灌 充 液 将压 力 传 递 到 传 感 器 中 心
20、 的 传 感 膜 片 上 。 传 感 膜 片 是 一 个 张 紧 的 弹 性 元 件 ， 其 位 移随 所 受 压 而 变 化 （ 对 于 GP 表 压 变 送 器 ， 大 气 压 如 同 施 加 在 传 感 膜 片 上 的 低 压 侧一 样 ） 。 AP 绝 压 变 送 器 ， 低 压 侧 始 终 保 持 一 个 参 考 压 力 。 传 感 膜 片 的 最 大 位 移量 为 0.004 英 寸 （ 0.1 毫 米 ） ， 且 位 移 量 与 压 力 成 正 比 。 两 侧 的 电 容 板 极 检 测 传本科生课程设计（论文）12感 膜 片 的 位 置 。 传 感 膜 片 和 电 容 极 板
21、之 间 电 容 的 差 值 被 转 换 为 相 应 的 电 流 ， 电 压或 数 字 HART（ 高 速 可 寻 址 远 程 发 送 器 数 据 公 路 ） 输 出 信 号 。(2)特 点 ：完 整 的 变 送 系 列 ； 测 量 范 围 ： 20684（kPa） ； 精度等级：0.1；输出信号：4-20（ mA） ； 防爆等级：1；防护等级：1；电源电压：6-12（V ） ；接口尺寸：M20*1.5（mm）结 构 小 巧 、 坚 固 、 抗 震 ； 模 块 化 结 构 ； 阻 尼 可 调 ； 多 种 选 项 ， 量应 用 灵 活 ； 智 能 ， 模 拟 或 低 耗 电 路 。3.2.2 压力
22、传感器与变送器选择PTH501/502/503/504 压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。特点：量 程: -0.101150(MPa) ；综合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS 、1.0%FS；输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制)；供电电压: 24DCV(936DCV)；介质温度: -2085150；环境温度: 常温(-2085)；负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于 50K；长期稳定性能
23、: 0.1%FS/年；振动影响: 在机械振动频率 20Hz1000Hz 内，输出变化小于 0.1%FS；电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M141.5、M20 1.5、M22 1.5 等，其它螺纹可依据客户要求设计。3.2.3 执行器的选择RZXP 型新系列气动调节阀采用顶导向结构，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈 S 流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小阀
24、前后压差不大的工作场合。本系列产品的标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。产品公称压力等级有 PN10、16、40、64；阀体口径范围 DN20200。适用流体温由-200560 范围内多种档次。泄漏量标准有 IV 级或 VI 级。流量特性为线 性或等百分比。本科生课程设计（论文）133.2.4 控制器的选择采用上海万讯仪表有限公司生产的 AI 系列全通用人工智能调节仪表，其中 SA-12 智能调节仪控制挂件为 AI-818，SA-13 智能位式调节仪为 AI-708 型。AI-818 型仪表为 PID 控制型，输出为 420mADC 信号。AI-708 型仪表为位式控制型，
25、输出为继电器触点型开关信号。AI 系列仪表通过 RS485 串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。3.2.5 控制器的作用方式当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。经分析此系统为正作用方式。3.2.6 阀的开闭选择形式关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。锅炉给
26、水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。3.3 软件设计3.3.1 PID 对控制的影响（1）比例 P 调节在 P 调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即 比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大 称为比例带，其中 KP 为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了
27、。puKe=1pd本科生课程设计（论文）14（2）积分 I 调节在 I 调节中，调节的输出信号的变化速度 与偏差信号 e 成正比，即称为积分速度，其中 TI 为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I 调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I 调节的输出才保持不变。I 调节的稳定作用比 P 调节差 ,如果只采用 I 调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。（3）微分 D 调节D 调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 。TD为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与
28、P 结合 PD 或与 PI 构成 PID 调节。总之，PID 控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。3.3.2 PID 控制器的参数调整控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带 ，积分时间 TI 和微分时间 TD 的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。（1）经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带 ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID 控制器的经验法整定：先将
29、TD 置为 0，置 TI 为，先整定比例带使之达到4：1 衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%） ，而积分时间 TI 由大到小逐步加入，直至达到 4：1 的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把 TD 由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。（2）稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图 4.1。录此时的临界比例带 K 及两个波峰的时间 TK 利用 K 和 TK 值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数 、TI、TD。（3）衰减曲线法：它
30、是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间 TI 为最大值，微分时间为 0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图 4.1。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现 4：1 的衰减振荡过程，记下此时的比例带和 TS 的数值。利用4：1 衰减整定参数表求得控制器的 PID 数值。将比例带放到比计算值大一些的数值dut0duSet= DdeuTt=本科生课程设计（论文）15上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调
31、整到满意的结果。图 3.2 3.4 给水调节对象的动态特性锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况却要复杂的多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生改变。汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位” 。tt
32、tTkTsr rr0r00 0ty y0 0t0 4 1本科生课程设计（论文）16第 4 章 系统仿真及设计根据仿真所采用的模型划分，可将仿真分为数学仿真和物理仿真两大类。物理仿真亦称为实物仿真，它是在系统生产出样机后，将系统实物全部或部分的引入回路，由于物理仿真能将系统的实际参数、数学仿真中难以考虑到的非线性因素和干扰因素引入仿真回路，因此物理仿真更接近系统的实际情况，通过仿真可以检验实物系统工作的可靠性，可以准确地调整系统元部件的参数。数学仿真就是将数学模型编排成模拟计算机的排题图或数值计算机的程序。这一过程是将原始数学模型转换成仿真模型，通过对计算机模型的运行达到对原始系统研究的目的，数
33、学仿真在系统设计阶段和分析阶段是十分重要的，通过数学仿真可以检验理论设计的正确性。1.通过对参数进行比较分析,选出各器件的最佳参数:主控制器（Gc1 ）：1/ （6s+1）副控制器（Gc2 ）：1/ （8s+1）执行器（Gv2）:3主检测变送器（Gm1）：0.5/（0.1s+1）副检测变送器（Gm2）：1/（0.1s+1）前馈检测变送器（Gm）：0.2扰动通道传函（Gf）：2/（3s+1）前馈通道的传函（Gff ）： 0.2根据上述叙述，得到仿真图如下：图 4.1 三冲量控制系统的仿真图本科生课程设计（论文）17调整系统参数对系统的影响：改变执行器（Gv2）为 40，图 4.3 MATLAB
34、系统仿真图 图 4.2 MATLAB 系统仿真图 本科生课程设计（论文）18由上图可知，系统改变执行器放大倍数之后，系统出现了等幅振荡的情况，说明了改变了执行器的增益使得系统的偏差信号增强，控制器的控制不能在其控制的范围内，系统此时不能够恢复稳定的状态，系统处于临界稳定的状态。调整系统参数对系统的影响：改变主检测变送器（Gm1）为 0.5/（4s+1）得到图:图 4.4 MATLAB 系统仿真图 由上图可知 ， 增加主控制回路检测变送环节的时间常数后，由系统的输出曲线可知，系统出现了振荡的现象，说明检测变送环节的时间常数过大，系统会出现振荡，不利于系统的稳定。 调整系统参数对系统的影响：改变副
35、检测变送器（Gm2）：1/ （8s+1）得到图：本科生课程设计（论文）19图 4.5 MATLAB 系统仿真图 由上图可知，增加副控制回路检测变送环节的时间常数后，由系统的输出曲线可知，系统出现了振荡的现象，而且在曲线的起始位置有一小段的时滞，说明检测变送环节的时间常数过大，系统会出现振荡，而且会使系统发生滞后。不利于系统的稳定。综上所述，各器件的最佳参数为： 主控制器（Gc1）：1/ （6s+1） ；副控制器（Gc2）：1/ （8s+1 ） ；执行器（Gv2 ）:3 ；主检测变送器（Gm1）：0.5/ （0.1s+1 ） ；副检测变送器（Gm2）：1/（0.1s+1） ；前馈检测变送器（Gm
36、）：0.2；扰动通道传函（Gf）：2/（3s+1 ） ；前馈通道的传函（ Gff）： 0.2。本科生课程设计（论文）20第 5 章 课程设计总结设计是锅炉汽包水位控制系统的设计，锅炉汽包水位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。经分析后采用三冲量的控制方式，这是基于串前馈-串级复合控制系统，副回路调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对汽包水位的影响，主调节器通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在设定值，使系统工作在良好的状态下，可满足系统的控制要求。接着分析了 PID 对系统的影响，及 PID 的参数整定，然后 MATLAB 中进行了仿真，能够更好分析锅炉汽包水位的情况。通过分析证明
37、了汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。本科生课程设计（论文）21参考文献1何衍庆,黎冰 ,黄海燕.工业过程生产控制. 北京：化学工业出版社, 2009.82 厉玉鸣.化工仪表圾自动化.北京：化学工业出版社,2010.033张晋格.控制系统 CAD基于 MATLAB 语言.北京：化学工业出版社 ,2009.64王毅,张早校 .过程装备控制技术及应用.北京：化学工业出版社,2010.055孙洪程,李大宇 .过程控制工程技术.北京：化学工业出版社，2009.036邵裕森,戴先中 .过程控制工
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