基于改进型smith控制的加热炉温度控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于改进型smith控制的加热炉温度控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。 图 加热炉温度串级控制系统结构方框图 流量对象 设定值 控制阀 流 量 控制器 干扰 测量变送 温 度 控制器 温度对象 干扰 测量变送 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 7 串级控制系统的特点 1） 改善了对象特征，起了超前控制的作用 2） 改善了对象动态特性，提高了工作频率 3） 提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力 4） 具有一定的自适应能力，适应 负荷和操作条件的变化 串级控制系统的设计 设计原则： 1） 在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中。 2） 选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配。 3） 方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。 串级控制系统的应用场合 1） 被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。 2） 对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。 3） 控制系统内存在变化激烈且幅值很 大的干扰。 4） 被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大。 5 、串级控制系统应用中的问题 （ 1） 主、副控制器控制规律的选择 串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照工艺要求来进行。 主控制器一般选用 PID 控制规律，副控制器一般可选 P 控制规律。 （ 2） 主、副控制器正、反作用方式的确定。 副控制器作用方式的确定，与简单控制系统相同。 主控制器的作用方向只与工艺条件有关。 （ 3） 串级控制系统控制器参数整定 1） 在主回路闭合的情况下，主、副控制器都为纯比例作用，并将主控制器的比例度置于 100%，用 4： 1 衰减曲线法整定副控制器，求取副回路 4： 1 衰减过程的副控制器比例度 (δ 2p)以及操作周期 (T2P)。 2）将副控制器的比例度置于所求的数值δ 2p 上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，求取主回路 4： 1 衰减过程的δ 1p和 T1P。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 3）根据求得的 (δ 1p)和 (T1P)、 (δ 2p)和 (T2P)数值，按经验公式求出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 4） 按先副后主、先比例后积分再微分的程序，设置主、副控制器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。 比值控制系统 在生产过程中经常需要两种或两种以上的物料以一定的比例进行混合或参加化学反应。 在需要保持比例关系的两种物料中，往往其中一种物料处于主导地位，称为主物料或主动量 F1，而另一种物料随主物料的变化呈比例的变化，称为从物料或从动量 F2。 例如在稀硝酸生产中，空气是随氨的多少而变化的，因此氨为主动量 F1，空气为从动量 F2。 常用的比值控制方案： 单闭环比值控制 图 单闭环比值控制 这类比值控制系统的优点是两种物料流量之比较为精确，实施比较方便，所以得到广泛的应用。 双闭环比值控制 为了既能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总流量 F1＋ F２ 不变，因此在单闭环比值控制的基础上又出现了双闭环比值控制系统。 这类比值控制系统的优点是在主流量受到干扰作用开始到重新稳定在设定值这段时间内发挥作用，比较安全。 变比值控制系统 要求两种物料流量的比值随第三参数的需要而变化。 前馈控制系统 前馈控制系统的基本概念 前馈控制是一种按干扰进行控制的开环控制方法， 其基本原理是测取进入过程的干扰，并按其信号产生合适的控制作用去改变操控变量，使受控量维持在设定值上。 F1C F2C F1 F2 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 当干扰出现以后，被控 变量还未变化时，前馈控制器（也称前馈补偿装置）就根据干扰的幅值和变化趋势对操纵变量进行控制，来补偿干扰对被控变量的影响，所以相对于反馈控制，前馈控制是比较及时的。 前馈控制系统的几种结构形式 1） 静态前馈控制系统 前馈控制器的输出信号是按干扰大小随时间变化的，它是干扰量和时间的函数。 而当干扰通道和控制通道动态特性相同时，便可以不考虑时间函数，只按静态关系确定前馈控制作用。 静态前馈是前馈控制中的一种特殊形式。 2） 动态前馈控制系统 静态前馈控制系统虽然结构简单，易于实现，在一定程度上可改善过程品质，但在扰动作用下控制过程的动态偏差依然存在。 对于扰动变化频繁和动态精度要求比较高的生产过程，对象两个通道动态特性又不相等时，静态前馈往往不能满足工艺上的要求，这时应采用动态前馈方案。 动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同。 动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数。 要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。 显然这种控制规律是由对象的两个通道特性决定的，由于工业对象的特性千差万别，如果按对象特性来设计前馈控制器的话，将会种类繁多 ，一般都比较复杂，实现起来比较困难。 一般采用在静态前馈的基础上，加上延迟环节和微分环节，以达到干扰作用的近似补偿。 3） 前馈－反馈控制 通过前面的分析，我们知道前馈与反馈控制的优点和缺点总是相对应的，若将其组合起来，构成前馈－反馈控制系统，这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处，因此这种控制系统是适合于过程控制的较好方式。 前馈控制系统的应用场合 1. 系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著，反馈控制 达不到质量要求时。 2. 当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控制系统。 均匀控制的概念，在石油化工生产中，采用连续生产方式，各生产过程都与前面的生产过程紧密联系。 前一设备的出料往往是后一设内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 备的进料，而后者的出料又源源不断的输送给其他设备做进料。 于是产生了前后设备之间的供求矛盾和协调问题。 解决前后工序供求矛盾 ，使液面和流量的变化互相兼顾均匀变化，这就是均匀控制系统的目的。 先进控制系统 简单控制系统和常用的复杂控制系统是以经典控制理论为指导的，他 们的基本要素是以 PID 控制器为核心的基本控制回路。 由于 PID 控制器有较好的鲁棒性能，对过程模型要求不高，故对一些不太复杂的过程而言，他们是最常用的控制系统。 20 世纪后半叶，以状态空间为标志的现代控制理论取得了长足进步，过程工业也向大型化、集约化方向发展，对控制系统提出了更高的要求。 同时控制工具常规仪表也逐渐被以微处理器为核心的 DCS 和微型机所取代，它们具有强大的计算能力，因此，以提高控制系统品质、生产安全和获得最大经济效益为目标的各种先进控制系统应运而生，这些先进控制系统共同的特点是需要较为精准的过程数学 模型，在此基础上开发出各种先进控制策略。 它可以大大提高工业生产过程操作和控制的稳定性，明显提高产品质量，有巨大的经济效益。 目前应用最广的几种先进的控制系统，包括状态反馈控制系统、内模控制系统、预测控制系统和多变量解耦控制系统。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 第三章 数字 PID 控制 理论 PID 控制算法 PID 是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律 [6]。 它具有原理简单、易于实现、参数整定方便、结构改变灵活、适应性强等优点，在连续系统中获得了广泛的应用。 在计算机进入控制领域后，用计算机实现 的数字 PID 算法代替了模拟 PID调节器，这种控制规律的应用不但没有受到影响，而且有了新的发展，它仍然是当今工业过程计算机控制系统中应用最广泛的一种。 模拟 PID 调节器 PID 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值 r(t)与实际输出值 y(t)进行比较，构成控制偏差 （ 31） 并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，如图 31 所示，简称 P（ proportional） I（ integral） D（ differential）调节器。 在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可灵活地改变其结构，取其中一部分环节构成控制规律。 图 模拟 PID 控制 数字 PID 控制算法 在连续 时间控制系统中， PID控制器应用得非常广泛。 其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。 数字 PID 控制比连续 PID 控制更为优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续 PID 控制中存在的问题，经修正而得到更完善的数字 PID 算法。 数字 PID 位置型控制算法 数字 PID 位置型控制算法 为 (32) + + rink + 比例 积分 微分 控制对象 uT kekeT dkj jeT iTkeKku 0])1()(0 )()([p)( )()()( tytrte 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 )]2()1()([)()]1()([  kekekekkekkekek dip式（ 412）表示的控制算法提供了执行机构的位置 u(k),所以被称为数字 PID置型控制算法。 数字 PID 增量型控制算法 由式（ 412）可看出，位置型控制算法不够方便，这是因为要累加偏差 e(j),它不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此可对上式进行如下改进。 （ 33） 将式（ 412）和式（ 413）相减， 即得数字 PID 增量型控制算法为 )1()()(  kukukΔu （ 34） 可见 ,增量式算法提供了控制量的增量形式，所以被称为数字 PID 增量型控制算法。 增量式算法只需保持现时以前三个时刻的偏差值。 两种标准 PID 控制算法比较 增量型算法较位置型算法，虽然只是在算法上改动了一点，但却有不少优点： 1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，对控制量的计算影响较小。 位置型 算法由于累加过去误差，容易产生大的累加误差。 2）增量型算法得出的是控制量的增量，不会严重影响系统的工作。 而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。 3）增量型算法算式中不出现 u0项，易于实现手动到自动的切换。 PID 的参数整定 数字 PID 控制器参数整定的任务是确定 、 、 和采样周期 T [7]。 采样周期的选择 从 Shannon 采样定理可知，只有当采样频率达到系统信号最高频率的两倍或两倍以上，才能使采样信号不失真地复现原来的信号。 选择采样周期。