自動(dòng)化工程訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　過(guò)程控制系統(tǒng)是工業(yè)中控制系統(tǒng)的主要表現(xiàn)形式，一般指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為溫度、壓力、流量、液位、成分等變量的系統(tǒng)。由于被控過(guò)程的多樣性，因此過(guò)程控制系統(tǒng)的形式也多樣，相應(yīng)的控制方案也豐富多彩。</p><p>　　在實(shí)際工程中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專(zhuān)用的系統(tǒng)建模軟件，很難準(zhǔn)

2、確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真，Simulink的出現(xiàn)給控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)帶來(lái)了福音。它有兩個(gè)主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上搭建出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。</p><p>　　Simulink仿真的模型是具體的函數(shù)模型，因此，過(guò)程的建模就顯的十分的重要。</p><p>　　過(guò)程建模

3、方法主要有這么幾種：</p><p><b>　　1．機(jī)理法</b></p><p>　　用機(jī)理法建模就是根據(jù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，寫(xiě)出各種有關(guān)的平衡方程，例如物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程，以及反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程、物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。</p><p>

4、<b>　　2．測(cè)試法</b></p><p>　　測(cè)試法建模通常只用于建立輸入輸出模型。它是根據(jù)過(guò)程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到的模型，其主要特點(diǎn)是把被研究的過(guò)程視為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，也稱(chēng)為“黑箱模型”。復(fù)雜過(guò)程一般都采用測(cè)試法建模。</p><p>　　測(cè)試建模法又可分為經(jīng)典辨識(shí)法和系統(tǒng)辨識(shí)法兩大類(lèi)：</p>

5、<p><b>　　（1）經(jīng)典辨識(shí)法</b></p><p>　　不考慮測(cè)試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對(duì)少量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，計(jì)算工作量一般較小。經(jīng)典辨識(shí)法包括時(shí)域法、頻域法和相關(guān)分析法。</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)辨識(shí)法</b></p><p>　　其特點(diǎn)是可以清除測(cè)試數(shù)據(jù)中的偶

6、然性誤差即噪聲的影響，為此就需要處理大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)是不可缺少的工具。</p><p>　　我們針對(duì)工程訓(xùn)練任務(wù)書(shū)中給出的系統(tǒng)辨識(shí)函數(shù)，搭建了仿真框圖，調(diào)整PID參數(shù)，最終使系統(tǒng)在較好的指標(biāo)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。</p><p>　　本報(bào)告主要分為以下幾章：</p><p>　　第一章 燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)概述</p><p><b>　

7、　第二章 系統(tǒng)辨識(shí)</b></p><p>　　第三章 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析</p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)參數(shù)整定</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)Simulink仿真</p><p>　　第六章 工程訓(xùn)練感想</p><p>　　第一章 燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)概述</p><p

8、>　　燃燒蒸汽鍋爐的燃燒過(guò)程主要有三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：蒸汽壓力控制系統(tǒng)、燃料空氣比值控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖1.1 燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)示意圖</p><p>　　1.1蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值系統(tǒng)</p><p>　　燃油蒸汽鍋爐燃燒的目的是為后續(xù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的壓力。一般生產(chǎn)過(guò)程中蒸汽的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)壓力實(shí)現(xiàn)的，隨著后續(xù)環(huán)節(jié)的

9、蒸汽用量不同，會(huì)造成燃油蒸汽壓力的波動(dòng)，蒸汽壓力的波動(dòng)會(huì)給后續(xù)的生產(chǎn)造成不良的影響，因此，維持蒸汽壓力恒定是保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的首要條件。</p><p>　　保證蒸汽壓力恒定的主要手段是隨著蒸汽壓力波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)燃料產(chǎn)生的熱量，而燃燒產(chǎn)生熱量的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制所供應(yīng)的燃料量以及適當(dāng)比例的助燃空氣實(shí)現(xiàn)的。因此，各個(gè)控制環(huán)節(jié)的關(guān)系如下：蒸汽壓力是最終被控量，根據(jù)生成量確定；燃料量根據(jù)蒸汽壓力確定；空氣供應(yīng)量根據(jù)空氣量與燃

10、料量的比值確定。</p><p>　　圖1.2 控制量示意圖</p><p>　?。╝）燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　(b)燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖1.3 燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)方案</p><p>　　1.2

11、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)</p><p>　　所謂爐膛負(fù)壓：即指爐膛頂部的煙氣壓力。爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運(yùn)行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。爐內(nèi)燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負(fù)壓隨即發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí)，最先將在爐膛負(fù)壓上反映出來(lái)，而后才是火檢、火焰等的變化，其次才是蒸汽參數(shù)的變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛負(fù)壓對(duì)于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內(nèi)燃燒工況、煙道運(yùn)行工況、分析某些事故

12、的原因均有極其重要的意義。大多數(shù)鍋爐采用平衡通風(fēng)方式，使?fàn)t內(nèi)煙氣壓力低于外界大氣壓力，即爐內(nèi)煙氣負(fù)壓，爐膛內(nèi)煙氣壓力最高的部位是爐堂頂部。當(dāng)爐負(fù)壓過(guò)大時(shí)，漏風(fēng)量增大，吸風(fēng)機(jī)電耗，不完全燃燒損失、排煙熱損失均增大。甚至使燃燒不穩(wěn)定甚至滅火爐負(fù)壓小甚至變?yōu)檎龎海鹧婕帮w灰將爐膛不嚴(yán)處冒出，惡化工作燃燒造成危及人身及設(shè)備安全。故應(yīng)保持爐膛負(fù)壓在正常范圍內(nèi)?！　?保證爐膛負(fù)壓的措施是引風(fēng)量和送風(fēng)量的平衡。如果負(fù)壓波動(dòng)不大，調(diào)節(jié)引風(fēng)量即可以實(shí)現(xiàn)

13、負(fù)壓控制；當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，燃料用量和送風(fēng)量波動(dòng)也會(huì)很大，此時(shí)，經(jīng)常采用的控制方法為動(dòng)態(tài)前饋-反饋控制，如圖1.4所示。前饋控制的基本概念是測(cè)取進(jìn)入控制過(guò)程的干擾信號(hào)，在爐膛負(fù)壓</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：</p><p>　?。?）屬于開(kāi)環(huán)控制 </p><p>　　只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。但若系統(tǒng)中有一個(gè)環(huán)節(jié)不穩(wěn)定

14、，或局部不穩(wěn)定，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。另外，系統(tǒng)的控制精度取決于構(gòu)成控制系統(tǒng)的每一部分的精度，所以對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度要求較高。</p><p>　　（2）很強(qiáng)的補(bǔ)償局限性 </p><p>　　前饋控制實(shí)際是利用同一干擾源經(jīng)過(guò)干擾通道和前饋通道對(duì)系統(tǒng)的作用的疊加來(lái)消除干擾的影響。因此，固定的前饋控制只對(duì)相應(yīng)的干擾源起作用，而對(duì)其他干擾沒(méi)有影響。</p><p>　　而且，在

15、工程實(shí)際中，影響生產(chǎn)過(guò)程的原因多種多樣，系統(tǒng)隨時(shí)間、工作狀態(tài)、環(huán)境等情況的變化，也會(huì)發(fā)生變化甚至表現(xiàn)出非線性，這些都導(dǎo)致不可能精確確定某一干擾對(duì)系統(tǒng)影響的程度或數(shù)學(xué)描述關(guān)系式。因此，前饋控制即使對(duì)單一干擾也難以完全補(bǔ)償。</p><p>　　（3）前饋控制反應(yīng)迅速 </p><p>　　在前饋控制系統(tǒng)中，信息流只向前運(yùn)行，沒(méi)有反饋問(wèn)題，因此相應(yīng)提高了系統(tǒng)反應(yīng)的速度。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制

16、器及時(shí)動(dòng)作，對(duì)抑制被控制量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)靜態(tài)偏差比較有效。這非常有利于大遲滯系統(tǒng)的控制。</p><p>　?。?）只能用于可測(cè)的干擾 </p><p>　　對(duì)不可測(cè)干擾，由于無(wú)法構(gòu)造前饋控制器而不能使用。 </p><p>　　該方案中以負(fù)壓為控制目標(biāo)，用引風(fēng)量做成控制閉環(huán)，利用前饋控制消除送風(fēng)量變動(dòng)對(duì)負(fù)壓的影響。</p><p>　　

17、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖1.4爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)方案</p><p><b>　　第二章 系統(tǒng)辨識(shí)</b></p><p>　　2.1燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制</p><p>　　燃料流量被控對(duì)象為：</p>

18、<p>　　燃料流量至蒸汽壓力關(guān)系為：</p><p><b>　　G(S)=6</b></p><p>　　蒸汽壓力至燃料流量關(guān)系為：</p><p><b>　　G(s)=1/6</b></p><p>　　蒸汽壓力檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：</p><p>&

19、lt;b>　　G(s)=2</b></p><p>　　燃料流量檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：</p><p><b>　　G(s)=6 </b></p><p>　　燃料流量與控制流量比值為：</p><p><b>　　G(s)=1/5 </b></p><p&g

20、t;　　空氣流量被控對(duì)象為：</p><p><b>　　2.2爐膛負(fù)壓控制</b></p><p><b>　　引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：</b></p><p><b>　　送風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：</b></p><p>　　第三章 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析</p><p&g

21、t;<b>　　3.1燃料控制系統(tǒng)</b></p><p>　　燃料流量被控對(duì)象為：</p><p><b>　　MATLAB程序：</b></p><p>　　圖3.1燃料被控對(duì)象Bode圖</p><p>　　由圖可知，無(wú)調(diào)節(jié)器時(shí)，燃料控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定，幅值穩(wěn)定裕量為15.8dB,相位穩(wěn)定裕量為

22、180?，對(duì)應(yīng)增益為6.1512。</p><p>　　3.2空氣流量控制系統(tǒng)</p><p>　　空氣流量被控對(duì)象為：</p><p><b>　　MATLAB程序：</b></p><p>　　圖3.2空氣流量被控對(duì)象Bode圖</p><p>　　由圖可知，無(wú)調(diào)節(jié)器時(shí)，空氣流量控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)穩(wěn)

23、定，幅值穩(wěn)定裕量為4.1dB,相位穩(wěn)定裕量為44?，對(duì)應(yīng)增益為1.6031</p><p><b>　　3.3負(fù)壓控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：</b></p><p><b>　　MATLAB程序：</b></p><p>　　圖3.3引風(fēng)量

24、與負(fù)壓關(guān)系Bode圖</p><p>　　由圖可知，無(wú)調(diào)節(jié)器時(shí)，負(fù)壓控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定，幅值穩(wěn)定裕量為1.26dB,相位穩(wěn)定裕量為14.9?，對(duì)應(yīng)增益為1.1558。</p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)參數(shù)整定</p><p><b>　　4.1燃料控制系統(tǒng)</b></p><p>　　4.1.1 利用PID Tunne

25、r設(shè)計(jì)燃料控制系統(tǒng)PID控制器</p><p>　　PID模塊位于MATLAB SIMULINK的coutinuous庫(kù)中，如圖4.1，利用此模塊，可以方便的安自己的要求整定PID的各種參數(shù)。</p><p><b>　　4.1 PID模塊</b></p><p>　　首先連接仿真模型，如圖4.2</p><p>　　4

26、.2燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)添加PID模塊</p><p>　　雙擊打開(kāi)PID模塊的設(shè)置界面如圖4.3</p><p>　　4.3 PID模塊設(shè)置頁(yè)面</p><p>　　在Controller下拉菜單中選擇PI結(jié)構(gòu)模式，Time-domain選項(xiàng)選擇連續(xù)域模式。</p><p>　　選擇好模式之后，單擊Apply，然后單擊Tune按鈕，PID

27、Tuner會(huì)自動(dòng)在系統(tǒng)默認(rèn)的工作點(diǎn)處對(duì)模型進(jìn)行線性化處理，設(shè)計(jì)出控制器的參數(shù)。</p><p>　　在界面的下方，有用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的滾動(dòng)條工具，通過(guò)滾動(dòng)條可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。</p><p>　　4.4 PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊界面</p><p>　　得到滿(mǎn)意的響應(yīng)曲線之后，單擊Apply按鈕，PID Tuner自動(dòng)設(shè)計(jì)的參數(shù)就已經(jīng)寫(xiě)入到了參數(shù)設(shè)置框中，如圖4

28、.5所示。</p><p><b>　　4.5 PID參數(shù)</b></p><p>　　在PID模塊整定的參數(shù)之下，系統(tǒng)較好的達(dá)到了要求。</p><p>　　4.6燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)</p><p>　　4.2蒸汽壓力控制系統(tǒng)</p><p>　　在燃料流量控制系統(tǒng)整定的

29、基礎(chǔ)上，采用試誤法整定壓力控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整定仿真框圖如圖？所示，當(dāng)，時(shí)（此時(shí)相當(dāng)于無(wú)調(diào)節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡(jiǎn)單）。仿真結(jié)果如圖所示</p><p>　　4.7蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖</p><p>　　4.8蒸汽壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)</p><p>　　4.3空氣流量控制系統(tǒng)</p><p>　　4.9空氣流量控制系統(tǒng)

30、參數(shù)整定仿真框圖</p><p>　　4.11空氣流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)</p><p>　　4.4負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償整定</p><p>　　由系統(tǒng)概述可知，利用動(dòng)態(tài)前饋與反饋控制能使負(fù)壓控制系統(tǒng)達(dá)到比較好的效果，反饋控制在燃料控制系統(tǒng)和空氣流量控制系統(tǒng)中已經(jīng)詳細(xì)的論述與應(yīng)用過(guò)了，在此就前饋控制做一下討論。</p><p>

31、;　　圖4.12 前饋控制原理圖</p><p>　　在圖4.12中實(shí)現(xiàn)部分為未引入控制措施前的控制框圖，虛線部分為所引入的控制部分。為干擾源至系統(tǒng)輸出的干擾通道傳遞函數(shù)；為前饋調(diào)節(jié)器函數(shù)；為干擾源至系統(tǒng)輸出的控制通道傳遞函數(shù)；為給定環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。</p><p><b>　　系統(tǒng)輸出為：</b></p><p>　　由上式可知，消除可測(cè)干擾M

32、的影響，可令M的系數(shù)為0，即可得到</p><p>　　因此，可以得到負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償函數(shù)為：</p><p>　　4.12負(fù)壓前饋反饋控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖</p><p>　　4.13負(fù)壓前饋反饋控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)</p><p>　　從仿真效果可以看出，前饋控制發(fā)揮了很好的作用。</p><p>

33、;　　第五章 控制系統(tǒng)Simulink仿真</p><p>　　搭建完整的系統(tǒng)Simulink仿真框圖，在仿真框圖中，為了模擬真正的工業(yè)控制環(huán)境，在特定的環(huán)節(jié)，我們添加了幅值為-1至1的噪聲干擾信號(hào)，仿真框圖如圖所示：</p><p>　　圖5.1 燃燒爐控制系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　引入干擾信號(hào)之后，系統(tǒng)較好的抑制了干擾，曲線很漂亮的達(dá)到了穩(wěn)定。示波器的波

34、形由上至下一依次為：蒸汽壓力設(shè)定值波形、干擾波形、實(shí)際蒸汽變動(dòng)波形、空氣流量波形、負(fù)壓變化波形和負(fù)壓設(shè)定值波形，如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 燃燒爐控制系統(tǒng)仿真結(jié)果</p><p>　　第六章 工程訓(xùn)練感想</p><p>　　通過(guò)這次工程訓(xùn)練，我對(duì)于MATLAB有了更深入的了解。在這次訓(xùn)練之前，我已經(jīng)使用MATLAB進(jìn)行編程了，也用matlab

35、simulink做了一些仿真，所以對(duì)于matlab也有一定的了解。做完這次工程訓(xùn)練之后，我終于體會(huì)到Matlab的博大精深，特別是matlab simulink仿真、學(xué)習(xí)完這門(mén)課程之后，我終于體會(huì)到Matlab的博大精深，特別是matlab工具箱。</p><p>　　我在做數(shù)學(xué)建摸的時(shí)候，曾用到過(guò)matlab simulink仿真，當(dāng)時(shí)也是第一次接觸仿真，只能現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，看到老師給我們演示matlab simul

36、ink仿真的時(shí)候，我才發(fā)現(xiàn)，原來(lái)仿真可以做到這么多。</p><p>　　其實(shí)早就知道m(xù)atlab工具箱非常強(qiáng)大，雖然也用過(guò)其中一些函數(shù)，但是我的matlab編程水平還不是很高，還只知道一部分函數(shù)。我也知道完全了解matlab工具箱那基本上不可能的，只是盡量多了解一些常用函數(shù)。</p><p>　　matlab接觸的越多就越會(huì)癡迷其中，同時(shí)還會(huì)贊嘆他的無(wú)所不能，任何在顯示生活中存在的都可以

37、在其中表現(xiàn)出來(lái)，真是太強(qiáng)大了。</p><p>　　這次我深深的感受到學(xué)Matlab并不難，難的是學(xué)會(huì)怎么用。help:最有效的命令。不要試圖掌握Matlab的每一個(gè)功能，熟悉和你專(zhuān)業(yè)最相關(guān)的部分就可以了。學(xué)maltab要有耐心?？吹侥潮緯?shū)中或論壇的帖子中解決問(wèn)題的方法要試著解決類(lèi)似的問(wèn)題，要舉一反三，要學(xué)會(huì)變通。有了問(wèn)題先自己想，察看幫助，1個(gè)小時(shí)后沒(méi)有結(jié)果再問(wèn)別人，不要一有問(wèn)題就發(fā)問(wèn)，然后什么都不管了，把希望

38、寄托在別人身上。要多動(dòng)腦，多動(dòng)手寫(xiě)程序、調(diào)試，看程序時(shí)候多想幾個(gè)為什么，理解別人程序中精華的東西，多自己調(diào)調(diào)程序，可以改改程序，把知識(shí)轉(zhuǎn)成自己的，弄懂一兩個(gè)經(jīng)典例子比粗粗的看一大書(shū)要好，值得一提是不是一下子就能看懂相對(duì)比較長(zhǎng)，比較復(fù)雜的程序的，要做的是自己慢慢去分析，利用已經(jīng)有的資料和幫助，等慢慢搞懂它，要多看幾遍，相信多看一遍你就會(huì)有一些新的認(rèn)識(shí)，一直到你已經(jīng)掌握里例子的精華。</p><p>　　善于總結(jié)，學(xué)