过程控制论文

目录

0引言 ............................................................................................................................................... 2 1设计任务及要求 ............................................................................................................................ 2 2 前馈控制系统 ............................................................................................................................... 3

2.1 前馈控制系统的特点 ....................................................................................................... 3 3复合控制系统 ................................................................................................................................ 3

3.1复合控制系统特性分析 .................................................................................................... 3 3.2 对象的特性分析 ............................................................................................................... 4 4控制系统设计 ................................................................................................................................ 4

4.1 控制基本方案与仪器仪表的选择 ................................................................................... 4 4.2 控制系统的 MATLAB 仿真 ............................................................................................... 4 5 结论 .............................................................................................................................................. 4 参考文献........................................................................................................................................... 5

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加热炉的前馈—反馈控制系统

姓名：陈涛 班级：11

电气一班

摘要：加热装置目前市场上主要是采用前馈控制,但控制有很强的局限性,应用更多的不便。这个设计是一个加热炉设计的前馈-反馈控制系统,使用MATLAB Simulink系统仿真,和临界比例法参数设置,完成符合实际需求的加热炉设计的前馈-反馈控制系统。 关键词:前馈-反馈控制系统;活跃的体积

Feedforward-feedback control system of

heating furnace

Name: Chen tao class: Electrical Engineering and Automation class 1 of 11

Abstract: the heating device on the market at present mainly adopts feedforward control,

but the limitations of control has a strong, application more inconvenience. This design is a feedforward - feedback control system of heating furnace design, using MATLAB Simulink system simulation, parameter Settings and critical ratio method, complete conforms to the actual needs of heating furnace design feedforward - feedback control system.

Keywords: feedforward - feedback control system; The volume of the active

0引言

在大多数情况下，一个简单的控制系统由于其自身需要较少的自动化仪器，设备，投资少，维护方便，当年投产，同时，在生产实践证明，它能解决大量的问题生产控制，满足定值控制的要求，因此，简单的控制系统是最简单的生产过程自动控制，最基本的，最广泛使用的形式。为了满足生产工艺，生产参数的不同要求生产过程中，先后出现了各种复杂的控制系统，例如，串级控制系统，前馈 - 反馈控制系统，纯滞后补偿控制系统和解耦控制系统等。在各种复杂的控制系统，前馈—反馈控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，为双闭环或

多闭环控制，前馈—反馈控制系统可以应用

于容量滞后较大及扰动大的对象。

1设计任务及要求

在油加热炉控制系统中，通过阶跃响应特性试验得到控制通道广义对象传函 为：

Go(s)?3.2?2se6.8s?1 2.79s?1

原料油流量扰动通道的广义传函为:

Gd(s)?

若生产过程中燃料油流量是一可测的变化

2

幅值较大较为频繁的扰动，试设计 前馈——反馈加热炉温度控制系统。具体设计要求如下:

1根据前馈的控制对象选择方法的特点: 2对应的温度控制系统的设计,给出了原理图的流程图,控制和系统的控制点带控制点的流程图控制和控制系统的原理图。

3仿真研究静态和动态前馈扰动和跟踪系统的特点。

4选择控制规律对设计系统进行仿真整定运行参数。

（3）

上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。

如果WDZ(s) 和 WD(s) 可以很准确测出，且WB(s) 完全和上式确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全控制的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均是零。

2 前馈控制系统

2.1 前馈控制系统的特点

理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，

3复合控制系统

3.1复合控制系统特性分析

正如前面所指出的那样，前馈控制能依

据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持在给定值上。这样一个看起来相当完美的控制方式也显然WB(s)取决于对象控制通道和干扰通

有其局限性。首先表现在前馈控制系统中不

道的特性。 存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有

前言的手段。因而，当前前馈作用并没有最

系统无法得知这一信息而作

Y(s)?[wDZ(s)?KBWB(s)WD(S)]Z(s)后消除偏差时，

进一步的校正。其次，由于实际工业对象存

（1） 在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影

响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费Y(s)令KB= 0 则有： = WDZ(s) + 用和维护工作量。此外当干扰通道的时间常

Z(s)数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。再者，前馈控制模型的精度也受到(s) (s) WDWB多种因素的限制，对象特性受负荷和工况等

（2）

因素的影响而产生偏移，必然导致WD(s)

式中：Z(s)是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，

和WDZ(s)的变化，因此一个事先固定的前

馈模型不可能获得良好的控制质量。

工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它引起被调参数变化的干

WDZ(s) + WB(s) WD(s) = 0

扰采用反馈控制来克服。以这种形式组成的

所以，前馈控制器的控制规律为：系统称为前馈—反馈复合控制系统。前馈—

反馈复合控制系统即能发挥前馈调节控制WDZ(s) WB(s)??及时的优点，又能保持反馈控制对各种扰动

WD(s)因素都有抑制作用的长处，因此得到了广泛

Y(s)即实现了所谓“完全补偿”，此时： =

Z(s) 3

的应用。

3.2 对象的特性分析

根据前馈——反馈控制系统的控制流程，设计控制系统的流程

图。流程图如下图 所示。在之后的仿真和整定中均依据此图进行调整和改动

阀为气开阀，则 Kv>0。对象 Kp>0,所以调节器 Kc>0 。温度变送器量程为 0—150°C 4.2 控制系统的 MATLAB 仿真

在做完以上的所有分析和整定之后，将完整的系统进行仿真实验，并对之前

得到的 PID 控制参数进行进一步的细微调整。在这次仿真中，可以比较理想 PID 与实际 PID 的控制效果。仿真原理图如下图 所示

4控制系统设计

4.1 控制基本方案与仪器仪表的选择

根据估算得出的T=6.78 采用整定法得出Kp=0.807,Ti=4.3,Td=2.14, 初定 PID 控制器的参数为Kc=Kp=0.901,Ki=Kc/Ti=0.2145,Kd=Kc*Kd=0.901

至此先将扰动通道和前馈通道去除,并对 PID 控制器的三个参数进行多

方面综合调整,比例调节量Kc的增大可增强对系统的作用，并提高系统快

速性，但会是系统超调量增大，降低系统稳定性，积分调节量Ki的增大会 使系统稳定性和快速性减弱，但可以实现误差调节，消除系统的稳态误差，微

分调节量Kd的增大可使系统微分控制作用增强,但会带来一定的超前特性。 经过多次调整和波形观察观察，对控制器参数进行微调整，取

Kc=0.955，Ki=0.08,Kd=0.81得到理想的系统输出。仪器仪表选择 DDZ—Ⅲ型电动调节器，其输入信号为 4——20mA。因为加热炉内部温度较高，所以传感器部分采用传统的热电偶料流量是主要扰动，故将其作为前馈信号，与调节器输出信号相加后做为调节阀的控制信号。Km>0,从安全角度考虑，调节

微调后的 PID 参数为：Kc=1.21,Ki=0.13,Kd=0.84

。三个参数均有改动。在实际 PID 控制器的环节中，微分增益应该为微分环节分母一次项系数的 5 到 10 倍。这里取0.172。仿真得到的输出特性曲线如图 10 所示

5 结论

调节的结果基本令人满意，超调量均控制在 20%以内，调节时间也在合理的

4

范围中，扰动得到克服。这里可以明显观察到在理想 PID 调节和实际 PID 调节 下系统的输出有一定的差别。相比理想 PID 调节器，在实际 PID 控制器调节

下系统输出的衰减比更大，超调量也略大，调节时间更短。 设计心得，在前馈——反馈系统对加热炉温度控制的研究过程中，本人对前

馈——反馈控制系统的模型与控制过程有了更进一步的认识，原本抽象的控制理 论也变得更加清晰，对于这种传统的经典学

科我还需要继续投入时间去领悟和理

解，在课程设计这个过程中我走了不少弯路，这些可以当成经验供以后参考。 参考文献

[1] 邵裕森，过程控制工程 [M].北京：机械工业出版社， 2000.5（2013.8重印） [2] 杨成慧，Matlab基础及实验教程[M]. 北京：北京大学出版社，2004． [3] 张静，MATLAB在控制系统中的应用[M].北京.电子工业出版社.2007.

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