2015过程控制系统课程设计对象及要求

对象一 锅炉水温与流量串级控制系统（2-4人）

一、系统说明

本系统以锅炉水温为主要控制对象，以进水流量为辅助控制对象。目的是在一定加热功率下，控制水温的恒定。其流程图如图1.1所示：

图1.1 测量被控对象阶跃响应流程图

由温度传感器（主检测变送器）将温度信号转变为电信号与温度给定值相比较后送至主控制器，主控制器输出流量控制值与流量变送器（副检测变送器）反馈回来的进水流量信号相比较后输入流量调节器（副控制器），由流量调节器控制调节阀的开度来控制进水流量，由此来对锅炉水温进行定值控制。其系统框图如图1.2所示：

流量扰动 温度扰动 e1 温度给定值 主控制器 m1 + e2 流量调节器 m2 调节阀 流量 c2 水温 温度输出值

- - 流 量 变 送 器 水 温 传 感 器 图1.2 锅炉水温与流量串级控制系统框图

二、设计要求及步骤如下：

1）建立被控对象的数学模型

在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依

据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。

假如给进水流量加阶跃扰动，流量阶跃幅值为3.7。从阶跃时刻起以20s为采样周期，采得水温温度数据序列如下：

33.71 33.34 32.87 32.90 32.12 32.01 31.76 31.56 31.80 31.32 31.69 31.53 31.16 31.20 30.98 31.09 30.57 30.91 30.90 30.58 30.32 30.33 30.25 30.25 30.24 30.48 30.10 30.16 29.85 30.31 30.09。

请根据以上数据确定水位系统模型（一阶惯性环节）。 2）根据图1.2，假设电动调节阀增益K1?0.30，在组态王和SIMULINK环境下搭建过热汽温串级控制系统仿真组态图。

3）串级系统内，外控制器参数整定。

4）完成串级控制系统的参数整定后，在500s时加入水流量20%阶跃扰动，观察分析响应曲线。

对象二 双容水箱液位串级控制系统（2-8人）

一、对象说明

已知某双容水箱液位串级控制系统，如图2-1所示，其中上水箱尺寸为：d=25cm,h=20cm;

下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm。

对上位水箱：手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=60,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。

图2-1上位机监控界面参考图

表1上水箱阶跃响应数据 (间隔30s采集数据): 1 2 3 4 5 6 23.62 30.50 35.25 38.69 41.32 43.31 7 8 9 10 11 12 44.77 45.56 46.17 47.06 47.25 47.46 13 14 15 16 17 18 47.76 47.87 47.89 47.28 47.01 47.15 19 20 21 22 23 24 47.64 47.09 46.52 46.41 46.28 45.90 对下位水箱：手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP1=40,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=50,即对下水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。

表2下水箱阶跃响应数据(间隔30s采集数据): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 54.02 57.19 60.28 63.53 66.56 69.52 72.26 74.79 77.00 79.07 80.87 82.88 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 84.61 86.34 87.71 89.18 90.44 91.76 93.04 94.11 95.18 96.04 96.96 97.49 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 98.45 99.19 99.83 100.43 101.01 101.42 101.81 102.26 102.79 103.19 103.36 103.65 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 103.93 104.39 104.84 105.06 105.53 105.80 106.08 106.33 106.41 106.61 106.65 106.94 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 107.20 107.28 107.32 107.38 107.56 107.66 107.82 107.67 107.55 107.39 107.25 107.10 二、具体设计要求如下:

1) 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

2) 根据辨识结果设计一个无差液位串级控制系统（给出带控制点的控制流程图、控制系统

原理图等，选择控制规律）；

3) 对设计系统进行仿真设计，首先按反应曲线法求出整定参数，然后按4:1衰减曲线法整

定运行参数。

4) 用组态王进行组态设计（完成组态画面，参数设定，趋势曲线显示等）参考图如图2-1

所示。

5) 完成串级控制系统的参数整定后，在1000s时加入进水流量20%阶跃扰动，观察分析响

应曲线。

对象三 主蒸汽温度串级控制系统（4-8人）

一、系统说明

本实验以某300MW机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，其原理结构图如下图所示：

图3-1 过热汽温串级控制系统原理结构图

由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：

图3-2 过热汽温串级控制系统方框图

过热汽温串级控制系统中主调节器WT1?s?采用比例积分微分（PID）调节器，其传递函数为：

WT1?s???1?111??Ts?K?K?Kd1s ?d1?p1i1?1?Ti1ss?式中：Kp1——主调节器比例系数(Kp1?1?1)；Ki1 ——主调节器积分系数(Ki1?1Ti1?1)；Kd1——主调节器微分系数(Kd1?Td1?1)。

过热汽温串级控制系统中副调节器WT2?s?采用比例（P）调节器，其传递函数为：

WT2?s??1?2?Kp2

式中：Kp2——副调节器比例系数(Kp2?1?2)。

过热汽温串级控制系统中导前区对象W2?s?和惰性区对象W1?s?传递函数分别按照第一部分确定的37%、50%、75%、100% 负荷下的对象传递函数确定。 某主汽温对象不同负荷下导前区和惰性区对象动态特性如下：

负荷比例 导前区 惰性区 37%

?5.072?1.048 2876[105251369305681s+ 14852831385004s+ 918363352844s+ 784s?56s?132463032788s5+ 717119674s4+10135196s3+ 89516s2+ 452s + 1] 50%

?3.0671.119

625s2?50s?1230539333248s7+ 38423222208s6+ 2744515872s5+ 108909360s4+ 2593080s3+ 37044s2+ 294s+ 1]

75%

?1.6571.202

400s2?40s?110734579485s7+ 2772769608s6+ 306948665s5+ 18877531s+ 696587s+ 15422s+ 189s+ 1] 432

100%

?0.8151.276 6543324s2?36s?138806720s+ 12654365s+1719343s+124590s+ 5078s+ 110s+ 1] 2

二、设计要求及步骤如下：

1、首先整定内回路，即副调节器参数的整定

根据图3-2在组态王和SIMULINK环境下搭建过热汽温串级控制系统仿真组态图（以负荷100%时为例），其中主回路反馈系数r1设为0（即断开主回路的反馈），同时令主调节器的比例系数Kp1?1，积分系数Ki1?0，微分系数Kd1?0。将阶跃信号输出模块（Step）的终值（Final value）设为过热蒸汽温度的稳态值535℃，仿真时间设为1000s，逐渐增加

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dk2d.html