单回路控制系统的模拟及数字仿真研究.doc

引 言 在热工生产过程中，单回路控制系统虽然结构简单，但却是最基本而且应用最多的控制系统。例如，火电厂中间储仓式制粉系统中的磨煤机控制和除氧器控制。 单回路控制系统已有100多年历史，而且在当前的过程工业中还有将近80%的控制系统属于这种简单控制方法。它之所以有如此强大的生命力，不仅因为它结构简单易于实现，而且还由于它是基于误差进行控制，因而有很强的适应能力，能够满足大多数生产对控制的要求。 单回路MFA控制系统即无模型自适应控制，是一种无需建立过程模型的自适应控制方法无模型自适应控制系统应具有如下属性或特征无需精确的过程定量知识；系统中不含过程辨识机制和辨识器；不需要针对某一过程进行控制器设计；不需要复杂的人工控制器参数整定；具有闭环系统稳定性分析和判据，确保系统的稳定性。1.1 单回路控制系统概述 单回路反馈控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个测量变送器系统。、一个控制器和一个执行器所组成的，对一个被控变量进行控制的单回路反馈 闭环控制 单回路控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产中应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。 在热工生产过程中，最基本的且应用最多的是单回路控制系统。即使在高水平的自动化控制方案中，单回路控制系统目前仍占控制回路的绝大多数。而且各种复杂控制系统都是在单回路控制系统的基础上发展起来的，因此熟练掌握了单回路系统的设计方法稍加拓展就可以设计复杂系统。 1.2 单回路控制系统设计的基本思路 单回路控制系统设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。 单回路控制系统的设计步骤： ⑴在模拟机上获取对象的传递函数 ⑵据此传递函数借助SIMLINK用广义频率法和动态参数法分别进行整定，确定调节器的参数，并比较两组方法。 ⑶用模拟机和数字机分别进行仿真，并比较仿真结果 ⑷借助MATLAB仿真程序计算出系统校正前后各项性能指标。 第二章 单回路控制系统的分析 2.1 单回路控制系统的组成 单回路控制系统的组成原理方框图如下图所示，它是仅由一个测量变送器，一个调节器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的负反馈控制系统。如图2-1所示: 图2-1 单回路控制系统组成原理方框图 2.2 被调量的选择 被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量，如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度，所以汽温控制系统的被调量就是过热器出口汽温。 但是生产过程中，有些工艺参数目前还没有得到测量手段，如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。这种情况下往往采用间接参数作为系统的被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则要采用相应的补偿措施。对于那些虽有直接测量手段，但所测得的信号过于微弱或延迟较大的情况，不如选用间接参数作为系统的被调量。 2.2.1 控制对象的选择 选择什么样的控制量去克服扰动对被调量的影响呢？原则上是选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量，一般不应该选择工艺上的主要物料或不可控制的变量作为控制量。例如：火力发电厂的锅炉负荷控制系统，其被调量是主蒸汽压力，而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进汽量的锅炉燃料量，前者是电力生产要求所确定的，因而不能作为控制量而只能选择燃料量作为系统的控制手段。 2.2.2 控制通道和扰动的通道 单回路控制系统传递方框图如图2-2所示，图中W(s)为对象的传递函数，它是包括了检测单元、测量变送器、执行机构和调节阀在内的广义对象特性；为调节器的传递函数，D为扰动信号，为被调量与扰动信号间的传递函数。扰动信号D经影响被调量的信号通道称为扰动通道；调节器输出的控制信号U通过影响被调量的信号通道称为控制通道。 图2-2 单回路控制系统的传递方框图 2.2.3 影响系统控制质量的主要因素 由单回路控制系统的组成可知，影响控制系统的控制质量的主要因素来源于调节器的特性和受控对象的特性，因为调节器和对象是该系统的组成部分。 2.3 调节器的控制规律 ⑴比例调节（P）⑵积分调节（I）PI）PI调节引入积分动作带来消除系统残差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大 2.4 对象特性对控制过程的影响 由自动控制理论知，控制过程的品质指标一般用衰减率、动态偏差、稳态偏差、过