.............專業(yè)專注..專業(yè)專注........專業(yè)專注.中南大學(xué)自動(dòng)化工程訓(xùn)練報(bào)告姓名：*******學(xué)號(hào)：********班級(jí)：自動(dòng)化08**指導(dǎo)老師：徐德剛董密日期：2011-09-07

目錄前言 3第一章燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)概述 41.1蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值系統(tǒng) 41.2爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 6第二章系統(tǒng)辨識(shí) 82.1燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制 82.2爐膛負(fù)壓控制 8第三章系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 93.1燃料控制系統(tǒng) 93.2空氣流量控制系統(tǒng) 93.3負(fù)壓控制系統(tǒng) 10第四章控制系統(tǒng)參數(shù)整定 114.1燃料控制系統(tǒng) 114.1.1利用PIDTunner設(shè)計(jì)燃料控制系統(tǒng)PID控制器 114..1.2利用穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù) 134.2蒸汽壓力控制系統(tǒng) 154.3空氣流量控制系統(tǒng) 154.4負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償整定 16第五章控制系統(tǒng)Simulink仿真 18第六章工程訓(xùn)練感想 19前言過(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。在實(shí)際工程中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，很難準(zhǔn)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。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。過(guò)程建模方法主要有這么幾種：1．機(jī)理法用機(jī)理法建模就是根據(jù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(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。2．測(cè)試法測(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)，也稱為“黑箱模型”。復(fù)雜過(guò)程一般都采用測(cè)試法建模。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：（1）經(jīng)典辨識(shí)法不考慮測(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。（2）系統(tǒng)辨識(shí)法其特點(diǎn)是可以清除測(cè)試數(shù)據(jù)中的偶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。我們針對(duì)工程訓(xùn)練任務(wù)書中給出的系統(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。本報(bào)告主要分為以下幾章：第一章燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)概述 第二章系統(tǒng)辨識(shí) 第三章系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 第四章控制系統(tǒng)參數(shù)整定 第五章控制系統(tǒng)Simulink仿真 第六章工程訓(xùn)練感想第一章燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)概述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)。圖1.1燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)示意圖1.1蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值系統(tǒng) 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。 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)空氣量與燃料量的比值確定。圖1.2控制量示意圖（a）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(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1.2爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)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?，火焰及飛灰將爐膛不嚴(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)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)壓控制系統(tǒng)中，由于蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，燃料用量和送風(fēng)量的波動(dòng)會(huì)較大，所以通過(guò)測(cè)取引風(fēng)量，就可以的到干擾信號(hào)，利用反應(yīng)較快的動(dòng)態(tài)前饋控制，就可以很好的減小干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響。將前饋與反饋有效的結(jié)合，運(yùn)用前饋控制在擾動(dòng)發(fā)生后，及時(shí)抑制由主要擾動(dòng)引起的被控量所產(chǎn)生的偏差，同時(shí)運(yùn)用反饋控制消除其余的擾動(dòng)對(duì)負(fù)壓的影響。前饋控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：（1）屬于開(kāi)環(huán)控制只要系統(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，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。（2）很強(qiáng)的補(bǔ)償局限性前饋控制實(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。而且，在工程實(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。（3）前饋控制反應(yīng)迅速在前饋控制系統(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。（4）只能用于可測(cè)的干擾對(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。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。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)框圖圖1.4爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)方案第二章系統(tǒng)辨識(shí)2.1燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制燃料流量被控對(duì)象為：G燃料流量至蒸汽壓力關(guān)系為：G(S)=6蒸汽壓力至燃料流量關(guān)系為：G(s)=1/6蒸汽壓力檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：G(s)=2燃料流量檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：G(s)=6燃料流量與控制流量比值為：G(s)=1/5空氣流量被控對(duì)象為：G2.2爐膛負(fù)壓控制引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：G送風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：G第三章系統(tǒng)穩(wěn)定性分析3.1燃料控制系統(tǒng)燃料流量被控對(duì)象為：GMATLAB程序：G_Fuel=tf(1,[141],'inputdelay',4);margin(G_Fuel);[Gm,Pm,Wg,Wp]=margin(G_Fuel)G_Fuel=tf(1,[141],'inputdelay',4);margin(G_Fuel);[Gm,Pm,Wg,Wp]=margin(G_Fuel)圖3.1燃料被控對(duì)象Bode圖由圖可知，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180?，對(duì)應(yīng)增益為6.1512。3.2空氣流量控制系統(tǒng)空氣流量被控對(duì)象為：GMATLAB程序：G_Air=tf(4,[111],'inputdelay',3);G_Air=tf(4,[111],'inputdelay',3);margin(G_Air);[Gm,Pm,Wg,Wp]=margin(G_Air)圖3.2空氣流量被控對(duì)象Bode圖由圖可知，無(wú)調(diào)節(jié)器時(shí)，空氣流量控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)穩(wěn)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1.60313.3負(fù)壓控制系統(tǒng)引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：GMATLAB程序：G_LeAir_NegPres=tf(6,[81],'inputdelay',2);G_LeAir_NegPres=tf(6,[81],'inputdelay',2);margin(G_LeAir_NegPres);[Gm,Pm,Wg,Wp]=margin(G_LeAir_NegPres)圖3.3引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系Bode圖由圖可知，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。第四章控制系統(tǒng)參數(shù)整定4.1燃料控制系統(tǒng)4.1.1利用PIDTunner設(shè)計(jì)燃料控制系統(tǒng)PID控制器PID模塊位于MATLABSIMULINK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)。圖4.1PID模塊首先連接仿真模型，如圖4.2圖4.2燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)添加PID模塊雙擊打開(kāi)PID模塊的設(shè)置界面如圖4.3圖4.3PID模塊設(shè)置頁(yè)面在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。選擇好模式之后，單擊Apply，然后單擊Tune按鈕，PIDTuner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)。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。圖4.4PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊界面得到滿意的響應(yīng)曲線之后，單擊Apply按鈕，PIDTuner自動(dòng)設(shè)計(jì)的參數(shù)就已經(jīng)寫入到了參數(shù)設(shè)置框中，如圖4.5所示。圖4.5PID參數(shù)在PID模塊整定的參數(shù)之下，系統(tǒng)較好的達(dá)到了要求。圖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)4..1.2利用穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù) 首先使KI=0，調(diào)整KP使系統(tǒng)臨界振蕩，由BODE圖知，單位負(fù)反饋時(shí)，KP=6.1512附近系統(tǒng)振蕩，則當(dāng)負(fù)反饋系數(shù)為6時(shí)，KP=1.0252時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)振蕩。 系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應(yīng)如圖4.7所示。（a）系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖（b）系統(tǒng)臨界振蕩響應(yīng)圖4.7系統(tǒng)臨界振蕩仿真款圖及其振蕩響應(yīng) 記錄此時(shí)的振蕩周期T=15s和比例系數(shù)KCR=1.0252，則有KP=KCR2.2圖4.8穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)圖 與MATLAB的PID整定模塊相比，穩(wěn)定邊界法在超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間等方面不及PID自動(dòng)整定效果。4.2蒸汽壓力控制系統(tǒng) 在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎(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4.7所示，KP=1KI圖4.9蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖圖4.10蒸汽壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)4.3空氣流量控制系統(tǒng)圖4.11空氣流量控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖圖4.12空氣流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)4.4負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償整定由系統(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。圖4.13前饋控制原理圖在圖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。Gf(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的干擾通道傳遞函數(shù)；Gd系統(tǒng)輸出為：Y=X·由上式可知，消除可測(cè)干擾M的影響，可令M的系數(shù)為0，即可得到G因此，可以得到負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償函數(shù)為：G圖4.14負(fù)壓前饋反饋控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖圖4.15負(fù)壓前饋反饋控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)從仿真效果可以看出，前饋控制發(fā)揮了很好的作用。第五章控制系統(tǒng)Simulink仿真搭建完整的系統(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：圖5.1燃燒爐控制系統(tǒng)仿真框圖引入干擾信號(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。圖5.2燃燒爐控制系統(tǒng)仿真結(jié)果第六章工程訓(xùn)練感想為期兩周的工程訓(xùn)練已經(jīng)臨近尾聲,在這兩周里面,我們搭建了MATLAB仿真系統(tǒng)，仿真了從系統(tǒng)識(shí)別到調(diào)節(jié)PID參數(shù)調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)本次工程訓(xùn)練，使我對(duì)《自動(dòng)控制原理》這門課程有了更深入的理解?！蹲詣?dòng)控制原理》是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，為了學(xué)好這門課程，必須在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐。一個(gè)人的力量是有限的，要想把課程設(shè)計(jì)做的更好，就要學(xué)會(huì)參考一定的資料，吸取別人的經(jīng)驗(yàn)，讓自己和別人的思想有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，得出屬于你自己的靈感。程序的編寫需要有耐心，有些事情看起來(lái)很復(fù)雜，但問(wèn)題需要一點(diǎn)一點(diǎn)去解決，分析問(wèn)題，把問(wèn)題一個(gè)一個(gè)劃分，劃分成小塊以后就逐個(gè)去解決。再總體解決大的問(wèn)題。這樣做起來(lái)不僅有條理也使問(wèn)題得到了輕松的解決。在這個(gè)過(guò)程中，我也曾經(jīng)因?yàn)閷?shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏失落過(guò)，也曾經(jīng)仿真成功而熱情高漲。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見(jiàn)證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡(jiǎn)單