資訊與電氣工程學院
二零一四年十一月
液氨蒸發器溫度控制器設計
1. 設計任務
液氨蒸發器主、副物件的傳遞函式分別為：
， 主、副擾動通道的傳遞函式分別為：
，試分別採用單迴路控制和串級控制設計溫度控制系統，具體要求如下：
1) 分別進行控制方案設計，包括調節閥的選擇、控制器引數整定，給出相應的閉環系統原理圖；
2) 進行**實驗，分別給出系統的跟蹤效能和抗干擾性能（包括一次擾動和二次擾動）；
3) 說明不同控制方案對系統的影響。
2. 整體方案設計
2.1單迴路控制系統選擇
液氨蒸發器是乙個換熱裝置。它是利用液氨的汽化需要吸收大量熱量，以此來冷卻流經管內的被冷物料。
工業過程的輸入變數有兩類：控制變數和擾動變數。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統平穩操作的因素，而操縱變數是克服干擾的影響，使控制系統重新穩定執行的因素。
操縱變數的基本原則為：選擇對所選定的被控變數影響較大的輸入變數作為操縱變數；在以上前提下，選擇變化範圍較大的輸入變數作為控制變數，以便易於控制；在前面的基礎上選擇對被控變數作用效應較快的輸入變數作為控制變數，使控制系統響應較快；液氨流量方便控制，且對溫度的影響較大，故選擇液氨流量作為操縱變數。
2.2串級控制系統選擇
串級控制系統選擇主變數時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應盡量選擇能直接反應控制目的的引數為主變數；其次要選擇與控制目的有某種單值對應關係的間接單數作為主變數；所選的主變數必須有足夠的變化靈敏度。
故在本系統中選擇物料溫度作為主變數。
副迴路的設計質量是保證發揮串級系統優點的關鍵。副變數的選擇應遵循以下原則：應使主要干擾和更多的干擾落入副迴路；應使主、副物件的時間常數匹配；應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟型。
故選擇本系統中的液氨溫度為副變數。
2.3調節閥開關形式的選擇
調節閥的氣開、氣關形式需要考慮到以下幾種因素：
生產安全角度：當氣源供氣中斷，或調節閥出故障而無輸出等情況下，應該確保生產工藝裝置的安全，不至發生事故；
保證產品質量：當發生控制閥處於無源狀態而恢復到初始位置時，產品的質量不應降低；盡可能的降低原料、產品、動力損耗；
從生產安全的角度出發，物料溫度過高後果會很嚴重，必須加以控制。
所以為了防止物料溫度在失去控制訊號時過高發生危險，調節閥選擇氣關閥。
2.4控制器的選擇
在串級控制中，主變數直接關係到產品的質量或生產的安全，所以主變數一般要求不得有餘差，而對副變數的要求一般都不很嚴格，允許有一定波動和餘差。從串級控制的結構上看，主環是乙個定值系統，副環是乙個隨動系統。對於本系統由於溫度變化緩慢造成的滯後較大，為克服較大滯後，故主控制選用pi控制器,副控制器選用p控制。
3. 系統**與除錯
3.1單迴路控制系統控制器的引數整定**
圖3-1 單迴路控制系統方框圖
圖3-2 單迴路控制系統simulink**圖
**整定：
圖3-3 p=1,i=0
圖3-4 p=4,i=0
圖3-5 p=7,i=0
圖3-6 p=7,i=0.1
加入干擾後：
圖3-7 加入干擾
通過反覆試驗過程，由圖可知系統的階躍響應效果比較理想，此時整定的控制器引數比較合理。當然，還可以調整不同的引數組合，以取得滿意的輸出響應曲線。
3.2串級控制系統控制器的引數整定**
圖3-8 串級控制系統系統框圖
圖3-9 串級控制系統**圖
先整定副迴路：
圖3-10 復迴路整定**圖
k2=12
加入主迴路後整定：
k1=1,i=0
k1=1,i=0.1
k1=0.3,i=0.1
由圖可知系統的階躍響應效果比較理想，此時整定的主副迴路的引數比較合理。
加入干擾：
一次擾動
二次擾動
4.小結
由串級控制器和單迴路控制器的**圖比較可知。採用單迴路控制，系統的階躍響應達到要求時，系統對一次，二次擾動的抑制效果不是很好。串級控制系統對動態干擾過程改善更為明顯，在衰減比均為4:
1的情況下，串級控制系統對二次干擾相對於單迴路控制系統來說：超調量減少約25%，峰值時間減小2倍，過渡過程時間減小3倍，振盪頻率增加3倍。如果系統在二次干擾下滿足要求，那麼在一次干擾下一定可以滿足要求。
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