09/10学年第一学期《过程控制综合实验》实习任务书指导教师：班级：自动化地点：机房课程设计题目（范围）：燃烧过程控制综合仿真实验一、实习目的：《过程控制综合实验》是自动化专业专业课《过程控制工程》的后续实践性教学环节，是自动化专业的必修课。
本综合实验是为自动化专业《过程控制工程》课程服务的实践性教学环节，可以帮助学生完成从专业理论到工程实践的认识过程。
是培养学生综合运用《过程控制工程》的有关理论和技术知识解决实际问题，使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完整的工作内容和具体的设计方法，以达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。
《过程控制综合实验》是自动化专业专业课《过程控制工程》的后续实践性教学环节，是自动化专业的必修课。
通过综合实验，应能加强学生如下能力的培养：1、独立工作能力和创造力；2、综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；3、查阅图书资料和各种工具书的能力；4、提高学生有关控制系统的程序设计能力；5、编写技术报告和编制技术资料的能力。
二、实习内容（包括技术指标）1、查找资料，确定控制系统物理模型，建立数学模型，确定性能指标；1（1）建立燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统统数学模型。
燃料流量被控对象：1132)(+=s s G s e 3-燃料流量至蒸汽压力关系约为：3)(=s G 蒸汽压力至燃料流量关系约为：3/1)(=s G 蒸汽压力检测变换系统数学模型：1)(=s G 燃料流量检测变换系统数学模型：1)(=s G 燃料流量与控制流量比值：2/1)(=s G 空气流量被控对象：1113)(+=s s G s e 2-（2）建立炉膛负压控制系统数学模型。
引风量与负压关系：1710)(+=s s G s e - 送风量对负压的干扰：132)(+=s s G2、利用Matlab 或应用稳定性判据对系统稳定性分析；用matlab 画出被控对象的bode 图，计算出相位裕量与增益裕量 3、利用Simulink 建立控制系统各部分参数整定仿真框图（1）燃料控制系统临界振荡仿真框图。
为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI 形式，即:sK K S G IP C +=)(,其中，参数P K 和I K 采用稳定边界法整定。
图2 系统临界振荡仿真框图图3 燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图（2）蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图。
在燃料流量控制系统整定的基础上，整定蒸汽压力控制系统参数。
系统整定仿真框图如图4所示。
图4 蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图（3）空气流量控制系统参数整定。
（4）负压控制系统参数整定。
负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，此处不再赘述。
（5）负压控制系统前馈补偿整定。
采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：51517)(++=s s s G4、利用Simulink 建立燃烧炉控制系统仿真框图，得到仿真结果。
利用各整定参数对控制系统仿真，其框图如图5所示。
假定蒸汽压力设定值为10，炉膛负压设定值为5，系统受幅值±0.1的随机干扰。
图5 燃烧炉控制系统仿真框图三、成果要求1. 写出不少于5000字的综合设计实验说明书，统一用A4纸手工书写，字迹工整。
2.主要内容及装订顺序：封面、进度计划完成情况、成绩考核表、目录、正文、主要参考文献。
3.正文部分应包含以下几项内容：（1）控制系统简介（2）控制系统分析（3）控制系统参数整定仿真框图的建立（4）整个控制系统仿真框图的建立（5）写出设计工作小结。
对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。
（6）设计报告严禁抄袭，如有雷同，按不及格处理。
四、时间安排目录1 控制系统简介 (1)2控制系统分析 (2)2.1 燃烧量控制 (2)2.2 送风量控制 (2)2.3 引风量控制（负压控制） (3)3利用Matlab或应用稳定性判据对系统稳定性分析 (4)3.1 稳定判定 (4)3.2 空气流量被控对象 (5)3.3 引风量与负压关系 (7)3.4 送风量对负压的干扰 (8)3.5 前馈补偿函数 (9)4利用Simulink建立控制系统各部分参数整定仿真框图 (11)4.1 燃料控制系统临界振荡仿真框图 (11)4.2蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图 (17)4.3 空气流量控制系统参数整定 (19)4.4 负压控制系统参数整定 (21)5 利用Simulink建立燃烧炉控制系统仿真框图以得到仿真结果 (23)6 总结 (25)主要参考文献 (26)燃煤锅炉的控制过程会受到许多不可测扰动的影响,加之过程含有时滞,故仅采用常规反馈控制很难有效地消除这些不可测扰动的影响。
目前常用的解决方法是估计扰动的模型,采用补偿的办法。
但锅炉实际运行中的扰动是无法完全估测或不易测量的。
简单的扰动模型不能对扰动作出完全的估计,因而给其控制带来很大困难。
而利用燃烧过程中可测量的输出量,推断不可测扰动对过程主要控制量影响的控制思想———推理控制正好可解决上述问题。
因此本系统的设计框图如下：图1.1控制系统图任务：使锅炉的燃烧工况与锅炉的蒸汽负荷要求相适应，同时保证锅炉燃烧过程安全经济的运行。
2.1 燃烧量控制目的：使进入锅炉的燃料燃烧所产生的蒸汽量满足的外部负荷要求信号。
燃料量控制方案：燃料量控制采用单回路控制方式，副调节器燃料控制调节器接受蒸汽压力的信号。
燃料量控制系统为串级系统，主调节器接受反馈压力信号和压力定值信号比较后所得偏差经过主调节器运算后输出校正信号，该信号作用于副调节器入口作为定值信号。
副调节器输出调节信号去改变燃料量的值，以适应负荷要求，调节结束后，系统应保证机前压力恢复到给定值。
燃料量信号反馈到调节器入口，用以克服来自燃料侧的内扰。
2.2 送风量控制任务：保证锅炉燃烧过程的经济性控制方案：燃料流量与控制流量的比值G(s)=1/2。
采用单回路控制送风量。
2.3 引风量控制（负压控制）任务：引风量控制应使引风量与送风量相适应，并保持炉膛压力在要求的范围内。
控制方案：引风量调节器入口接受炉膛压力反馈信号和给定信号。
炉膛压力信号为被控量，正常时取两侧炉膛压力测量值得平均值，异常时两侧炉膛压力偏差超过允许范围，取两侧中的较大值。
炉膛压力控制为单回路控制系统，给煤量采用比例微分的形式作为前馈信号加到调节器PI算法的输出上对引风量进行校正。
测量值经过一阶惯性环节处理的目的是为减少信号波动的影响，使得执行机构减少波动，执行机构动作相对平稳对控制设备安全有利。
在这个系统中，高低负荷时控制的变化时调节器中自动改变比例来实现的。
前馈补偿信号：送风量调节器的输出。
目的是为了稳定炉膛压力，减小其动态偏差，更好地协调送，引风之间的关系。
3 利用Matlab 或应用稳定性判据对系统稳定性分析3.1 稳定判定1132)(+=s s G s e 3-s=tf('s'); num=2; den=[13 1]; G=tf(num,den); G.iodelay=3; bode(G)计算出相位裕量与增益裕量 [Gw, Pw, Wcg, Wcp]=margin(G) Gw = 3.7283 Pw = 97.1000 Wcg = 0.5684 Wcp = 0.13323.2 空气流量被控对象1113)(+=s s G s e 2->> g=tf([3],[11 1],'inputdelay',2) Transfer function: 3 exp(-2*s) * -------- 11 s + 1 >> bode(g)计算出相位裕量与增益裕量>> [Gw, Pw, Wcg, Wcp]=margin(g) Gw =3.0956Pw =80.0063Wcg =0.8393Wcp =0.25713.3 引风量与负压关系1710)(+=s s G s e - >> g=tf([10],[7 1],'inputdelay',1)Transfer function: 10 exp(-1*s) * ------- 7 s + 1 >> bode(g)计算出相位裕量与增益裕量 >> [Gw, Pw, Wcg, Wcp]=margin(g)Gw = 1.1641Pw = 14.3208 Wcg = 1.6568 Wcp = 1.42103.4 送风量对负压的干扰132)(+=s s G >> g=tf([2],[3 1]) Transfer function: 2 ------- 3 s + 1 >> bode(g)计算出相位裕量与增益裕量 >> [Gw, Pw, Wcg, Wcp]=margin(g) Gw = Inf Pw = 120.0007 Wcg = NaN Wcp = 0.57733.5 前馈补偿函数51517)(++=s s s G>> g=tf([7 1],[15 5])Transfer function: 7 s + 1 -------- 15 s + 5 >> bode(g)计算出相位裕量与增益裕量>> [Gw, Pw, Wcg, Wcp]=margin(g) Gw =InfPw =InfWcg =NaNWcp =NaN4 利用Simulink 建立控制系统各部分参数整定仿真框图4.1 燃料控制系统临界振荡仿真框图为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI 形式，即:sK K S G IP C +=)(,其中，参数P K 和I K 采用稳定边界法整定。
从PID 控制器的3个参数的作用可以看出3个参数直接影响控制效果的好坏,所以要取得较好的控制效果,就必须对比例、积分、微分3种控制作用进行调节. 总之,比例主要用于偏差的“粗调”,保证控制系统的“稳”；积分主要用于偏差的“细调”,保证控制系统的“准”；微分主要用于偏差的“细调”,保证控制系统的“快”。
过程控制系统中常用的P ID 校正装置传递函数为：()IP D K G s K K s s=++ 4-1 其中P K 、I K 、D K 分别是比例系数、积分系数、微分系数.Simulink 环境仿真的优点是:框图搭建非常方便、仿真参数可以随便修改。
表4-1 稳定边界法参数整定的计算公式使用稳定边界法整定PID 参数分为以下几步。
1)将积分系数I K 和微分系数D K 设为0，P K 置较小的值，使系统投入稳定运行。