基于单闭环回路+串级回路+前馈反馈回路PID控制的锅炉汽包温度控制仿真

一、组员任务分工说明

xxx同学负责绘画出带控制点的工艺流程图，并构建控制方案的原理方框图。xxx同学完成了在MATLAB中仿真模型的搭建，参数调试和仿真结果的分析整理。xxz同学负责整合上述两位同学的课设内容，撰写完整设计报告。

二、任务分析

锅炉是全厂重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足生产的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量包括负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量等，主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互耦合的复杂控制对象。
对于锅炉汽包温度控制系统来说，被控变量为汽包温度，主操纵变量为给水量。控制目的是汽包内温度在允许范围内波动。

三、对象特性分析

对象特性是指控制对象的输出参数和输入参数之间的相互作用规律。
此次课设中，假定影响汽包温度的主要因素仅考虑生产负荷和燃料量，并假设：
汽包温度对象的特性为：

燃料流量的特性为：

生产负荷对汽包温度的扰动特性为：

四、控制方案设计

4.1单闭环回路设计

4.2串级回路设计

4.3前馈反馈回路设计

前馈控制的是操纵变量（指执行器控制的某一工艺变量，在此次仿真中，也就是燃料量），不包括被控变量（即汽包温度）。

五、仿真结果与分析

5.1 单闭环回路设计仿真
闭环系统与给定信号和检测装置中的扰动无关，因为它具有较强的抗扰性能，但是单闭环系统对于有纯滞后的系统来说，仅仅依靠比例控制，如下图：

系统会产生较大的超调，并且反应时间会较长，最后稳定在给定值以上，即有静差。

所以要添加PID控制如下图：

PID参数正定，利用simulink模块自带整定，得出结果（参数详见报告）。

积分环节会消除静差，微分环节可以消除滞后，加快系统反应。
如图所示：系统超调减小，反应速度加快，调节过程变稳定。

5.2串级控制设计仿真
仿真模型如下：

仿真波形图如下：

将串级与原单闭环进行比较：超调量减少，反应时间由于滞后接近一致，也就是反应时间较快。进行内部的pid参数整定时需先将主回路断开，进行副回路的pid参数整定。如下图所示。

PID参数：
（1）外部的PID参数（参数详见文末获取）。
（2）内部的PID参数（参数详见文末获取）。

串级控制进行完参数整定后的响应曲线如图5.11所示。

5.3前馈控制系统设计仿真
仿真图如下：

仿真波形如下：

PID参数（参数详见文末获取）

与原单闭环进行比较：

结论是超调大幅度减小，反应时间变快。

六、设计总结与体会

6.1 结论
（1）无论是单闭环、串级还是前馈控制，都可以实现系统稳定。
（2）单闭环具有PID的控制系统可以快速调节，但是串级控制系统可以更大地减小超调，加快系统调节，而前馈控制系统通过提前消除扰动的影响，保证了系统的稳定性和快速性。

6.2 心得
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。所以学会熟练运用simulink对我们以后的学习有着很大的帮助。
通过对单闭环、串级和前馈控制系统的设计，让我们明白了PID各环节的作用以及三种方法的特点，让我们对过程控制这门课有了更多的了解。这此课设增强了我们小组成员的团队意识和分工合作能力。我们收获颇丰。