过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统解析.docx

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过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统解析

《过程控制》课程设计

题目:

燃油加热炉温度控制系统

班级：

学号：

姓名：

同组人员：

任课教师：

张虹

完成时间：

2013年10月30日

一、设计任务及要求----------------------------------------------------------------------3

二、被控对数学模型建模及对象特性分析------------------------------------------3

2.1对象数学模型的计算及仿真验证--------------------------------------------3

2.2对象特性分析--------------------------------------------------------------------5

三、控制系统设计-------------------------------------------------------------------------5

3.1基本控制方案--------------------------------------------------------------------5

3.2控制仪表选型--------------------------------------------------------------------9

3.3参数整定计算-------------------------------------------------------------------10

3.4控制系统MATLAB仿真-----------------------------------------------------10

3.5仿真结果分析-------------------------------------------------------------------11

四、设计总结------------------------------------------------------------------------------12

一、设计任务及要求

1.在模壳浇铸、焙烧时常用燃油炉，烧制过程中需要对温度加以控制，对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到500℃时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约

，即

，持续

后结束，等间隔

记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量

的无差温度控制系统。

t（点）

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

℃

0

0.5

1.44

2.07

1.68

1.41

1.17

0.99

0.81

0.66

0.54

t（点）

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

（℃）

0.45

0.39

0.33

0.27

0.21

0.15

0.09

0.06

0.03

0.01

0.00

具体设计要求如下:

（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；画出控制系统SAMA图；

（3）根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图；

（4）对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:

1衰减曲线法整定运行参数。

（5）★用MCGS进行组态设计。

二、被控对数学模型建模及对象特性分析

2.1对象数学模型的计算及仿真验证

根据矩形脉冲响应数据，得到阶跃响应数据，并进行相应的归一化处理，得：

表2

t（s）

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

℃

0

0.5

1.44

2.07

1.68

1.41

1.17

0.99

0.81

0.66

0.54

y

0

0.5

1.94

4.01

5.67

7.18

8.35

9.34

10.15

10.81

11.35

y*

0

0．037

0.145

0.300

0.425

0.538

0.626

0.700

0.761

0.810

0.851

t（s）

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

℃

0.45

0.39

0.33

0.27

0.21

0.15

0.09

0.06

0.03

0.01

0.00

y

11.80

12.19

12.52

12.79

13.00

13.15

13.24

13.30

13.33

13.34

13.34

y*

0.884

0．914

0.938

0.958

0.974

0.986

0.992

0.997

0.999

0.999

1

则y（∞）=13.34

K=y（∞）/Δu=0.5336（℃/％）

Matlab画出图像：

程序如下：

clear;

t=0:

100:

2100;

yi=[00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.540.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00];

ys=[00.51.944.015.697.188.359.3410.1510.8111.3511.812.1912.5212.791313.1513.2413.313.3313.3413.34];

ym=[00.0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.8510.8840.9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.99911]

plot（t,yi）;%画出脉冲响应曲线

holdon;

plot（t,ys）;%画出单位阶跃响应曲线

holdon;

gridon;

figure;

plot（t,ym）;%画出归一化阶跃响应输出曲线

gridon;

脉冲响应及阶跃响应输出曲线

归一化输出曲线

从图中取y*（t1）=0.4,y*（t2）=0.8，得：

t1=382s,t2=882s

因为t1/t2=0.433<0.46,所以选用2阶传函。

又因为：

，

。

求得T1=166s，T2=419s

得到对象传递函数为：

对象仿真图如下：

2.2对象特性分析

为二阶自衡对象，没有纯延迟环节。

自衡率

=

1.88，响应速度

=

=0.0021，

三、控制系统设计

3.1基本控制方案

从设计的简约性和实用性考虑，首先考虑单回路的控制方法，由于对象的容量较大，而炉内温度的测量较难，所以单回路的控制方法难以得到较好的效果，所以经过仔细比较，最终决定采用虽然复杂一些，但是控制效果更好的串级控制方法。

为了更好的反应串级方式相对于单回路的优点，小组决定用两种控制方法都试验一下，用事实说话。

（1）首先采用单回路控制方法，考虑到系统的速度和稳定性的要求，选用PID控制规律。

单回路系统控制原理图如下:

根据对象特性整定参数（采用齐勒格-尼克尔整定方法）

变送器增益：

调节阀增益：

得广义对象传函：

根据广义对象画出输出曲线见图5，程序：

clc;

K0=0.16;

num=K0;

den=conv（[419,1],[166,1]）;

G0=tf（num,den）;

step（G0）;

k=dcgain（G0）;

读图可知：

τ=60,T=700

最终整定参数如下：

δ=0.85ετ=0.112;kc=

；Ti=2τ=120;Td=0.5τ=30;

参数带入PID控制器之后震荡剧烈，稳定性差，所以kc减小，适当增加Td，经过多次调节之后取kc=3，Ti=120，Td=200；

SIMULINK仿真图（带扰动）如下:

很明显，调节速度慢，而且超调过大，所以舍弃这种方法。

（2）串级控制方式：

1.扰动分析：

燃料：

压力、流量、成分和热值等

原料：

进料量、进料温度

若炉内温度作为副被调量，拥有客服克燃料油影响，如温度、成分等，其所属扰动包含了较多扰动，即可能多的扰动可进入副回路。

串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。

副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。

2.在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

在燃油炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，选择炉壁温度为副调参数。

由于原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，主回路选择PID调节作为主调节器的控制规律，而副回路由于考虑稳定性的原因，考虑用P控制规律。

3.调节阀：

从安全考虑，选气开，Kv为正

副对象：

调节阀开，炉膛温度升高，Kp2为正

副调节器：

Kc2为正，即反作用调节器

主对象：

炉温升高，出口温度升高，Kp1为正

主调节器：

Kc1为正，即反作用调节器

Kc2为正，切主调时主调不改变作用方式

4.控制流程图

控制系统原理图：

控制系统SAMA图：

3.2控制仪表选型

1.温度变送器

变送器选用DDZ-Ⅲ控制仪表。

在主回路的对象为原料油出口温度，约为500度，故所设计的的范围为420度到750度。

副对象为炉膛温度比较高，故所选的变化的范围600度到1000。

主回路的变送器传函：

副回路的变送器传函:

根据设计要求变送器检测温度范围较大，选择NHR-M32智能温度变送器，测量范围为0—1300

。

控制器要求具有PID调节功能，选择HR-WP模糊PID自整定调节器

原理接线图

2.阀门的选择

由于燃油具有较强的腐蚀性，里面的残渣比较多，而且由于安全性的要求，所以，经过比较最终决定选择气动蝶阀，最大流量大于4.8t每小时。

3.3参数整定

由上面讨论可知主回路选用PID控制，副回路选用P控制，所以参数整定如下：

1.副回路参数整定

调节副环。

将主调节器

设为1，

和

设为0，副调器

设为1

逐步调节副回路的kc。

.此时经过微小调整得到副回路P控制器

=6.

2、主回路整定：

将副调节器

=6，主回路加入PID，逐步调节

、

、

的值，使输出符合要求，记下此时的

3.4Simulink仿真图（带扰动）如下:

将两者比较如下：

分析:

经过改进，串级控制系统的超调量只有约为3%，符合控制要求，并且调节时间也有很大程度上改善，通过与单回路PID控制对比可以发现系统的动态特有很大改善。

扰动分析：

从图中可以看出，在2500s时分别加入幅值为2的干扰信号，串级控制对扰动有很强的抗干扰能力。

相比较上图的单回路抗扰动输出，又可以看出的串级控制的优越性。

3.5仿真结果分析

通过仿真结果可以看到，串级控制系统可以跟好的实现工程要求，有效克服扰动，很好的实现了系统的稳定性。

串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次扰动有很强的克服能力；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

综上所述，本设计选择串级控制系统。

四：

设计总结

此次课程设计---加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计，使用到了过程控制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法，PID调节器的参数工程整定，串级控制系统的性能分析等。

 刚开始设计时，在主、副控制器选择上，考虑到主被控变量是加热炉温度，允许波动的范围很小，要求无余差，主控制器选了PID控制。

副控制器直接采用了P控制考虑到如果引入积分控制可能反而会降低副回路的快速性，降低控制效果。

在串级系统整定时，开始准备用逐步逼近法，以为这种方法可以将系统调试到接近最优状态，但经过实际操作，发现这种方法很繁琐，费时费力，就考虑使用实践中常用的一步整定法，操作后感觉不仅操作简便，而且也可以达到满意效果，很适合本次系统设计。

在PID参数整定时，也是用到了比较常用的衰减曲线法。

通过此次课程设计，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。