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过程控制课设报告
过程控制课程设计报告
设计题目:
无差温度控制系统的设计
学号:
130710203
姓名:
胡德鹏
指导教师:
谢玮
信息与电气工程学院
二零一六年十二月
无差温度控制系统的设计
1、设计任务
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900℃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,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(min)
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(min)
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);
(3)根据设计方案选择相应的控制仪表;
(4)对设计系统进行仿真,整定运行参数。
2、对象的动态特性分析
1、对象的动态特性
通过上述表中得到数据,用matlab求的其阶跃响应值如下表所示,然后进行归一化操作,画出原来表中的曲线图和阶跃响应的曲线图,如下图所示:
表一:
对象的阶跃响应
t(min)
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
y
0
0.5
1.94
4.01
5.69
7.1
8.27
9.26
10.07
10.73
11.27
y*
0
0.0337
0.1463
0.3024
0.4291
0.5354
0.6237
0.6983
0.7594
0.8092
0.8499
t(min)
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
y
11.72
12.11
12.44
12.71
12.92
13.07
13.16
13.22
13.25
13.26
13.26
y*
0.8839
0.9133
0.9382
0.9585
0.9744
0.9857
0.9925
0.9970
0.9992
1.000
1.000
用下面程序画图
clc;
dy=[00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.540.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00];
y
(1)=0;
fori=2:
22
y(i)=dy(i)+y(i-1);
end
forj=1:
22
ys(j)=y(j)/y(22);
end
t=(0:
1:
21).*60;
subplot(211)
plot(t,dy,'r','LineWidth',2.5);
holdon;
plot(t,y,'LineWidth',1.5);
title('脉冲响应曲线');
xlabel('t/s');
ylabel('y/¡æ');
subplot(212)
plot(t,ys,'LineWidth',2);
xlabel('t/s');
ylabel('y*');
title('y*曲线图');
disp(y);
disp(ys);
图1:
脉冲响应曲线
求得:
y(∞)=13.26+0=13.26℃
K=y(∞)/Δu=13.26℃/%10=1.326(℃/%)
图2:
归一化阶跃响应曲线
取
,
,得t1=226.2s,t2=529.5s,
由0.32 , 。 可求的T1=91.64s,T2=258.22s即对象传函为: Gp(s)=Y(S)/U(S)= (℃/%) 在simulink中,建模观察对象的阶跃响应曲线: 图3: 对象的阶跃响应曲线 由仿真结果可以看出,对象为自稳定系统,无超调,无纯延迟,但调节时间较长。 故所选择的控制器应具有快速性的特点,使系统尽快达到期望值。 对象特性分析: 为二阶自衡对象,没有纯延迟环节。 自衡率 = 0.754,响应速度 = =0.002652, 三、方案设计 1、根据已知条件建立对象数学模型。 1.1单回路PID调节 其控制原理图如下: 图4: 单回路控制方框图 为使系统尽快达到稳定值,调节器选择PID调节方式。 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: (mA/℃) 调节阀增益: 可得广义对象 1.2串级控制调节 选择炉膛的温度为副被调量。 图5: 串级控制示意图 其控制原理图如下: 图6: 串级控制方框图 SAMA图: 图7: SAMA图 副对象设计为一阶,传递函数为 主对象的传递函数为 副回路反应速度快,采取P或PD调节;主调节器采取PID调节方式。 2、控制仪表选型 所有仪表都是DDZ-III型。 2.1温度变送器 因为正常工作点是900℃,最大量程应为正常工作点的1.5倍左右,选变送器的最大量程为1100℃,最小为770℃,根据所需要的测量范围选择一体化温度变送器HHX-HE-配E分度热电偶温度变送器,量程是770~1100℃。 2.2调节阀 由于调节阀是用于燃料油流量的调节,选择气动调节阀,燃料油粘度较大,残渣比较多,为减弱腐蚀,防止堵塞,选用蝶形阀,再配合选用相应的电气转换仪表使用。 选择EPC1110-AS-OG/I电气转换器,参数如下: 输入信号输出信号线形度最大流量 4~20mA20~100kpa跨度的1%大于4.8t每小时 2.3确定工作方式。 调节阀: 从安全角度考虑,调节器信号突然消失时,调节阀应关闭,故选用气开阀, 为正。 副被控对象: 当燃料油增加时,炉膛温度升高, 为正。 主被控对象: 燃料油增加炉内温度升高, 为正。 检测变送器: , 均为正值。 主副调节器: 按照总增益为正定理, , 均为正,所以设反作用方式。 四、参数的整定 (1)单回路PID调节 (2)串级控制调节 按4: 1衰减曲线法整定运行参数。 两步整定法进行整定: ①整定副环。 主副回路闭合,并将主调比例带δ设为100%,按单回路整定得到衰减率ψ=0.75时的比例带和副被调量的振荡周期。 ②整定主环。 主副回路闭合,副调参数设为上述值,按单回路整定得到衰减率ψ=0.75时的主调比例带和被调量的振荡周期。 ③按上述计算按所选调节器类型,用衰减曲线法计算出调节器参数值。 由于对象为二阶,所以在整定副环时总是稳定,不起振。 故断开主回路,单独整定副回路,保证副回路的输出速度快即可。 然后再连接主回路按照②进行整定。 五、控制系统仿真 1、单回路系统仿真: 图8: simulink单回路仿真 仿真图形: 图9: 单回路仿真曲线 2、串级系统仿真: 图10: simulink串级仿真 仿真图形: 图11: 串级仿真曲线 六、结论 为方便比较,将单回路控制与串级控制的输出信号在同一示波器上比较: 图12: 单回路控制与串级控制整合图 仿真波形图: 图13: 无扰动时曲线图 串级控制系统的超调量只有约为1%,振荡较小,达到稳态所需的时间短,符合控制要求。 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。 通过仿真结果可以看到,串级控制系统可以更好的实现工程要求,有效克服扰动,保证了系统的稳定性和快速性。 串级控制系统,包含二次扰动的副回路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,对回路参数变化的自适应能力强。 综上所述,本设计选择串级控制系统。 七、设计心得 此次课程设计为加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计,内容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。 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。 通过这次课程设计,我对过程控制工程设计流程有了整体的认识,对过程控制有了更深的体会。 “纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。 ”只有经过亲身实践,才能把书本上的知识变成自己的实际本领。 在设计过程中遇到很多问题,从设计流程到最后的参数调整,谢老师耐心地帮我指出了很多错误,同学们也与我积极商讨。 感谢谢老师对我的指导和同学的帮助。
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