加热炉温度串级控制系统设计.docx

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加热炉温度串级控制系统设计

加热炉温度串级控制系统设计

摘要：

温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。

加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。

生产自动控制过程中,随着工艺要求,安全、经济生产不断提高的情况下,简单、常规的控制已不能适应现代化生产。

传统的单回路控制系统很难使系统完全抗干扰。

串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用．对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中。

结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性。

关键词：

干扰串级控制主回路副回路

Abstract:

Automaticcontrolofproductionprocess,withthetechnicalrequirements,security,economicproductionrisingcases,simple,conventionalcontrolcannotmeetthemodernproduction.Thetraditionalsingle-loopcontrolsystemisdifficulttomakethesystemcompletelyanti-interference.Cascadecontrolsystemwithgoodanti-jammingcapability,rapidity,flexibilityandqualitycontrol,andthereforeacomplexprocesscontrolindustryhasbeenwidelyused.Cascadecontrolsystemofthecharacteristicsandthemainandsub-loopdesignwaselaborate,designedcascadecontrolsystem,furnace,andMATLAB-basedincrementalPIDalgorithmisappliedinthecontrolsystem.Combinationofcomputer-basedcontrolmethodtoachievePIDparametertuningcascadecontrol,controlresultsshowthatthesystemhasexcellentcontrolaccuracyandstability

Keywords:

Cascadecontrol,interference,themaincircuit,theDeputyloop

1.前言3

2、整体方案设计4

2.1方案比较4

2.2方案论证7

2.3方案选择8

3、串级控制系统的特点9

4.温度控制系统的分析与设计10

4.1控制对象的特性10

4.2主回路的设计11

4.3副回路的选择11

4.4主、副调节器规律的选择11

4.5主、副调节器正反作用方式的确定12

5、控制器参数的工程整定13

6、MATLAB系统仿真14

6.1系统仿真图14

6.2副回路的整定16

6.3主回路的整定17

7.设计总结19

【参考文献】20

1.前言

随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用围越来越广泛。

而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。

现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为加热炉的自动化提供了有利条件。

加热炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。

目前，加热炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。

实现加热炉自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。

加热炉是将物料或工件加热的设备。

按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。

应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。

即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。

控制系统的这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。

串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。

2、整体方案设计

本设计的整体思路是：

利用对燃料量的控制最终来实现对原油温度的控制。

该控制分为主回路控制与副回路控制两部分。

在原油出口处设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器从而进行对燃料阀的流量控制，此控制为主回路被控参数控制。

在炉膛设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。

这样，便构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。

2.1方案比较

方案一、简单控制系统

温度调节器

是根据原料油的出口温度

与设定值的偏差进行控制。

当燃料部分出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数

的影响控制质量差。

当生产工艺对原料油出口温度

要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。

被控变量：

原料出口温度；

操纵变量：

燃料流量。

当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。

图2.1加热炉温度控制系统

图2.2加热炉出口温度单回路控制系统框图

方案二、串级控制系统

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

中间被控变量：

炉膛温度；

操纵变量：

燃料流量。

炉膛温度变化时，TSC可以及时动作，克服干扰。

图2.3加热炉温度串级控制系统

图2.4加热炉出口温度串级控制系统框图

方案三、前馈--串级控制系统

如果将上面两种控制系统的优点——温度控制器

对被控参数

的精确控制、温度控制器

对来自燃料的干扰

、

的及时控制结合起来，先根据炉膛温度

的变化，改变燃料量，改变炉膛温度控制器

的设定值，进一步控制燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。

图2.5加热炉出口温度前馈--串级控制系统

图2.6加热炉出口温度前馈--串级控制系统框图

2.2方案论证

方案一：

简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，传给，最终改变原料温度。

该过程时间常数大，可达到15min。

因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，制不及时，偏差在较长时间不能被消除。

方案二：

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

副回路具有先调、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。

由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。

方案三：

加入前馈控制器后，从干扰F（s）到被控参数Y（s）之间存在两个通道：

一个是通过干扰通道[传递函数为

]去影响被控参数Y（s），另一个是经过测量环节[FT,传递函数为

],和前馈控制器[FC,传递函数为

]及控制阀[传递函数为

]，产生控制作用，再经过控制通道[传递函数为

]去影响输出量Y（s）。

2.3方案选择

由于加热炉的温度对于保证产品的指标是非常重要的.控制效果好,即能保证产品质量又能提高产量。

某些加热炉炉出口温度控制非常困难,波动幅度大.控制不理想的原因在于被控对象十分复杂:

1、原料油的流量变化照成温度波动很大;

2、处理量频繁提降也造成出口温度的波动;

3、油品不断切换也使炉口的温度产生较大的波动;

4、加热炉的温度存在较大的时滞.

可以看出,加热炉系统是一个时变,大时滞,多干扰的复杂系统。

从加热炉工作特性可以看出,燃料量的多少是加热炉温度变化的决定因素。

但其变化过程是:

燃料量的变化首先引起炉膛温度的变化,由于炉膛温度产生变化,进而引起炉出口温度的改变.由此可见,对炉出口温度的控制采用炉膛温度与炉出口温度进行串级控制的控制方案是合理而且可行的,这种方案也有助于对一系列干扰的克服。

3、串级控制系统的特点

在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：

主回路和副回路，主、副调节器串联工作；住调节器输出作副负调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对参数的定值控制。

串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定围之。

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

副回路具有先调、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。

由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。

加热炉工艺过程为：

被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。

在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。

由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的要求。

为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。

4.串级控制系统的分析与设计

4.1控制对象的特性

假设副回路中各环节传递函数分别为：

=

=

=

将副回路反馈信号相加点由副调剂器前向后移至副对象之前，经简化，可得出其等效副对象为：

=

=

=

因：

=

<

=

<

因此，在此控制系统中，等效副对象的时间常数和放大倍数都缩小了，而且随着副控放大倍数Kc2整定得越大，等效副对象的放大倍数和时间常数缩小得越显著。

这相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节，这会使系统的响应速度加快，控制更为及时，有利于提高控制品质和系统可控性。

4.2主回路的设计

加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。

其它被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。

温度调节器对被控参数θ1（t）精确控制与温度调节器对来自燃料干扰、的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2（t）的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1（t）与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。

4.3副回路的选择

副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。

燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。

所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。

串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2（t）能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1（t），提高了主参数的控制效果。

4.4主、副调节器规律的选择

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。

在加热炉温度串级控制中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，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，选择PID调节作为主调节器的调节规律。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定围变化，允许有残差，所以我们的副调节器调节规律选择P控制。

4.5主、副调节器正反作用方式的确定

　　一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。

串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。

　　副调节器作用方式的确定：

　　出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的

>0。

然后确定副被控过程的

，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以

>0。

最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器大于0，副调节器作用方式为反作用方式。

　　主调节器作用方式的确定：

　　炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程

>0。

为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数K1>0，主调节器作用方式为反作用方式。

　　例如图2.3所示加热炉温度串级控制系统示意图，从加热炉安全角度考虑，调节阀应选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用方式。

反之，为负作用方式。

副对象的输入信号是燃料流量，输出信号是阀后燃料压力，流量上升，压力亦增加是正作用方式。

测量变送单元作用方式均为正。

5、控制器参数的工程整定

串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种。

两步整定法、逐步逼近法和一步整定法。

1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。

2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。

3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。

我们是用两步整定法来整定串级控制系统的参数。

6、MATLAB系统仿真

已知副对象传递函数为

主对象的传递函数为

我们采用临界比例度法来整定控制器参数。

临界比例度法又称稳定边界条件法，它是先让控制器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程，记下此时的比例度

和等幅振荡周期

，再通过简单的计算，求出衰减振荡时控制器的参数。

6.1系统仿真图

图6.1系统仿真框图

此时P为10.4，I为0.1，D为1.26，此时的波形如图6.2

图6.2系统仿真波形

对设定值施加干扰信号：

图6.3施加干扰时的波形

串级控制系统对干扰串级控制系统的副回路的存在，能够迅速克服进入副回路的干扰，从而极大的减小副回路干扰对住被控参数的影响；副回路的存在提高了系统住调节器对进入主回路干扰控制的快速性；由于副回路的存在，总放大系数提高了，抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有明显提高。

6.2副回路的整定

将主环路断开，副环路为比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。

图6.4副回路整定仿真图

副回路参数设定：

图6.5副回路参数

先对副回路进行整定，按要求，此时控制器为纯比例作用，在Simulink环境中建立系统模型。

图6.6副回路仿真波形

当P值为9时，衰减比基本可达到4：

1，此时比例度

为9，振荡周期

为8.8。

6.3主回路的整定

连接好主回路，保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1。

图6.7主回路整定仿真图

用临界比例度法对主回路进行整定，其纯比例条件下的系统图

主回路参数设定：

图6.8主回路参数

图6.9主回路仿真波形

衰减比为4：

1时的P值为13，此时比例度

为13，振荡周期

为14.1。

7.设计总结

通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。

回顾起此次加热炉出口温度前馈——串级控制系统设计，我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在接近一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师和同学的帮助下，终于游逆而解。

同时通过加热炉出口温度前馈——串级控制系统设计我学得到很多实用的知识，我对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

【参考文献】

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机械工业．2005

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