精品加热炉前馈串级控制系统.docx
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精品加热炉前馈串级控制系统
加热炉前馈--串级控制系统
第1章课程设计的方案
1.1概述
在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的。
例如在砂浆工艺中，使浆液的温度保持恒定值，对保持浆液粘度和浓度不变，进行均匀上浆是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制；另外，由于砂浆机中蒸气压力和卷绕速度的变化使烘干温度变化很大，因此，测量和控制烘筒的温度非常重要。
加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。
在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。
为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。
加热炉是钢铁企业热轧生产过程的关键设备之一，其性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量钢坯成材率、轧机设备寿命以及整个主轧线的有效作业率．加热炉控制系统对加热炉的控制系统来讲占有很重要的地位，它对于坯料加热温度的均匀，温度控制的准确，合理进行燃烧，节约燃料，减少有害气体对环境的污染都有重要意义
单回路控制系统解决了大量的定值控制问题。
随着现代工业生产规模越来越大，复杂程度越来越高，产品质量要求也越来越高，简单控制系统已经不能满足这些要求。
前馈—串级控制系统是工业生产中很常见的一种系统，它将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈—反馈复合控制系统。
这样既发挥了前馈控制即使克服主要干扰被控参数影响的优点，又保持了反馈控制能抑制各种干扰的优势，同时也降低了对前馈控制器的要求，便于工程上的实现。
第2章课程设计方案论证
2.1方案选定
2.1.1简单控制系统
加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。
因此，常选原料油出口温度
为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图2.1所示的温度控制系统。
影响原料油出口温度
的干扰有原料油流量
、原料油入口温度
、燃料压力
、燃料压力
等。
该系统根据原料油出口温度
变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。
图2.1加热炉出口单回路温度控制系统
由图2.1可知，当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度。
从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。
而温度控制器
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，图2.1所示的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
要求严格时，上述简单控制系统很难满足要求。
燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度
变化，再通过炉膛与原料油的温差将热量传给原料油，中间还要经过原料油管道管壁。
显然，燃料量变化或燃料热值变化，首先使炉膛温度发生改变。
如果以炉膛温度作为被控参数组成单回路控制系统，会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3min，对来自燃料的干扰
、
的控制作用比较及时，对应的控制系统如图2.2所示。
但问题是炉膛温度
毕竟不能真正代表原料油出口温度
，即使炉膛温度恒定，原料油本身的流量或入口温度变化仍会影响原料油出口温度，这是因为来自原料油的干扰
、
并没有包含控制系统（反馈回路）之内，控制系统不能克服
、
对原料油出口温度的影响，控制效果仍达不到生产工艺要求。
图2.2加热炉炉膛温度控制系统
2.1.2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，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
与设定值的偏差，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。
在以这个串级控制系统作为反馈回路，将前馈和反馈相加的信号作为炉膛温度控制器的设定值，组成相加型前馈和串级反馈的控制系统。
这样干扰
、
对原油出口温度的影响主要由炉膛温度控制器（构成的控制回路进行校正；由原料油出口温度控制器）构成的控制回路克服干扰
、
对原料油出口温度
的影响，并对其他干扰所引起的
的偏差进行校正。
综上所述，由于加热炉动态性复杂，存在多种扰动，简单控制系统难以满足控制要求，所以采用前馈--串级控制系统。
第3章加热炉前馈--串级控制系统的设计和器件选择
前馈--串级控制系统的串级系统采用两套检测变送器和两个控制器，前一个控制器的输出作为后一个控制器的设定，后一个控制器的输出送往控制阀。
前一个控制器称为主控制器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个控制器称为副控制器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
串级部分包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副控制器、控制阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主控制器、副控制器、控制阀、副过程和主过程构成。
前馈—串级控制系统的前馈系统采用一个控制器和一个变送器，当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。
图3.1加热炉出口温度前馈--串级控制系统
图3.2加热炉出口温度前馈--串级控制系统结构框图
3.1前馈--串级控制系统的串级系统
一、主回路设计
主回路设计就是确定被控参数，根据被控参数与生产过程的关系，被控参数的选择通常有两种方法。
一种是选择能直接返应生产过程中产品产量和质量，易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。
但有时由于缺乏检测直接反映产品质量参数的有效手段，无法对产品质量参数进行直接检测，这时可以选择与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量作为被控参数，间接反映产品质量、生产过程的实际情况。
二、副回路的设计与副参数的选择
副回路的选择是确定副回路的被控参数，串级系统的特点主要来源于它的副回路，副回路的参数选择一般应遵行下面几个原则：
（1）主、副参数有对应关系。
即通过调整副参数能有效地影响主参数，副参数的变化应反映主参数的变化趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择的副参数必须是物理上可测的；另外，由副参数所构成的副回路，控制通道尽可能短，控制过程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反应速度，改善系统控制品质。
（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰。
在选择副参数时一定要把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中，但也不是副回路包含的干扰越多越好，因为副回路包含的干扰越多，其控制通道时间常数必然越大，响应速度变慢，副回路快速克服干扰的能力将受到影响。
所以在选择副参数时，应在副回路反应灵敏与包含较多干扰之间进行合理的平衡。
（3）副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生。
在串级控制系统中，主、副回路中控制过程的时间常数不能太接近，一方面是为了保证副回路具有较快的反应能力，另一方面由于在串级控制系统中，主、副会理密切相关，如果主、副回路中的时间常数比较接近，系统一旦受到干扰，就有可能产生“共振”，使控制质量下降，甚至使系统因震荡而无法工作。
在选择副参数时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为3~10，以减少主、副回路的动态联系、避免“共振”。
（4）应注意工艺上的合理性和经济性。
三、主、副控制器控制规律的选择
在串级控制系统中，主，副控制器起的作用不同。
主控制器起定值控制作用，副控制器起随动控制作用，这是选择控制器规律的基本出发点。
主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主控制器应选PI或PID控制规律。
副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。
为此，副控制器选择P控制规律。
四、主、副控制器正、反作用方式的确定
在串级控制系统中，主、副控制器正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈。
串级控制系统中，主、副控制器的正反作用的选择方法是：
首先根据工艺要求决定控制阀的气开、气关形式，并决定副控制器的正反作用;然后再依据主、副过程的正、反形式最终确定主控制器的正、反作用方式。
由图3.2可以得到，从生产工艺安全出发，燃料油控制阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，控制阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。
对于副控制器，当炉膛温度升高时，测量信号增大、为保证副回路为负反馈，此时控制阀应关小，要求副控制器输出信号减小。
按照测量信号增大，输出信号减小的原则要求，副控制器应为反作用方式。
对于主控制器，当副参数升高时，主参数也升高，故主控制器应为反作用方式。
五、前馈--串级控制系统的串级系统的控制过程
1、主被控变量：
加热炉出口温度2、副被控变量：
炉膛温度
3、控制阀：
从安全角度考虑，选择气开控制阀，
>0。
4、副被控对象：
控制阀打开，燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，
>0。
5、副控制器：
为保证负反馈，应满足
>0。
因
>0,应选
>0,即选择反作用控制器。
6、主被控对象：
当炉膛温度升高时，出口温度升高，因此，
>0。
7、主控制器：
为保证负反馈，应满足
>0。
因
>0,应选
>0。
即选用反作用控制器。
8、主控方式更换：
由于副控制器是反作用控制器，因此，主控制器从串级切换到主控制时，主控制器的作用方式不更换，保持原来的反作用方式。
该串级控制系统的控制过程如下：
当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因副控制器是反作用，因此，控制器输出减小，控制阀是气开型，从而控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控制回路的控制，减小燃料量，减低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。
3.2前馈--串级控制系统的前馈系统
一、前馈控制系统的原理
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）。
干扰F（s）对被控参数Y（s）影响：
如果要F（s）对被控参数Y（s）没有影响，可以得到完全抵消的条件为：
即：
二、前馈控制系统的通用模型
按照不变性条件，求得前馈控制器的传递函数表达式，即：
（1）
实践证明，很多工业过程都有过阻尼特性，因此，常常将被控过程的控制通道和扰动通道用一阶或二阶的容量滞后模型来近似，必要时串联一个纯滞后环节，即：
（2）
（3）
将式
（2）和式（3）代入
（1）得到：
参数取不同值时，可获得不同特性的前馈控制器。
3.3主、副控制器选用
以单片机89C51为控制器，将温度传感器得到的微弱电信号，经仪表放大器放大后，送入转换器，转化结束后，89C51读取转换结果，当炉温低于设定温度时，启动加热控制部件，使炉温升高，以满足现场要求．当炉温高于设定温度时，实时地切断加热源．采用单片机来对炉温实时控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且提高了炉温控制精度的技术要求，从而大大提高了产品的质量．
DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。
III型仪表具有以下主要特点：
（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4~20mA，控制室联络信号为DC1~5V，信号电流与电压的转换电阻为250
。
（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。
（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。
DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。
DDZ-III型PID控制器的结构框图如图3.3。
主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。
控制器接收变送器送来的测量信号（DC4~20mA或DC1~5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。
图3.3DDZ-III型控制器结构框图
3.4主、副电路检测器和变送器的确定
一、温度检测器
热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。
具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。
热电阻也可以作为温度传感元件。
大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。
热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。
副回路中的温度变送器2检测的是炉膛的温度
，一般较高，故选择热电偶；主电路的温度变送器1则检测的是原料油的出口温度
，温度较低，选择热电阻即可。
在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。
补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。
用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。
具体的方法有：
查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。
采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。
为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。
同时，热电阻必须用三线接法，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。
二、温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。
变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。
因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与控制器等其他仪表配合工作。
图3.4给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。
图3.4温度变送器原理框图
MAT-TT系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200～1300℃的温度信号转换为标准4～20mA电流信号实现对温度精确测量与控制。
MAT-TT系列温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用，并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。
仪表主要特点：
温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适应于各种恶劣和危险场所使用。
冷端、温漂、非线形自动补偿。
液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。
技术指标：
（1）基本误差：
±1.0%、±0.5%、±0.25%二线制输出、无需补偿导线。
（2）输出信号：
4～20mA抗干扰能力强、远传性能好。
（3）负载电阻：
250Ω允许范围为0～500Ω结构简单、合理安装方便。
（4）供电电源：
24VDC允许范围为18～30VDC小型化、安全可靠、使用寿命长。
（5）温度漂移：
≤0.015%/℃三线制、二线制输入方法通用。
（6）环境温度：
-25～60℃、相对湿度：
≤95%液晶显示现场温度，清晰度高，无视觉误差。
3.5控制阀的确定
由前文得，从生产工艺安全出发，燃料油控制阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，控制阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。
控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。
气动控制阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动控制阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动控制阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。
故本设计采用了气动控制阀，且为气开形式。
HY系列气动阀采用国产或进口精小型气缸或气动执行器与国产或台湾产优质蝶阀或球阀组合而成，其以压缩空气为动力，带动阀芯旋转90°以实现快速启闭目的，可广泛应用于石油、化工、制药、污水处理等行业中的自动控制系统。
HYQQF-L系列特别适用于防爆危险场所及现场工况需要启闭频繁速度快，密封要求高的自控制场所，其作用形式可分为单作用和双作用两种控制方式。
单作用式的独特优点是一旦动力源发生故障，球阀将控制系统的要求自动处于关闭或开启位置。
3.6串级控制系统的参数整定
串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。
但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主控制器输出地变化。
主、副回路的原理不一样，对主、副参数的要求也不同，通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。
串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。
这里采用两步整定法。
两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副控制器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主控制器进行一次参数整定。
一个设计合理的串级控制系统，其主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为
。
主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态关联较小。
两步整定法的整定步骤如下：
（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副控制器均为比例作用的条件下，先将主控制器的比例度
置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副控制器的比例度
，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：
1的比例度
，过渡过程的振荡周期为
。
（2）在副控制器的比例度
的条件下，逐步降低主控制器的比例度
，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：
1的比例度
，过渡过程的振荡周期为
。
（3）按以求得的
、
和
、
的值，结合已选定的控制规律，按表2-1衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副控制器的整定参数值。
（4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到控制器上，做一些扰动实验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。
表3.1衰减曲线法整定参数计算表
整定参数
控制规律
P（%）
Ti
Td
P
Ps
－
－
PI
1.2Ps
0.5Ts
－
PID
0.8Ps
0.3Ts
0.1Ts
3.7串级控制系统的控制算法：
一、模拟PID控制规律的离散化
表3.2模拟PID控制规律的离散化形式
模拟形式
离散化形式
二、数字P、PID控制器的差分方程
PID控制：
称为比例项
称为积分项
称为微分项
P控制
三、PID控制器的类型
1、选用位置型控制
2、PID位置型控制示意图
图3.5PID位置型控制示意图
3、位置型PID算法的程序流程
1、位置型的递推形式
2、位置型PID算法的程序流程
只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu（n）+u（n-1）=u（n）和更新u（n-1）即可。
图3.5PID位置型控制流程图
第3章硬件设计
3.1系统组成
该加热炉系统采用煤气加热，如果煤气流量频繁变化，加热炉的温度也随之不断变化。
从而影响加热炉的出口温度。
又似此看来，影响加热炉出口温度的主要因素是炉温的变化。
为使出口温度恒定，采用前馈-串级控制系统，设置三个控制器，控制炉温和出口温度，以及其他扰动。
系统原理图见图3.1所示。
图3.1加热炉系统原理图
其中出口温度环是主环，炉温温度环是副环。
外加一个前馈环。
加热炉的主控制器是出口温度，由热电偶测得温度信号，经温度变送器、运算放大器、A/D转换得到出口温度数字量，该数字量与给定量比较得到主偏差，经控制器1运算后得到主环输出数字量。
加热炉的炉温温度作为副环控制量，经温度变送器、运算放大器、A/D转换得到炉温温度数字量，该数字量与主环输出量比较得到副偏差，经控制器2运算后得到控制量，作为计算机输出送至D/A转换器，转换后的模拟信号通过温度控制阀对炉温温度进行控制，是出口温度稳定在给定值上。
在本系统中为了保证系统动态时无超调，稳态时无静差，主、副环控制器均采用积分分离的PID算法。
3.2硬件系统整体组成
根据加热炉系统的技术要求及经济方面的考虑，我们选用8031单片机为控制器，组成加热炉出口温度控制系统。
系统主要有8031单片机、ROM、RAM、A/D转换器、D\A转换器、键盘扫描电路、显示电路、传感器、放大电路、锁存器、译码器、I/O扩展芯片、与非门、或非门、反相器及D触发器等组成。
硬件系统组成框架图如图3.2所示。
图3.2硬件系统组成框架图
热电偶产生一电信号，信号的强弱随温度的高低而变。
该信号经放大电路放大后，送入A/D转换芯片进行模数转换，转换后的数字量与温度成正比，再进入8031单片机，8031单片机作为控制器，对数据进行处理，并产生一组满足显示要求的数据，根据键盘功能键的操作，在显示电路中显示出对一个的数据。
另一方面，流量传感器产生电信号也经放大电路放大后，送入A/D转换芯片进行模数转换，8031单片机接收其数据，经过数据处理，
送至D/A转换电路，产生一模拟信号，控制控制阀，从而使炉温温度满足要求，并在显示电路上显示温度大小。
第五章课程设计总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异。
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。
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