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2.画出控制系统方框图及实施方案图，并对方案予以简要说明；
3.采用MATLAB对串级控制系统在有、无燃气阀前压力扰动情况下的动态过程进行仿真并对仿真结果进行评述。
第3章系统分析与控制方案的确立
3.1系统控制方案
利用搭建的回路，采用相应的控制算法实现对对象的良好控制，算法采用常规PID控制器、改进PID控制器，并利用组态软件组态较人性化的人机画面，组态软件采用组态王或者MCGS。
温度控制系统是以EM235（其中4个AI，1个AO）单片机为控制核心。
整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、PLC、I/O设备、控制执行系统等。
利用模拟量输出控制，将PLC中PID控制器输出通过EM235AO输出0-5V电压，该0-5V电压作为方案中驱动模块的输入信号，该模块将接收的0-5V可调电压变换成0-24V可调电压给电加热丝，从而控制电加热丝的加热强度，从而实现温度控制。
3.2单回路控制系统
温度控制器
控制阀
炉膛
炉膛壁
温度检测、变送仪表
加热炉出口
温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送PLC，模拟量输出控制，将PLC中PID控制器输出通过EM235AO输出0-5V电压，该0-5V电压作为方案1中驱动模块的输入信号，该模块将接收的0-5V可调电压变换成0-24V可调电压给电加热丝，从而控制电加热丝的加热强度，从而实现温度控制。
如下图3-1所示：
图3-1加热炉出口温度单回路控制系统结构方框图
当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。
3.3串级控制系统的设计
3.3.1主、副调节器选择
主、副调节器均为反作用，如果一次、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减小，此时主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，既大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉口温度很快回到给定值上。
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，加热到炉出口工艺所要求的温度。
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，以达到控制出口温度的目的。
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出口温度的要求。
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，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口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。
串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。
由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图3-2所示。
图3-2加热炉出口温度串级控制系统结构方框图
3.4系统方案的确定
加热炉温度控制是通过调节煤气和空气流量来实现的。
温度控制器根据实测温度，按照PID控制策略，产生一个输出。
该输出作为煤气控制器和空气控制器的设定值，去控制煤气和空气流量。
温度控制器与煤气流量控制器或空气流量控制器构成一个串级控制系统。
其中，温度控制器是主控制器，实现温度的粗调，煤气流量控制器或空气流量控制器是平行的副控制器，完成精确控制。
闭环控制有反馈环节，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制。
通过反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。
自动控制通常是闭环控制。
比如家用空调温度的控制。
闭环控制又包含有单回路控制和串级控制等。
串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环----双闭环或称双环。
串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，就其主回路（外环）来看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统。
以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。
与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。
其原因是在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，根据系统工艺要求，决定在系统设计中采用闭环串级控制方式。
3.5参数选择
1.主被控参数的选择：
应选择被控过程中能直接反映生产过程中的产品产量和质量，又易于测量的参数。
在加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中加热炉出口温度为系统的主被控参数，因为加热炉出口温度是整个控制作用的关键，要求出口物料温度维持在某给定值上下。
如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败。
2.副被控制参数的选择：
从整个系统来看，加热炉的炉膛温度虽然不是我们要控制的直接目标，但是炉膛温度会很大程度上影响出口物料的温度，因此我们选择炉膛温度为副被控参数。
3.控制器的选择：
主控制器的选择：
主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI控制规律。
副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，但是副被控对象中含有延时环节，因此副控制器要选PI控制规律。
3.6调节阀的选择
由前面可以知道，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。
调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。
气动调节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；
电动调节阀用电源工作，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；
液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。
故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。
第4章PID控制的设计
4.1PID控制器简介
PID控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器），是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；
选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。
1.比例调节（P）纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是使系统存在静态误差。
2.积分调节（I）积分调节器的突出特点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。
在被调量的偏差消除以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。
但是，单纯的积分调节动作过于缓慢，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间内延长，甚至造成系统不稳定。
因此在实际生产中，总是把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来，组成比例积分调节器（简称PI调节器）。
3.微分调节（D）微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽可能地消除在萌芽状态之中。
但是单纯的微分调节对静态偏差毫无抑制作用，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，称为PD调节器和PID调节器。
PD调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增加能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。
PID是常规调节器中性能最好的一处调节器。
它将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。
4.2PID控制系统
图4.1PID控制系统结构图
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t），即
e（t）=r（t）-c（t）（4-1）
将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为PID控制器。
控制规律为:
（4-2）
或以传递函数形式表示：
（4-3）
其中
－比例系数,
－积分时间常数
－微分时间常数
4.3PID控制参数的整定及方法
过程控制器采用的控制器通常都有一个或多个需要调整的参数和调整这些参数的相应机构（如旋钮、开关）或相应设备。
通过调整这些参数使控制器特性与被控过程特性配合好，获得满意的系统静态与动态特性称为控制器参数整定。
由于人们在参数调整中，总是力图达到最佳的控制效果，所以常称“最佳整定”，相应的控制器参数称为“最佳参数整定”。
衡量控制器参数是否最佳，需要规定一个明确的反应控制系统质量的性能指标，一般分为稳态指标和动态指标。
需要指出的是，不同生产过程对于控制过程的品质要求不完全一样，因而对系统整定性能指标的选择有较大的灵活性。
作为系统整定的性能指标，它应能综合反映系统控制质量，同时又便于分析与计算。
4.3.1PID控制参数整定方法
控制器参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，理论计算整定法与工程整定法。
顾名思义，理论计算整定法是在已知过程的数学模型基础上，依据控制理论，通过理论计算来求取“最佳整定参数”；
而工程整定法是根据工程经验，直接在过程控制系统中进行的控制器参数整定方法。
由于无论是用解析法或实验法求取的过程数学模型都只能近似反映过程的动态特性，因而理论计算所得到的整定参数值可靠性不够高，在现场使用中还需进行反复调整。
相反工程整定法虽未必得到“最佳整定参数”，但由于其不需知道过程的完整数学模型，使用者不需要具备理论计算所必须的控制理论知识，因而简
1.经验法
若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。
表2.1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。
若需加微分作用，微分时间常数按TD=（1/3～1/4）TD计算。
表4-1经验法整定参数
系统
参数
δ（%）
T1（min）
TD（min）
温度
20～60
3～10
0.5～3
流量
40～100
0.1～1
压力
30～70
0.4～3
液位
20～80
2.临界比例度法
这种整定方法是在闭环情况下进行的。
设T1=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图2.2所示。
根据临界比例度δs和振荡周期Ts，按表二所列的经验版式，求取调节器的参考参数数值，这种整定方法是以得到4：
1衰减为目标。
表4-2临界比例度法整定调节器参数
调节器参数
调节器名称
δ（%）s
T1（S）
TD（S）
P
2δs
PI
2.26δs
Ts/1.2
PID
1.6δs
0.5Ts
0.125Ts
3.阻尼振荡法（衰减曲线法）
在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶路扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图2.3所示的4：
1衰减过程为止。
这时的比例度称为4：
1衰减比例度，用δs表示之。
相邻两波峰间的距离称4：
1衰减周期Ts。
和Ｔs，运用表三所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
图4-1衰减曲线法图
表4-3阻尼振荡法计算公式
δ（％）
ＴI（min）
δS
1.2δs
0.5TS
0.8δs
0.3TS
0.1TS
第5章控制系统的仿真设计
5.1MATLAB的简单介绍
MatrixLaboratory（缩写为Matlab）软件包，是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算的交互式软件包。
其中包括:
一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并将应用程序和图形集于便于使用的集成环境中。
在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程并能够进行高效率和富有创造性的计算，同时提供了与其它高级语言的接口，是科学研究和工程应用必备的工具。
目前，在控制界、图像信号处理、生物医学工程等领域得到广泛的应用。
本论文设计中PID参数的整定用到的是Matlab中的SIMULINK,它是一个强大的软件包，在液压系统仿真中只需要做数学模型的推导工作。
用SIMULINK对设计好的系统进行仿真，可以预知效果，检验设计的正确性，为设计人员提供参考。
其仿真结果是否可用，取决于数学模型正确与否，因此要注意模型的合理及输入系统的参数值要准确。
5.2Simulink的建模与仿真
有了被控对象的传递函数就可以确定控制方案，从而在理论上设计控制器，对系统进行仿真，进而对实际控制起指导意义，本节主要对前馈-反馈控制系统的设计与串级控制系统的设计进行Simulink的建模和仿真。
5.2.1前馈-反馈控制系统的设计与仿真
图5-1前馈-反馈控制系统的设计图
图4-2前馈-反馈控制系统的仿真图
5.2.2单回路控制系统的设计与仿真
图5-3单回路控制系统方框图
图5-4单回路控制系统波形图
5.2.3串级控制系统的设计与仿真
图5-5串级控制系统的设计图
图5-6串级控制系统的仿真图
4.3三种方案的比较与总结
前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。
如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。
前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。
但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。
所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。
这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。
解决前馈不能控制的不可测干扰。
在串级控制中，无论是主回路还是副回路都有着各自的控制对象、测量变送器和控制器。
在主回路中的控制对象、被测参数和控制器分别被称为主对象、主参数和主控制器。
在副回路内则相应地被称为副对象、副参数和副控制器。
副对象是整个控制对象的一部分，常被称为控制对象的前导区，主对象是整个控制对象的另一部分，常被称为控制对象的惰性区。
主控制器具有自己独立的给定值，它的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出信号则送到控制机构去控制生产过程。
在单回路系统中，控制系统结构简单、投资小、易于鉴定和投运，且满足一般生产过程的自动控制要求，在工业生产中得以广泛应用，尤其适用于被控对象的纯滞后时间短、容量滞后小、负荷变化比较平缓的场合。
但在复杂控制系统中，控制要求高的场合中，单回路系统控制效果达不到预想要求。
本次设计中，基于被控场合、被控对象的要求及仿真的结果，我们选择串级控制系统。
总结
本次设计使我们加热炉温度控制系统设计做了分析，文中介绍了加热炉发展的现状及发展，介绍了仿真软件MATLAB的基本知识，学习了Simulink的仿真方法和步骤，介绍了加热炉温度控制系统的设计方案选择及原理介绍，加深了仿真软件MATLAB的知识了解，介绍加热炉温度控制系统的结构、特点等。
并学习了设计软件仿真，更直观的反应设计的正确性。
本文对其中的一些基本原理也做了简要的概述。
通过本次设计也使我们对过程控制门课程有了更为深入的了解，感谢老师的耐心指导，人类的生活已经进入了信息时代，生活、工业以及各个领域都使原本复杂危险的工作自动化，这便使过程控制系统的应用有了更好的发展空间，因此我们应多学习这门知识，拓宽自己的视野，锻炼自己的能力。
致谢
设计已经接近尾声，在这个过程中我学到了很多东西。
首先我要感谢我的指导老师韩老师，在我完成设计的过程中，给予了我很大的帮助。
在设计开始的初期，我对于设计的操作以及流程等方面都有很多问题，整体构思不是很明确，想法表达也不是很清晰，老师详细给我分析设计的过程，非常感谢。
在这两个星期的设计当中，使自己学会了如何面对困难和解决困难，也学会了团结合作，经过查阅有关方面的书籍，获取了很多专业方面的知识，拓展了视野，增强了我操作能力。
最后，再次对关心我，帮助我的老师和同学表示衷心的感谢，是你们的热情帮助让我有了很大的进步。
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