过程控制燃油加热炉解析.docx
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过程控制燃油加热炉解析
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--------------------------------------------------------------------7
三、控制系统设计-------------------------------------------------------------------------7
3.1基本控制方案--------------------------------------------------------------------7
3.2控制仪表选型--------------------------------------------------------------------8
3.3参数整定计算-------------------------------------------------------------------12
3.4控制系统MATLAB仿真-----------------------------------------------------13
3.5仿真结果分析-------------------------------------------------------------------13
3.6★控制系统组态
四、设计总结------------------------------------------------------------------------------14
一、设计任务及要求
对一个燃油加热炉做如下实验，在温度控制稳定时，开环状态下将执行器的输入信号增加
，持续
后结束，若炉温度控制系统的正常工作点为200℃，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。
表1
t（min）
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
℃
0
0
1.25
3.75
7.50
10.50
9.20
7.25
6.00
4.80
3.70
t（min）
22
24
16
28
30
32
34
36
38
40
42
℃
2.90
2.25
1.85
1.50
1.15
0.85
0.60
0.40
0.30
0.20
0.10
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（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（min）
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
℃
0
0
1.25
3.75
7.50
10.50
9.20
7.25
6.00
4.80
3.70
y
0
0
1.25
5.00
12.50
23.00
32.20
39.45
45.45
50.25
53.95
y*
0
0
0.019
0.076
0.189
0.348
0.488
0.597
0.688
0.761
0.817
t（min）
22
24
16
28
30
32
34
36
38
40
42
℃
2.90
2.25
1.85
1.50
1.15
0.85
0.60
0.40
0.30
0.20
0.10
y
56.85
59.10
60.95
62.45
63.60
64.45
65.05
65.45
65.75
65.95
66.05
y*
0.861
0.895
0.923
0.945
0.963
0.976
0.985
0.991
0.995
0.998
1
则y（∞）=66.15。
ΔIr=3.2mA
K=y（∞）/ΔIr=21
Matlab画出曲线
%根据矩形脉冲响应求阶跃响应
clear;
t=0:
2:
42%时间向量
yi=[001.253.757.5010.509.207.256.004.803.702.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10];%脉冲响应输出序列
y
（1）=0;y_1=0;%初值
fork=1:
22%根据矩形脉冲响应值求阶跃响应输出值
y（k）=yi（k）+y_1;
y_1=y（k）;
end
xs=（0:
0.1:
42）;
ys=interp1（t,y,xs,'spline'）;%一维内插得到平滑曲线
plot（xs,ys）%绘制阶跃响应曲线
holdon
plot（t,yi）%绘制脉冲响应曲线
holdon
yim=interp1（t,yi,xs,'spline'）;%一维内插得到平滑曲线
plot（xs,yim）%绘制矩形脉冲响应曲线
grid
图1
归一化后数据曲线:
clear;
t=0:
120:
2520；
yi=[000.0190.0760.1890.3480.4880.5970.6880.7610.8170.8610.8950.9230.9450.9630.9760.9850.9910.9950.9981];
y
（1）=0;y_1=0;
fork=1:
22
y（k）=yi（k）+y_1;
y_1=y（k）;
end
xs=（0:
0.1:
2580）;
ys=interp1（t,y,xs,'spline'）;
plot（t,yi）
holdon
grid
图2
=120s，从图中取y*（t1）=0.4,y*（t2）=0.8，得：
t1=525s,t2=1044s。
因为t1/t2=0.503>0.46,故选择高阶传函且n=3
由nT=（t1+t2）/2.16得T=242s。
所以
。
仿真得：
图3
图4
变送器传函：
调节阀传函：
对象增益：
得广义对象传函：
根据广义对象画出输出曲线见图5，程序：
K0=1.344;
T0=242;
num=K0;den=conv（[242,1],conv（[242,1],[242,1]））;
G0=tf（num,den,’ioDelay’,120）;
step（G0）;
图5
=300s.
T=1100-300=800s.
2.2对象特性分析
是自衡的非振荡过程，
=120,T=242,具有较大的延迟和周期，
/T=0.5，对象易受干扰，采用复杂控制系统。
三、控制系统设计
3.1基本控制方案
（1）对象的T大、
较长，引入D调节，要求误差控制系统，故采用PID规律。
（2）串级控制
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。
（3）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系统中，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调节作为住调节器的调节规律。
（4）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
（5）控制流程图
图6
控制系统原理图
图7
3.2控制仪表选型
（1）温度变送器
MCT80X显示变送一体化温度变送器
山东淄博西创测控技术开发有限公司
MCT80X显示变送一体化温度变送器具有普通MCT一体化温度变送器的基本功能，它将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，除输出与温度成线性的4-20mA信号之外，同时具有现场指示或显示功能。
特点：
信号准确、可远传（最大1000米）；精度高、抗干扰、长期稳定性好、免维护；变送器可以现场显示；测量量程：
-200℃～1200℃；常规精度：
±0.25%工作原理：
温度传感器受温度影响产生电阻或电势效应，经转换产生一个差动电压信号。
此信号经放大器放大，再经电压、电流变换，送出与量程相对应的4-20mA电流信号。
技术指标：
项目
技术指标
热电阻测温范围
-200～450℃ -50～150℃
热电偶测温范围
0℃-1200℃； 0℃-800℃；
0℃-1600℃ 0℃-1800℃
测量精度
<热电阻>±0.25%；±0.5%；<热电偶>±0.75%
输出信号
温 漂
4-20mA
±0.025%/℃
时 漂
每年小于± 0.5%
环境温度
-10～85℃
供电电压
24V DC ± 10%
负载能力
0-500 Ω图6
8显示范围
-1999～1999
防护等级
IP65
隔爆等级
dIIBT6
保护管材质
1Cr18Ni9Ti或陶瓷或钢玉管
使用与校准：
DC24V电源通过屏蔽电缆给变送器供电，“V+”接24VDC的正极，“V-”接负极，这两根线同时输出4-20mA标准信号，用来串接负载。
“Z”为零点调整电位器，“S”为满度调整电位器。
所有电位器在出厂以前按用户要求已经校好。
使用中，因线阻、环境温度等因素影响而产生误差时，只需微调零点电位器“Z”即可校正。
选用Pt100测温范围为0～250℃和200～450℃。
（2）调节器
广州鑫恒瑞自动化设备有限公司
CH402FK02-M＊AN
设定范围
a）设定值（SV）：
同等温度范围值
b）加热侧比例带（P）：
1-量程或0．1-量程（温度输入）*1图9
c）制冷侧比例带（PC）：
加热侧比例带1-1000％
d）积分时间（I）：
1-3600sec＊2
e）微分时间（D）：
1-3600sec＊3
f）限制积分动作生效范围（ARW）：
比例带的1-100％＊4
g）加热侧比例周期1-100sec＊5
h）制冷侧比例周期1-100sec＊6
＊1、如果比例带设定为oC［﹡F］即成ON—OFF动作 ＊2、如果积分时间设定为0sec，即成PD动作 ＊3、如果微分时间设定为0sec，即成PI动作 ＊4、如果限制积分动作生效范围设定为0％，D动作则成OFF＊5、电流输出时不需设定周期 ＊6、电流输出时不需设定周期 ＊7、如果不感带设定为负，则成重叠
控制动作
PID控制（ON—OFF．P．PI．PD控制）
报警种类：
偏差报警（上限，下限，上下限，范围内）
过程值输入报警（上限，下限）
设定值输入报警（上限，下限）
输入：
电流检出器输出
适用范围：
CTL-6-P-N 0-30A，CTL-12-S56-10L-N 0-100A
通断50000次以上。
控制环断线报警输出需在ALM1或ALM2中选择其一
当控制环断线报警被选定时，另一报警不能被设定为LBA
通讯功能（SCI）
接口标准：
EIA RS-485
通讯协定：
ANSI X3．28（1976）2．5A4
通讯方法：
2线 半双向多站联接
同步方法：
起始／停止同步
通讯速度：
2400．4800．9600．19200BPS
起始位数：
1
数据数位：
7或8
断电影响：
断电20ms或以下无影响
断电20ms以下，返回初始状态
断电的数据保护：
不消失性记忆素子支持数据
周围温度：
0-50oC［32-122F］
周围湿度：
45-85％RH
安装：
嵌入盘面安装
重量：
170g。
（3）气动阀
ZMAN型双座气动薄膜调节阀
双座气动薄膜调节阀具有额定流量系数大，不平衡力小等优点，因而被广泛使用。
产品型号：
ZMAP、ZMAN
公称口径：
DN25～300（mm）
公称压力：
PN1.6～6.3（MPa）
环境温度：
-30～60℃
气源最大压力：
0.25（MPa）
产品性能参数：
ZMAP型单座气动薄膜调节阀、ZMAN型双座气动薄膜调节阀主要性能参数
表3
DN/mm
PN
环境温度/℃
固有流量特性
气源最大压力/MPa
25~300
16,40,63
-30~60
直线、等百分比
0.25
DN
mm
流通能力C
行程mm
配用执行
器型号
灰铸铁阀
铸钢和铸不锈钢阀
单座
双座
PN
工作压力
Mpa
介质温度
℃
PN
工作压力Mpa
介质温度℃
25
8
10
16
ZMA-2
16
16
≤200
40
40
≤250
32
12
16
63
63
（普通上阀盖）
40
20
25
25
ZMA-3
≤450
50
32
40
（带散热片上阀盖）
65
50
63
40
ZMA-4
80
80
100
100
120
160
125
200
250
60
ZMA-5
150
280
400
200
450
630
250
1000
100
ZMA-6
300
1600
（4）电气转换器
珠海赛斯特仪表设备有限公司
ST-500电气转换器
ST-500系列电/气转换器可以实现从4-20mA输入信号到0-100%供气压力输出的比例转换，而不必更换转换器。
该系列装置可以实现工业控制中，控制系统与气动执行器之间的界面连接。
具有适用性强，最优化动态特点，可以改善控制系统的工作性能。
该系列是低能量消耗、可连接标准二线制电路的电/气转换器。
无需额外电源、设计简洁、高效。
主要特点：
●内置PI调节功能，大大提高了转换器的转换精度和高度的灵活性能
●通过采用硅压力传感器获得反馈，实现对电输入信号的精确转换
●简洁的模块化设计
●采用稳压器，消除供气压力波动干扰
●创新性的、精确可靠的传感器技术（压力微型控制阀）
●输入信号：
4-20mA
●可以分程式控制：
从4mA或12mA起始
●抗振动能力强
●二线制接线方式，输入和供电合一
●模块化设计，易于维护
工作原理图10
ST-500电气转换器，它主要由三部分组成：
1.电子控制模块
2.压电阀及气动功率放大器
3.精确的反馈压力传感器
完整的控制电路是由一个二线制的４－２０ｍＡ的控制信号供电。
模拟４－２０ｍＡ控制信号传输到电子控制单元，在此与转换的输出压力进行比较。
电子控制单元中的控制运算法则开始执行控制计算，生成的控制指令被传输到压电阀，进而驱动气动放大器。
气动放大器的输出压力经过测量后，反馈到内部控制电路。
这种控制方式更迅速，控制更精确。
当测得压力与控制信号相等时，压电阀的输出值不再变化，气动放大器的输出稳定在相应的压力。
3.3参数整定计算
1、副回路整定：
将主调节器置于纯比例环节下
=1，副调器
，逐步调整Kp2和TD2对，使输出衰减比为4:
1时，TS=1689-678=1011s。
由表得
=0.8/3.5，TD=0.1TS。
表4
2、主回路整定：
将副调节器
=2.8，
=100，主回路加入PID，逐步调节
、
、
的值，使输出符合要求，记下此时的
。
最后仿真结果如图，由图9得此时的超调：
=22%。
图11
.4控制系统MATLAB仿真
最终确定的系统为串级控制系统，简单的单回路控制系统如图10：
图12
通过仿真结果可以更好的比较串级与单回路的优劣。
图13给定扰动比较
图14一次扰动比较
图15二次扰动比较
图16信号跟踪
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。
由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。
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，本设计选择串级控制系统。
四：
设计总结
通过本次课程设计可以使我们更好的掌握课本知识，通过查阅资料，对工程设计业能够有一定的了解。
我们可以了解到工程上许多东西具有一定的实际要求，我们只有书本知识与实际结合才能更好的实现自己的设计目标。
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