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过程控制与仪表课程设计
过程控制与仪表课程设计报告
课题名称：
电加热炉内胆温度-夹套温度的串级控制系统的设计
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业：
测控技术与仪器
班级：
测控1102
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学号:
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一．设计任务与要求
1、了解“EFPT-1-0l型过程控制系统实验装置”，熟悉该过程工艺流程。
2、在熟悉了该过程工艺流程的基础上，设计电加热炉内胆温度-夹套温度的串级控制系统，并画出带控制点的工艺流程图。
3、画出仪表的接线图。
4、调试系统，要求温度为90℃±1℃。
二．总体设计方案
1.串级控制系统
串级控制系统：
两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
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。
前一个调节器称为主调节器，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；后一个调节器称为副调节器，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。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
2.串级控制系统的工作过程
当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。
在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
3.串级控制系统特点及分析
1）改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
2）能迅速克服进入副回路的二次扰动。
3）提高了系统的工作频率。
4）对负荷变化的适应性较强
4.过程工艺流程图
5.串级控制系统的设计
5.1串级系统主、副回路的设计
主回路的设计（主被控参数选择电加热炉内胆温度，控制参数为进水流量）
串级控制系统的主回路是定值控制。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题，主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
副回路的设计（副被控参数选择电加热炉夹套温度，控制参数为进水流量）
由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
归纳如下：
1）在设计中要将主要扰动包括在副回路中。
2）将更多的扰动包括在副回路中。
3）副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。
4）要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。
5）在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。
5.2执行器的选择
根据调节器输出信号为零时使生产处于安全状态的原则选择电动执行器。
5.3测温元件及变送器的选择
温度传感器：
本装置采用二个Pt100传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套的水温。
经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4~20mADC电流信号，Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
5.4主、副调节器正反作用方式的确定
副调节器作用方式为正作用方式，主调节器作用方式为反作用方式。
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。
确定过程是为了保证内环是负反馈副调节器应选用哪种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，流量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，确保设备安全，调节阀的Kv>0。
然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，加热炉内胆温度下降，所以Ko2<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（即增益）乘积必须为正，所以副调节器Kc2<0，副调节器作用方式为正作用方式。
主调节器作用方式的确定：
副回路的开环增益为正，故整个副回路相当于Kv>0。
当夹套温度升高，加热炉内胆温度也升高，主被控过程Ko1>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Kc1>0，主调节器作用方式为反作用方式。
5.5主、副调节器调节规律的选择
主回路选择PID控制规律，副回路选择P控制规律
在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。
主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。
系统对二个回路的要求有所不同。
主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。
如果引入I控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入D控制，因为副回路采用P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。
5.6串级控制原理框图
电加热炉内胆温度-夹套温度的串级控制系统设计原理框图
主被控参数为主被控参数选择电加热炉内胆温度，副被控参数选择电加热炉夹套温度，控制参数为进水流量。
电加热炉内胆水温度控制器把控制信号给夹套温度控制器，副回路中，夹套温度控制器根据温度给出进水流量控制电动阀指令，从而控制进水流量，夹套温度传感器采集夹套温度反馈到夹套温度控制器，与给定值进行比较后得出残差信号再次输出给进水流量控制电动阀，控制进水流量；在主回路中，进水流量影响到电加热炉内胆水温度，电加热炉内胆水温度传感器采集内胆水温度，反馈到内胆水温度控制器，与最初的给定值进行比较后得出信号再次输出给夹套温度控制器的控制路径控制进水流量，从而达到控制电加热炉内胆水温度的目的。
6.调节器参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
本设计主要采用响应曲线法，具体过程如下：
（1）先用P，再加I，最后再加D。
（2）调试时，将PID参数置于影响最小的位置，即P最大，I最大，D最小。
（3）按纯比例系统整定比例度，使起得到比较理想的调节过程曲线，然后再把比例度放大1.2倍左右，将积分时间从大到小改变，使其得到较好的调节过程曲线。
（4）最后在这个积分时间下重新改变比例度，再看调节过程曲线有无改善。
（5）如有改善，可将原整定的比例度减少，改变积分时间，这样多次的反复，就可得到合适的比例度和积分时间。
（6）如果在外界干扰下，系统稳定性不够好，可把比例度和积分时间适当增加一些，使系统足够稳定。
将整定好的比例度和积分时间适当减小，加入微分作用，以得到超调量最小、调节作用时间最短的调节过程。
（7）整定好的比例度和积分时间适当减小，加入微分作用，以得到超调量最小、调节作用时间最短的调节过程。
经过计算得出主调节器PID参数设置为P=110,I=55,D=10，副调节器PID参数设置为为P=38。
三．仪表接线图
四．实验结果与分析
设置主调节器PID参数为P=110,I=55,D=11，副调节器PID参数为P=38，I=0，D=0，进行调试。
系统在干扰下加热炉内胆温度输出结果如下（90℃±1℃）：
时间（min）
0
24.30
29.45
32.00
34.06
36.35
40.00
内胆温度（℃）
27
90
98.4
90
87.7
90
90.03
时间（min）
40.30
43.30
48.15
50.32
53.44
57.41
59.56
内胆温度（℃）
90
88.9
90
90.2
90
98.5
90
设定值为90度时数据表
时间（min）
0
10.03
16.39
22.47
28.46
35.59
37.15
内胆温度（℃）
55.2
80
92.4
80
77.5
80
80.4
时间（min）
37.33
37.51
38.12
38.52
42.21
内胆温度（℃）
80
79.98
80
80.1
80
设定值为80度时数据表
时间（min）
0
07.00
14.08
29.33
38.07
40.02
41.20
内胆温度（℃）
46.6
70
84.3
70
67.1
70
70.4
时间（min）
43.00
44.56
46.00
内胆温度（℃）
70
69.80
70
设定值为70度时数据表
内胆温度输出曲线图如下
从图4-1中可分析出：
单项性能指标：
衰减比为28:
1，最大动态偏差为8.4，超调量为9.3%，
快速性指标：
调节时间为53min，峰值时间为29min。
从图4-2中可分析出：
单项性能指标：
衰减比为31:
1，最大动态偏差为12.4，超调量为15.5%，
快速性指标：
调节时间为42min，峰值时间为16.39min。
从图4-3中可分析出：
单项性能指标：
衰减比为35.8:
1，最大动态偏差为14.3，超调量为20.4%，
快速性指标：
调节时间为46min，峰值时间为14.08min。
由此可看出，在设定值为90℃时。
经过串级控制系统的主副控制器调节后，系统可以达到无静差，且超调量等于9.3%，超调量较小，系统在53min时达到稳定，本次设计主要针对的是温度误差在90℃±1℃范围内而选用相应的器件完成的，在测试当中该串级系统较单回路闭环系统，达到稳定的时间缩短，改善了系统的快速性，提高了工作频率，迅速克服了副回路的扰动。
主调节器的输出量稳定在给定值附近，保证了系统输出的准确性，最后能保证误差稳定在±0.5℃.满足了设计要求；从过程曲线和结果可以看出，在设定值为90℃时所得结果基本满足系统的性能指标要求。
在设定值为80℃时，系统最大动态偏差为12.4，超调量为15.5%，在设定值为70℃时，系统最大动态偏差为14.3，超调量为20.4%。
五．设计总结
PID控制由于结构简单、稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应用。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
简单控制系统所需的自动化装置少，投运、整定、维护比较简单，实践证明它能够满足生产过程的基本控制要求，能解决大量的生产控制问题，因此在生产过程自动控制中得到了广泛应用，但是对动态特性复杂、存在多种扰动或扰动幅度很大，控制质量要求高的生产过程，简单控制系统难以满足要求，因此可以使用复杂控制系统，如串级控制、前馈控制等。
串级控制系统有两个闭合回路，控制品质相对于单回路控制系统显著提高；前馈控制通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制量，以抵消对被控对象的影响；以上两种复杂控制系统都能够较好的改善控制质量。
总之，经过这次毕业设计，我深刻认识到要完成一项任务首先必须有一个详
细周密的计划，要有系统的思维方式和方法，对待一个新的问题，要耐心、要善
于运用已有的资源来解决；要勇于实践，在实践中发现和解决问题，要相信自己
有解决问题的能力和勇气。
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