过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统.docx
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过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统
《过程控制》课程设计
题目:
燃油加热炉温度控制系统
班级：
学号：
姓名：
同组人员：
任课教师：
张虹
完成时间：
2013年10月30日
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--------------------------------------------------------------------5
三、控制系统设计-------------------------------------------------------------------------5
3.1基本控制方案--------------------------------------------------------------------5
3.2控制仪表选型--------------------------------------------------------------------9
3.3参数整定计算-------------------------------------------------------------------10
3.4控制系统MATLAB仿真-----------------------------------------------------10
3.5仿真结果分析-------------------------------------------------------------------11
四、设计总结------------------------------------------------------------------------------12
一、设计任务及要求
1.在模壳浇铸、焙烧时常用燃油炉，烧制过程中需要对温度加以控制，对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到500℃时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约
，即
，持续
后结束，等间隔
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。
t（点）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
℃
0
0.5
1.44
2.07
1.68
1.41
1.17
0.99
0.81
0.66
0.54
t（点）
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
（℃）
0.45
0.39
0.33
0.27
0.21
0.15
0.09
0.06
0.03
0.01
0.00
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）；画出控制系统SAMA图；
（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（s）
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
℃
0
0.5
1.44
2.07
1.68
1.41
1.17
0.99
0.81
0.66
0.54
y
0
0.5
1.94
4.01
5.67
7.18
8.35
9.34
10.15
10.81
11.35
y*
0
0．037
0.145
0.300
0.425
0.538
0.626
0.700
0.761
0.810
0.851
t（s）
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
℃
0.45
0.39
0.33
0.27
0.21
0.15
0.09
0.06
0.03
0.01
0.00
y
11.80
12.19
12.52
12.79
13.00
13.15
13.24
13.30
13.33
13.34
13.34
y*
0.884
0．914
0.938
0.958
0.974
0.986
0.992
0.997
0.999
0.999
1
则y（∞）=13.34
K=y（∞）/Δu=0.5336（℃/％）
Matlab画出图像：
程序如下：
clear;
t=0:
100:
2100;
yi=[00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.540.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00];
ys=[00.51.944.015.697.188.359.3410.1510.8111.3511.812.1912.5212.791313.1513.2413.313.3313.3413.34];
ym=[00.0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.8510.8840.9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.99911]
plot（t,yi）;%画出脉冲响应曲线
holdon;
plot（t,ys）;%画出单位阶跃响应曲线
holdon;
gridon;
figure;
plot（t,ym）;%画出归一化阶跃响应输出曲线
gridon;
脉冲响应及阶跃响应输出曲线
归一化输出曲线
从图中取y*（t1）=0.4,y*（t2）=0.8，得：
t1=382s,t2=882s
因为t1/t2=0.433<0.46,所以选用2阶传函。
又因为：
，
。
求得T1=166s，T2=419s
得到对象传递函数为：
对象仿真图如下：
2.2对象特性分析
为二阶自衡对象，没有纯延迟环节。
自衡率
=
1.88，响应速度
=
=0.0021，
三、控制系统设计
3.1基本控制方案
从设计的简约性和实用性考虑，首先考虑单回路的控制方法，由于对象的容量较大，而炉内温度的测量较难，所以单回路的控制方法难以得到较好的效果，所以经过仔细比较，最终决定采用虽然复杂一些，但是控制效果更好的串级控制方法。
为了更好的反应串级方式相对于单回路的优点，小组决定用两种控制方法都试验一下，用事实说话。
（1）首先采用单回路控制方法，考虑到系统的速度和稳定性的要求，选用PID控制规律。
单回路系统控制原理图如下:
根据对象特性整定参数（采用齐勒格-尼克尔整定方法）
变送器增益：
调节阀增益：
得广义对象传函：
根据广义对象画出输出曲线见图5，程序：
clc;
K0=0.16;
num=K0;
den=conv（[419,1],[166,1]）;
G0=tf（num,den）;
step（G0）;
k=dcgain（G0）;
读图可知：
τ=60,T=700
最终整定参数如下：
δ=0.85ετ=0.112;kc=
；Ti=2τ=120;Td=0.5τ=30;
参数带入PID控制器之后震荡剧烈，稳定性差，所以kc减小，适当增加Td，经过多次调节之后取kc=3，Ti=120，Td=200；
SIMULINK仿真图（带扰动）如下:
很明显，调节速度慢，而且超调过大，所以舍弃这种方法。
（2）串级控制方式：
1.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。
2.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。
在燃油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，选择炉壁温度为副调参数。
由于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，主回路选择PID调节作为主调节器的控制规律，而副回路由于考虑稳定性的原因，考虑用P控制规律。
3.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
4.控制流程图
控制系统原理图：
控制系统SAMA图：
3.2控制仪表选型
1.温度变送器
变送器选用DDZ-Ⅲ控制仪表。
在主回路的对象为原料油出口温度，约为500度，故所设计的的范围为420度到750度。
副对象为炉膛温度比较高，故所选的变化的范围600度到1000。
主回路的变送器传函：
副回路的变送器传函:
根据设计要求变送器检测温度范围较大，选择NHR-M32智能温度变送器，测量范围为0—1300
。
控制器要求具有PID调节功能，选择HR-WP模糊PID自整定调节器
原理接线图
2.阀门的选择
由于燃油具有较强的腐蚀性，里面的残渣比较多，而且由于安全性的要求，所以，经过比较最终决定选择气动蝶阀，最大流量大于4.8t每小时。
3.3参数整定
由上面讨论可知主回路选用PID控制，副回路选用P控制，所以参数整定如下：
1.副回路参数整定
调节副环。
将主调节器
设为1，
和
设为0，副调器
设为1
逐步调节副回路的kc。
.此时经过微小调整得到副回路P控制器
=6.
2、主回路整定：
将副调节器
=6，主回路加入PID，逐步调节
、
、
的值，使输出符合要求，记下此时的
3.4Simulink仿真图（带扰动）如下:
将两者比较如下：
分析:
经过改进，串级控制系统的超调量只有约为3%，符合控制要求，并且调节时间也有很大程度上改善，通过与单回路PID控制对比可以发现系统的动态特有很大改善。
扰动分析：
从图中可以看出，在2500s时分别加入幅值为2的干扰信号，串级控制对扰动有很强的抗干扰能力。
相比较上图的单回路抗扰动输出，又可以看出的串级控制的优越性。
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。
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
此次课程设计---加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计，使用到了过程控制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法，PID调节器的参数工程整定，串级控制系统的性能分析等。
刚开始设计时，在主、副控制器选择上，考虑到主被控变量是加热炉温度，允许波动的范围很小，要求无余差，主控制器选了PID控制。
副控制器直接采用了P控制考虑到如果引入积分控制可能反而会降低副回路的快速性，降低控制效果。
在串级系统整定时，开始准备用逐步逼近法，以为这种方法可以将系统调试到接近最优状态，但经过实际操作，发现这种方法很繁琐，费时费力，就考虑使用实践中常用的一步整定法，操作后感觉不仅操作简便，而且也可以达到满意效果，很适合本次系统设计。
在PID参数整定时，也是用到了比较常用的衰减曲线法。
通过此次课程设计，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。
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