串级控制过程控制课程设计.docx
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串级控制过程控制课程设计
串级控制过程控制课程设计（总20页）
设计内容与设计要求
设计内容：
某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数分别为：
G01（s）=1/（30s+1）（3s+1）;g02（s）=1/（（10s+1）（s+1）^2）;
主控制器采用比例积分控制，副控制器采用比例控制。
设计要求：
试分别采用单回路控制和串级控制设计主、副PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。
第1章概述
随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。
在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。
在本世纪30年代就已有应用。
过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：
分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。
几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统（CIMS）：
以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。
本次课程设计是隧道窑的温度课程系统，而隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。
因为几个环节都涉及到温度的控制，因此隔焰隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。
火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
另外随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高。
而因为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比较大。
综上所述，须设计一套以温度为控制变量的控制系统。
该控制系统的生产工艺要求：
⑴可以实现对整个隧道窑的工艺流程的控制。
⑵能够克服较大的滞后。
⑶能够自动控制窑内温度，并达到所需精度。
第2章系统总体方案
隧道窑的结构
隧道窑的整个窑炉主要包括窑炉主体结构、窑头封闭气幕及排烟系统、搅拌风系统、燃烧系统、窑尾冷却系统、车下冷却风系统、余热利用系统、窑车、自动控制系统等。
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。
所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色。
因此，我选用了隔焰式隧道窑，让火焰只在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
方案比较
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。
所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。
火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
若采用隔焰隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。
因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。
烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。
可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。
也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。
如果燃料压力干扰繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。
为了克服较大的滞后，抑制较大的干扰以及使控制更加的准确，简单控制系统已不能满足条件，故可选择串级控制系统。
简单控制系统和串级控制系统的结构图如下图所示。
图单回路控制系统结构图
图串级控制系统的结构图
方案选择
方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到15min。
因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。
方案二的串级控制系统中，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。
由于主副回路相互配合，使控制质量显着提高。
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），但控制效果却有显着的提高。
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①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③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。
第3章系统控制参数的选择
串级控制系统选择
主变量的选择
串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：
在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。
由于陶瓷制品的烧成主要是在烧成带，故在本系统中选择烧成带温度作为主变量。
副变量的选择
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。
副变量的选择应遵循以下原则：
①应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；
②应使主、副对象的时间常数匹配；
③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型
另外考虑到燃料压力变化的干扰对系统温度影响较大，选择燃烧室温度作为副变量。
操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类：
控制变量和扰动变量。
其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。
操纵变量的基本原则为：
①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；
②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；
③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；
燃料流量方便控制，且对温度的影响较大，故选择燃料流量作为操纵变量。
调节阀开关形式的选择
调节阀的气开、气关形式需要考虑到以下几种因素：
①生产安全角度：
当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
②保证产品质量：
当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
当隔焰隧道窑发生故障时，应关闭调节阀停止燃料的送入，避免窑内温度过高及燃料不必要的浪费。
所以调节阀选择气开阀。
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。
传感器、变送器的选择
由于窑内烧结温度一般为1300℃，故应选择热电偶温度传感器。
一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温度元件接线盒或专用接线盒内，变
送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号，4mA～20mA。
这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。
所以本设计选择一体化化热电偶温度变送器。
根据表1所示，其材质可选则铂铑30-铂铑6热电偶。
表1不同材质热电偶测量范围对应表
类别
材质
分度号
测量范围
热
电
偶
镍铬-康铜
E
0-1000℃范围内任选
镍铬-镍硅
K
0-1300℃范围内任选
铂铑10-铂
S
0-1600℃范围内任选
铂铑30-铂铑6
B
0-1800℃范围内任选
铜-康铜
T
0-400℃范围内任选
铁-康铜
J
0-1200℃范围内任选
整个温度变送器的电路原理图如图所示，由热电偶、输入电路和AD693等组成。
输入电路是一个冷端补偿电桥，
为铜补偿电阻，通过改变电位器
的阻值可以调整变送器的零点。
和
的作用是调整量程。
图一体化热电偶温度变送器原理图
控制器的选择
控制器控制规律的选择
在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定波动和余差。
从串级控制的结构上看，主环是一个定值系统，副环是一个随动系统。
对于本系统由于温度变化缓慢造成的滞后较大，为克服较大滞后，选用PID控制器作为主控制器。
副控制器只选比例控制器。
控制器正、反作用选择
因为当阀开大使燃料流量增加时，燃烧室温度升高，故副对象为正作用。
燃烧室温度增加使烧成带温度也增加，即主对象为正作用。
调节阀为气开式为正作用。
温度传感器均为正作用。
要满足主回路和副回路为负反馈，则副控制器为反作用，主控制器为反作用。
控制器选型
通过前面的分析，主调节器要用到PID调节，副调节器要用到P调节，所以对于主副调节器我们用两个DDZ-III型控制器即可。
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。
图DDZ-III型调节器的结构框图
DDZ-III型PID调节器的结构框图如图6。
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。
调节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。
对于控制器的正反作用、PID或P调节以及参数的设定都可以通过调节器面板上的操作键来完成。
对于主控制器的DDZ-III型调节器，我们将其右侧面板上设有正反作用切换按钮切到反作用上，并在P、TI、TD参数设定轮上使P、TI、TD均不为0构成PID调节；对于副控制器的DDZ-III型调节器，我们将其右侧面板上设有正反作用切换按钮切到反作用上，并在P、TI、TD参数设定轮上将TD设定为零，TI设定为无穷大，构成P调节。
综上所述，串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制要求。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。
由此，根据串级控制的结构特点可画出隔焰隧道窑温度—温度串级控制系统的结构框图。
隧道窑炉串级控制系统的结构框图如下图所示。
图隔焰隧道窑温度串级控制系统的结构方框图
第4章系统调试
本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。
另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用PowerSystem工具箱进行调速系统仿真的新方法。
系统参数的整定
工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：
逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。
逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。
两步整定法虽然比逐步近法简化了调试过程，但还是要做两次4：
1衰减曲线法的实测。
对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。
为了简便起见，本设计采用一步整定法。
所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。
本次课程设计中的串级控制系统中主、副对象的传递函数分别为：
G01（s）=1/（30s+1）（3s+1）;g02（s）=1/（（10s+1）（s+1）^2）;
首先在比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度，进行副回路的参数整定。
然后保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为4：
1的比例度P1S，记取过渡过程的振荡周期T1S。
当衰减比为4：
1时，比例度
为98，振荡周期为
为，最后按已求得的P1S、T1S和P2s、T2s值，结合已选定的调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，进行主、副调节器的参数的整定。
系统仿真
根据隔焰隧道窑温度串级控制系统的结构方框图和主副控制对象的传递函数以及控制部分的PID参数可在Simulink中建立系统结构图。
由于本次课程设计要求进行分别采用单回路控制和串级控制两种过程控制方式的系统仿真，因此可先进行单回路控制系统的系统仿真，然后再进行串级控制系统的系统仿真。
单回路控制系统的系统结构仿真原理图和串级控制系统的系统结构仿真原理图如下所示。
图单回路控制系统仿真图
图串级控制系统仿真图
单回路控制系统和串级控制系统的主、副调节器参数整定好以后系统在不加扰动时的仿真输出图如下图所示。
图串级控制没加扰动时仿真图
图单回路控制系统无扰动时的仿真图
单回路控制系统和串级控制系统的主、副调节器参数整定好以后系统在添加加扰动时的仿真输出图如下图所示。
图串级控制系统有扰动时的仿真图
图单回路控制系统有扰动时的仿真图
由单回路控制系统和串级控制系统的仿真结果可知由于串级控制系统中副控回路的存在，很好的控制了二次扰动对系统的影响，说明采用串级控制能够有效的克服进入副控回路的干扰。
第5章心得体会
不知不觉中，为其两周的串级控制隧道窑炉系统的课程设计已经做完了，在这次课程设计中，让我感觉受益匪浅。
在设计过程中，从拿到题目，系统方案的选择到方案的确定，主副回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，都经过了严谨的思考，使系统能够达到设计目的。
在设计中，遇到了许多困难，老师从开始的题目介绍，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成这次关于隧道窑炉温度控制系统的设计。
我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。
学校安排了这次隧道窑炉温度控制系统的课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。
通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。
我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。
另外在做课程设计过程中，涉及到Matlab的仿真。
通过亲自仿真实践，掌握了如何在Simulink中进行仿真。
与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。
因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。
在做过控课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和掌握。
在这个过程中我认真查阅了大量资料和工具书增长了我的知识，开阔了我的视野。
不过我看得更多的还是教材，万变不离其宗，对任何一个设计其基本原理最终都可以在书本上找到答案。
所以书本是最重要的，完全吃透书本课程设计才能发挥得更好。
虽然课程设计源于书本，但是和应用于生活联系得更加紧密。
这就要求我们在学习和生活的过程中每个人都要学会应用资源和我们自身的优势，同时留心观察身边的事物。
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重庆大学出版社，2003
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[7]金以慧，方崇智编．过程控制．清华大学出版社，2010．
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性
软件设计完成情况
硬件调试完成情况
设计说明书与设计图纸质量
答辩情况
独立工作能力
完成任务情况
出勤情况
综合评分
指导教师签名：
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日期：
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注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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