加热炉出口温度控制系统设计.docx

1、加热炉出口温度控制系统设计吉林建筑大学城建学院课程设计报告题目名称加热炉出口温度控制系统设计 院（系）电气工程及其自动化 课程名称过程控制工程课程设计 班级电气 13-1学号学生姓名指导教师起止日期 2016.6.20-2016.7.1成绩摘 要 AB STRACT 第 1 章绪论11. 1 设计 目 的11. 2 设计 任 务11.3 加热炉 温度控 制 系统简 介 11.4 加热炉温度控制系统的发展 2第 2 章 对 象 模 型 建 立 42 1 建立数学模型 42 2 控制系统分析 5第 3 章 系 统 设 备 选 型 63.1 测量变送器和传感器的选择 63. 2 执 行 器 的 选

2、择 63. 3 控 制器 的 选择 6第 4 章控制器参数整定及 Simulink 仿真94. 1 控制器参 数整 定 94. 2Sim ulin k 仿真11 结 论1 2 致 谢 1 314参考文献摘要随着我国国民经济的快速发展， 加热炉的使用范围越来越广泛。 随着网络技 术的发展和整个工厂完全实现两级自动化管理， 在过程级上通过相应的终端了解 任何一个设备或任何一个装置的控制情况以及生产情况。 过程控制系统在加热炉 系统中得到广泛的应用， 它是加热炉控制系统的重要部分， 是对以及控制系统的 一个总领和扩充。 现代加热炉的生产过程可以实现高度的过程控制， 以保证在加 热过程中温度的准确控制

3、， 这就为工业生产提供了有利条件。 加热炉是工业生产 中的一个重要装置， 它的任务是把原料加热到一定温度， 以保证下道工序的顺利 进行。因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用。关键词：加热炉；过程控制系统；温度控制ABSTRACTWith the rapid development of Chinas national economy, the use of heating furnace is more and more extensive. With the development of network technology and the whole factory to achieve

4、 two level of automation management, in the process level through the corresponding terminal to understand any equipment or any one of the control of the device and the production situation. Process control system has been widely used in the heating furnace system, it is heating furnace control syst

5、em is an important part of, and the control system of a consul general and expand. The production process of modern heating furnace can realize high process control, so as to ensure the accurate temperature control during the heating process, which provides favorable conditions for industrial produc

6、tion. Heating furnace is an important device in industrial production, it is the task of heating raw materials to a certain temperature, in order to ensure the smooth progress of the next process. So the temperature control of the heating furnace plays an important role.Keywords ：Reheating furnace;

7、process control system; temperature control第 1 章绪论1.1设计目的通过过程控制工程课程设计能从中学会从工程角度思考问题， 熟悉本专业领域的过 程控制仪表系统设计， 学会过程控制系统各环节额的组合作用， 学会对温度控制仪表的 正确接口、温度信号调理、线性化、校准及常用的控制方法 。1.2设计任务在工业生产中经常要对加热炉出口温度进行控制， 为了能够精确控制温度， 保证正 常生产，要求设计温度闭环反馈控制系统，能抑制波动，且系统无余差。要求设计一个 加热炉出口温度闭环反馈控制系统， 采用适合的控制算法， 输入设定温度值， 并实时显 示当前温度 值。1

8、.3加热炉温度控制系统简介随着节能技术不断发展， 加热炉节能控制系统正日趋完善。 以燃烧过程数学模型为 依据建立的最佳燃烧过程计算机控制方案已进入实用阶段。 例如，按燃烧过程稳态数学 模型组成的微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。 有时利用计算机实现约束控制， 使 加热炉经常维持在约束条件边界附近工作， 以保证最佳燃烧。 随着建立燃烧模型工作的 进展和计算机技术的应用，加热炉燃烧过程控制系统将得到进一步的完善。影响加热炉出口温度的干扰因素很多， 炉子的动态响应一般都比较迟缓， 因此加热 炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案。 根据干扰施加点位置的不同， 可组成多参 数的串级控制。 使用气体燃

9、料时， 可以采用浮动阀代替串级控制中的副调节器， 还可以 预先克服燃料气的压力波动对出口温度的影响。 这种方案比较简单， 在炼油厂中应用广 泛。随着科学技术的进步， 自动控制技术在各个应用领域中的应用已日渐广泛， 不但使 得生产设备或生产过程实现自动化， 大大提高了劳动生产率和产品质量， 改善了劳动条 件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要的作用。自动控制 ( automatic control )是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使 机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。 自动控制是 相对人工控制概念而言的。 指的是在没人参与的

10、情况下， 利用控制装置使被控对象或过 程自动地按预定规律运行。1.4加热炉温度控制系统的发展自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学， 是分析和设计自动控制系统的 理论的基础。它的发展初期， 是以反馈理论为基础的自动调节原理， 主要用于工业控制， 二战期 间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪， 火炮定位系统， 雷达跟踪系统以及其他基于 反馈原理的军用设备， 进一步促进并完善了自动控制理论的发展。 自动控制理论是研究 自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。到战后，已形成完整的自动控制理论体系， 这就是以传递函数为基础的经典控制理 论，它主要研究单输入 - 单输出，

11、线形定常系统的分析和设计问题。自动控制理论的发展历程如下：140 年代 -60 年代初需求动力：市场竞争 ,资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需 要。主要特点：此阶段主要为单机自动化阶段，主要特点是 :各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。 典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。260 年代中 -70 年代初期 需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需 要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以自动生产线为标志，其主要特点是：在单 机自动化的基础上， 各种组合机床、 组合生产线出现， 同时软件数控系统出现并用于机 床，CAD

12、 、CAM 等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合 于大中批量的生产和加工。典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。370 年代中期 - 至今 需求动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要 求自动化技术向其广度和深度发展， 使其各相关技术高度综合， 发挥整体最佳效能。 自 动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学， 是分析和设计自动控制系统的理论的 基础。主要特点：自 70 年代初期美国学者首次提出 CIM 概念至今，自动化领域已发 生了巨大变化，其主要特点是： CIM 已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受； CIM 也是一种实

13、现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的 整体。所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提 高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是 :数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。同时， 并行工程作为一种经营哲理和工作模式自 80 年代末期开始应用和活跃于自动化技术领 域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品： CIMS 工厂，柔性制造 文案大全系统(FMS) 。随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用， 为适应自动控制、 宇航技术 的发展，自动控制理论跨入了一个新阶

14、段现代控制理论。主要研究具有高性能， 高精度的多变量多参数的最优控制问题， 主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。 目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制 理论深入。为了实现各种复杂的控制任务， 首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连 接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中， 被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量， 它 可以要求保持为某一恒定值， 例如温度， 压力或飞行航迹等； 自动控制理论是研究自动 控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的

15、总体， 它可以采用不同的原理和 方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中， 控制装置对被控装置施加的控制作用， 是取自被控量的反馈信 息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务， 这就 是反馈控制的原理。2.1 建立数学模型我们用系统辨识法第 2 章对象模型建立响应曲线法对加热炉出口温度控制系统建立数学模型。根据表2-1 确定响应曲线，并计算出被控对象的传递函数。表 2-1 由输出温度变化t/min024681012/ oC270.0270.0267.0264.7262.7261.0259.5t/min14161820

16、222426/ oC258.4257.8257.0256.5256.0255.7255.4t/min28303234363840/ oC255.2255.1255.0255.0255.0255.0255.0图 2-1 响应曲线由阶跃响应曲线确定控制系统为一阶，则加热炉出口温度控制系统为单回路控制系统，并由此确定一阶纯滞后惯性环节的参数：滞后常数：2；时间常数：T012 ；放大系数：K0y( ) y(0) 1 ；1；x0被控过程数学模型： W0(s) K0 e s 1 e 2s 0 T0s 1 12s 12.2控制系统分析根据图 2-2 所示，据此进行单回路控制系统设计。图 2-2 加热炉温度控

17、制系统被控参数：出口热物料温度控制参数：燃料干扰量：冷物料由上面参数确定加热炉温度控制系统方框图如图 2-3图 2-3 系统方框图第3 章 系统设备选型3.1测量变送器与传感器选择变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。 至于有时候 与传感器通用是因为现代的多数传感器的输出信号已经是通用的控制器可以接收的信 号，此信号可以不经过变送器的转换直接为控制器所识别。所以，传统意义上的“变送 器”意义应该是： “把传感器的输出信号转换为可以被控制器或者测量仪表所接受标准 信号的仪器”。在自控中：信号源 - 传感器-变送器- 运算器控制器-执行机构 - 控制输出。本系统采用典型模拟

18、式温度变送器中的 DDZ-III 型热电偶温度变送器， 属安全火花 型防暴仪表， 还可以与作为检测元件的热电偶相配合， 将温度信号线性的转换成统一标 准信号。 DDZ-III 类仪表相对于 DDZ-II 类仪表的一个优点是电流范围不是从零开始， 这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零， 所以应选择 DDZ-III 型 K 型热电 偶温度变送器。本系统选择接触式测温元件。 其中较为常用的有热电偶、 热电阻和集成温度传感器三种，由于系统对温度的要求不是很高，一般的测温元件即可满足要求，故选择 K 型 热电偶作为测温元件。3.2执行器的选择执行器是自动控制系统中的执行机构和控制阀组合体。 它

19、在自动控制系统中的作用 是接受来自调节器发出的信号，以其在工艺管路的位置和特性，调节工艺介质的流量， 从而将被控数控制在生产过程所要求的范围内。执行器在结构上分为执行机构和调节机构。 其中执行机构包括气动、 电动和液动三 大类，而液动执行机构使用甚少， 同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机 构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择， 由于气 动执行机构的工作温度范围较大， 防爆性能较好， 故本系统选择气动薄膜执行机构并配 上电/气阀门定位器。3.3控制器选择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。它以其结构简单

20、、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技 术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时， 控制理 论的 其它技术难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能 通过有效的测量手段来获得系统参数时， 最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也 有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控 制量进行控制的。 PID 控制公式如下 u(t) = Kp*e(t) + Ki e(t) + Kde(t) e

21、(t-1)+u0比例( P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信 号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差( Steady-state error )。积分(I)控制在积分控制中， 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对 一个自动控制系统， 如果在进入稳态后存在稳态误差， 则称这个控制系统是有稳态误差 的 或简称有差系统( System with Steady-state Error )。为了消除稳态误差，在控 制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分 项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加

22、大，它推动控制器 的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 + 积分(PI)控制器，可以 使系统在进入稳态后无稳 态误差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变 化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后 (delay) 组件，具有抑制误差的作 用， 其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前”， 即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比 例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需

23、要增加的是“微分 项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 + 微分的控制器，就能 够提前使抑 制误差的控制作用等于零， 甚至为负值， 从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大 惯性或滞后的被控对象， 比例 +微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 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

24、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 控制器参数的工程整 定方法，主要有临界比例法、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。 但无论采用哪一种方法 所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是 临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时 的比例放大

25、系数和临界振荡周期；（3 ）在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。第 4 章 控制器参数整定及 Simulink 仿真4.1控制器参数整定在模拟 PID算法控制规律为： u(t) Kpe(t) 1 e(t)dt TD de(t)TI dt则算法的传递函数为： W(s) U (s) K p1 1 TDsE(s) TI s其中:KP为调节器的放大系数； TI为积分时间常数； TD 微分时间常数； 积分系数 KI K PT ；微分系数： KD KPTD ;比例度： 1 100%TI T K p整定思路：1.理论根据由于主、 副对象的时间常数相差很大， 则主、副回路的工作频率差 别很

26、大， 当副回路整定好以后， 将副回路视作主回路的一个环节来整定主回路时， 可认 为对副回路的影响很小，甚至可以忽略。2.另一方面，工艺上对主变量的控制要求较高，而对副变量的控制要求较低。 整定顺序：先整定副调节器，再去整定主调节器。整定步骤：(1)在生产工艺稳定，主、副调节器均设置为纯比例控制作用。(2)具体做法，将主调节器的比例度 1置于 100%, K I 0,K D 0 。(3)按简单控制系统的衰减曲线法整定副回路将副调节器的比例度 2 由大到小调整，直到副变量的过渡过程曲线呈 4:1 衰减振荡为止。(4)记下此时的比例度 2 ，量得此时的衰减振荡周期 T2。(5)置副调节器的比例度为

27、2 ,将副回路看作是主回路的一个环节 ,主副环仍闭合 ,用 同样的方法整定主调节器将主调节器的比例度 1由大到小调节，直到主变量的过渡过程曲线呈 4:1 衰减振荡为止。(6)记下此时主调节器的比例度 1 ,量出主变量振荡周期 T1 。(7)由已求得的 1、 2、 T1 、 T2的值，结合主、副调节器的选型，按照简单控制系 统的衰减曲线法整定参数的经验公式，分别计算主、副调节器的最佳参数值。(8)按照“先副后主”、“先 P 再 I 后 D”的顺序，将计算出的参数设置到调节器 上，作扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制质量最佳。表 3-1 衰减曲线法整定计算公式图 4-1 衰减曲

28、线法整定计算公式比例度： s 0.9振荡周期： Tr 221.2 s 1.08 ； TI 2Tr 44图 4-2 参数模块设定4.2仿真结果1.加热炉出口温度单回路系统仿真原理图图 4-3 系统仿真原理图2.加热炉出口温度单回路系统仿真结果图 4-4 系统仿真结果结论此次课程设计是加热炉温度控制系统设计， 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。在这次设计中我们还探讨了有关单回路 PID 控制 的设计、 前馈反馈控制系统的设计、 串级控制系统的设计等有关内容。 我还查阅了很 多资料

29、并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习， 设计出了自己满意作品， 进 而得到同学和老师的肯定，也只有这样才能起到此次课程设计的目的。致谢通过此次课程设计，我深刻的认识到课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验， 而且也是对自己能力的一种提高。 通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠 缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点 眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、 生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在此要感谢我的指导老师韩学辉老师的指导， 感谢老师给我的帮助。 在设计过程中， 我通过查阅大量有关资料， 与同学交流经验和自学， 并向老师请教等方式， 使自己学到 了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西， 也培养了我独立工作的能力， 树立了对自己工作能力的信心， 相信会对今后的学习工作 生活有非常重要的影响。 而且大大提高了动手的能力， 使我充分体会到了在创造过程中 探索的艰难和成功时的喜悦。 虽然这个设计做的也不太好， 但是在设计过程中所学到的 东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。参考文献1柏逢明，过程检测及仪表技术 M. 北京 :北京国防工业出版社 ,