过程控制燃油加热炉.docx

1、过程控制燃油加热炉目 录 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-32.1对象数学模型的计算及仿真验证-32.2对象特性分析-7三、 控制系统设计-73.1 基本控制方案-73.2 控制仪表选型-83.3 参数整定计算-123.4 控制系统MATLAB仿真-133.5 仿真结果分析-133.6 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1t(min)024

2、68101214161820001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70t(min)22241628303234363840422.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10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-），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

3、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2t(min)02468101214161820001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70y001.255.0012.5023.0032.2039.4545.4550.2553.95y*000.0190.0760.1890.3480.4880.5970.6880.7610.817t(min)22241628303234363840422.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200

4、.10y56.8559.1060.9562.4563.6064.4565.0565.4565.7565.9566.05y*0.8610.8950.9230.9450.9630.9760.9850.9910.9950.9981则y（）=66.15。Ir=3.2mAK= y（）/Ir=21Matlab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=0 0 1.25 3.75 7.50 10.50 9.20 7.25 6.00 4.80 3.70 2.90 2.25 1.85 1.50 1.15 0.85 0.60 0.40 0.30 0.20 0.10;%脉冲响应输

5、出序列y(1)=0;y_1=0;%初值for k=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);endxs=(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hold onplot(t,yi)%绘制脉冲响应曲线hold onyim=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=0 0 0.019 0.076 0.189

6、 0.348 0.488 0.597 0.688 0.761 0.817 0.861 0.895 0.923 0.945 0.963 0.976 0.985 0.991 0.995 0.998 1;y(1)=0;y_1=0;for k=1:22y(k)=yi(k)+y_1;y_1=y(k);endxs=(0:0.1:2580);ys=interp1(t,y,xs,spline);plot(t,yi)hold ongrid 图2=120s，从图中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得：t1=525s,t2=1044s。因为t1/t2=0.5030.46,故选择高阶传函且n=3由nT=(

7、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

8、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，

9、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73.2 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

10、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：-2001200；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-200450-50150热电偶测温范围 0-1200； 0-800； 0-1600 0-

11、1800测量精度 0.25%； 0.5%； 0.75%输出信号温漂4-20mA 0.025%/时漂每年小于0.5%环境温度-1085供电电压24VDC 10%负载能力0-500 图68显示范围-19991999防护等级IP65隔爆等级dII BT6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”

12、即可校正。选用Pt100测温范围为0250和200450。（2）调节器广州鑫恒瑞自动化设备有限公司CH402FK02-MAN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01-量程（温度输入）*1 图9c）制冷侧比例带（PC）：加热侧比例带1-1000d）积分时间（I）：1-3600sec2e）微分时间（D）：1-3600sec3f）限制积分动作生效范围（ARW）：比例带的1-1004g）加热侧比例周期1-100sec5h）制冷侧比例周期1-100sec61、如果比例带设定为oCF即成ONOFF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

13、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OFF5、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（ONOFFPPIPD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-N0-30A，CTL-12-S56-10L-N0-100A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：EIARS-485通讯协定：

14、ANSIX328（1976）25A4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：24004800960019200BPS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：0-50oC32-122F周围湿度：45-85RH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：DN25300(mm)公称压力：PN1.66.3(MPa)环境温度：-3060气源最大

15、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3DN/mmPN环境温度/固有流量特性气源最大压力/MPa2530016, 40, 63-3060直线、等百分比0.25DNmm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2581016ZMA-2161620040402503212166363(普通上阀盖)40202525ZMA-3450503240(带散热片上阀盖)65506340ZMA-4808010010012016012520025060ZMA

16、-51502804002004506302501000100ZMA-63001600（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

17、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的控制信号供电。模拟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

18、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=0.1 TS。表42、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

19、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。