1、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-5三、 控制系统设计-53.1 基本控制方案-53.2 控制仪表选型-93.3 参数整定计算-103.4 控制系统MATLAB仿真-103.5 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
2、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)01234567891000.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t (点)1112131415161718192021()0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00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
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(s)0100200300400500600700800900100000.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.015.677.188.359.3410.1510.8111.35y*000370.14
4、50.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)110012001300140015001600170018001900200021000.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.88409140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991则y（）=13.34K= y（）/u=0.5336(/)Matlab画出图像： 程序如下：clear;t=0:100:
5、2100;yi=0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00;ys=0 0.5 1.94 4.01 5.69 7.18 8.35 9.34 10.15 10.81 11.35 11.8 12.19 12.52 12.79 13 13.15 13.24 13.3 13.33 13.34 13.34;ym=0 0.037 0.145 0.300 0.425 0.538 0.626 0.700 0.761 0.810 0.851 0.8
6、84 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.999 1 1plot(t,yi); %画出脉冲响应曲线hold on;plot(t,ys); %画出单位阶跃响应曲线hold on;grid on;figure;plot(t,ym); %画出归一化阶跃响应输出曲线grid on; 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=0.4330.46,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：0.5334419s+1
7、(166s+1)对象仿真图如下：2.2对象特性分析0.5334419s+1(166s+1)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
8、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：Gm=20-4750-420=0.048(mA/)调节阀增益： 得广义对象传函：0.16419s+1166s+1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：=60,T=700最终整定参数如下：=0.85=0.112; kc=1=8.96；Ti=2=120;Td=0.5=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
9、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
10、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
11、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-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：Gm1=20-4750-420=0.048 mA/%副回路的变送器传函: Gm2=20-41000-600=0.04 mA/%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01300 。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
12、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Kc1=6，Ti1=200，Td1=803.4 Simulink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
13、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
14、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。
