1、整理过程控制加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计二一一二一二 学年第 一 学期信息科学与工程学院课程设计任务书课程名称： 过程控制与集散系统课程设计 班 级： 自动化2008级（1）班 指导教师： 黄卫华 姓 名： 郑 振 学 号： 200804134012 二一一年 十月设计题目加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计设计任务图所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。图1
2、加热炉出口温度系统但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。设计要求1) 绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。2) 以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。3) 假设主对象的传递函数为，其中,副对象的传递函数为，主、副控制器的传递函数分别为，,，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。4) 利用simulink实现单回路系统仿真和串级
3、系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。5) 根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点。设计任务分析系统建模：主对象的传递函数为，其中,副对象的传递函数为，主、副控制器的传递函数分别为，,学号为12，得出主传递函数： =1/(16S2+8.2S+1)控制方案：分别采用串级控制和单回路控制比较，比较曲线。单回路反馈控制系统结构框图串级控制系统结构方框图详细设计：主、副控制器参数整定及Simulink仿真主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI控制规律。副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质
4、量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。在工程实践中，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逼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。具体的整定步骤为：（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/20.5
5、这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数TI，即可得到改善。对于该温度串级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配。根据表1，可以大致确定副控制器的增益Kc2及比例带。常见对象的副控制器比例带的经验法副控制器对象 温 度 压 力流 量液 位比
6、例带 2060307040802080增益Kc2 1.75.01.43.01.252.51.255.0根据本设计，适当选取Kc2=3（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，考虑到4：1衰减太慢，因此采用10：1衰减曲线法整定主控制器参数。取Kv=1,将X=12（学号最后三位）带入可计算出主对象的传递函数。衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间
7、的距离称为10：1衰减周期TS。根据S和TS，运用表2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。衰减率 整定参数调节规律 TiTd0.75 PS PI 1.2S 0.5TS PID 1.8S 0.3TS 0.1TS 0.9 P S PI 1.2S 2TS PID 1.8S 1.2TS 0.4TS 衰减曲线法整定计算公式 （3）环境影响评价中应用环境标准的原则。1.建设项目环境影响报告书的内容串级控制：（五）建设项目环境影响评价文件的审批串级控制（未加入积分部分）4.将环境影响价值纳入项目的经济分析4）按执行性质分。环境标准按执行性质分为强制性标准和推荐性标准。环境质量标准和污染物排放标准
8、以及法律、法规规定必须执行的其他标准属于强制性标准，强制性标准必须执行。强制性标准以外的环境标准属于推荐性标准。其中，kc2在1.75.0中间取值3.0Kc1的值从大到小取值，采用10：1衰减曲线法（五）规划环境影响评价的跟踪评价Simulink中，如图，断开积分输出线，观察输入曲线，得到10:11.规划环境影响评价的技术依据在kc1=8的时候，在t1=6.1s出现第一峰值，为1.16。在t2=16.8s出现第二峰值，为0.89。曲线稳定值为0.86。符合10:1衰减曲线。Ts=10.7s。Ti=2Ts=21.4s.D.环境影响研究报告报告内容有：建设项目基本情况、建设项目所在地自然环境社会环
9、境简况、环境质量状况、主要环境保护目标、评价适用标准、工程内容及规模、与本项目有关的原有污染情况及主要环境问题、建设项目工程分析、项目主要污染物产生及预计排放情况、环境影响分析、建设项目拟采取的防治措施及预期治理效果、结论与建议等。1.建设项目环境影响评价文件的报批串级控制仿真结果（未加入积分部分）修改Kc1的值设置为8/1.2=6.7，1/Ti的值设置为1/21.4=0.047，将积分器的输出连线连上串级控制（加入积分部分）串级控制仿真结果（加入积分部分）串级系统，整定结果：Kc1=6.7,Kc2=3,Ti=21.4，Kv=1单回路系统：单回路按照4：1衰减曲线整定。在断开积分部分的情况下：
10、其中kc=5,如图，T1=7.8s时，第一峰值：1.23,T2=19.8s，第二峰值0.93，稳定值0.83，,Ti=0.5Ts =6单回路控制（未加入积分部分）单回路控制结果（未加入积分部分）计算，得到1/Ti=0.167，Kc=4.167加入积分部分，设定值，仿真，得曲线，如图：单回路控制（加入积分部分）单回路控制结果（加入积分部分）串级控制系统性能分析串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。 对串级控制系统和单回路控制系统
11、阶跃响应输出曲线对比可知，串级控制系统由于增加了副控制回路，使控制系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应能力都得到明显改善。其性能可归纳为： 1、可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用也加快，对一次扰动的抑制能力也得到提高。 2、提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更窄，从而提高了系统工作频率。3、提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性，减少了时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能得到明显改善。4、对负荷干扰或操作
12、条件的变化有一定的自适应能力。包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱。但串级控制系统也存在一些不足：只有当中间变量能够检测出来时，才可能采用串级控制系统，但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的；串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表，串级控制系统的投放和整定也比单回路控制系统复杂些。在实际生产中，如果是单回路控制系统能够解决的问题，就不一定非要采用串级控制系统方案，一般当单回路控制方案质量达不到实际要求时，才考虑采用串级控制系统。设计心得在此次课程设计的过程中，进一步熟悉了simulink的使用方法。在仿真过程中，深刻体会到过程控制中的一步整定法的具体方法。也更为深入的理解串级控制，单回路控制，比例积分控制，比例控制的区别。其中，在P参数的选择上，费了些许功夫，因为要得到10:1和4:1,所以，调试了好些次。通过课程设计，把课本理论与实际更为紧密的结合起来，记忆和理解更为深入。对工业控制的不同场合的控制方法也有更多的了解。参考文献方康玲过程控制与集散系统，电子工业出版社，2008
