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1、word
《過程控制》課程設計
題 目: 燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)
班 級：
學 號：
姓 名：
同組人員：
任課教師： 虹
完成時間： 2013年10月30日
目 錄
一、 設計任務與要求----------------------------------------------------------------------3
二、 被控對數(shù)學模型建模與對象特性分析------
2、------------------------------------3
三、 控制系統(tǒng)設計-------------------------------------------------------------------------5
3.1 根本控制方案--------------------------------------------------------------------5
3.2 控制儀表選型--------------------------------------------------------------------9
3.3 參數(shù)整定計算
3、-------------------------------------------------------------------10
3.4 控制系統(tǒng)MATLAB仿真-----------------------------------------------------10
3.5 仿真結果分析-------------------------------------------------------------------11
四、設計總結---------------------------------------------------------------------
4、---------12
一、 設計任務與要求
1. 在模殼澆鑄、焙燒時常用燃油爐，燒制過程中需要對溫度加以控制，對一個燃油爐裝置進展如下實驗，在溫度控制穩(wěn)定到500℃時，在開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入燃油流量增加大約，即，持續(xù)后完畢，等間隔記錄爐溫度變化數(shù)據(jù)如下表，試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設計一個超調量的無差溫度控制系統(tǒng)。
t(點)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
℃
0
t (點)
11
12
5、
13
14
15
16
17
18
19
20
21
(℃)
具體設計要求如下:
（1） 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的模型；
（2） 根據(jù)辨識結果設計符合要求的控制系統(tǒng)〔給出帶控制點的控制流程圖，控制系統(tǒng)原理圖等，選擇控制規(guī)律〕；畫出控制系統(tǒng)SAMA圖；
（3） 根據(jù)設計方案選擇相應的控制儀表〔DDZ-Ⅲ〕，繪制原理接線圖；
（4） 對設計系統(tǒng)進展仿真設計，首先按對象特性法求出整定參數(shù)，然后按4:1衰減曲線法整定運行參數(shù)。
（5） ★用MCGS進展組態(tài)設計。
二、被控對數(shù)學模型建模與對象特性分析
6、
根據(jù)矩形脈沖響應數(shù)據(jù)，得到階躍響應數(shù)據(jù)，并進展相應的歸一化處理，得：
表2
t(s)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
℃
0
y
0
0.5
1.94
y*
0
0．037
t(s)
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
℃
7、
y
y*
0．914
1
如此y〔∞〕
K= y〔∞〕/Δu=0.5336(℃/％)
Matlab畫出圖像：
程序如下：
clear;
t=0:100:2100;
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 8.3
8、5 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 0.884 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.999 1 1]
plot(t,yi);%畫出脈沖響應曲線
hold on;
plot(t,ys); %畫出單位階躍響應曲線
hold on;
grid on;
figure;
9、
plot(t,ym); %畫出歸一化階躍響應輸出曲線
grid on;
脈沖響應與階躍響應輸出曲線
歸一化輸出曲線
從圖中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得：
t1=382s,t2=882s
因為t1/t2=0.433<0.46,所以選用2階傳函。
又因為：，。
求得T1=166s，T2=419s
得到對象傳遞函數(shù)為：
對象仿真圖如下：
為二階自衡對象，沒有純延遲環(huán)節(jié)。自衡率=1.88，響應速度==0.0021，
三、控制系統(tǒng)設計
3.1 根本控制方案
從設計的簡約性和實用性考慮，
10、首先考慮單回路的控制方法，由于對象的容量較大，而爐溫度的測量較難，所以單回路的控制方法難以得到較好的效果，所以經過仔細比擬，最終決定采用雖然復雜一些，但是控制效果更好的串級控制方法。
為了更好的反響串級方式相對于單回路的優(yōu)點，小組決定用兩種控制方法都試驗一下，用事實說話。
（1） 首先采用單回路控制方法，考慮到系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性的要求，選用PID控制規(guī)律。
單回路系統(tǒng)控制原理圖如下:
根據(jù)對象特性整定參數(shù)〔采用齊勒格-尼克爾整定方法〕
變送器增益：
調節(jié)閥增益：
得廣義對象傳函：
根據(jù)廣義對象畫出輸出曲線見圖5，程序：
clc;
K0=0.16;
num=K0;
11、
den=conv([419,1],[166,1]);
G0=tf(num,den);
step(G0);
k=dcgain(G0);
讀圖可知：τ=60,T=700
最終整定參數(shù)如下：δετ=0.112; kc=；Ti=2ττ=30;
參數(shù)帶入PID控制器之后震蕩劇烈，穩(wěn)定性差，所以kc減小，適當增加Td，經過屢次調節(jié)之后取kc=3，Ti=120，Td=200；
SIMULINK仿真圖(帶擾動)如下:
很明顯，調節(jié)速度慢，而且超調過大，所以舍棄這種方法。
〔2〕串級控制方式：
1.擾動分析：
燃料：壓力、流量、成分和熱值等
原料：進料量、進料溫
12、度
假如爐溫度作為副被調量，擁有客服克燃料油影響，如溫度、成分等，其所屬擾動包含了較多擾動，即可能多的擾動可進入副回路。
串級控制系統(tǒng)中，由于引進了副回路，不僅能迅速克制作用于副回路的干擾，也能加速克制主回路的干擾。副回路具有先調、初調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，對副回路沒有完全克制干擾的影響能徹底加以消除。
2.在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器所起的作用不同。主調節(jié)器起定值控制作用，副調節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調節(jié)器規(guī)律的根本出發(fā)點。
在燃油爐溫度串級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，選擇爐壁溫度為副調參數(shù)。由于原料油溫度影響產品生產質量
13、，工藝要求嚴格，又因為加熱爐串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，主回路選擇PID調節(jié)作為主調節(jié)器的控制規(guī)律，而副回路由于考慮穩(wěn)定性的原因，考慮用P控制規(guī)律。
3.調節(jié)閥：從安全考慮，選氣開，Kv為正
副對象：調節(jié)閥開，爐膛溫度升高，Kp2為正
副調節(jié)器：Kc2為正，即反作用調節(jié)器
主對象：爐溫升高，出口溫度升高，Kp1為正
主調節(jié)器：Kc1為正，即反作用調節(jié)器
Kc2為正，切主調時主調不改變作用方式
控制系統(tǒng)原理圖：
控制系統(tǒng)SAMA圖：
3.2 控制儀表選型
變送器選用DDZ-Ⅲ控制儀表。在主回路的對象為原料油出口溫度，約為500度，故所設計的的圍為42
14、0度到750度。副對象為爐膛溫度比擬高，故所選的變化的圍600度到1000。
主回路的變送器傳函：
副回路的變送器傳函:
根據(jù)設計要求變送器檢測溫度圍較大，選擇NHR-M32智能溫度變送器，測量圍為0—1300。
控制器要求具有PID調節(jié)功能，選擇HR-WP模糊PID自整定調節(jié)器
原理接線圖
2. 閥門的選擇
由于燃油具有較強的腐蝕性，里面的殘渣比擬多，而且由于安全性的要求，所以，經過比擬最終決定選擇氣動蝶閥，最大流量大于4.8t每小時。
由上面討論可知主回路選用PID控制，副回路選用P控制，所以參數(shù)整定如下：
調節(jié)
15、副環(huán)。將主調節(jié)器設為1，和設為0，副調器設為1
逐步調節(jié)副回路的kc。.此時經過微小調整得到副回路P控制器=6.
2、主回路整定：
將副調節(jié)器=6，主回路參加PID，逐步調節(jié)、、的值，使輸出符合要求，記下此時的
3.4 Simulink仿真圖(帶擾動)如下:
將兩者比擬如下：
分析:經過改良，串級控制系統(tǒng)的超調量只有約為3%，符合控制要求，并且調節(jié)時間也有很大程度上改善，通過與單回路PID控制比照可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)特有很大改善。
擾動分析：從圖中可以看出，在2500s時分別參加幅值為2的干擾信號，串級控制對擾動有很強的抗干擾能力。相比擬上圖的單回路抗擾動輸出，又可
16、以看出的串級控制的優(yōu)越性。
通過仿真結果可以看到，串級控制系統(tǒng)可以跟好的實現(xiàn)工程要求，有效克制擾動，很好的實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； 對二次擾動有很強的克制能力；提高了對一次擾動的克制能力和對回路參數(shù)變化的自適應能力。綜上所述，本設計選擇串級控制系統(tǒng)。
四：設計總結
此次課程設計---加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計，使用到了過程控制系統(tǒng)很多方面的知識，包括串級控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級控制系統(tǒng)整定方法，PID調節(jié)器的參數(shù)工程整定，串級控制系統(tǒng)的性能分析等。?剛開始設計時
17、，在主、副控制器選擇上，考慮到主被控變量是加熱爐溫度，允許波動的圍很小，要求無余差，主控制器選了PID控制。副控制器直接采用了P控制考慮到如果引入積分控制可能反而會降低副回路的快速性，降低控制效果。在串級系統(tǒng)整定時，開始準備用逐步逼近法，以為這種方法可以將系統(tǒng)調試到接近最優(yōu)狀態(tài)，但經過實際操作，發(fā)現(xiàn)這種方法很繁瑣，費時費力，就考慮使用實踐中常用的一步整定法，操作后感覺不僅操作簡便，而且也可以達到滿意效果，很適合本次系統(tǒng)設計。在PID參數(shù)整定時，也是用到了比擬常用的衰減曲線法。通過此次課程設計，讓我對過程控制理論知識在實際應用中有了比擬深刻的認識，提高了理論知識的學習，也檢查了自己存在的不足之處。
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過程控制系統(tǒng)課程設計燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)
