管式加热炉建模论文.pdf

加热炉串级控制系统 摘要 本设计是加热炉串级控制系统的设计方案 利用 MATLAB 中的 Simulink 进 行系统仿真 并采用临界比例度法进行参数的整定 最终完成符合实际要求的加 热炉串级控制系统的设计方案 关键词 加热炉串级控制系统 主控制量 临界比例度 1 序言 在大多数情况下 简单控制系统由于其自身需要的自动化仪表少 设备投资 少 维护 投运简单 同时 生产实践证明它能解决大量的生产控制问题 满足 定值控制的要求 因此 简单控制系统是生产过程自动控制中最简单 最基本 应用最广的一种形式 约占自动控制系统的90 左右 但是 针对不同的生产过 程为满足其生产过程的生产工艺 生产参数的不同要求 简单控制系统已不能满 足生产要求 所以相继出现了各种复杂控制系统 例如 串级控制系统 前馈控 制系统 纯滞后补偿控制系统和解耦控制系统等 在各种复杂控制系统中 串级 控制系统占有较大比重 串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的 为双闭环或多闭环控 制系统 串级控制系统可以应用于容量滞后较大的对象 纯滞后较大的对象 扰 动变化激烈而且幅度大的对象和参数互相关联的对象 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 从实际工程可知 加热炉出口温度的控制系统中的温度属于容量滞后较大的 对象 为了提高控制质量 采用串级控制系统 选择滞后较小的炉膛温度为副参 数 构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统 运用副回路的快速作用 将有 效地提高控制质量 可以满足生产要求 为此设计以串级控制为基础的加热炉串 级控制系统 对该生产过程有积极意义 2 加热炉串级控制系统分析 2 1 加热炉串级控制系统的描述 加热炉温度控制系统如图1所示 原料在加热管中从入口到出口过程中被加 热到指定的温度 该系统从燃油燃烧到原料出口温度有三个容量环节 炉膛 管 壁和被加热的原料 加热炉控制系统图如图2 1所示 图2 1 加热炉温度控制系统 图2 1中 T1T是原料温度传感器 T1C是原料温度控制器 T2T是炉膛温度传 感器 T1C是炉膛温度控制器 在上述系统中 中间被控变量是炉膛温度 操纵变量是燃料油的流量 系统的基本扰动来自两个方面 一是原料侧的扰动及负荷扰动 二是燃烧侧 的扰动 诸如燃油压力 配风量等 由于该系统容量滞后较大 如采用以原料出 口温度为被控量的单回路控制系统 当燃料侧扰动产生时 系统不能立即感知 直至经过较大的容量滞后反映到原料温度发生改变时 系统控制作用才开始反应 但为时已晚 同样 控制器的动作必须经过较大容积滞后才能开始对输出的改变 进行调整 这样感知慢 调整慢 控制系统的品质不可能很高 对于负荷侧的扰 动 虽然感知较早 但是控制过程较慢 为此可增设炉膛温度作为另一个被控参 量 构成一个如图1所示的串级控制系统 2 1 加热炉串级控制系统的原理框图 由加热炉串级控制系统可得系统的原理框图 如图2 2所示 原料入口 原料 出口 T2C T1C T1T T2T 燃料油 图 2 2 串级控制系统的原理框图 主调节 器 T1C 副调节 器 T2C 调节阀 原料 管壁 炉膛 温度变送器 T1T 温度变送器 T2T 负荷 扰动 燃烧侧 扰动 r t 3 加热炉串级控制系统的设计与分析 3 1 串级控制系统性能分析 在系统结构上 串级控制系统有两个闭合回路 主回路和副回路 主副调节 器串联工作 主调节器输出作副调节器设定值 系统通过副调节器输出控制执行 器动作 实现对参数的设定控制 串级控制系统的主回路是定值控制系统 副回 路是随动控制系统 通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内 串级控制系统中 由于引入了副回路 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 粗调 快调的特点 主回路 具有后调 细调 慢调的特点 加热炉串级控制系统的主要性能特点为 副控回路具有快速性 能够有效地克服进入副控回路的二次干扰 副控制回路起到了改善对象动态特性的作用 可以加大主控制器的增益 提高 系统的工作频率 由于副控制回路的存在 使串级系统的自适应能力增强 从以上串级控制的特点来看 副控制回路给控制系统带来了一系列优点 因此串 级控制可应用于抑制控制系统的扰动 克服对象的纯滞后 减少对象的非线性影 响 完全适用于加热炉控制系统 3 2 主 副回路的设计 串级系统对二次扰动的抑制效果最好 所以副回路应包含尽可能多的扰动 特别是把变化最剧烈 幅值最大最频繁的主要扰动包括在副回路内 由副回路先 把扰动克服到最低程度 减小其对主变量的影响 从而提高控制质量 加热炉温度串级控制系统是以原料油为主要被控参数的控制系统 其他被控 参数有炉膛温度 膛壁温度 燃料流量 原料油流量 副回路的选择即确定副回 路的被控参数 燃料由于其成分和流量变化 对控制过程产生极大干扰 所以选 择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数 3 3 主 副控制规律的设计 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中 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 又由于加热炉串级控制系统有很大的容量 滞后 所以 选择 PID 调节作为主调节器的调节规律 控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量 对副参数的要求一般不严 格 可以在一定范围内变化 允许有误差 在加热炉的温度控制 采用炉膛温度 作为副被控量 炉膛温度过分偏离设定值严重影响了炉子的安全运行 这种情况 下副控制器可以采用PI控制 所以副调节器调节规律选择PI控制 3 4 控制参数的工程整定 串级控制系统主 副控制器的参数整定方法主要有三种 两步整定法 逐步 逼近法和一步整定法 按照串级控制系统主 副回路的情况 先整定副控制器 后整定主控制器 的方法叫做两步整定法 一步整定法 就是根据经验先将副控制器一次整定好 不再变动 然后按 照一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数 逐步逼近法是一种依次整定主回路 副回路 然后循环进行 逐步接近主 副回路最佳整定的一种方法 4 加热炉串级控制系统的仿真与结果分析 4 1 控制系统传递函数模型 隧道加热炉系统中 考虑将燃烧室温度作为副变量 烧成温度为主变量 串 级控制系统中主 副对象的传递函数 1o G和 2o G分别为 1 1 301 31 o G ss 式4 1 2 2 1 101 1 o G ss 式 4 1 主 副控制器的传递函数 1c G和 2c G为 11 1 1 cc I GsK T s 式 4 3 22 cc GsK 式 4 4 采用传递函数描述的串级控制时系统的Simulink模型如图4 1所示 q1为一 次扰动 取阶跃信号 q2为二次扰动 取阶跃信号 PID C1为主控制器 采用PID 控制 PID C2为副控制器 采用PID控制 2o G为副对象 1o G为主对象 r为系统 输入 取阶跃信号 c为系统输出 它连接到示波器上 可以方便地观测输出 4 2 PID 参数整定及 MATLAB 系统仿真 采用临界比例度法来整定PID控制器的参数 临近比例度法又称稳定边界条 件法 它是先让控制器在纯比例作用下 通过现场试验找到等幅震荡的过渡过程 记下此时的比例度 k 和等幅震荡周期 k T 再通过简单的计算 求出衰减震荡时 控制器的参数 4 2 1 系统总仿真图 系统可以由Simulink仿真来进行参数的调节 系统仿真图如图4 1所示 图 4 1 系统仿真图 此时的参数值为 P 为 10 4 I 为 0 1 D 为 1 26 此时的仿真波形如图 4 2 所示 图 4 2 仿真波形图 4 2 2 副回路的整定 将主环路断开 副回路为比例作用的条件下 由大到小逐渐降低副调节器的 比例度 整定副回路的仿真图如图 4 3 所示 1 90s 33s 1 2 Transfer Fcn1 1 den s Transfer Fcn Step Scope1 Scope PID PID Controller1 PID PID Controller 图 4 3 整定副回路的仿真图 先对副回路进行整定 按照要求 此时的控制器为纯比例作用 在 Simulink 环境中建立系统模型 当 P 为 9 时 衰减比基本可达到 4 1 此时比例度为 9 振荡周期为 8 8 整定副回路波形图如图 4 4 所示 图 4 4 整定副回路波形图 4 2 3 主回路的整定 连接好主回路 保持副回路的比例度不变 即为 9 逐渐降低主回路的比例 度 P1 主回路整定仿真图如图 4 5 所示 1 90s 33s 1 2 Transfer Fcn1 1 den s Transfer Fcn Step Scope1 Scope PID PID Controller1 PID PID Controller 图 4 5 主回路仿真图 用临界比例度法对主回路进行整定 此时的 P 值为 13 此时比例度为 13 振荡周期为 14 1 主回路整定仿真波形如图 4 6 所示 图 4 6 主回路整定仿真波形 4 3 加扰动后的参数调整 加入扰动后 系统会出现稳态误差 动态性能和静态性能都会变差 PID 的各 参数需要重新进行调整 加入扰动的主回路仿真图如图 4 7 所示 1 90s 33s 1 2 Transfer Fcn1 1 den s Transfer Fcn Step Scope1 Scope PID PID Controller1 PID PID Controller 图 4 7 加入扰动的主回路仿真图 加入扰动后系统仿真波形如图 4 8 所示 可以看出系统存在稳态误差 并且震 荡比较严重震荡 所以 PID 调节的参数需要改变 进行进一步调整 图 4 8 加入扰动后系统仿真波形 调整后的参数值是 P 为 8 5 I 值为 0 5 D 值为 1 5 加入扰动后系统新 仿真波形图如图 4 9 所示 1 90s 33s 1 2 Transfer Fcn1 1 den s Transfer Fcn Step2Step1 Step Scope1 Scope PID PID Controller1 PID PID Controller 图 4 9 加入扰动后系统新仿真波形图 4 3 仿真结果分析 串级控制系统对干扰串级控制系统的副回路的存在 能够迅速克服进入副回 路的干扰 从而极大的减少副回路干扰对主被控参数的影响 副回路的存在提高 了系统主调节器对进入主回路干扰控制的快速性 由于副回路的存在 总放大系 数提高了 抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有明显提高 从图 4 9 仿真图来看 比例度为 13 振荡周期为 14 1 并且不存在稳态误差 仿真结果满足加热炉的理论要求 5 设计总结 本次设计所选课题为 加热炉串级控制系统 经过几个星期的不懈努力 终 于完成了理论设计 基本实现了设计要求 虽然系统基本可以完成设计要求 但是还有很多可以改进的地方 设计的串级控制不够完美 对于稳态误差及时间参数仍需要进一步改进 对于设计的加热炉控制系统处于理论阶段 不能直接应用于实际 如果 想制成实际应用 仍需进一步完善 虽然在整个设计中遇到了许多问题 但是也在不断解决问题的过程中使自己 的自学能力和思考能力得到了很大提升 为以后的学习和工作奠定了基础 参考文献 1 关守平 计算机控制理论与设计 东北大学出版社 2009 3 2 刘宝坤 计算机过程控制系统 北京 机械工业出版社 2001 3 席爱民 计算机控制系统 北京 高等教育出版社 2