加热炉串级控制系统课程设计.doc

武汉理工大学过程控制系统与仪表课程设计说明书摘要串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。关键词：串级控制 主调节器 PID控制 反馈目录1 串级控制系统的优点及如何设计11.1 串级控制系统原理图、结构框图11.2 串级控制系统的工作过程22 管式加热炉的设计32.1 系统设计与对比32.1.1 两种单回路控制系统32.1.2 串级控制管式加热炉整体设计42.1.3 管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图52.2 副回路的设计与副参数的选择52.3 主、副调节器调节规律的选择52.4 主、副调节器正反作用方式选择62.4主、副调节器选用62.5 主、副电路检测变送器的确定72.5.1 温度检测元件72.5.2 温度变送器82.6 调节阀的确定93 系统参数整定94 串级控制系统的控制效果104.1 迅速克服进入副回路的二次干扰104.2 提高了系统的工作频率114.3 对负荷剧烈变化的适应能力12小结与体会13参考文献1414管式加热炉温度串级控制系统设计1 串级控制系统的优点及如何设计1.1 串级控制系统原理图、结构框图图1-1系统原理图串级控制系统与简单控制系统的主要区别是，串级控制系统在结构上增加了一个测量变速器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。图1-2串级控制系统结构框图串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。串级控制能提高控制品质的主要原因是因为它比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，因而具有如下优点：（1）能迅速克服进入副回路的干扰（2）能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（3）能适应负荷和操作条件的剧烈变化串级控制系统的适用范围：（1）适用容量滞后较大的过程（2）适用于纯滞后较大的过程（3）适用于干扰变化剧烈，幅度大的过程（4）应用于参数互相关联的过程（5）应用于非线性过程1.2 串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：（1）扰动作用于副回路（2）扰动作用于主过程（3）扰动同时作用于副回路和主过程 分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。2 管式加热炉的设计2.1 系统设计与对比2.1.1 两种单回路控制系统图2-1管式加热炉出口温度的单回路控制该系统由于采用单回路控制存在着原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；偏差大，控制质量差等问题。图2-2 管式加热炉出口温度的间接控制图2-1和2-2为两管式加热炉的两种单回路的控制系统。在上述两个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控制系统无法将变化了的温度调回来。综上可总结没有采用串级控制带来的干扰（1）干扰来自燃料油流量的变化初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。 当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值 。（2）干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高出口温度升高导致温度控制器输出降低，进而导致流量控制器设定值的降低 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。2.1.2 串级控制管式加热炉整体设计图2-3 管式加热炉出口温度串级控制管式加热炉整体串级控制：针对燃料油的粘度,成分，处理量和燃料油热值为主要干扰对象而设计的管式加热炉的原料出口温度与炉膛温度的串级控制系统流程。用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料油流量的扰动，同样，加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油和流量的扰动和热值扰动。2.1.3 管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图串级控制系统，它就是由两个调节器串联在一起，控制一个执行阀，实现定值控制的控制系统。图2-4管式加热炉出口温度串级控制系统2.2 副回路的设计与副参数的选择副回路的选择原则时：（1）副参数要物理可测，副对象的时间常数要小，纯滞后时间应尽可能短。（2）副回路应尽可能多地包含变化频繁，幅度大的干扰，尤其要将严重影响主参数变化剧烈而又频繁的干扰包含在副回路中。（3）主，副被控过程的时间常数要是当匹配。（4）应综合考虑控制质量和经济要求。由生产工艺要求选择管式加热炉的炉膛温度控制为副回路。2.3 主、副调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主，副调节器起的作用不同。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。主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选PI或PID调节规律。所以本设计主回路选择PID调节规律。副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副调节器选择P调节规律。2.4 主、副调节器正反作用方式选择 串级控制系统中，主、副调节器的正反作用的选择方法是：首先根据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式，并决定副调节器的正反作用;然后再依据主、副过程的正、反形式最终确定主调节器的正、反作用方式。具体可参考表2-1。表2-1主、副调节器正反作用方式选择一览表序号K01K02KvKc2Kc11正正正正正2正正负负正3负负正负负4负负负正负5负正正正负6正负负负负7正负正负正8正负负正正2.4主、副调节器选用DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有以下主要特点：（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC420mA，控制室联络信号为DC15V，信号电流与电压的转换电阻为250。（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。DDZ-III型PID调节器的结构框图如图2-5。主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。 调节器接收变送器送来的测量信号(DC420mA或DC15V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为420mA直流电流输出。图2-5 DDZ-III型调节器结构框图2.5 主、副电路检测变送器的确定2.5.1 温度检测元件热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500C以上的高温，可以在1600C高温下长期使用。热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。由图1-6可知，副回路中的温度变送器2检测的是炉膛的温度，一般较高，故选择热电偶；主电路的温度变送器1则检测的是原料油的出口温度，温度较低，选择热电阻即可。在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图2-6所示。用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值图2-6 补偿导线的作用符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，如图2-7所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。2.5.2 温度变送器检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。图2-8给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。图2-7 热电阻三线制接法图2-8 温度变送器原理框图本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器及热电阻变送器。2.6 调节阀的确定由前文得，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。3 系统参数整定串级调节系统参数整定亦用先副后主方式。因为副回路整定的要求较低，一般可参照单回路的方法来设置。有时为更好发挥副回路的快速作用，控制作用可调的强一些（相应的衰减比可略小于41）。现在采用衰减曲线法进行参数整定如下：（1） 先置调节器积分时间，微分时间，比例度置于较大数值，将系统投入运行。 （2） 等系统运行稳定后，对设定值做阶跃变化，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，择减小比例度。反之亦然。如此反复，直到衰减比为4：1的过程，几下此时的以及值（3） 按照表3-1所给的经验公式计算、表3-1衰减比为4：1时，衰减曲线法整定参数计算表调节规律调节参数比例度积分时间微分时间PPI1.20.5PID0.20.30.14 串级控制系统的控制效果4.1 迅速克服进入副回路的二次干扰图4-1 串级控制系统输出对于输入的传递函数：输出对于二次扰动的传递函数：若克服二次干扰的能力用来表示，则假设主、副调节器均采用比例调节器，即 图4-2 单回路控制系统 则假设一般 取值较大，所以。串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统，串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。4.2 提高了系统的工作频率图4-3 单回路控制系统其特征方程式为：则阻尼振荡频率为：则同理可得：其中当要求衰减比时，有显然 而且当主、副对象特性一定时，越大，工作频率越高。串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。4.3 对负荷剧烈变化的适应能力图4-4 控制系统无串级时，开环传函：有串级时，开环传函：当， 所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。小结与体会本次设计针对所用的是串级控制系统,因为串级控制系统克服二次干扰的能