毕业设计隔焰隧道窑串级控制系统设计

1、目录 1 引言 .1 2 方案分析 .1 2.1 控制方案的选择.1 2.2 系统控制参数的选择.2 2.2.1 主变量的选择 .2 2.2.2 副变量的选择 .3 2.2.3 操纵变量的选择 .3 2.3 调节阀的选择.3 2.4 传感器、变送器的选择.3 2.5 控制器的选择.4 2.5.1 控制器控制规律的选择.4 2.5.2 控制器正、反作用选择.5 2.5.3 控制器选型.5 3 参数整定 .6 4 仿真分析 .8 5 心得体会.13 参考文献 .14 隔焰隧道窑串级控制系统设计隔焰隧道窑串级控制系统设计 1 1 引言引言 过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表

2、及系统来代替 操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制 又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、 建材、原子能等领域。过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、 液位、成分、粘度、湿度以及ph值等这样一些过程变量的控制系统。过程控制是提高社 会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生 产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。 隔焰隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。因为几个环节都涉及到温 度的控制，因此隔焰隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控

3、制的好坏将直接 影响产品的质量。另外随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更严格， 对安全运行及对控制质量的要求也更高。而因为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比 较大。综上所述，须设计一套以温度为控制变量的控制系统。 该控制系统的生产工艺要求： 可以实现对整个隧道窑的工艺流程的控制。 能够克服较大的滞后。 能够自动控制窑内温度，并达到所需精度。 2 2 方案分析方案分析 2.12.1 控制方案的选择控制方案的选择 制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300，偏差 不得超过5c。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道 烧成带的温度作为

4、被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带 燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。 火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。 若采用隔焰隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大， 如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起 燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。因为只有烧 成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。 烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量， 对烧成带温度加以

5、调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以 及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已 偏离设定值很远了。也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大， 稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用pid的 什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。 为了克服较大的滞后，抑制较大的干扰以及使控制更加的准确，简单控制系统已不 能满足条件，故可选择串级控制系统。系统的结构原理图如图1所示。 图1 隔焰隧道窑温度温度串级控制系统结构原理图 2.22.2 系统控制参数的选择系统控制参数的选择 2

6、.2.12.2.1 主变量的选择主变量的选择 串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选 择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的 间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。 由于陶瓷制品的烧成主要是在烧成带，故在本系统中选择烧成带温度作为主变量。 2.2.22.2.2 副变量的选择副变量的选择 副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则： 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； 应使主、副对象的时间常数匹配； 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型 另外考虑到燃料压力变化的干扰对系统温度

7、影响较大，选择燃烧室温度作为副变量。 2.2.32.2.3 操纵变量的选择操纵变量的选择 工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它 是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行 的因素。操纵变量的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量； 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制； 在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系 统响应较快； 燃料流量方便控制，且对温度的影响较大，故选择燃料流量作为操纵变量。 2.3 调节阀的选择调节阀的选择 调节阀的气开、

8、气关形式需要考虑到以下几种因素： 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保 生产工艺设备的安全，不至发生事故； 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不 应降低； 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； 当隔焰隧道窑发生故障时，应关闭调节阀停止燃料的送入，避免窑内温度过高及燃 料不必要的浪费。所以调节阀选择气开阀。 调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快 开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。 2.4 传感器、变送器的选择传感器、变送器的选择 由于窑内烧结温度一般为1300，故应选择热电偶温

9、度传感器。 一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温度元件接线盒或专用接线盒内， 变 送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信 号，4ma20ma。这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生 产中 得到广泛应用。 所以本设计选择一体化化热电偶温度变送器。根据表1所示，其材质可选则铂铑30- 铂铑6热电偶。 表1 不同材质热电偶测量范围对应表 类 别材 质分 度 号测 量 范 围 镍铬-康铜 e 0-1000范围内任选 镍铬-镍硅 k 0-1300范围内任选 铂铑 10-铂 s 0-1600范围内任选 铂铑 30-铂铑 6 b 0-1800

10、范围内任选 铜-康铜 t 0-400范围内任选 热 电 偶 铁-康铜 j 0-1200范围内任选 整个温度变送器的电路原理图如图2所示，由热电偶、输入电路和 ad693 等组成。输入电路 是一个冷端补偿电桥，为铜补偿电阻，通过改变电位器的阻值可以调 cu r 1 w 整变送器的零点。和的作用是调整量程。 2 w 3 w 图2 一体化热电偶温度变送器原理图 2.5 控制器的选择控制器的选择 2.5.12.5.1 控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择 在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求 不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定波动和余差。从串

11、级控制 的结构上看，主环是一个定值系统，副环是一个随动系统。对于本系统由于温度变化缓 慢造成的滞后较大，为克服较大滞后，选用pid控制器作为主控制器。副控制器只选比例 控制器。 2.5.22.5.2 控制器正、反作用选择控制器正、反作用选择 因为当阀开大使燃料流量增加时，燃烧室温度升高，故副对象为正作用。燃烧室温 度增加使烧成带温度也增加，即主对象为正作用。 调节阀为气开式为正作用。 温度传感器均为正作用。 要满足主回路和副回路为负反馈，则副控制器为反作用，主控制器为反作用。 2.5.32.5.3 控制器选型控制器选型 通过前面的分析，主调节器要用到pid调节，副调节器要用到p调节，所以对于主

12、副 调节器我们用两个ddz-iii型控制器即可。 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dc4-20ma，控制室联络信号 为dc1-5v，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

13、场所中使用。 图 3 ddz-iii 型调节器的结构框图 ddz-iii型pid调节器的结构框图如图6。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(dc4-20ma或dc1-5v） ，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4- 20ma直流电流输出。 对于控制器的正反作用、pid 或 p 调节以及参数的设定都可以通过调节器面板上的操 作键来完成。对于主控制器的 ddz-iii 型调节器，我们将其右侧面板上设有正反作用切 换按钮切到反作用上，并在 p、

14、ti、td参数设定轮上使 p、ti、td均不为 0 构成 pid 调节； 对于副控制器的 ddz-iii 型调节器，我们将其右侧面板上设有正反作用切换按钮切到反 作用上，并在 p、ti、td参数设定轮上将 td设定为零，ti设定为无穷大，构成 p 调节。 综上所述，可画出隔焰隧道窑温度温度串级控制系统的结构方框图，如图2。 图 4 隔焰隧道窑温度温度串级控制系统的结构方框图 3 3 参数整定参数整定 由上所知，主控制器为pid控制器，副控制器为p控制器。可设定控制系统所用主、 副控制器的传递函数分别为：，假设主对象的传 st st ksg d i cc 1 1)( 1122 )( cc ksg

15、 递函数为，副对象的传递函数为，, 13130 1 )( 1 ss sgo 2 2 1110 1 )( ss sgo1)(sgv 1)()( 21 sgsg mm 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

16、节器的参数。 在在simulink中建立系统结构图，如图5所示。 图 5 在 simulink 中控制系统的结构图 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及比例带。 表2 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 比例带 2060307040802080 增益 1.75.01.43.01.252.51.255.0 根据本设计，为了使系统的快速性更好一些，适当选取（整定时可以根据具3 2 c k 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

17、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。 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，用表示之。由于当衰减比为10：1时。要推测的时间不容易， s 3 y 因此当过渡过程曲线上只看到第一个波峰而第二个看不出来时就认为是衰减比为10：1的 振荡过程。此时被控参数上升时间为。根据和，运用表2所示的经验公式，就可计 r t r t s 算出调节器预整定的参数值。 表3 衰减曲线法整定计算公式 衰减率 整定参数 调节规

18、律 titd p s pi s 2 . 1 r t2 0.9 pid 0.8s r t2 . 1 r t4 . 0 衰减曲线法的第一步就是获取系统的衰减曲线，采用10：1衰减曲线法。取， 1 t ，可直接将图5中的积分环节和微分环节都断开，让s的值从大到小进行试验.，观0 d t 察示波器的输出， 直到只看到第一个波峰而第二个看不出来时就认为是衰减比为10：1 的振荡过程。 此结构模型仿真出来得到系统 10：1 衰减曲线如图 6 所示。此时，由图可知， 4 1 s s,根据表 2 计算得,。即主控制器传递函数为20 r t5 1 c ksti24std8 ，副控制器传递函数为 s s sgc8

19、 24 1 15)( 1 3)( 2 sgc 图 6 系统 10：1 衰减曲线图 4 4 仿真分析仿真分析 根据衰减曲线法求出来的主副控制器的各项参数，可以在 simulink 中进行仿真。为 了使仿真结果更直观更具比较性，让经过系统调节后的输出与给定进行比较，可以在如 图 5 所示的结构图中增加一条由阶跃信号直接到示波器的线。 将所整定出来的主副调节器的各项参数代入图 5 中，得到如图 7 所示，即为整定好 时 simulink 中系统模型结构图。 图 7 整定好时 simulink 中系统模型结构图。 点击 start simulation,在示波器里面双击进行查看，可以得到如图 8 所示

20、的仿真图形。 图 8 整定好后 simulink 系统仿真图 由图 8 可以看出，经过串级控制系统主副控制器的调节后，系统在稳态时可以达到 无静差，且 ，超调量较小。系统在 110s 时达到稳定。 当考虑到主回路里加入干扰时，在系统稳定运行到大约 130s 时，加入一个幅值为设定 值 40%的阶跃扰动信号，如图所示。 图 9 主回路加入干扰时系统结构模型图 对其进行仿真后如图 10 所示，可以看出干扰很快被抑制，由主回路所加干扰引起的 系统的超调量为 ，在 220s 时系统很快重新达到稳定。且达到稳定后 系统无静差。 %14 1 114 . 1 % %6 1 106 . 1 % 图 10 主回

21、路加入干扰后 simulink 系统仿真图 当考虑到副回路里加入干扰时，如在系统在稳定运行到大约 130s 时，加入一个幅值 为设定值 40%的阶跃扰动信号，如图 11 所示。 图 11 副回路加入干扰时系统结构模型图 对系统进行仿真后如图 12 所示，可以看出干扰很快被抑制，而且由干扰引起的超调 量为 ，明显比主回路加入干扰时超调量要小，表明串级控制系统 对加在副回路里的干扰的抑制作用更强，在系统设计时应尽量将主要的干扰包含在副回 路中。系统在 220s 时重新达到稳定。且达到稳定后系统无静差。 %3 . 1 1 1013 . 1 % 图 12 副回路加入干扰后 simulink 系统仿真图

22、 再来分析若主回路和副回路同时加入干扰时系统的抗扰性能，如在系统在稳定运行 到大约 130s 时，主回路和副回路中均加入一个幅值为设定值 40%的阶跃扰动信号，如图 13 所示。 图 13 主副回路同时加入干扰后 simulink 系统结构模型图 图 14 主副回路同时加入干扰后 simulink 系统仿真图 对其进行仿真后如图 14 所示，可以看出干扰很快被抑制，由主回路所加干扰引起的 %5 . 7 1 1075. 1 % 系统的超调量为 ，在 220s 时系统重新达到稳定，稳态无静差。 从以上三种情况时的抗扰分析可以得出，串级控制系统对主回路和副回路中的干扰 有较好的抑制作用，系统都可以较

23、快地达到稳定。而且稳态均无静差。另外系统对加在 副回路中的干扰信号的抑制作用更强。 5 5 心得体会心得体会 理论的学习使我掌握了有关过程控制系统的设计和分析。随着科技不断发展进步系 统的自动控制也同我们的生活息息相关，在我们的生活中扮演的角色也越来越重要。 这次课程设计总共不到两个星期的时间，而且期间穿插着元旦放假以及另外一门课 设，时间比较紧，但是即使这样，我也积极地进行准备，认真分析老师所给的任务书。 刚开始时，我看到我的题目为串级控制系统，还暗自庆幸比那些什么比值或分程控制的 要简单。但是做了段时间，就被卡住了，在对隧道窑进行建模的问题上，我想了很多方 法，在网上无论怎么搜索都搜不到，最终只有对于建模这一过程进行舍弃。而是将重点 放在参数的整定以及对系统进行仿真和抗扰性能分析上面了。 在做过控课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深 刻的了解和掌握。在这个过程中我认真查阅了大量资料和工具书增长了我的知识，开阔 了我的视野。不过我看得更多的还是教材，万变不离其宗，对任何一个设计其基本原理 最终都可以在书本上找到答案。所以书本是最重要的，完全吃透书本课程设计才能发挥 得更好。 虽然课程设计源于书本，但是和应用于生活联系得更加紧密。这就要求我们