过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统解析

1、过程控制课程设计题燃油加热炉温度控制系统班级：学号：姓名：同组人员：任课教师：张虹完成时间：2013年10月30日目录一、设计任务及要求3二、被控对数学模型建模及对象特性分析32.1对象数学模型的计算及仿真验证32.2对象特性分析5三、控制系统设计53.1基本控制方案53.2控制仪表选型93.3参数整定计算 103.4控制系统MATLAB仿真103.5仿真结果分析11四、设计总结12一、设计任务及要求1.在模壳浇铸、焙烧时常用燃油炉，烧制过程中需要对温度加以控制，对一个 燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到5oo°c时，在开环状态下将执 行器的输入燃油流量增加大约25% ,即A/

2、q = 1.2T/h ,持续Ar = 100$后结束， 等间隔4 = 100$记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超 调量叭W 20%的无差温度控制系统。K点）0123456789108 °C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54"点）11121314151617181920210(0)0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00具体设计要求如下：（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图,控制系统原

3、理图等，选择控制规律）；画出控制系统SAMA图；（3）根据设讣方案选择相应的控制仪表（DDZTII）,绘制原理接线图；（4）对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按 4:1衰减曲线法整定运行参数。（5）用MCGS进行组态设计。二、被控对数学模型建模及对象特性分析2.1对象数学模型的计算及仿真验证根据矩形脉冲响应数据，得到阶跃响应数据，并进行相应的归一化处理，得:表2t(s)010020030040050060070080090010000(1.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y01.944.015.6778&359.3410

4、.1510.811135y*00. 0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)110012001300140015001600170018001900200021000.45().390330.270.21050.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.8840. 9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991则 y ( 8 ) =13.34K=y(8)/Au=0.5336(&

5、#176;C/%)Mat lab画出图像： 程序如下：clear;t=0:100:2100;yi=O 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.450.39 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 8.35 9.34 10.15 10.81 11.35 11.812.19 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

6、0.538 0.626 0.700 0.761 0.8100.851 0.884 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.9991 1plot (tzyi) ; $画出脉冲响应曲线hold on;plot (t, ys) ; $画出单位阶跃响应曲线hold on;grid on;figure;plot (t, ym);令画出归一化阶跃响应输出曲线grid on;脉冲响应及阶跃响应输岀曲线归一化输出曲线从图中取 y*(t 1 )=0.4,y*(t2)=0.8,得： tl=382s,t2=882s因为tl/t2=0.433<0.46,所以选用2

7、阶传函。又因为:為"叫 0.55), 7+S九(0)。求得 Tl=166s, T2=419s得到对象传递函数为:0.5334(419s + l)(166s+l)对象仿真图如下:A0.533-4413a*1Trorc-for FenScooeStepTrorefer Fcn-12.2对象特性分析0.5334(419s + l)(166s + 1)为二阶自衡对象，没有纯延迟环节。自衡率丄=1.88,响应速度£= - =0.002bKT三、控制系统设计3.1基本控制方案从设计的简约性和实用性考虑，首先考虑单回路的控制方法，山于对象的容 量较大，而炉内温度的测量较难，所以单回路的控

8、制方法难以得到较好的效果， 所以经过仔细比较，最终决定釆用虽然复朵一些，但是控制效果更好的吊级控制 方法。为了更好的反应串级方式相对于单回路的优点，小组决定用两种控制方法都 试验一下，用事实说话。(1)首先采用单回路控制方法，考虑到系统的速度和稳定性的要求，选用PID控制规律。单回路系统控制原理图如下：根据对象特性整定参数(采用齐勒格尼克尔整定方法)变送器增益：Gm =总氏=0.048(mA/°C)100%-0%20-4= 6.25(%/ mA)得广义对象传函:0.16(419s + l)(166s+l)根据广义对象画岀输岀曲线见图5,程序: clc;K0=0.16;num=K0;d

9、en=conv(419,1 , 166,1);G0=tf(num,den);step(GO);k=dcgain(GO);0.16Step Response1412110806a a o a aapnuEV0.040.0250010001500Time (sec)20C025003000读图可知：T =60 ,T=700最终整定参数如下：5 =0.85 £ T =0.112;kc=2=896； Ti=2 t =120;Td=0.5 tD=30;参数带入PID控制器之后震荡剧烈，稳定性差，所以kc减小，适当增加Td,经 过多次调节之后取kc=3, Ti=120, Td=200：SEVIU

10、LINK仿真图（带扰动）如下：ZCW他0很明显，调节速度慢，而且超调过大，所以舍弃这种方法。（2）串级控制方式：1扰动分析：燃料：压力、流量、成分和热值等原料：进料量、进料温度若炉内温度作为副被调量，拥有客服克燃料油影响，如温度、成分等，其所 属扰动包含了较多扰动，即可能多的扰动可进入副回路。串级控制系统中，由于引进了副回路，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、初调、快调的 特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰 的影响能彻底加以消除。2. 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

11、动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在燃油炉温度吊级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数， 选择炉壁温度为副调参数。山于原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格, 乂因为加热炉宙级控制系统有较大容量滞后，所以，主回路选择PID调节作为主 调节器的控制规律，而副回路由于考虑稳定性的原因，考虑用P控制规律。3. 调节阀：从安全考虑，选气开，为正副对象：调节阀开，炉膛温度升高，心为正副调节器：心为正，即反作用调节器主对象：炉温升高，出口温度升高，心为正主调节器：仏为正，即反作用调节器 血为正，切主调时主调不改变作用方式4. 控制流程图控制系统原理图:燃油浇注液出1控制系统SAMA

12、图:1 温度变送器变送器选用DDZ-III控制仪表。在主回路的对象为原料油岀口温度，约为500 度，故所设计的的范围为420度到750度。副对象为炉膛温度比较高，故 所选的变化的范圉600度到1000c主回路的变送器传函：= = 0.048 mA/%副回路的变送器传函:Gm2 =歸歸=0.04 mA/%根据设讣要求变送器检测温度范围较大，选择NHR-M32智能温度变送器, 测量范围为01300 °C o单画道X双通道O热电阻、热电偶臺伏输入o-模拟里s RS-485 s纟佳电器接点信号输岀。"输入/輸岀/电涼三R鬲离Qo传输精度±0. 1%。O模块化设计，体枳小巧

13、耗低。"全蛰能数学化，可编程Q、各湍子可带电话拔，便于安装、维护。控制驀要求具有PID调节功能,原理接线图o标准的35jtotiDIN导轨卡式安装o选择HR-WP模糊PID自整定调节器2.阀门的选择山于燃油具有较强的腐蚀性，里面的残渣比较多，而且山于安全性的要 求，所以，经过比较最终决定选择气动蝶阀，最大流量大于4.8t每小时。3.3参数整定由上面讨论可知主回路选用PID控制，副回路选用P控制，所以参数 整定如下：1. 副回路参数整定调节副环。将主调节器Kh设为1, Kn和K®设为0,副调器也2设为1逐步调节副回路的kc。.此时经过微小调整得到副回路P控制器心=6.2、主回

14、路整定：将副调节器Kd 主回路加入PID,逐步调节Kc、7/1 > 的值，使输岀符合要求，记下此时的Kcl = 6,珀= 200, Tdl = 80 3.4 Siinuliiik仿真图（带扰动）如下：将两者比较如下:分析:经过改进，串级控制系统的超调量只有约为3%,符合控制要求，并且调节 时间也有很大程度上改善，通过与单回路PED控制对比可以发现系统的动态特 有很大改善。扰动分析：从图中可以看出，在2500s时分别加入幅值为2的干扰信号，串级控 制对扰动有很强的抗干扰能力。相比较上图的单回路抗扰动输出，乂可以看出的 串级控制的优越性。3.5仿真结果分析通过仿真结果可以看到，串级控制系统可

15、以跟好的实现工程要求，有效克服 扰动，很好的实现了系统的稳定性。串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的 副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次扰 动有很强的克服能力：提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应 能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。四：设计总结此次课程设讣加热炉出口温度与炉膛温度吊级控制系统设讣，使用到了过程控 制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、建模与仿真，吊级控制系统整 定方法，PID调节器的参数工程整定，吊级控制系统的性能分析等。刚开始设 计时，在主、副控制器选择上，考虑到主被控变量是加热炉温度，允许波动的范 围很小，要求无余差，主控制器选了 PID控制。副控制器直接釆用了 P控制考 虑到