过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统

1、过程控制课程设计题目：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500C时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约25%，

2、即厶lq =1.2T/h，持续100s后结束,等间隔氏=100s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p岂20%的无差温度控制系统。t（点）01234567891000.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t （点）1112131415161718192021（C）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,控制系统原理图等，选择控制规律)；画出控制系统S

3、AMA图；(3) 根据设计方案选择相应的控制仪表(DDZ-川)，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)01002003004005006007008009001000朋C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.015.677.188.359.3410.1510.8111.35y*

4、00. 0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)11001200130014001500160017001800190020002100A0 C0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.8840. 9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991则 y (乂) =13.34K= y (x) / u=0.5336C / %)Mat

5、lab画出图像：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 0.450.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00;ys=00.5 1.94 4.015.69 7.18 8.35 9.34 10.1510.8111.3511.812.19 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 0.538 0.626 0.700 0

6、.761 0.8100.851 0.884 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.9991 1plot(t,yi);%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;grid on;脉冲响应及阶跃响应输出曲线v- annY:0.81X400丫 :0.4250.90.81000150020000.70.60.50.40.30.20.10归一化输出曲线从图中取 y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得：t仁382s,t2=882s2500因为t1/t2=0.433<

7、;0.46所以选用2阶传函又因为：TT2 2 ： (1.74 b 一 0.55)，T1 T21 (t1 t2)。(T1 T2)t22.16求得 T仁 166s, T2=419s得到对象传递函数为：对象仿真图如下:d0 5334H“出曰F cn ITiMratfid FOn2.2对象特性分析1k为二阶自衡对象，没有纯延迟环节。 自衡率'=1.88，响应速度；=0.0021，KT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，由于对象的容 量较大，而炉内温度的测量较难，所以单回路的控制方法难以得到较好的效果， 所以经过仔细比较，最终决定采用虽然复杂一

8、些，但是控制效果更好的串级控制 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:调节阀增益：100%一0% =6.25(%/mA)20-4得广义对象传函：根据广义对象画出输出曲线见图5,程序:clc;K0=0.16;num=K0;den=co nv(419,1,166,1);G0=tf( nu m,de n);step(G0);k=dcga in (G0);0.16Step Re

9、sp onse0.140.120.10.080.060.040.025001000150020002500Time (sec)3000读图可知：t =60,T=700;Ti=2 t =120;Td=0.5T =30;最终整定参数如下：S =0.85 £ t =0.112; kc=8参数带入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;SIMULINK 仿真图（带扰动）如下：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

10、、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。畐晒路具有先调、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。在燃油炉温度串级控制系统中，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。由于原料油温度影响产品生产质量

11、，工艺要求严格，又因为加热炉串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，Kz为正副对象：调节阀开，炉膛温度升高， 冷为正副调节器：为正，即反作用调节器主对象：炉温升高，出口温度升高， Ki为正主调节器：心为正，即反作用调节器K=2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:控制系统SAMA图:'、 *JTAK | d/出jfl a mH/ef(x)IM.川凹ZTo3.2控制仪表选型1.温度变送器变送器选用DDZ-m控制仪表。在主回路的对象为原料油出

12、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，故所选的变化的范围 600度到1000主回路的变送器传函:副回路的变送器传函根据设计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。控制器要求具有PID调节功能，选择HR-WP模糊PID自整定调节器羊噬逵*荻通遠。松电阴、喪电偶、売伏输入。權拟塑、RS-485、継电器核点信号揃岀*“丽入/琢j岀/电源三隔离心、模块化设计匕体积小妙耗低乜环全晋能*数宁化，可临程乜"备凋子可带电憐拔，便子安装维护*-1标准的357TURDIN导轨卡式安装。% -w -i

13、K,IJhit变送aeL沉爪钉帝N/f 力特堆拗广原理接线图2阀门的选择由于燃油具有较强的腐蚀性，里面的残渣比较多，而且由于安全性的要求，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 Kpi设为1， Kii和Kdi设为0，副调器Kp2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©2=6.2、主回路整定：将副调节器Kc2 =6，主回路加入PID，逐步调节Kci、TI1、TD1的值，使输出符合要求，记下此时的，3.4 S

14、imulink仿真图（带扰动）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，通过和单回路 PID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，又可以看出的 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计 - 加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统设计， 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、 建模和仿真， 串级控制系统整 定方法， PID 调节器的参数工程整定，串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。副控制器直接采用了 P 控制考 虑到如果引入积分控制可能反而会降