某加热炉温度控制系统-过程控制系统

学号城建大学过程控制课程设计设计说明书某加热炉温度控制起止日期：2014年6月23日至2014年6月27日学生班级成绩指导教师(签字)控制与机械工程学院2014年6月27日城建大学课程设计任务书2013-2014学年第2学期控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级13电气11班学号课程设计名称：过程控制设计题目：某加热炉温度控制完成期限：自2014年6月23日至2014年6月27日共1周设计依据、要求及主要容：一、设计任务

某温度过程在阶跃扰动作用下，其温度变化的数据如下：t/s010203040506070809010015020000.160.6511.51.61.81.91.951.981.992.02.02.0试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；根据设计方案选择相应的控制仪表；对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。二、设计要求

采用MATLAB仿真；需要做出以下结果：超调量峰值时间过渡过程时间余差第一个波峰值第二个波峰值衰减比衰减率振荡频率全部P、I、D的参数PID的模型设计思路三、设计报告课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。四、参考资料[1]何衍庆．工业生产过程控制（1版）．：化学工业，2004[2]邵裕森．过程控制工程．：机械工业2000[3]过程控制教材指导教师（签字）：教研室主任（签字）：批准日期：年月日摘要在工业生产中必然地要求对加热炉的温度进行有效的控制，使之保持在某一特定的围。而温度的维持又要求燃料在炉稳定地燃烧。加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性过程。本设计针对加热炉燃烧控制系统，主要介绍的控制方案有单回路控制系统、串级比值控制系统、单交叉限幅控制系统、双交叉限幅控制系统，并对每一种控制方案进行了理论分析。运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。通过分析比较可以得出结论，双交叉限幅对加热炉温度的控制优于其它的控制方案。双交叉限幅的炉温控制系统使煤气流量和空气流量相互限制，既防止了燃烧中冒黑烟，也防止了空气过剩，达到控制加热炉温度，提高煤气燃烧率，避免环境污染等目的。关键词：加热炉；单交叉限幅控制；双交叉限幅控制；MATLAB仿真目录绪论 ④从介质的特点考虑。综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。图2-3电/气阀门定位器和气动调节阀组成的系统框图调节阀的流量特性：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、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。调节阀的口径：调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。本系统选用电/气阀门定位器ZPD-01和薄膜气动调节阀ZMBS-16K。其主要技术参数见下表：表2-3ZPD-01参数表名称性能输入信号4-20mA·DC输出信号0-0.14MPa2.4变送器变送器在自动检测和控制系统中的作用，是对各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、记录或控制之用。无论是由模拟仪表构成的系统，还是由计算机控制装置构成的系统，变送器都是不可缺少的环节，获取精确和可靠的过程参数值是进行控制的基础。本系统中的变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。其中较为常用的有模拟式温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器三种，本系统采用典型模拟式温度变送器中的DDZ-III型热电偶温度变送器，属安全火花型防暴仪表，还可以与作为检测元件的热电偶相配合，将温度信号线性的转换成统一标准信号。DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点是电流围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器。本系统选择型号为HR-WP-20-1TC20K-W的单输入单输出热电偶温度变送器。主要特点有：全智能、数字化、可编程；环境温度、零点、满幅自动补偿；符合国际电工委员会IEC61000相关抗电磁干扰标准。其主要技术参数见下表：表2-4热电偶温度变送器参数表名称性能系统传输准确度±0.5%×F.S（可订制±0.2%）冷端温度补偿准确度±1℃（预热时间30分钟）输入阻抗电流—100Ω；电压—500KΩ电流输出允许外接的负载阻抗4～20mA≤350Ω；0～10mA≤700Ω温度漂移＜0.005％F.S/℃工作环境温度-10—+55℃供电电源直流，DC24V±10%；交流，AC95～265V2.5检测元件温度的测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。本系统选择接触式测温元件。其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，由于系统对温度的要求不是很高，一般的测温元件即可满足要求，故选择K型热电偶作为测温元件，其电路原理图如下图所示：、图2-5热电偶电路原理图三控制系统仪表配接图及说明3.1控制系统仪表配接说明接线图主要由接线板W、温度变送器K（HR-WP-20-1TC20K-W）、电动III型调节器T（TDM-400）、电/气阀门定位器Z（ZPD-01）和气动薄膜调节阀S（ZMBS-16K）五个部分组成。K型热电偶的输出接入温度变送器HR-WP-20-1TC20K-W的输入信号端K1(-），K2(+)；变送器输出信号由K9(+)，K10(-)端子接至电动III型调节器TDM-400的输入信号端T1(+)，T2(-)；调节器的输出信号由T13(+)，T14(-)端子接至电/气阀门定位器ZPD-01的输入信号端子Z1(+)，Z2(-)；阀门定位器的输出信号由Z3(+)，Z4(-)端子接至气动薄膜调节阀ZMBS-16K的输入信号端子S1(+)，S2(-)。表3-1接线图元器件编号名称个数型号1电/气阀门定位器1ZPD-012气动薄膜角型调节阀1ZMBS-16K3热电偶温度变送器1HR-WP-20-1TC20K-W4电动III型调节器1TDM-400四加热炉炉温控制系统仿真结果分析基于各种控制方案的讨论，在仿真环节对各种控制方案进行了仿真。4.1根据已知数据画出单位阶跃曲线图4-1数据画出单位阶跃曲线4.2炉温单回路控制仿真(3-1)图4-2PID控制仿真原理图当KP=1.2TI=0.24TD=1.5时，阶跃响应结果如图4-3所示：由传递函数画出系统的阶跃响应曲线图4-3调节前的阶跃响应曲线当KP=0.9TI=0.2TD=1.2时，阶跃响应结果如图4-4所示图4-4调节后的阶跃响应曲线超调量=(1.65-1.5)/1.5*100%=10%峰值时间=25s过渡过程时间=125s余差=0第一个波峰值=25s第二个波峰值=76s衰减比=1.06衰减率=0.06振荡频率=0.0314五参考文献[1]金以慧主编.过程控制.：清华大学2010年[2]乐嘉谦主编.仪表工手册.：