過程控制課設(shè)-燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、過程控制課程設(shè)計(jì) 題 目:燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)班 級(jí)：0902201 學(xué) 號(hào)：090220108姓 名：何寧任課教師：張虹完成時(shí)間：2012.10.24目 錄 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求3二、 被控對(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析32.1 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證32.2 對(duì)象特性分析5三、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 基本控制方案63.2 控制儀表選型93.3 參數(shù)整定計(jì)算103.4 控制系統(tǒng)MATLAB仿真123.5 仿真結(jié)果分析13四、 設(shè)計(jì)總結(jié)13一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求對(duì)一個(gè)燃油加熱爐做如下實(shí)驗(yàn)，在溫度控制穩(wěn)定時(shí)，開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入信號(hào)增加，持續(xù)后結(jié)束，若爐溫度控制系統(tǒng)的正常工作點(diǎn)為300，等

2、間隔記錄爐內(nèi)溫度變化數(shù)據(jù)如下表，試根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)超調(diào)量的無差溫度控制系統(tǒng)。t(點(diǎn))012345678910001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70t (點(diǎn))11121314151617181920212.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10具體設(shè)計(jì)要求如下:（1） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對(duì)象的模型；（2） 根據(jù)辨識(shí)結(jié)果設(shè)計(jì)符合要求的控制系統(tǒng)（給出帶控制點(diǎn)的控制流程圖，控制系統(tǒng)原理圖等，選擇控制規(guī)律）；畫出控制系統(tǒng)SAMA圖；（3） 根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表（DDZ-），繪制原理接線圖；

3、（4） 對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，首先按對(duì)象特性法求出整定參數(shù)，然后按4:1衰減曲線法整定運(yùn)行參數(shù)。二、 被控對(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析2.1對(duì)象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證根據(jù)表格計(jì)算出階躍響應(yīng)輸出值，并作出脈沖響應(yīng)曲線與階躍響應(yīng)曲線clear all; close all;t=0:1.5:21*1.5;yi=0 0 1.25 3.75 7.50 10.50 9.20 7.25 6.00 4.80 3.70 2.90 2.25 1.85 1.50 1.15 0.85 0.60 0.40 0.30 0.20 0.10;y(1)=0;y_1=0;for k=1:22 y(k)=yi(k)+y_1;

4、y_1=y(k);endxs=(0:0.1:21*1.5);ys=interp1(t,y,xs,spline);plot(xs,ys)hold onplot(t,yi)hold onyim=interp1(t,yi,xs,spline);plot(xs,yim)xlabel(time); ylabel(output);gtext(階躍響應(yīng))gtext(脈沖響應(yīng))title(被控對(duì)象輸出曲線);grid on從圖上可以讀出延遲時(shí)間為1.5min，即90s，畫出歸一化后輸出曲線figure(2)for k=1:22 yn(k)=y(k)/max(y)-min(y)+0.1;endyn_2=inte

5、rp1(t,yn,xs,spline);plot(xs-1.5,yn_2)xlabel(time);ylabel(output);title(歸一化輸出曲線);grid onnt1/t210.31720.46030.53440.58450.61860.64070.666從上圖可以讀出t1=6.5min，t2=13min，則t1/t2=0.50.46，為高階對(duì)象，根據(jù)下表選擇n=3由nT=(t1+t2)/2.16得T=(t1+t2)*60/(n*2.16)=180.56穩(wěn)態(tài)輸出 y()=66.5+0.1=66.15()對(duì)象增益 K0= y()/=66.15/4.2=15.75(/mA)得對(duì)象傳遞

6、函數(shù) GS(S)=驗(yàn)證傳遞函數(shù)：clear all;num=15.75;den=conv(180.56,1,conv(180.56,1,180.56,1);g0=tf(num,den,inputdelay,90);step(g0);grid onk=dcgain(g0)2.2對(duì)象特性分析變送器傳遞函數(shù)：Gm(s)=0.04(mA/)調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)：Gv=6.25(%/mA)對(duì)象增益：Kp=K/Kv=15.75/6.25=2.52(/%)得出廣義對(duì)象傳遞函數(shù)：G0(s)=Gs(s)*Gm(s)=而K0=0.63 T0=180.56(s) 0=90(s)故根據(jù)廣義對(duì)象得輸出曲線：k0=0.84;t

7、o=180.56;tao0=90;num=k0;den=conv(180.56,1,conv(180.56,1,180.56,1);g0=tf(num,den);step(g0);grid onhold onk=dcgain(g0)tao=133t=834-133三、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 基本控制方案（1）單回路方案運(yùn)用工程整定法整定參數(shù)，運(yùn)用科恩-庫(kù)恩法整定編程計(jì)算得Kp=4.5，TI=400，TD=160經(jīng)仿真整定的Kp=3.6，TI=600，TD=186.5，結(jié)果如下可以看出超調(diào)與調(diào)節(jié)時(shí)間均不理想（2）串級(jí)方案該系統(tǒng)開環(huán)存在時(shí)間滯后，控制不及時(shí)，超調(diào)大而系統(tǒng)不穩(wěn)定。0/T0=90/180

8、.560.3得可以選擇串級(jí)控制。并且按系統(tǒng)無差要求，選擇PI控制，又由溫控系統(tǒng)為慢對(duì)象可知需要加入D控制減少時(shí)間滯后，故內(nèi)回路選擇PD控制，外回路選擇PID控制，即可滿足題目要求。3.2 控制儀表選型（1）、溫度變送器：被控對(duì)象輸出穩(wěn)態(tài)值要求300，儀表量程選擇0至400，選擇DDZ-III型溫度變送器，為鉑熱電阻PT1000型，總量程-100至600滿足要求（2）、調(diào)節(jié)閥：由于調(diào)節(jié)閥用于燃料油量調(diào)節(jié)，選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，燃料油粘度比較大，為了減弱腐蝕，防止堵塞，選用蝶形閥，配合選擇相應(yīng)的電氣轉(zhuǎn)換儀表使用。選擇EPC1110-AS-OG/I電氣轉(zhuǎn)換器，輸入4至20mA，輸出20至100kPa。（3

9、）、PID控制器：選用XM708智能PID調(diào)節(jié)器。（4）、儀表連線圖見下（5）、控制系統(tǒng)流程圖見下（6）控制系統(tǒng)SAMA圖（6）、控制系統(tǒng)原理圖見下（7）、作用方式選擇：調(diào)節(jié)閥：從安全性考慮，調(diào)節(jié)器無信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)該關(guān)閉，因此選氣開閥，Kv為+。副對(duì)象：當(dāng)燃料油量增加時(shí)，爐壁溫度升高，Kp2為+。主對(duì)象：當(dāng)燃料油量增加時(shí)，爐膛內(nèi)溫度升高。檢測(cè)變送器：Km1、Km2均為+。主、副調(diào)節(jié)器：由于總增益為+，故主副調(diào)節(jié)器Kc1、Kc2均為+，所以設(shè)置為反作用方式。由于Kc2為+，所以切換為主調(diào)時(shí)，無需改變作用方式。3.3 參數(shù)整定計(jì)算按要求采用參數(shù)整定法的特性參數(shù)法（Z-N法）與4:1衰減曲線法整定

10、。（1）、先整定副回路使主、副回路閉合，將主調(diào)節(jié)器比例設(shè)為1，按照單回路整定副回路，當(dāng)曲線出現(xiàn)衰減振蕩（主峰與副峰超調(diào)比為4:1時(shí)）=0.75，記下s=2與Ts =1140，由下表得TDTIPPIPID規(guī)律參數(shù)Kp=0.625，TD=114由圖線經(jīng)過微調(diào)得Kp=0.8，KD=114（1）、整定主回路保持副回路參數(shù)，將副回路看做一個(gè)傳遞函數(shù)，仍然按照單回路整定主副回路，同樣使用衰減曲線法使=0.75，記下s=1與Ts =800，由上面表格求得Kp=1.25，TI=240，TD=80由圖線經(jīng)過微調(diào)得Kp=0.95，TI=500，TD=100此時(shí)超調(diào)小于(30-25)/25=20%滿足題意3.4 控制系統(tǒng)matlab仿真加入串級(jí)前后仿真程序比較（加入擾動(dòng)）3.5 仿真結(jié)果分析從圖上明顯可以看出串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路PID控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)減小，調(diào)解時(shí)間縮短，可以體現(xiàn)出串級(jí)控制的優(yōu)越性。此時(shí)超調(diào)小于20%符合要求。四、 設(shè)計(jì)總結(jié)完成這個(gè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)共約耗時(shí)4天完成，經(jīng)過分析