管式加熱爐溫度前饋反饋控制系統設計

1、過程控制課程設計報告管式加熱爐溫度前饋-反饋控制系統設計學生：專業(yè)：自動化班級： 重慶大學自動化學院2012年10目錄前言11 管式加熱爐系統描述11.1 管式加熱爐的一般結構11.2 管式加熱爐傳熱方式21.3 管式加熱爐工藝流程21.4 主要控制參數、操作參數及影響因素32 方案設計32.1 方案一32.2 方案二43 管式加熱爐溫度控制系統模型的建立53.1 前饋-反饋控制系統傳遞函數53.2 過程響應分析73.3 PID控制算法83.4 PID 控制各參數的作用84 MATLAB/Simulink仿真94.1 用ITAE 方法設計控制器94.2 用Ziegler-Nichols方法設計

2、控制器115 基于MATLAB/Simulink的仿真135.1 前饋-反饋控制與單回路控制模型的比較135.2 基于ITAE方法的仿真模型145.2.1 ITAE的PI控制模型仿真145.2.2 ITAE的PID控制模型仿真155.3基于Ziegler-Nichols方法的仿真模型155.3.1 Ziegler-Nichols的PI控制仿真模型155.3.2 Ziegler-Nichols的PID控制仿真模型166 報告總結17參考文獻17前言管式加熱爐是石油煉制、化纖工業(yè)、石油化工和化學行業(yè)主要的工藝設備之一，作用是將物料加熱至工藝所要求的溫度，具有操作方便, 自動化水平高, 加工成本低,

3、 傳熱效率高等優(yōu)點。1967年4月，世界上第一臺步進梁式加熱爐由美國米蘭德公司設計而成，之后，日本中外爐公司設計的世界上第二座步進梁式加熱爐于1967年5月投產。70年代末，發(fā)達工業(yè)國家己經進入大型連續(xù)加熱爐計算機控制的實用階段，但控制策略還主要局限于燃燒控制。目前，加熱爐的模型化及計算機最優(yōu)控制的研究不斷深入，并且己經取得了很多成果，發(fā)達工業(yè)國家利用這些成果已經實現了加熱爐的模型化和計算機最優(yōu)控制，取得了良好的控制效果，獲得了巨大的生產效益。最近幾年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，需要消耗大量的能源，并且環(huán)境污染問題越來越突出，節(jié)省能源、保護環(huán)境已被人們所接受，成為今后科學技術發(fā)展的方向。因此，通過

4、國內加熱技術在工業(yè)行業(yè)的應用情況的總結及對比分析，可以預見出國內加熱爐的發(fā)展方向及趨勢。對于現在講品種、講效益的時代，一個加熱爐的自動化水平的高低和加熱形式的多樣性，決定了該加熱爐適應的生產行業(yè)。但是隨著計算機控制技術和電子技術的發(fā)展，用計算機來控制加熱爐的智能控制系統進行加熱已成為一個新的發(fā)展方向。目前，國外已研究出多種加熱爐控制模式，實際應用各有所長。我國加熱爐微機自動控制起步較晚，但也取得了很大的進展，但迄今為止，國內加熱爐的控制（常規(guī)儀表控制或計算機控制）大多還處于人工經驗、單值設定值控制階段。為此，鞍山市戴維冶金科技開發(fā)有限公司經過長期的現場實踐，通過對加熱爐加熱過程分析，組成了一支

5、由熱工、計算機、自動控制工程師和專家為主體的攻關隊伍，并與清華大學、哈爾濱工業(yè)大學計算機與自動控制方面的教授、專家合作，開發(fā)出了“軋鋼加熱爐加熱過程優(yōu)化與智能控制系統”，該系統在鞍鋼新軋線材廠、天鋼高速線材廠和唐鋼棒線材廠的生產實踐中得到了應用，經過長期現場生產實踐的檢驗與考核，通過企業(yè)的驗收與鑒定，給企業(yè)帶來了巨大的經濟效益，受到有關企業(yè)領導，冶金爐熱工、冶金自動化、計算機、軋鋼專業(yè)專家及加熱工人的好評。國內各種形式的加熱爐發(fā)展到現在，還不能講那一種形式是最先進、最成熟的，都多多少少存在一些問題，還有待我們去探索，如各熱工參數之間和設計結構之間的定量關系，控制系統和調節(jié)系統的最優(yōu)化，但計算機

6、控制加熱爐系統是一種發(fā)展方向。1 管式加熱爐系統描述1.1管式加熱爐的一般結構管式加熱爐包括5部分，分別是:對流室、輻射室、通風系統、燃燒系統及余熱回收系統，結構中包括:鋼結構、爐管、爐墻(內襯)、燃燒器、孔類配件等。通風系統：將燃燒用空氣引入燃燒器，并將煙氣引出爐子，可分為自然通風方式和強制通風方式。對流室：對流室是由輻射室出來的煙氣進行對流傳熱的部分，對流室熱負荷約占加熱爐負荷的20%30%。輻射室：通過火焰或高溫煙氣進行輻射傳熱，是加熱爐熱交換的主要場所。輻射室直接受火焰沖刷，溫度較高、所用材料的強度、耐熱性定要好，其熱負荷一般占加熱爐熱負荷的70%80%，是加熱爐最重要的部位。燃燒系統

7、：是使燃料霧化并混合空氣，使之燃燒的產熱設備，燃燒器可分為燃料油燃燒器，燃料氣燃燒器和油一氣聯合燃燒器。余熱回收系統：用以進一步回收離開對流室煙氣中的余熱。回收方法有2種:一是通過余熱供燃燒用的空氣來回收，使回收的熱量再次返回爐中，稱為“空氣預熱方式”。另一種是采用同加熱爐完全無關的其它介質回收熱量，稱為“余熱鍋爐”方式，一般采用強制循環(huán)方式，盡量放到對流室頂部。1.2 管式加熱爐傳熱方式管式加熱爐的工藝過程就是燃料燃燒釋放出熱量和油介質或者其他介質吸收熱量，使其升溫，產生相變或同時產生裂化和反應等的過程，是供熱和吸熱的過程。燃料在爐膛內燃燒后，10001500的高溫煙氣主要以輻射的方式將大部

8、分熱量傳給輻射管的外表面，再通過爐管的金屬壁以全傳導的方式傳遞給爐管的內表面，又以對流方式傳遞給在爐管中流動的介質，使之加熱到工藝上要求的溫度。以較少的傳熱面積，消耗較少的燃料，來完成既定的加熱任務，是加熱爐的基本工藝要求。1.3 管式加熱爐工藝流程Q2TITOV1Q1圖1 管式加熱爐工作流程圖被控對象為管式加熱爐單元，待加熱物料經過對流段的對流傳熱和輻射段的輻射傳熱加熱至工藝要求的溫度。待加熱物料進入加熱爐時溫度為TI ,流量為Q1。加熱爐輻射段的爐管接受燃燒器火焰和煙氣的輻射傳熱。燃料流量為Q2 ，燃料流量調節(jié)閥為V1。在燃燒器中，燃料與空氣混合燃燒，產生的熱量被輻射段爐管內的物料吸收。燃

9、燒產生的煙氣帶走大量熱量，這些熱量在對流段進行回收。最終產品(熱物料)的溫度為TO，流量為Q1。1.4 主要控制參數、操作參數及影響因素被加熱物料爐出口溫度（TO）：被加熱物料的爐出口溫度是加熱爐操作中最重要的一個控制參數，它的穩(wěn)定與否，直接影響著后續(xù)工藝過程的平穩(wěn)操作和優(yōu)化，影響到產品的質量和產量，影響著加熱爐的長周期安全運行，因此必須控制被加熱物料出口溫度的穩(wěn)定，把加熱爐出口溫度控制在適當的誤差范圍內，但在實際操作中，影響加熱爐出口溫度穩(wěn)定的干擾因素有物料流量（QI）、進料溫度（TI）、燃料壓力（P2），這些因素都會影響到爐出口溫度的穩(wěn)定，使爐出口溫度偏離控制指標?？刂葡到y的作用，就是要通

10、過控制調節(jié)輸入燃料的流量（Q2）即控制燃料閥（V1）來克服各種干擾，使加熱爐出口溫度達到工藝上規(guī)定的要求。2方案設計2.1 方案一假設：燃料流量Q2為以恒定值，即燃料的壓力P2為以恒定值。方案：單回路控制系統。圖 2 單回路溫度控制系統圖3 單回路溫度控制系統框圖分析：由圖2可知，如果采用單回路控制系統，當物料壓力或物料流量變化時，先影響爐膛溫度，然后通過傳熱過程，逐漸影響原料油的出口溫度。而溫度調節(jié)器T C 是根據原料油的出口溫度TO與設定值Tsp的偏差進行控制。當物料部分出現干擾后，經過一段時間后，溫度檢測單元檢測到溫度變化，開始做出相應，但此時已有一部分物料的溫度沒有達到要求，且已經流出

11、加熱爐，當生產工藝對物料出口溫度TO要求嚴格時，上述簡單控制系統不能滿足要求。結論：單回路控制系統并不能及時產生控制作用，對物料輸入端的干擾不能及時響應，導致物料溫度控制質量差。2.2 方案二方案：前饋-反饋控制圖4前饋-反饋控制系統圖 5 前饋-反饋控制系統框圖分析：通常的反饋控制系統中,對干擾造成一定后果,才能反饋過來產生抑制干擾的控制作用，因而產生滯后控制的不良后果。為了克服這種滯后的不良控制，用傳感器接受干擾信號后，在還沒有產生后果之前插入一個前饋控制作用，使其剛好在干擾點上完全抵消干擾對控制變量的影響，因而又得名為擾動補償控制。前饋控制恰好能夠解決方案一中滯后影響，因此在在物料入口端

12、加入一個流量檢測裝置，檢測物料流量，同時將信號反饋到調節(jié)器中與溫度檢測共同作用調節(jié)閥，達到控制物料出口端溫度的作用?？紤]燃料壓力對燃料的影響，在燃料入口端再加入一個流量檢測裝置，避免了輸入燃料壓力的波動對燃料流量的影響。結論：這種方案解決了因為加熱滯后引起的物料出口端溫度的變化，提高了物料溫度控制的精度，是一種切實可行的方案。3 管式加熱爐溫度控制系統模型的建立3.1 前饋-反饋控制系統傳遞函數加熱爐的對象特性一般從定性分析和實驗測試獲得。從定性角度出發(fā)，可看出其熱量的傳遞過程是：爐膛熾熱火焰輻射給爐管，經熱傳導，對流傳熱給工藝介質。所以與一般傳熱對象一樣，具有較大的時間常數和純滯后時間。特別

13、是爐膛具有較大的熱容量，滯后更為顯著，因此加熱爐屬于一種多容量的調節(jié)對象。根據若干實驗測試，并作一些簡化，可以用一階環(huán)節(jié)加純滯后來近似，其時間常數和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質停留時間有關，爐膛容量大，停留時間長，則時間常數和純滯后時間大，反之亦然。將圖 5 的模型轉化為：圖 6 轉化后的系統框圖由上圖可以得：（1）（2）則：（3）圖 7 干擾通道模型干擾通道傳遞函數為：（4）為了消除干擾L對輸出溫度的影響，則式（4）中C=0.（5），Gm為一純滯后過程，因此可以采用帕德逼近（Pade approximation）算法將其近似為一階模型。（6）而GmL的滯后時間非常短，可近似認為GmL=

14、1.2. 則根據公式（5）可得到GFF的傳遞函數：（7）3.2 過程響應分析圖 8 根軌跡圖、開環(huán)伯德圖和閉環(huán)伯德圖系統的過程響應傳遞函數為：（8）從圖8中可以看出，系統的開環(huán)傳遞函數的特征根都分布在虛軸的左半平面，因此系統是穩(wěn)定的，從伯德圖上可以看出開環(huán)系統的相角裕量=134，幅值裕量K=17.3dB，因此系統具有較強的抗干擾能力，系統的截止頻率0=0.186 rad/s，截止頻率太小，導致系統的穩(wěn)態(tài)誤差非常大。圖 9 系統階躍響應曲線穩(wěn)態(tài)值：0.555穩(wěn)態(tài)誤差：44.4%上升時間：2.69s從階躍響應曲線可以看出，系統的穩(wěn)態(tài)誤差的確非常大，為了對系統進行校正，必須加入控制算法，即Gc。3.

15、3 PID控制算法PID 控制是工業(yè)生產過程中被廣泛采用的一種控制方法，是生產過程自動控制的發(fā)展歷程中歷史最久、生命力最強的基本控制方法。在工業(yè)過程控制中，90%以上的控制系統回路具有PD 結構。在目前的溫度控制領域，應用十分廣泛，即使在科技發(fā)達的日本，PID 在其溫度控制應用中仍然占80%的比例。PID 控制原理PID 控制器是一種線性控制器，如圖所示。它根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)，即表示e(t)=r(t)-y(t)。將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID 控制器。圖 10 PID控制系統原理結構圖系統由模擬控制器和被控

16、對象組成，其控制規(guī)律為：（9）3.4PID 控制各參數的作用其中Pk是比例系數，Ti是積分時間常數，Td是微分時間常數。簡單的說，模擬PID控制器的各個環(huán)節(jié)的作用如下：(1)比例環(huán)節(jié)：即成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生作用以減小誤差。(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強。(3)微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節(jié)時間。系統的過程響應傳遞函數為：由過程控制課程學習

17、可知，PID 參數調節(jié)主要有Ziegler-Nichols、ITAE 等經驗方法，下面我們就Ziegler-Nichols、ITAE 兩種方法確定控制器參數。4 MATLAB/Simulink仿真4.1 用ITAE 方法設計控制器系統的過程響應傳遞函數為時，相應的ITAE參數，如下表所示表1 ITAE 方法PID參數經驗公式采用PI 控制時，運用相關公式計算可得控制其參數為:（10）（11）得到控制器的傳遞函數：（12）通過MATLAB 繪制系統采用ITAE 方法PI 控制時的階躍響應曲線其程序為：kc=3.8;taui=1.85;Gc=tf(kc*taui 1,taui 0);td=0.72

18、;P1=tf(-td/2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);輸出結果為：圖11 ITAE 方法PI控制輸出結果采用PID控制時，運用相關公式計算可得控制參數為：（13）（14）（15）得到控制器的傳遞函數：（16）通過MATLAB繪制系統采用ITAE方法PID控制時的節(jié)約響應曲線其程序為：kc=5.52;taui=1.36;taud=0.28;Gc=tf(kc*taui*taudtaui 1,taui 0);td=0.72;P1=tf(-td/2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4

19、 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);輸出結果為：圖12 ITAE 方法PID控制輸出結果4.2 用Ziegler-Nichols方法設計控制器系統的過程響應傳遞函數為時,相應的Ziegler-Nichols調節(jié)方法如下圖所示表2 Ziegler-Nichols調節(jié)方法采用PI控制時，運用相關公式計算可得控制其參數為：（17）（18）得到控制器的傳遞函數：（19）通過MATLAB繪制系統采用Ziegler-Nichols方法PI控制時的階躍響應其程序為：kc=5;taui=2.376;Gc=tf(kc*taui,1,taui,0);td=0.

20、72;P1=tf(-td/2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);其輸出響應曲線如下：圖13 Ziegler-Nichols方法PI控制輸出曲線采用PID控制時，運用相關公式計算可得控制其參數為（20）（21）（22）得到控制器的傳遞函數：（23）通過MATLAB繪制系統采用Ziegler-Nichols方法PID控制時的階躍響應其程序為：kc=6.67;taui=1.44;taud=0.36;Gc=tf(kc*taui*taudtaui 1,taui 0);td=0.72;P1=tf(-td/

21、2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);輸出結果為：圖 14 Ziegler-Nichols方法PID控制輸出曲線經過分析，ITAE 方法設計PID 控制相應較快，并且超調較小，符合要求，而PI 控制超調較大，調節(jié)時間較長。與Ziegler-Nichols 方法設計的PID 控制器相比，ITAE 方法調節(jié)時間短，系統很快穩(wěn)定，但超調較大，而Ziegler-Nichols 方法超調量較小，但調節(jié)時間較長。5 基于MATLAB/Simulink的仿真5.1 前饋-反饋控制與單回路控制模型的比較圖 1

22、5 單回路控制模型 圖16 前饋-反饋控制模型系統階躍響應曲線如圖17、圖18所示圖17 單回路模型階躍響應曲線 圖18 前饋-反饋模型階躍響應曲線比較圖17和圖18，可以發(fā)現，前饋-反饋控制的穩(wěn)定性明顯好于單回路控制，但是他們都存在加大的穩(wěn)態(tài)誤差。5.2 基于ITAE方法的仿真模型5.2.1 ITAE的PI控制模型仿真圖19 ITAE的PI控制模型ITAE PI控制模型的階躍響應曲線如圖20所示圖20 ITAE PI控制模型的階躍響應曲線5.2.2 ITAE的PID控制模型仿真圖21 ITAE的PID控制模型ITAE PID控制模型的階躍響應曲線如圖22所示圖22 ITAE PID控制模型的

23、階躍響應曲線5.3基于Ziegler-Nichols方法的仿真模型5.3.1 Ziegler-Nichols的PI控制仿真模型圖23 Ziegler-Nichols的PI控制仿真模型Ziegler-Nichols的PI控制模型的階躍響應曲線如圖24所示圖24 Ziegler-Nichols的PI控制模型的階躍響應曲線5.3.2 Ziegler-Nichols的PID控制仿真模型圖25Ziegler-Nichols的PID控制仿真模型圖26 Ziegler-Nichols的PID控制模型的階躍響應曲線綜合上述仿真結果，我們可以得出：1. 運用前饋控制可以很好地減小干擾對系統輸出的影響，提高了系統

24、的魯棒性。2. 運用PID 控制時在超調量、調節(jié)時間等性能指標均優(yōu)于PI 控制，因此，在時滯系統前饋-反饋控制中選用PID 控制可以得到較理想的效果。6 報告總結本文是對管式加熱爐溫度控制系統的設計，通過幾天的努力對該結構有了較為深刻的研究，也進一步熟悉了該系統的的結構形式、工作原理及各個器件的左右和設計。課程設計期間，借用圖書館的書籍及通過網絡上的搜索，查閱了許多關于本設計的書籍及資料，學會了如何使用現有的圖書館資源。與有共同設計內容的同學交流，分析、整理和研究課題，先確立了設計基本思路，遇到問題時查閱相關的資料，最后完成了整個設計。在設計過程中，從拿到題目，方案的設計到方案的確定，都經過了

25、嚴謹的思考，回路的設計，調節(jié)器的正反作用的確定，被控參數的選擇，使系統能夠達到設計目的。在設計過程中，其他同學曾耐心給于幫助，使我們得以最終完成這次關于管式加熱爐溫度控制系統的設計。我們以前學習的知識，根本不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。學校安排的這次課程設計，通過自己查資料，了解情況，讓我們清楚學的知識與現實工業(yè)生產之間的聯系，使得我們對知識更加了解和鞏固。通過這次設計，我們對過程控制系統在工業(yè)中的運用有了深入的認識，對過程控制系統設計步驟、思路有了一定的了解和認識。我學到了控制系統的設計方法和步驟，拓展了知識面，有了工業(yè)工程中控制系統起到重要作用。與其同時，在團隊的協作中使我們在與人共事之中學會了交流學會合作。因為在今后的工作中一個人獨立完成而不與他人合作，是基本不可能的，所以在這次課程設計中也鍛煉了我們的團隊的協作精神，為今后的學習和工作積累了經驗，是一筆難得的財富。這次課程設計我們收獲頗豐，不僅復習鞏固了過去學習的知識，同時深入了MATLAB的編程及調試，體會到了完成實驗項目后的