過(guò)控課設(shè)——熱風(fēng)爐爐頂溫度控制

1、學(xué) 號(hào)： 0121311371307 課 程 設(shè) 計(jì)題 目熱風(fēng)爐爐頂溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院自動(dòng)化專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)自動(dòng)化1305姓 名司文雷指導(dǎo)教師賀遠(yuǎn)華2016年11月30日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 司文雷 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1305 指導(dǎo)教師： 賀遠(yuǎn)華 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 熱風(fēng)爐爐頂溫度控制系統(tǒng) 初始條件：熱風(fēng)爐爐頂溫度控制系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)熱風(fēng)爐爐頂?shù)臏囟龋捎么?jí)控制系統(tǒng)。以熱風(fēng)爐爐頂溫度為主被控變量，以燃燒室的熱風(fēng)為輔助變量，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，使熱風(fēng)爐的爐頂溫度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，克服各種干擾，保持穩(wěn)定。要求完成的主要任務(wù): 1、了解熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)及性能。2、設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐

2、爐頂溫度控制系統(tǒng)并繪制結(jié)構(gòu)圖。3、確定系統(tǒng)所需檢測(cè)元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術(shù)參數(shù)4、撰寫(xiě)系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)過(guò)程說(shuō)明書(shū)時(shí)間安排 月 日 選題、理解課題任務(wù)、要求 月 日 方案設(shè)計(jì) 月 日 參數(shù)計(jì)算撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū) 月 日 答辯指導(dǎo)教師簽名： 20 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 20 年 月 日摘 要 作為熱動(dòng)力機(jī)械的熱風(fēng)爐于20世紀(jì)70年代末在我國(guó)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力熱源的換代產(chǎn)品。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，只有利用熱風(fēng)作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動(dòng)力在輸送過(guò)程中往往配置多臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)，使之最終還是間接形成熱風(fēng)

3、進(jìn)行烘干或供暖操作。這種過(guò)程顯然存在大量浪費(fèi)能源及造成附屬設(shè)備過(guò)多、工藝過(guò)程復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用了串級(jí)與比例控制，通過(guò)微機(jī)控制熱風(fēng)爐拱頂溫度和煤氣流量，使系統(tǒng)能夠很好的保持拱頂溫度和高爐送風(fēng)溫度，而且通過(guò)廢氣中的含氧量調(diào)節(jié)空燃比的大小從而實(shí)現(xiàn)最佳燃料。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還介紹了主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并按系統(tǒng)要求選擇檢測(cè)元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表的技術(shù)參數(shù)，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行參數(shù)近似計(jì)算。關(guān)鍵字 熱風(fēng)爐 送風(fēng)溫度 PID控制 Matlab仿真目錄1高爐煉鐵工藝11.1高爐煉鐵工藝流程11.2 熱風(fēng)爐設(shè)備工藝21.3 熱風(fēng)爐工作原理31.4熱風(fēng)爐燃燒分析42熱風(fēng)爐爐頂溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.1控制變量

4、選擇42.2控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型52.2熱風(fēng)爐爐頂溫度控制方案53控制系統(tǒng)元件選擇63.1執(zhí)行器的選擇63.2傳感器的選擇73.3變送器的選擇73.4控制器的選擇84 Matlab仿真設(shè)計(jì)以及PID參數(shù)整定104.1仿真方案設(shè)計(jì)104.2 仿真參數(shù)PID整定105 仿真結(jié)果以及分析116 總結(jié)157參考文獻(xiàn)16武漢理工大學(xué)儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)熱風(fēng)爐爐頂溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1高爐煉鐵工藝 1.1高爐煉鐵工藝流程圖1-1 高爐煉鐵工藝流程高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使?fàn)t喉料面保持一定的高度。 焦炭和礦石在爐內(nèi)

5、形成交替分層結(jié)構(gòu)。礦石料在下降過(guò)程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。 鼓風(fēng)機(jī)送出的冷空氣 在熱風(fēng)爐加熱到8001350以后，經(jīng)風(fēng)口連續(xù)而穩(wěn)定地進(jìn)入爐缸，熱風(fēng)使風(fēng)口前的焦炭燃燒，產(chǎn)生2000以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加 熱鐵礦石和熔劑，使成為液態(tài)；并使鐵礦石完成一系列物理化學(xué)變化，煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進(jìn)行劇烈的傳熱、傳質(zhì)和傳動(dòng)量的過(guò)程。 下降爐料中的毛細(xì)水分當(dāng)受熱到100200即蒸發(fā)，褐鐵礦和某些脈石中的結(jié)晶水要到500800才分解蒸發(fā)。主要的熔劑石灰石和白云石，以及其他 碳酸鹽和硫酸鹽，也在爐中受熱分解。石灰石中CaCO3和白云石

6、中MgCO3的分解溫度分別為9001000和740900。鐵礦石在高爐中于 400或稍低溫度下開(kāi)始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區(qū)先熔于爐渣，然后再?gòu)脑羞€原出鐵。 焦炭在高爐中不熔化,只是到風(fēng)口前才燃燒氣化, 少部分焦炭在還原氧化物時(shí)氣化成CO。而礦石在部分還原并升溫到10001100時(shí)就開(kāi)始軟化；到13501400時(shí)完全熔化；超過(guò)1400就 滴落。焦炭和礦石在下降過(guò)程中，一直保持交替分層的結(jié)構(gòu)。由于高爐中的逆流熱交換,形成了溫度分布不同的幾個(gè)區(qū)域，區(qū)是礦石與焦炭分層的干區(qū)，稱塊狀 帶，沒(méi)有液體；區(qū)為由軟熔層和焦炭夾層組成的軟熔帶，礦石開(kāi)始軟化到完全熔化；區(qū)是液態(tài)渣、鐵的滴落帶，帶內(nèi)只有焦炭仍

7、是固體；風(fēng)口前有一個(gè)袋形的 焦炭回旋區(qū)，在這里，焦炭強(qiáng)烈地回旋和燃燒，是爐內(nèi)熱量和氣體還原劑的主要產(chǎn)生地。1.2 熱風(fēng)爐設(shè)備工藝高爐熱風(fēng)爐按工作原理可分為蓄熱式和換熱式兩種。蓄熱式熱風(fēng)爐，按熱風(fēng)爐內(nèi)部的蓄熱體分球式熱風(fēng)爐（簡(jiǎn)稱球爐）和采用格子磚的熱風(fēng)爐，按燃燒方式可以分為頂燃式，內(nèi)燃式，外燃式等幾種，提高熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度是高爐強(qiáng)化冶煉的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)內(nèi)燃式熱風(fēng)爐及主要組織部分（如圖1-2所示4）包括燃燒室和蓄熱室兩大部分，并由爐基、爐底、爐襯、爐箅子、支柱等構(gòu)成。熱風(fēng)爐主要尺寸決定于高爐有效容積、冶煉強(qiáng)度要求的風(fēng)溫。 圖1-2 熱風(fēng)爐主體結(jié)構(gòu)圖1.3 熱風(fēng)爐工作原理圖1-3 熱風(fēng)爐功能結(jié)構(gòu)圖熱風(fēng)

8、爐主要有三種工作狀態(tài)：即燃燒狀態(tài)、送風(fēng)狀態(tài)和悶爐工作狀態(tài)。(1) 熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)熱風(fēng)爐處于燃燒狀態(tài)時(shí)，通過(guò)熱風(fēng)爐煤氣管道和助燃空氣管道向熱風(fēng)爐送入高爐煤氣和助燃空氣，高爐煤氣和助燃空氣燃燒產(chǎn)生熱煙氣使熱風(fēng)爐蓄熱；熱風(fēng)爐處于燃燒狀態(tài)時(shí)，其廢氣閥、煙道閥、助燃空氣燃燒閥、高爐煤氣燃燒閥、高爐煤氣切斷閥等閥均處于開(kāi)啟狀態(tài)，其它各閥（切斷閥）均處于關(guān)閉狀態(tài)。(2) 熱風(fēng)爐送風(fēng)狀態(tài)熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時(shí)，向燃燒結(jié)束蓄有一定熱量的熱風(fēng)爐送入冷風(fēng)，冷風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)爐加熱后再送入高爐。熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時(shí)，其冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥、冷風(fēng)充壓閥等處于開(kāi)啟狀態(tài)，其它各閥（切斷閥）均處于關(guān)閉狀態(tài)。(3) 熱風(fēng)爐悶爐狀態(tài)熱風(fēng)爐處于悶

9、爐狀態(tài)時(shí)，為保持溫度，熱風(fēng)爐所有的閥門(mén)均處于關(guān)閉狀態(tài)。熱風(fēng)爐處于上述三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程定義為換爐過(guò)程。在熱風(fēng)爐的操作過(guò)程中最基本的工作過(guò)程是換爐。換爐時(shí)，應(yīng)保證整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)不間斷的向高爐送風(fēng)，并應(yīng)盡量使進(jìn)入高爐的風(fēng)量、風(fēng)壓波動(dòng)很小，還要注意煤氣安全。1.4熱風(fēng)爐燃燒分析煤氣和空氣的混合是一種物理過(guò)程，需要消耗能量和一定的時(shí)間才能完成。而混合后的可燃?xì)怏w只有加熱到它的著火溫度時(shí)才能進(jìn)行燃燒反應(yīng)，點(diǎn)火以后可燃?xì)怏w的加熱是靠其本身燃燒的熱量而實(shí)現(xiàn)的。而且燃燒化學(xué)反應(yīng)是一種激烈的氧化反應(yīng)，其燃燒速度主要取決于煤氣和空氣的混合比，因此，空燃比是描述燃料燃燒完全程度的重要指標(biāo)。煤氣最大流量為0.11

10、5，在熱風(fēng)爐僅燒高爐煤氣時(shí)空燃比最佳為0.59。當(dāng)然實(shí)際煤氣成分可能有波動(dòng)，但應(yīng)該以0.59為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)6。但不同情況下空燃比不同，如果一直采用固定的空燃比進(jìn)行燃燒，則無(wú)法適應(yīng)這個(gè)變化。2熱風(fēng)爐爐頂溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1控制變量選擇高爐煉鐵對(duì)于熱風(fēng)爐送進(jìn)高爐的熱風(fēng)溫度有著嚴(yán)格的要求，從鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的風(fēng)溫約150-200，經(jīng)過(guò)熱風(fēng)爐加熱提高風(fēng)溫后可達(dá)1300以上。根據(jù)熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度控制任務(wù)書(shū)要求，拱頂溫度應(yīng)穩(wěn)定在14508，使得熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度能達(dá)到1300 。因此，本設(shè)計(jì)選取熱風(fēng)爐拱頂溫度為被控對(duì)象。而在通過(guò)改變?nèi)剂蠞舛然蛄髁靠梢杂行Ц淖儫犸L(fēng)爐內(nèi)溫度，從節(jié)省燃料并且本著安全的原則，本設(shè)計(jì)選擇燃料（

11、即煤氣和空氣送入流量）為控制量，但為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，就默認(rèn)為1來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖2-1 即熱風(fēng)爐爐頂溫度控制原理圖圖2-1 熱風(fēng)爐爐頂溫度控制原理圖2.2控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型熱風(fēng)爐爐頂溫度的數(shù)學(xué)模型可用帶時(shí)延的近似一階慣性系統(tǒng)來(lái)描述，慣性時(shí)間常數(shù)，滯后時(shí)間5，則被控對(duì)象傳遞函數(shù)為： (2-1)而把除被控對(duì)象外包括調(diào)節(jié)閥，測(cè)量傳送等環(huán)節(jié)在內(nèi)的傳遞函數(shù)近似等效為： (2-2)2.2熱風(fēng)爐爐頂溫度控制方案圖2-2 熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)由于控制對(duì)象0.3，整個(gè)控制過(guò)程純滯后不大，而時(shí)間常數(shù)T較大，被控變量的變化比較緩慢，此時(shí)過(guò)程比較平穩(wěn)，容易進(jìn)行控制。因此，采用單閉環(huán)PI控制即可達(dá)到不錯(cuò)的控制效果。如圖

12、2-2即本設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度控制系統(tǒng)方框圖。3控制系統(tǒng)元件選擇3.1執(zhí)行器的選擇由于我們選擇的是燃料送入率作為操作變量，因此，從安全角度和燃料節(jié)約角度，選擇的執(zhí)行器煤氣流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)為氣開(kāi)型，這樣當(dāng)控制器發(fā)生故障或控制器信號(hào)傳送異常時(shí)燃料流量控制為最小，這樣能盡可能減少損失。而相應(yīng)地，空氣調(diào)節(jié)閥也取為氣開(kāi)型。如圖即幾種常見(jiàn)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線，為了使控制簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)選用線性流量特性的調(diào)節(jié)閥，即流量特性參數(shù)為，結(jié)合上文所述氣開(kāi)特性，本設(shè)計(jì)中。圖3-1 氣開(kāi)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線圖3.2傳感器的選擇由工藝可知，熱風(fēng)溫度一般在0-1400之間。熱電偶是在工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高。

13、因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。滿足熱風(fēng)爐工藝要求的熱電偶型號(hào)有B型和S型，B型測(cè)溫范圍是0-1700，S型測(cè)溫范圍是0-1450，由于所測(cè)溫度（爐頂溫度）應(yīng)長(zhǎng)期保持1450，因此選擇B型鉑銠30-鉑銠6熱電偶。具體參數(shù)見(jiàn)圖3-2:圖3-2 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)用鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接

14、到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。采用三線制會(huì)大大減小導(dǎo)線電阻帶來(lái)的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。3.3變送器的選擇熱電偶的輸出信號(hào)為mV級(jí)電信號(hào)，不能直接送入調(diào)節(jié)器，所以要經(jīng)過(guò)溫度變送器則可以將熱電偶輸出的mV信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA或者1-5V的電信號(hào)供調(diào)節(jié)器使用。而DDZ-III型溫度變送器有：（1）采用集成電路溫度變送器放大單元采用高增益、低漂移集成運(yùn)算放大器進(jìn)行直流放大，較型儀表的調(diào)制放大器線路簡(jiǎn)單、元件少、可靠性高。（2）采用了線性化線路熱電偶溫度變送器采用非線性負(fù)反饋回路，熱電阻

15、溫度變送器采用線性化電路。使變送器的輸出信號(hào)和被測(cè)溫度間呈線性關(guān)系，提高了精度，有利于指示，記錄。（3）增加了安全措施現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)溫元件（熱電偶或電阻體）與控制室溫度變送器相連的線路是安全火花線路。不必再經(jīng)任何安全設(shè)備可使測(cè)量元件工作在危險(xiǎn)場(chǎng)所等優(yōu)點(diǎn)。還可以有效的對(duì)熱電偶進(jìn)行有效的冷端補(bǔ)償，所以可以選擇DDZ-III型溫度變送器。3.4控制器的選擇由于執(zhí)行器（煤氣流量調(diào)節(jié)閥）環(huán)節(jié)系數(shù)為，因此為保證閉環(huán)PI控制系統(tǒng)的正常工作，控制器環(huán)節(jié)的系數(shù)需滿足，且比例系數(shù)，積分系數(shù)，即使控制器為反作用控制器，這樣單閉環(huán)控制系統(tǒng)就能構(gòu)成負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)控制作用：當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，控制器輸出ut為正，使得煤氣流量調(diào)節(jié)

16、閥開(kāi)度增大，煤氣流量增大，爐內(nèi)溫度上升；而當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，控制器輸出ut為負(fù)，使得煤氣通入流量減少，使?fàn)t內(nèi)溫度下降。工業(yè)控制領(lǐng)域常用的控制器有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和可編程邏輯控制器（即PLC）等。與其它幾種控制器相比較，PLC是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與繼電器邏輯控制概念而開(kāi)發(fā)的一代新型工業(yè)控制器，是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它可以取代傳統(tǒng)的繼電器完成開(kāi)關(guān)量的控制，比如，將行程開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)或敏感元器件作為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)可控制電動(dòng)閥門(mén)、開(kāi)關(guān)、電磁閥和步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它采用可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字

17、式、模擬式的輸入和輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。工業(yè)控制采用PLC，顯示了突出的優(yōu)越性，因它可對(duì)用戶提出的生產(chǎn)控制要求和意見(jiàn)，能方便地在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行程序修改和調(diào)試，使系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)。內(nèi)部的軟繼電器使系統(tǒng)在控制中能?chē)?yán)格地起到互鎖作用，增加了系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化設(shè)備，維修方便。而且，隨著PLC的發(fā)展，在硬件、軟件方面都會(huì)有更先進(jìn)的計(jì)數(shù)出現(xiàn)。針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析各控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，采用PLC作為本次設(shè)計(jì)的控制器。具體比較如下：首先，PLC和PC控制相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)對(duì)低端應(yīng)用,PLC具有極大的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì).工控機(jī)的價(jià)格較高,將它用于小型開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)以取代繼電器控制,無(wú)論是在體

18、積和價(jià)格上都很難接受,可靠性也遠(yuǎn)不如PLC。(2)PLC的可靠性無(wú)可比擬,故障停機(jī)時(shí)間最少.基本W(wǎng)indowsNT/2000/XP操作系統(tǒng)的IPC控制系統(tǒng),在實(shí)時(shí)任務(wù)處理,長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,抗病毒和惡意攻擊等方面還存在較大的問(wèn)題.IPC控制系統(tǒng)在可靠性和安全性等方面還未獲得廣泛的認(rèn)同。(3)PLC是專為工廠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的,結(jié)構(gòu)上采取整體密封或插件組合型,對(duì)印制板,電源,機(jī)架,插座的制造和安裝,均采取了嚴(yán)密的措施。(4)PLC是使用專門(mén)為工業(yè)設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言,這些語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué).工控機(jī)如果用VB,VC等語(yǔ)言來(lái)編程,需要花更多時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí),編程的效率也沒(méi)有PLC高.如果使用Windows操作系統(tǒng)，其穩(wěn)定

19、性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如PLC,時(shí)間控制精度也較差。(5)與PC機(jī)發(fā)展太快相比,PLC產(chǎn)品可以長(zhǎng)期供貨,并提供長(zhǎng)期的技術(shù)支持。(6)PLC有龐大的有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員,維護(hù)人員和技術(shù)支持系統(tǒng)。其次，與單片機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.由專業(yè)大公司精心設(shè)計(jì)的硬件和軟件系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、可靠性好。2.編程簡(jiǎn)單易學(xué)，即使不熟悉電腦的工程師也能用它開(kāi)發(fā)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。3.抗干擾能力強(qiáng)，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制場(chǎng)合。4.有豐富的擴(kuò)展模塊和聯(lián)網(wǎng)能力，可以做成大型復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時(shí)，目前在張力、速度、液位特別是溫度等過(guò)程控制中，經(jīng)常使用溫控器等專用控制器或用戶自制設(shè)備。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的處理速度越來(lái)越快，功能也

20、越來(lái)越豐富。因此，采用PLC進(jìn)行PID控制可以逐漸取代一些傳統(tǒng)的控制手段。就以溫度為例，可以比較出采用PLC的優(yōu)點(diǎn)。通常所使用的溫度控制器適用于單純的單回路溫度控制，而PLC可以實(shí)現(xiàn)多回路的整體控制，相比主要有以下的特點(diǎn)：在多點(diǎn)加熱時(shí)，可以錯(cuò)開(kāi)加熱導(dǎo)通時(shí)序，避免同時(shí)導(dǎo)通引起的大電流;在控制過(guò)程中可以自由簡(jiǎn)便地修改設(shè)定值及其它參數(shù)；可以定時(shí)自動(dòng)執(zhí)行所需的控制曲線；可以使用相位控制，降低沖擊電流、峰值電流，減少加熱器頻繁冷熱變化引起的熱壓力；可以同時(shí)控制系統(tǒng)或機(jī)械中的其它動(dòng)作；可以實(shí)現(xiàn)多種報(bào)警功能等等。最初的PLC主要是用于取代繼電器進(jìn)行順序控制，其后又逐步擴(kuò)充了數(shù)值運(yùn)算、模擬量、電機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)通

21、信。從發(fā)展趨勢(shì)看，PID控制特別是溫度控制將是今后PLC應(yīng)有的功能。4 Matlab仿真設(shè)計(jì)以及PID參數(shù)整定4.1仿真方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)運(yùn)用Matlab軟件中Simulink庫(kù)對(duì)所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真以及性能分析。階躍輸入為煤氣（空氣）流量最大為115，因此k=1405 11=132?？刂破鬟x用PI控制，并且在600s時(shí)刻模擬為系統(tǒng)引入一幅值200的階躍干擾以測(cè)試系統(tǒng)的魯棒性。得到仿真圖如圖4-1:圖4-1熱風(fēng)爐拱頂溫度Simulink仿真圖4.2 仿真參數(shù)PID整定 在Matlab軟件2012a版本以及之后發(fā)行的Matlab版本軟件Simulink庫(kù)中，都新增入了PID輔助整定功能“Tune”

22、（功能界面見(jiàn)圖4-2），借助“Tune”背后強(qiáng)大的最優(yōu)算法輔助，現(xiàn)在整定PID參數(shù)不再像之前那樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 圖4-2 新版本Matlab新增PID調(diào)諧功能“Tune”如圖4-2，該功能可以直觀地進(jìn)行PID參數(shù)整定，左邊窗口正上方可以直接對(duì)響應(yīng)時(shí)間和瞬態(tài)性能進(jìn)行調(diào)試，還可以點(diǎn)按Reset Design得到系統(tǒng)認(rèn)為的一個(gè)各參數(shù)相對(duì)平衡的最優(yōu)響應(yīng)曲線。而所需的PID值隨著曲線的調(diào)整，同步更新并顯示在右下角，并且可同步上載到仿真系統(tǒng)中。而右邊小窗口則同步顯示當(dāng)前左窗曲線的峰值，超調(diào)，衰減（或增益）的等參數(shù)，功能十分強(qiáng)大，大大縮減了控制領(lǐng)域的系統(tǒng)研發(fā)周期。 5 仿真結(jié)果以及分析在本設(shè)計(jì)中，先使用Matlab中“Tune”得到系統(tǒng)最優(yōu)曲線（如圖5-1）圖5-1 熱風(fēng)爐溫度控制Matlab系統(tǒng)最優(yōu)曲線調(diào)諧如右邊小窗口所示，該曲線超調(diào)10.8%，上升時(shí)間106s，調(diào)節(jié)時(shí)間443s，而上載到仿真系統(tǒng)中運(yùn)行結(jié)果如圖5-2：S圖5-2 熱風(fēng)爐溫度控制Matlab系統(tǒng)最優(yōu)曲線但從圖5-2可以很清晰看出峰值超出1600，而由于傳感器的選擇緣故，這個(gè)超調(diào)顯然對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)顯然動(dòng)態(tài)性能還不是很理想，因此，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用試湊法得到本設(shè)計(jì)所允許的相對(duì)最優(yōu)的整定曲線如圖5-3：圖5-3 熱風(fēng)爐溫度控制整定曲線而這條響應(yīng)曲線如右邊小窗口所示，該曲線超調(diào)5.03%，上升時(shí)間70.7s，調(diào)節(jié)時(shí)間3