加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。生產(chǎn)自動(dòng)控制過程中 ,隨著工藝要求 ,安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)不斷提高的情況下 ,簡(jiǎn)單、常規(guī)的控制已不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)很難使系統(tǒng)完全抗干擾。串級(jí)控制系統(tǒng)具備較好的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量，因此在復(fù)雜的過程控制工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和主副回路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳述，設(shè)計(jì)了加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)，并將基于matlab的增量式pid算法應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。結(jié)合基于計(jì)

2、算機(jī)控制的pid參數(shù)整定方法實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制，控制結(jié)果表明系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：干擾 串級(jí)控制 主回路 副回路abstract: automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern production. the traditional single-loop control system is

3、 difficult to make the system completely anti-interference. cascade control system with good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. cascade control system of the characteristics and the main and sub-l

4、oop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and matlab-based incremental pid algorithm is applied in the control system. combination of computer-based control method to achieve pid parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control ac

5、curacy and stabilitykeywords: cascade control, interference, the main circuit, the deputy loop 目 錄1.前言32、整體方案設(shè)計(jì)4方案比較4方案論證7方案選擇83、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)94. 溫度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)10控制對(duì)象的特性10主回路的設(shè)計(jì)11副回路的選擇11主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇11主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定125、控制器參數(shù)的工程整定136 、matlab系統(tǒng)仿真14系統(tǒng)仿真圖14副回路的整定16主回路的整定177.設(shè)計(jì)總結(jié)19【參考文獻(xiàn)】201.前言隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加熱爐

6、的使用范圍越來(lái)越廣泛。而加熱爐溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制,有些工藝過程對(duì)其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量?，F(xiàn)代加熱爐的生產(chǎn)過程可以實(shí)現(xiàn)高度的機(jī)械化，這就為加熱爐的自動(dòng)化提供了有利條件。加熱爐自動(dòng)化是提高鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要措施。目前，加熱爐的自動(dòng)化主要包括自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、程序控制、自動(dòng)保護(hù)和控制計(jì)算五個(gè)方面。實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)化能夠提高加熱爐運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減少運(yùn)行人員。加熱爐是將物料或工件加熱的設(shè)備。按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加熱爐、感應(yīng)加熱爐、微波加熱爐等。應(yīng)用遍及石油、化工、冶金、機(jī)械、熱處理、表面處理、建材、電子、材料、輕

7、工、日化、制藥等諸多行業(yè)領(lǐng)域。在生產(chǎn)過程控制中，一些復(fù)雜環(huán)節(jié)，往往需要進(jìn)行串級(jí)控制。即把兩個(gè)控制器串聯(lián)起來(lái)，第一個(gè)控制器的設(shè)定值是控制目標(biāo)，它的輸出傳給第二個(gè)控制器，作為它的設(shè)定值，第二個(gè)控制器的輸出作為串級(jí)控制系統(tǒng)的輸出，送到被控系統(tǒng)，作為它的控制“動(dòng)作”?？刂葡到y(tǒng)的這種串級(jí)形式對(duì)于復(fù)雜對(duì)象的控制往往比單回路控制的效果更好。串級(jí)控制對(duì)克服被控系統(tǒng)的時(shí)滯之所以能收到好的效果，是因?yàn)楫?dāng)用兩個(gè)控制器進(jìn)行串級(jí)控制時(shí),每個(gè)控制器克服時(shí)滯的負(fù)擔(dān)相對(duì)減小,這就使得整個(gè)控制系統(tǒng)克服時(shí)滯的能力得到加強(qiáng)。2、整體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的整體思路是：利用對(duì)燃料量的控制最終來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原油溫度的控制。該控制分為主回路控制與副回

8、路控制兩部分。在原油出口處設(shè)置主回路溫度傳送器，由其帶動(dòng)主回路溫度控制器從而進(jìn)行對(duì)燃料閥的流量控制，此控制為主回路被控參數(shù)控制。在爐膛設(shè)置主回路溫度傳送器，由其帶動(dòng)主回路溫度控制器進(jìn)行對(duì)干擾的消除。這樣，便構(gòu)成了以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，以爐膛溫度為輔助被控參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。方案比較方案一、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)器t1c是根據(jù)原料油的出口溫度1(t)與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制。當(dāng)燃料部分出現(xiàn)干擾后，控制系統(tǒng)并不能及時(shí)產(chǎn)生控制作用，克服干擾對(duì)被控參數(shù)1(t)的影響控制質(zhì)量差。當(dāng)生產(chǎn)工藝對(duì)原料油出口溫度1(t)要求很嚴(yán)格時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)很難滿足要求。 被控變量：原料出口溫度；操縱變量：燃料流量。

9、當(dāng)對(duì)出口溫度控制要求不高時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)可以滿足要求。 圖 加熱爐溫度控制系統(tǒng) -調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)閥爐膛管壁原料油溫度變送器1+-+調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)閥爐膛管壁原料油溫度變送器1+-+ 圖 加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖方案二、串級(jí)控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。爐膛溫度變化時(shí)，tsc可以及時(shí)動(dòng)作，克服干擾。 圖 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)圖 加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)框圖方案三、前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)如果將上面兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)溫度控制器對(duì)被控參數(shù)的精確控制、溫度控制器對(duì)

10、來(lái)自燃料的干擾、的及時(shí)控制結(jié)合起來(lái)，先根據(jù)爐膛溫度的變化，改變?nèi)剂狭浚淖儬t膛溫度控制器的設(shè)定值，進(jìn)一步控制燃料量，以保持原料油出口溫度恒定，這樣就構(gòu)成了以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，以爐膛溫度為輔助被控參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。圖加熱爐出口溫度前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)主控制器副控制器器控制閥爐膛壁管原料油溫度變送器2溫度變送器1f3,f4f1,f2前饋控制器溫度變送器圖加熱爐出口溫度前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)框圖方案論證方案一：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有干擾時(shí)，tc輸出信號(hào)改變閥門開度，進(jìn)而改變?nèi)剂狭髁?，在爐膛中燃燒后，爐膛溫度改變，傳給，最終改變?cè)蠝囟?。該過程時(shí)間常數(shù)大，可達(dá)到15min。因此等到出口溫度改變后，再改

11、變操縱變量，制不及時(shí)，偏差在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能被消除。方案二：串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)：主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，對(duì)副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合、相互補(bǔ)充，使控制質(zhì)量顯著提高。方案三：加入前饋控制器后，從干擾f(s)到被控參數(shù)y(s)之間存在兩個(gè)通道：一個(gè)是通過干擾通道傳遞函數(shù)為去影響被控參數(shù)y(s)，另一個(gè)是經(jīng)過測(cè)量環(huán)節(jié)ft,傳遞函數(shù)為, 和前饋控制器fc,傳遞函數(shù)為及控制閥傳遞函數(shù)為，產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過控制通道傳遞函數(shù)為去影響輸出量y(s)。方案

12、選擇 由于加熱爐的溫度對(duì)于保證產(chǎn)品的指標(biāo)是非常重要的.控制效果好,即能保證產(chǎn)品質(zhì)量又能提高產(chǎn)量。某些加熱爐爐出口溫度控制非常困難,波動(dòng)幅度大.控制不理想的原因在于被控對(duì)象十分復(fù)雜:1、原料油的流量變化照成溫度波動(dòng)很大;2、處理量頻繁提降也造成出口溫度的波動(dòng);3、油品不斷切換也使?fàn)t口的溫度產(chǎn)生較大的波動(dòng);4、加熱爐的溫度存在較大的時(shí)滯.可以看出, 加熱爐系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變,大時(shí)滯,多干擾的復(fù)雜系統(tǒng)。從加熱爐工作特性可以看出,燃料量的多少是加熱爐溫度變化的決定因素。但其變化過程是:燃料量的變化首先引起爐膛溫度的變化,由于爐膛溫度產(chǎn)生變化,進(jìn)而引起爐出口溫度的改變.由此可見,對(duì)爐出口溫度的控制采用爐膛溫

13、度與爐出口溫度進(jìn)行串級(jí)控制的控制方案是合理而且可行的,這種方案也有助于對(duì)一系列干擾的克服。3、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路，主、副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作；住調(diào)節(jié)器輸出作副負(fù)調(diào)節(jié)器設(shè)定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的定值控制。串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)工作使主參數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制在工藝規(guī)定范圍之內(nèi)。串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)：主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，對(duì)副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以

14、消除。由于主副回路相互配合、相互補(bǔ)充，使控制質(zhì)量顯著提高。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制溫度的目的。由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，比如原料側(cè)的擾動(dòng)及負(fù)荷擾動(dòng)；燃燒側(cè)的擾動(dòng)等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對(duì)加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐溫度為主變量，選擇滯后較小的爐膛溫度為副變量，構(gòu)成爐溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。4.串級(jí)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 控制對(duì)象的特性假設(shè)副回路中各環(huán)

15、節(jié)傳遞函數(shù)分別為：gc2s=kc2 gvs=kv g02s=k021+t02s gm2s=km2將副回路反饋信號(hào)相加點(diǎn)由副調(diào)劑器前向后移至副對(duì)象之前，經(jīng)簡(jiǎn)化，可得出其等效副對(duì)象為： gc2s=g02s1+g02sgm2sgc2sgc2s= k021+k02km2kc2+t02s=k021+t02s因：k02s=k021+k02km2kc2<k02 k02s=t021+k02km2kc2<t02因此，在此控制系統(tǒng)中，等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和放大倍數(shù)都縮小了，而且隨著副控放大倍數(shù)kc2整定得越大，等效副對(duì)象的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)縮小得越顯著。這相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超前作用的微分環(huán)節(jié)，

16、這會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，控制更為及時(shí)，有利于提高控制品質(zhì)和系統(tǒng)可控性。主回路的設(shè)計(jì)加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)是以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。其它被控參數(shù)有爐膛溫度，膛壁溫度，燃料流量，原料油流量。溫度調(diào)節(jié)器對(duì)被控參數(shù)1（t）精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對(duì)來(lái)自燃料干擾 、的及時(shí)控制相結(jié)合，先根據(jù)爐膛溫度2（t）的變化，改變?nèi)剂狭?，快速消除?lái)自燃料的干擾 、對(duì)爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度1（t）與設(shè)定值的偏差，改變爐膛溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃料量，使原料油出口溫度恒定，達(dá)到溫度控制的目的。副回路的選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。燃料由于其成分和流量變化，對(duì)控制過程

17、產(chǎn)生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為串級(jí)控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級(jí)系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)爐膛溫度2（t）能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度1（t），提高了主參數(shù)的控制效果。主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。在加熱爐溫度串級(jí)控制中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格，又因?yàn)榧訜釥t串級(jí)控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇pid調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律?？刂聘眳?shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對(duì)副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)

18、變化，允許有殘差，所以我們的副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇p控制。主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。副調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 出于生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 kv >0 。然后確定副被控過程的k02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 k02 >0 。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器大于0 ，副

19、調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。主調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 k 01> 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) k 1> 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。例如圖所示加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖，從加熱爐安全角度考慮，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開閥，即如果調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)中斷，閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，控制信號(hào)上升，閥門開度增大，流量增加，是正作用方式。反之，為負(fù)作用方式。副對(duì)象的輸入信號(hào)是燃料流量，輸出信號(hào)是閥后燃料壓力，流量上升，壓力亦增加是正作用方式。測(cè)量變送單元作用方式均為正。 5、控制器參數(shù)的工程整定串級(jí)控制系統(tǒng)主

20、、副控制器的參數(shù)整定方法主要有三種。兩步整定法、逐步逼近法和一步整定法。1、按照串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做兩步整定法。2、一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次放好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。3、逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。我們是用兩步整定法來(lái)整定串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)。6 、matlab系統(tǒng)仿真已知副對(duì)象傳遞函數(shù)為g02(s)=110s+1(s+1) 主對(duì)象的傳遞函數(shù)為g01s=130s+1(3s+1) 我們采用臨界比例度法來(lái)整定控制器參數(shù)。臨界比

21、例度法又稱穩(wěn)定邊界條件法，它是先讓控制器在純比例作用下，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)找到等幅振蕩的過渡過程，記下此時(shí)的比例度和等幅振蕩周期，再通過簡(jiǎn)單的計(jì)算，求出衰減振蕩時(shí)控制器的參數(shù)。系統(tǒng)仿真圖 圖 系統(tǒng)仿真框圖此時(shí)p為，i為，d為，此時(shí)的波形如圖 圖 系統(tǒng)仿真波形對(duì)設(shè)定值施加干擾信號(hào)： 圖施加干擾時(shí)的波形串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)干擾串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路的存在，能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，從而極大的減小副回路干擾對(duì)住被控參數(shù)的影響；副回路的存在提高了系統(tǒng)住調(diào)節(jié)器對(duì)進(jìn)入主回路干擾控制的快速性；由于副回路的存在，總放大系數(shù)提高了，抗干擾能力和控制性能都比單回路控制系統(tǒng)有明顯提高。副回路的整定將主環(huán)路斷開，副環(huán)路為比例作

22、用的條件下，由大到小逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例度。 圖 副回路整定仿真圖副回路參數(shù)設(shè)定：圖 副回路參數(shù)先對(duì)副回路進(jìn)行整定，按要求，此時(shí)控制器為純比例作用，在simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)模型。 圖 副回路仿真波形當(dāng)p值為9時(shí)，衰減比基本可達(dá)到4：1，此時(shí)比例度為9，振蕩周期為。主回路的整定連接好主回路，保持副回路的比例度不變，逐步降低主回路的比例度p1。 圖 主回路整定仿真圖用臨界比例度法對(duì)主回路進(jìn)行整定，其純比例條件下的系統(tǒng)圖主回路參數(shù)設(shè)定： 圖 主回路參數(shù) 圖 主回路仿真波形衰減比為4：1時(shí)的p值為13，此時(shí)比例度為13，振蕩周期為。7.設(shè)計(jì)總結(jié)通過本設(shè)計(jì)，我對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運(yùn)用有了深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識(shí)?；仡櫰鸫舜渭訜釥t出口溫度前饋串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐