加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計

1、加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計摘 要：溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制領域，如鋼鐵廠、化工廠、火電 廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多 領域中得到廣泛的應用。生產自動控制過程中，隨著工藝要求，安全、經濟生 產不斷提高的情況下，簡單、常規(guī)的控制已不能適應現(xiàn)代化生產。傳統(tǒng)的單回 路控制系統(tǒng)很難使系統(tǒng)完全抗干擾。串級控制系統(tǒng)具備較好的抗干擾能力、快 速性、適應性和控制質量，因此在復雜的過程控制工業(yè)中得到了廣泛的應用.對 串級控制系統(tǒng)的特點和主副回路設計進行了詳述，設計了加熱爐串級控制系統(tǒng)， 并將基于MATLAB的增量式PID算法應用在控制系統(tǒng)中。結合基于計算機控制的 PI

2、D參數(shù)整定方法實現(xiàn)串級控制，控制結果表明系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn) 定性。關鍵詞：干擾 串級控制主回路副回路Abstract： Automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern product io n. The traditional single-loop control system is diffi

3、cult to make the system completely ant i-interfere nee. 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-loop

4、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 accurac

5、y and stabi1ityKeywords: Cascade control, interferenee. the main circuit, the Deputy loop1、前言錯誤!未定義書簽。2、整體方案設計錯誤!未定義書簽。方案比較錯誤!未定義書簽。方案論證錯誤!未定義書簽。方案選擇錯誤!未定義書簽。3、串級控制系統(tǒng)的特點錯誤!未定義書簽。4、溫度控制系統(tǒng)的分析與設計錯誤!未定義書簽?？刂茖ο蟮奶匦藻e誤!未定義書簽。主回路的設計錯誤!未定義書簽。副回路的選擇錯誤!未定義書簽。主、副調節(jié)器規(guī)律的選擇錯誤!未定義書簽。主、副調節(jié)器正反作用方式的確定錯誤!未定義書簽。5、控制器參數(shù)的工

6、程整定錯誤!未定義書簽。6、MATLAB系統(tǒng)仿真 錯誤!未定義書簽。系統(tǒng)仿真圖錯誤!未定義書簽。副回路的整定錯誤!未定義書簽。主回路的整定錯誤!未定義書簽。7、設計總結錯誤!未定義書簽。【參考文獻】 錯誤!未定義書簽。1 前言隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，加熱爐的使用范圍越來越廣泛。而加熱爐溫度控制 是工業(yè)生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著 產品的質量和產量?，F(xiàn)代加熱爐的生產過程可以實現(xiàn)高度的機械化，這就為加熱爐的自 動化提供了有利條件。加熱爐自動化是提高鍋爐安全性和經濟性的重要措施。目前，加 熱爐的自動化主要包括自動檢測、自動調節(jié)、程序控制、自動保護和控制計

7、算五個方面。 實現(xiàn)加熱爐自動化能夠提高加熱爐運行的安全性、經濟性和勞動生產率，改善勞動條件, 減少運行人員。加熱爐是將物料或工件加熱的設備。按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加 熱爐、感應加熱爐、微波加熱爐等。應用遍及石油、化工、冶金、機械、熱處理、表面 處理、建材、電子、材料、輕工、日化、制藥等諸多行業(yè)領域。在生產過程控制中，一 些復雜環(huán)節(jié)，往往需要進行串級控制。即把兩個控制器串聯(lián)起來，第一個控制器的設定 值是控制目標，它的輸出傳給第二個控制器，作為它的設定值，第二個控制器的輸出作 為串級控制系統(tǒng)的輸出，送到被控系統(tǒng)，作為它的控制"動作”?？刂葡到y(tǒng)的這種串級 形式對于復雜對象的控制往往比

8、單回路控制的效果更好。串級控制對克服被控系統(tǒng)的時 滯之所以能收到好的效果，是因為當用兩個控制器進行串級控制時，每個控制器克服時 滯的負擔相對減小，這就使得整個控制系統(tǒng)克服時滯的能力得到加強。2、整體方案設計本設計的整體思路是：利用對燃料量的控制最終來實現(xiàn)對原油溫度的控制。該控制 分為主回路控制與副回路控制兩部分。在原油出口處設置主回路溫度傳送器，由其帶動 主回路溫度控制器從而進行對燃料閥的流量控制，此控制為主回路被控參數(shù)控制。在爐 膛設置主回路溫度傳送器，由其帶動主回路溫度控制器進行對干擾的消除。這樣，便構 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)的串級控制系統(tǒng)。方案比較方

9、案一、簡單控制系統(tǒng)溫度調節(jié)器T1C是根據(jù)原料油的出口溫度i(t)與設定值的偏差進行控制。當燃料部 分出現(xiàn)干擾后，控制系統(tǒng)并不能及時產生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)的影響 控制質量差。當生產工藝對原料油出口溫度要求很嚴格時，簡單控制系統(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。當對出口溫度控制要求不高時，簡單控制系統(tǒng)可以滿足要求。圖加熱爐溫度控制系統(tǒng)圖加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖方案二、串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的 設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(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，

10、TsC可以及時動作，克服干擾。燃料油圖加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)圖加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖方案三、前饋一串級控制系統(tǒng)如果將上面兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點一一溫度控制器7；c對被控參數(shù)q(/)的精確控制、 溫度控制器對來自燃料的干擾厶、厶(/)的及時控制結合起來，先根據(jù)爐膛溫度 4(/)的變化，改變燃料量，改變爐膛溫度控制器AC的設定值，進一步控制燃料量，以 保持原料油出口溫度恒定，這樣就構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)的串級控制系統(tǒng)。油K7圖加熱爐出口溫度前饋一串級控制系統(tǒng)溫度變送器溫度變送器1圖加熱爐岀口溫度前饋一串級控制系統(tǒng)框圖方案論證方案一：簡單控制系統(tǒng)有干擾時

11、，TC輸出信號改變閥門開度，進而改變燃料流量，在爐 膛中燃燒后，爐膛溫度改變，傳給，最終改變原料溫度。該過程時間常數(shù)大，可達到15mino 因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，制不及時，偏差在較長時間內不能被消除。方案二：串級控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內的 干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調、粗調、快調的特點：主回路具有 后調、細調、慢調的特點，對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、相互補充，使控制質量顯著提高。方案三：加入前饋控制器后，從干擾F(s)到被控參數(shù)Y(s)之間存在兩個通道：一 個是通過干擾通道傳遞函數(shù)為

12、Gf(s)去影響被控參數(shù)Y(s),另一個是經過測量環(huán)節(jié)FT, 傳遞函數(shù)為G,”(s),和前饋控制器FC,傳遞函數(shù)為6,(5)及控制閥傳遞函數(shù)為 G(s),產生控制作用，再經過控制通道傳遞函數(shù)為G0(s)去影響輸出量Y(s)0方案選擇由于加熱爐的溫度對于保證產品的指標是非常重要的.控制效果好，即能保證產品 質量又能提高產量。某些加熱爐爐出口溫度控制非常困難，波動幅度大.控制不理想的原 因在于被控對象十分復雜：1、原料油的流量變化照成溫度波動很大；2、處理量頻繁提降也造成出口溫度的波動；3、油品不斷切換也使爐口的溫度產生較大的波動；4、加熱爐的溫度存在較大的時滯.可以看出，加熱爐系統(tǒng)是一個時變，大

13、時滯，多干擾的復雜系統(tǒng)。從加熱爐工作特性 可以看岀，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，由于爐膛溫度產生變化，進而引起爐岀口溫度的改變.由此可 見，對爐出口溫度的控制采用爐膛溫度與爐出口溫度進行串級控制的控制方案是合理而 且可行的，這種方案也有助于對一系列干擾的克服。3、串級控制系統(tǒng)的特點在系統(tǒng)結構上，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路，主、副調節(jié)器串 聯(lián)工作；住調節(jié)器輸出作副負調節(jié)器設定值，系統(tǒng)通過副調節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動作， 實現(xiàn)對參數(shù)的定值控制。串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系 統(tǒng)，通過協(xié)調工作使主參

14、數(shù)能夠準確地控制在工藝規(guī)定范圍之內。串級控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內的干擾，也 能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調、粗調、快調的特點：主回路具有后調、細 調、慢調的特點，對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、相互補充，使控制質量顯著提高。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調節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達到控制 溫度的目的。由于加熱爐時間常數(shù)大，而且擾動的因素多，比如原料側的擾動及負荷擾 動；燃燒側的擾動等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐溫度的要

15、求。為了提 高控制質量，采用串級控制系統(tǒng)，運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，構成爐溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)有效地提高控 制質量，以滿足工業(yè)生產的要求。4 串級控制系統(tǒng)的分析與設計控制對象的特性假設副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分別為：Gc2（S）-氐2Gy（s）二KyGo2（S）Ko2將副回路反饋信號相加點由副調劑器前向后移至副對象之前，經簡化，可得出其等 效副對象為：Gc2（S）二Gq2（5）_1 + Go2（5）GW2（5）Gc2（S）GC2（5）Ko2_ Ki）21 + Ko2&2Kc2 + Tq2s 1 + Tq2s因：Ko2（s）=i

16、+ Xkc2<Ko2Ko2（s）=TT1<TO2因此，在此控制系統(tǒng)中，等效副對象的時間常數(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，等效副對象的放大倍數(shù)和時間常數(shù)縮小得越顯著。這相當 于在系統(tǒng)中增加了一個起超前作用的微分環(huán)節(jié)，這會使系統(tǒng)的響應速度加快，控制更為 及時，有利于提高控制品質和系統(tǒng)可控性。主回路的設計加熱爐溫度串級控制系統(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。溫度調節(jié)器對被 控參數(shù)0 1 (t)精確控制與溫度調節(jié)器對來自燃料干擾、的及時控制相結合，先 根據(jù)爐膛溫度02 (t)的變化，改變燃料

17、量，快速消除來自燃料的干擾、對爐膛 溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度0 1 (t)與設定值的偏差，改變爐膛溫 度調節(jié)器的設定值，進一步調節(jié)燃料量，使原料油出口溫度恒定，達到溫度控制 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，對控制過程產 生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級系統(tǒng)中，通過調 整副參數(shù)爐膛溫度02 (t)能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度0 1 (t),提高了 主參數(shù)的控制效果。主、副調節(jié)器規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器所起的作用不同。主調節(jié)器起定值控制作 用，副調節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇

18、調節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。在加熱爐溫度串級控制中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，原料 油溫度影響產品生產質量，工藝要求嚴格，又因為加熱爐串級控制系統(tǒng)有較大容 量滯后，所以，選擇PID調節(jié)作為主調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律?？刂聘眳?shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質量，對副參數(shù)的要求一般不嚴 格，可以在一定范圍內變化，允許有殘差，所以我們的副調節(jié)器調節(jié)規(guī)律選擇P 控制。主、副調節(jié)器正反作用方式的確定一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負反饋。串級控制系統(tǒng)有 兩個回路，主、副調節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。副調節(jié)器作用方式的確定:出于生產工藝安全考慮，燃料調節(jié)閥應選用氣開式，這

19、樣保證當系統(tǒng)出現(xiàn)故 障使調節(jié)閥損壞而處于全關狀態(tài)，防止燃料進入加熱爐，確保設備安全，調節(jié)閥 的Kv0。然后確定副被控過程的K°2,當調節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以心2 >0 o最后確定副調節(jié)器，為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大 系數(shù)乘積必須為正，所以副調節(jié)器大于0 ,副調節(jié)器作用方式為反作用方式。主調節(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 oi> 0o為保證主回路為 負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調節(jié)器的放大系數(shù)K 1> 0,主調 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控制系統(tǒng)示意圖，從加熱爐安全角

20、度考慮，調節(jié) 閥應選氣開閥，即如果調節(jié)閥的控制信號中斷，閥門應處于關閉狀態(tài)，控制信號 上升，閥門開度增大，流量增加，是正作用方式。反之，為負作用方式。副對象 的輸入信號是燃料流量，輸出信號是閥后燃料壓力，流量上升，壓力亦增加是正 作用方式。測量變送單元作用方式均為正。5、控制器參數(shù)的工程整定串級控制系統(tǒng)主、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)經驗先將副控制器一次放好，不再變動，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

21、近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進行，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整定串級控制系統(tǒng)的參數(shù)。6、MATLAB系統(tǒng)仿真已知副對象傳遞函數(shù)為（10s 十 l）（s 十 1）主對象的傳遞函數(shù)為Goi（s）二（30$ 十 l）（3s 十 1）我們采用臨界比例度法來整定控制器參數(shù)。臨界比例度法又稱穩(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)場試驗找到等幅振蕩的過渡過程，記下此 時的比例度和等幅振蕩周期人，再通過簡單的計算，求出衰減振蕩時控制器的參數(shù)。系統(tǒng)仿真圖圖系統(tǒng)仿真框圖此時P為，I為，D為，此時的波形如圖圖系統(tǒng)仿真波形對設定值施加干擾信號:圖施加干擾

22、時的波形串級控制系統(tǒng)對干擾串級控制系統(tǒng)的副回路的存在，能夠迅速克服進入副回路的干 擾，從而極大的減小副回路干擾對住被控參數(shù)的影響；副回路的存在提高了系統(tǒng)住調節(jié)器對進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)路為比例作用的條件下，由大到小逐漸降低副調節(jié)器的比例度。Scop «(n)1圖副回路整定仿真圖副回路參數(shù)設定:圖副回路參數(shù)先對副回路進行整定，按要求，此時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P值為9時，衰減比基本可達到4： 1,此時比例度&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。Wcopo何4圖主回路整定仿真圖用臨界比例度法對主回路進行整定，其純比例條件下的系統(tǒng)圖主回路參數(shù)設定:圖主回路參數(shù)圖主回路仿真波形衰減比為4： 1時的P值為13,此時比例度匕為13,振蕩周期兀為。7.設計總結通過本設計，我對自動控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運用有了深入的認識，對自動控制系統(tǒng) 設計步驟、思路、有一定的了解與認識?；仡櫰鸫舜渭訜釥t出口溫度前饋一一串級控制系統(tǒng)設計，我仍感慨頗多，的確，從 選題到定