加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 課題：加熱爐溫度控制系統(tǒng)系 別：電氣與電子工程系專 業(yè)： 自動(dòng)化姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師：2011 年1 月7 日成績(jī)?cè)u(píng)定·一、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量、答辯情況及其平時(shí)表現(xiàn)綜合評(píng)定）。二、評(píng)分（按下表要求評(píng)定）評(píng)分項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告評(píng)分答辯評(píng)分平時(shí)表現(xiàn)評(píng)分合 計(jì) （100分）任務(wù)完成情 況（20分）課程設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量（40分）表達(dá)情況（10分）回答問(wèn)題情 況（10分）工作態(tài)度與紀(jì)律（10分）獨(dú)立工作能力（10分）得分課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定班級(jí) 姓名 學(xué)號(hào)成績(jī)： 分（折合等級(jí) ）指導(dǎo)教師簽字 年 月 日一、設(shè)計(jì)目的：在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，可使學(xué)生初步體驗(yàn)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)

2、計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法，了解必須提交的各項(xiàng)工程文件，也達(dá)到鞏固、充實(shí)和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的目的。同時(shí)也使學(xué)生加深理解所學(xué)的理解知識(shí)，提供運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，按照給定的設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)要求，使學(xué)生掌握電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本技能，增強(qiáng)獨(dú)立分析與解決問(wèn)題的能力。二、設(shè)計(jì)要求：1、繪制加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。2、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)成爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，要求繪制該串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。3、利用simulink實(shí)現(xiàn)單回路系統(tǒng)仿真和串級(jí)系統(tǒng)仿真，分別給出系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。4、根據(jù)兩種系統(tǒng)仿真結(jié)果分析串級(jí)控制系

3、統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)三、總體設(shè)計(jì)：1、加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐，其任務(wù)是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進(jìn)行加工。加熱爐工藝過(guò)程為：被加熱物料流過(guò)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。圖1 加熱爐溫度系統(tǒng) 但是，由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，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，有效地提高控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求。2、加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2 加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3

4、、串級(jí)控制系統(tǒng)加熱爐工藝過(guò)程為：被加熱物料流過(guò)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。 圖3 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，就是指在擾動(dòng)作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值

5、，由主、副調(diào)節(jié)器通過(guò)控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。由加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可繪制出其結(jié)構(gòu)方框圖，如圖4所示。圖4 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖4、主、副控制器參數(shù)整定及Simulink仿真主控制器的選擇：主被控變量是工藝操作的主要指標(biāo)（溫度），允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)余差，主控制器應(yīng)選PI控制規(guī)律。副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副控制器只要選P控制規(guī)律就可以了。在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：逐步逼近法；兩步整定法；一步整定法。逐步逼近法費(fèi)時(shí)

6、費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步逼近法簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程，但還是要做兩次4：1衰減曲線法的實(shí)測(cè)。對(duì)兩步整定法進(jìn)行簡(jiǎn)化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一步整定法。為了簡(jiǎn)便起見，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/20.5這一關(guān)系式，通過(guò)副過(guò)程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。（3）改變給

7、定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。（4）如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。對(duì)于該溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配。根據(jù)表1，可以大致確定副控制器的增益Kc2及比例帶。表1 常見對(duì)象的副控制器比例帶的經(jīng)驗(yàn)法副控制器對(duì)象 溫 度 壓 力流 量液 位比例帶 2060307040802080增益Kc2 1.75.01.43.01.252.51.255.0根據(jù)本設(shè)計(jì)，適當(dāng)選取Kc2=3.5（整定時(shí)可以根據(jù)具體情況再做適當(dāng)調(diào)整）。

8、然后在副回路已經(jīng)閉合的情況下按單回路控制器參數(shù)整定方法整定主控制器，本方案采用衰減曲線法整定，考慮到4：1衰減太慢，因此采用10：1衰減曲線法整定主控制器參數(shù)。一般地取Kv=1,將X=45（學(xué)號(hào)最后三位）帶入可計(jì)算出主對(duì)象的傳遞函數(shù)。衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程，直至10：1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例度稱為10：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS。根據(jù)S和TS，運(yùn)用表2所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。 表2 衰減曲線法整定計(jì)算公式 衰減率 整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律 TiT

9、d0.75 PS PI 1.2S 0.5TS PID 1.8S 0.3TS 0.1TS 0.9 P S PI 1.2S 2TS PID 1.8S 1.2TS 0.4TS 衰減曲線法的第一步就是獲取系統(tǒng)的衰減曲線，采用10：1衰減曲線法。在Simulink中，如圖5，把積分輸出線斷開，Kc1的值從大到小進(jìn)行試驗(yàn)，觀察示波器的輸出，直到輸出10：1衰減振蕩曲線為止。圖6即為系統(tǒng)10：1衰減曲線。圖5 串級(jí)系統(tǒng)Simulink模型（未連積分輸出線時(shí)）當(dāng)Kc1=7.7時(shí)，在t1=8.1時(shí)出現(xiàn)第一峰值，為1.15；在t2=23.8時(shí)出現(xiàn)第二峰值，為0.89，曲線穩(wěn)定值為0.86，可計(jì)算出衰減度為（1.1

10、5-0.86）：（0.89-0.86）=10：1。因此，當(dāng)Kc1=7.7時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)10：1衰減振蕩，且Ts=t2-t1=23.8-8.1=15.7,根據(jù)表2可知，積分時(shí)間常數(shù)Ti=2Ts=31.4。圖6 串級(jí)系統(tǒng)10：1衰減振蕩曲線將Kc1的值設(shè)置為7.7，1/Ti的值設(shè)置為1/31.4=0.032，將積分器的輸出連線連上，如圖7所示，運(yùn)行仿真后，得到如圖8所示的結(jié)果，它即為PI控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。根據(jù)結(jié)果可知，參數(shù)整定后系統(tǒng)達(dá)到比較理想的效果。圖7系統(tǒng)Simulink模型（積分輸出線連上時(shí)） 圖8 系統(tǒng)PI參數(shù)整定后的單位階躍響應(yīng)曲線綜上可知，主、副控制器參數(shù)整定結(jié)果為：Kc1=7.

11、7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1。5、單回路系統(tǒng)和串級(jí)系統(tǒng)仿真輸出響應(yīng)曲線對(duì)比圖9 單回路控制系統(tǒng)Simulink模型圖10 單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線圖8與圖10即分別為串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線6、串級(jí)控制系統(tǒng)性能分析圖8與圖10比較可知，串級(jí)系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時(shí)間，減小了對(duì)象時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)。串級(jí)系統(tǒng)輸出曲線的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，使系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線對(duì)比可知，串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性

12、能、動(dòng)態(tài)性能、工作頻率及自適應(yīng)能力都得到明顯改善。其性能可歸納為： 1、可以顯著提高系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的抑制能力，甚至是二次干擾在對(duì)主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時(shí)就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加快，對(duì)一次擾動(dòng)的抑制能力也得到提高。 2、提高了系統(tǒng)的工作頻率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可以更窄，從而提高了系統(tǒng)工作頻率。3、提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象的特性，減少了時(shí)間常數(shù)和相位滯后，使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善。4、對(duì)負(fù)荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，其特性

13、變化對(duì)系統(tǒng)的影響顯著地削弱。但串級(jí)控制系統(tǒng)也存在一些不足：只有當(dāng)中間變量能夠檢測(cè)出來(lái)時(shí)，才可能采用串級(jí)控制系統(tǒng)，但許多過(guò)程在結(jié)構(gòu)上是不容易以這種方式加以分割的；串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀表，串級(jí)控制系統(tǒng)的投放和整定也比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜些。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果是單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問(wèn)題，就不一定非要采用串級(jí)控制系統(tǒng)方案，一般當(dāng)單回路控制方案質(zhì)量達(dá)不到實(shí)際要求時(shí)，才考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。四、設(shè)計(jì)總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)-加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用到了過(guò)程控制系統(tǒng)很多方面的知識(shí)，包括串級(jí)控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級(jí)控制系統(tǒng)整定方法，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定，串級(jí)控制

14、系統(tǒng)的性能分析等。剛開始設(shè)計(jì)時(shí)，在主、副控制器選擇上，考慮到主被控變量是加熱爐溫度，允許波動(dòng)的范圍很小，要求無(wú)余差，主控制器選了PI控制。副控制器直接采用了P控制，考慮到如果引入積分控制可能反而會(huì)降低副回路的快速性，降低控制效果。在串級(jí)系統(tǒng)整定時(shí)，開始準(zhǔn)備用逐步逼近法，以為這種方法可以將系統(tǒng)調(diào)試到接近最優(yōu)狀態(tài)，但經(jīng)過(guò)實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)這種方法很繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，就考慮使用實(shí)踐中常用的一步整定法，操作后感覺不僅操作簡(jiǎn)便，而且也可以達(dá)到滿意效果，很適合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在PID參數(shù)整定時(shí)，也是用到了比較常用的衰減曲線法。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)過(guò)程控制理論知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中有了比較深刻的認(rèn)識(shí)，提高了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，也檢查了自己存在的不足之處。本次設(shè)計(jì)雖然設(shè)計(jì)思路大