加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、控制系統(tǒng)課程設計 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)： 自動化姓 名： 學 號： 指導教師：2011 年1 月7 日成績評定·一、指導教師評語（根據(jù)學生設計報告質(zhì)量、答辯情況及其平時表現(xiàn)綜合評定）。二、評分（按下表要求評定）評分項目設計報告評分答辯評分平時表現(xiàn)評分合 計 （100分）任務完成情 況（20分）課程設計報告質(zhì)量（40分）表達情況（10分）回答問題情 況（10分）工作態(tài)度與紀律（10分）獨立工作能力（10分）得分課程設計成績評定班級 姓名 學號成績： 分（折合等級 ）指導教師簽字 年 月 日一、設計目的：在課程設計過程中，可使學生初步體驗過程控制系統(tǒng)的設

2、計過程、設計要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設計方法，了解必須提交的各項工程文件，也達到鞏固、充實和綜合運用所學知識解決實際問題的目的。同時也使學生加深理解所學的理解知識，提供運用所學知識的能力，按照給定的設計資料和設計要求，使學生掌握電氣控制系統(tǒng)設計的基本技能，增強獨立分析與解決問題的能力。二、設計要求：1、繪制加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結構框圖。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，構成爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)，要求繪制該串級控制系統(tǒng)結構圖。3、利用simulink實現(xiàn)單回路系統(tǒng)仿真和串級系統(tǒng)仿真，分別給出系統(tǒng)輸出響應曲線。4、根據(jù)兩種系統(tǒng)仿真結果分析串級控制系

3、統(tǒng)的優(yōu)缺點三、總體設計：1、加熱溫度控制系統(tǒng)總體結構圖圖所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐，其任務是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進行加工。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(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達到控制溫度的目的。圖1 加熱爐溫度系統(tǒng) 但是，由于加熱爐時間常數(shù)大，而且擾動的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運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)結構框圖圖2 加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結構框圖3

4、、串級控制系統(tǒng)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(diào)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求。為了提高控制質(zhì)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(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。 圖3 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結構圖串級控制系統(tǒng)的工作過程，就是指在擾動作用下，引起主、副變量偏離設定值

5、，由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動，使系統(tǒng)恢復到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。由加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結構圖可繪制出其結構方框圖，如圖4所示。圖4 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結構方框圖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（溫度），允許波動的范圍很小，一般要求無余差，主控制器應選PI控制規(guī)律。副被控變量的設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。在工程實踐中，串級控制系統(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。逐步逼近法費時

6、費力，在實際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次4：1衰減曲線法的實測。對兩步整定法進行簡化，在總結實踐經(jīng)驗的基礎上提出了一步整定法。為了簡便起見，本設計采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(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這一關系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗選取，并將其設置在副調(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間常數(shù)TI，即可得到改善。對于該溫度串級控制系統(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 常見對象的副控制器比例帶的經(jīng)驗法副控制器對象 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)本設計，適當選取Kc2=3.5（整定時可以根據(jù)具體情況再做適當調(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（學號最后三位）帶入可計算出主對象的傳遞函數(shù)。衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程，直至10：1衰減過程為止。這時的比例度稱為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，運用表2所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調(diào)節(jié)器預整定的參數(shù)值。 表2 衰減曲線法整定計算公式 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的值從大到小進行試驗，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 串級系統(tǒng)Simulink模型（未連積分輸出線時）當Kc1=7.7時，在t1=8.1時出現(xiàn)第一峰值，為1.15；在t2=23.8時出現(xiàn)第二峰值，為0.89，曲線穩(wěn)定值為0.86，可計算出衰減度為（1.1

10、5-0.86）：（0.89-0.86）=10：1。因此，當Kc1=7.7時，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，積分時間常數(shù)Ti=2Ts=31.4。圖6 串級系統(tǒng)10：1衰減振蕩曲線將Kc1的值設置為7.7，1/Ti的值設置為1/31.4=0.032，將積分器的輸出連線連上，如圖7所示，運行仿真后，得到如圖8所示的結果，它即為PI控制時系統(tǒng)的單位階躍響應。根據(jù)結果可知，參數(shù)整定后系統(tǒng)達到比較理想的效果。圖7系統(tǒng)Simulink模型（積分輸出線連上時） 圖8 系統(tǒng)PI參數(shù)整定后的單位階躍響應曲線綜上可知，主、副控制器參數(shù)整定結果為：Kc1=7.

11、7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1。5、單回路系統(tǒng)和串級系統(tǒng)仿真輸出響應曲線對比圖9 單回路控制系統(tǒng)Simulink模型圖10 單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線圖8與圖10即分別為串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線6、串級控制系統(tǒng)性能分析圖8與圖10比較可知，串級系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時間，減小了對象時間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強。串級系統(tǒng)輸出曲線的調(diào)節(jié)時間縮短，使系統(tǒng)更早進入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線對比可知，串級控制系統(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、動態(tài)性能、工作頻率及自適應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)對二次擾動的抑制能力，甚至是二次干擾在對主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加快，對一次擾動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)的副對象的特性，減少了時間常數(shù)和相位滯后，使得整個系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。4、對負荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應能力。包括控制閥在內(nèi)的副對象在操作條件和負荷變化時，其特性

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

14、系統(tǒng)的性能分析等。剛開始設計時，在主、副控制器選擇上，考慮到主被控變量是加熱爐溫度，允許波動的范圍很小，要求無余差，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降低副回路的快速性，降低控制效果。在串級系統(tǒng)整定時，開始準備用逐步逼近法，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)過實際操作，發(fā)現(xiàn)這種方法很繁瑣，費時費力，就考慮使用實踐中常用的一步整定法，操作后感覺不僅操作簡便，而且也可以達到滿意效果，很適合本次系統(tǒng)設計。在PID參數(shù)整定時，也是用到了比較常用的衰減曲線法。通過此次課程設計，讓我對過程控制理論知識在實際應用中有了比較深刻的認識，提高了理論知識的學習，也檢查了自己存在的不足之處。本次設計雖然設計思路大