過程控制課程設(shè)計報告燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

..-.jz*"過程控制"課程設(shè)計題目:燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)班級：學(xué)號：XX：同組人員：任課教師：X虹完成時間：2013年10月30日目錄設(shè)計任務(wù)及要求----------------------------------------------------------------------3被控對數(shù)學(xué)模型建模及對象特性分析------------------------------------------32.1對象數(shù)學(xué)模型的計算及仿真驗證--------------------------------------------32.2對象特性分析--------------------------------------------------------------------5控制系統(tǒng)設(shè)計-------------------------------------------------------------------------53.1根本控制方案--------------------------------------------------------------------53.2控制儀表選型--------------------------------------------------------------------93.3參數(shù)整定計算-------------------------------------------------------------------103.4控制系統(tǒng)MATLAB仿真-----------------------------------------------------103.5仿真結(jié)果分析-------------------------------------------------------------------11四、設(shè)計總結(jié)------------------------------------------------------------------------------12設(shè)計任務(wù)及要求在模殼澆鑄、焙燒時常用燃油爐，燒制過程中需要對溫度加以控制，對一個燃油爐裝置進展如下實驗，在溫度控制穩(wěn)定到500℃時，在開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入燃油流量增加大約，即，持續(xù)后完畢，等間隔記錄爐內(nèi)溫度變化數(shù)據(jù)如下表，試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超調(diào)量的無差溫度控制系統(tǒng)。t(點)012345678910℃00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t(點)1112131415161718192021(℃)0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00具體設(shè)計要求如下:根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的模型；根據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計符合要求的控制系統(tǒng)〔給出帶控制點的控制流程圖，控制系統(tǒng)原理圖等，選擇控制規(guī)律〕；畫出控制系統(tǒng)SAMA圖；根據(jù)設(shè)計方案選擇相應(yīng)的控制儀表〔DDZ-Ⅲ〕，繪制原理接線圖；對設(shè)計系統(tǒng)進展仿真設(shè)計，首先按對象特性法求出整定參數(shù)，然后按4:1衰減曲線法整定運行參數(shù)。★用MCGS進展組態(tài)設(shè)計。二、被控對數(shù)學(xué)模型建模及對象特性分析2.1對象數(shù)學(xué)模型的計算及仿真驗證根據(jù)矩形脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，并進展相應(yīng)的歸一化處理，得：表2t(s)01002003004005006007008009001000℃00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.015.677.188.359.3410.1510.8111.35y*00．0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)11001200130014001500160017001800190020002100℃0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.8840．9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991那么y〔∞〕=13.34K=y〔∞〕/Δu=0.5336(℃/％)Matlab畫出圖像：程序如下：clear;t=0:100:2100;yi=[00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.540.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00];ys=[00.51.944.015.697.188.359.3410.1510.8111.3511.812.1912.5212.791313.1513.2413.313.3313.3413.34];ym=[00.0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.8510.8840.9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.99911]plot(t,yi);%畫出脈沖響應(yīng)曲線holdon;plot(t,ys);%畫出單位階躍響應(yīng)曲線holdon;gridon;figure;plot(t,ym);%畫出歸一化階躍響應(yīng)輸出曲線gridon;脈沖響應(yīng)及階躍響應(yīng)輸出曲線歸一化輸出曲線從圖中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得：t1=382s,t2=882s因為t1/t2=0.433<0.46,所以選用2階傳函。又因為：，。求得T1=166s，T2=419s得到對象傳遞函數(shù)為：QUOTE對象仿真圖如下：2.2對象特性分析為二階自衡對象，沒有純延遲環(huán)節(jié)。自衡率=1.88，響應(yīng)速度==0.0021，三、控制系統(tǒng)設(shè)計3.1根本控制方案從設(shè)計的簡約性和實用性考慮，首先考慮單回路的控制方法，由于對象的容量較大，而爐內(nèi)溫度的測量較難，所以單回路的控制方法難以得到較好的效果，所以經(jīng)過仔細比擬，最終決定采用雖然復(fù)雜一些，但是控制效果更好的串級控制方法。為了更好的反響串級方式相對于單回路的優(yōu)點，小組決定用兩種控制方法都試驗一下，用事實說話。首先采用單回路控制方法，考慮到系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性的要求，選用PID控制規(guī)律。單回路系統(tǒng)控制原理圖如下:根據(jù)對象特性整定參數(shù)〔采用齊勒格-尼克爾整定方法〕變送器增益：QUOTE調(diào)節(jié)閥增益：得廣義對象傳函：QUOTE根據(jù)廣義對象畫出輸出曲線見圖5，程序：clc;K0=0.16;num=K0;den=conv([419,1],[166,1]);G0=tf(num,den);step(G0);k=dcgain(G0);讀圖可知：τ=60,T=700最終整定參數(shù)如下：δ=0.85ετ=0.112;kc=QUOTE；Ti=2τ=120;Td=0.5τ=30;參數(shù)帶入PID控制器之后震蕩劇烈，穩(wěn)定性差，所以kc減小，適當(dāng)增加Td，經(jīng)過屢次調(diào)節(jié)之后取kc=3，Ti=120，Td=200；SIMULINK仿真圖(帶擾動)如下:很明顯，調(diào)節(jié)速度慢，而且超調(diào)過大，所以舍棄這種方法。〔2〕串級控制方式：1.擾動分析：燃料：壓力、流量、成分和熱值等原料：進料量、進料溫度假設(shè)爐內(nèi)溫度作為副被調(diào)量，擁有客服克燃料油影響，如溫度、成分等，其所屬擾動包含了較多擾動，即可能多的擾動可進入副回路。串級控制系統(tǒng)中，由于引進了副回路，不僅能迅速克制作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克制主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、初調(diào)、快調(diào)的特點；主回路具有后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)的特點，對副回路沒有完全克制干擾的影響能徹底加以消除。2.在串級控制系統(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)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的根本出發(fā)點。在燃油爐溫度串級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，選擇爐壁溫度為副調(diào)參數(shù)。由于原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)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，主回路選擇PID調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律，而副回路由于考慮穩(wěn)定性的原因，考慮用P控制規(guī)律。3.調(diào)節(jié)閥：從平安考慮，選氣開，Kv為正副對象：調(diào)節(jié)閥開，爐膛溫度升高，Kp2為正副調(diào)節(jié)器：Kc2為正，即反作用調(diào)節(jié)器主對象：爐溫升高，出口溫度升高，Kp1為正主調(diào)節(jié)器：Kc1為正，即反作用調(diào)節(jié)器Kc2為正，切主調(diào)時主調(diào)不改變作用方式4.控制流程圖控制系統(tǒng)原理圖：控制系統(tǒng)SAMA圖：控制儀表選型1.溫度變送器變送器選用DDZ-Ⅲ控制儀表。在主回路的對象為原料油出口溫度，約為500度，故所設(shè)計的的X圍為420度到750度。副對象為爐膛溫度比擬高，故所選的變化的X圍600度到1000。主回路的變送器傳函：QUOTE副回路的變送器傳函:QUOTE根據(jù)設(shè)計要求變送器檢測溫度X圍較大，選擇NHR-M32智能溫度變送器，測量X圍為0—1300?？刂破饕缶哂蠵ID調(diào)節(jié)功能，選擇HR-WP模糊PID自整定調(diào)節(jié)器原理接線圖閥門的選擇由于燃油具有較強的腐蝕性，里面的殘渣比擬多，而且由于平安性的要求，所以，經(jīng)過比擬最終決定選擇氣動蝶閥，最大流量大于4.8t每小時。3.3參數(shù)整定由上面討論可知主回路選用PID控制，副回路選用P控制，所以參數(shù)整定如下：1.副回路參數(shù)整定調(diào)節(jié)副環(huán)。將主調(diào)節(jié)器設(shè)為1，和設(shè)為0，副調(diào)器設(shè)為1逐步調(diào)節(jié)副回路的kc。.此時經(jīng)過微小調(diào)整得到副回路P控制器=6.2、主回路整定：將副調(diào)節(jié)器=6，主回路參加PID，逐步調(diào)節(jié)、、的值，使輸出符合要求，記下此時的QUOTESimulink仿真圖(帶擾動)如下:將兩者比擬如下：分析:經(jīng)過改良，串級控制系統(tǒng)的超調(diào)量只有約為3%，符合控制要求，并且調(diào)節(jié)時間也有很大程度上改善，通過與單回路PID控制比照可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)特有很大改善。擾動分析：從圖中可以看出，在2500s時分別參加幅值為2的干擾信號，串級控制對擾動有很強的抗干擾能力。相比擬上圖的單回路抗擾動輸出，又可以看出的串級控制的優(yōu)越性。3.5仿真結(jié)果分析通過仿真結(jié)果可以看到，串級控制系統(tǒng)可以跟好的實現(xiàn)工程要求，有效克制擾動，很好的實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對二次擾動有很強的克制能力；提高了對一次擾動的克制能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。綜上所述，本設(shè)計選擇串級控制系統(tǒng)。四：設(shè)計總結(jié)此次課程設(shè)計--- 加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)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，串級控制系統(tǒng)的性能分析等。

剛開場設(shè)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X圍很小，要求無余差，主控制器