加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二○○九～二○一○年第一學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程名稱：過程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)班級：自動化級（2）班學(xué)號：04134045姓名：張力指導(dǎo)教師：黃衛(wèi)華二○○九年十一月加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目圖１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。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐出口工藝所規(guī)定的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一種調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)成控制出口溫度的目的。被加熱物料圖1加熱爐出口溫度系統(tǒng)但是，由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，并且擾動的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐出口溫度的規(guī)定。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(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)規(guī)定。設(shè)計(jì)規(guī)定1、繪制加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)構(gòu)造框圖。2、以加熱爐出口溫度為主變量，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控制系統(tǒng)，規(guī)定繪制該串級控制系統(tǒng)構(gòu)造圖。G01(s)=1(5s+1)(Xs+1)，其中1(s+1)，主、副控制3、假設(shè)主對象的傳遞函數(shù)為X=10+0.1(學(xué)號后三位-8)0*,副對象的傳遞函數(shù)為G02(s)=Gc1(s)=Kc1(1+器的傳遞函數(shù)分別為1)TIs，Gc2(s)=Kc2，Gv(s)=Kv,Gm1(s)=Gm2(s)=1，請擬定主、副控制器的參數(shù)（規(guī)定寫出具體的參數(shù)估算過程）。第1頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力4、運(yùn)用simulink實(shí)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(yīng)曲線。5、根據(jù)兩種系統(tǒng)仿真成果分析串級控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)方案一、加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)構(gòu)造框圖圖2加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)構(gòu)造框圖二、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，加熱到爐出口工藝所規(guī)定的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一種調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)成控制出口溫度的目的。由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，并且擾動的因素多，例如原料側(cè)的擾動及負(fù)荷擾動；燃燒側(cè)的擾動等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐出口溫度的規(guī)定。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐出口溫度為主變量，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)的規(guī)定。圖3加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)構(gòu)造圖串級控制系統(tǒng)的工作過程，就是指在擾動作用下，引發(fā)主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。由加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)構(gòu)造圖可繪制出其構(gòu)造方框圖，如圖4第2頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力所示。圖4加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)構(gòu)造方框圖三、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重要指標(biāo)（溫度），允許波動的范疇很小，普通規(guī)定無余差，主控制器應(yīng)選PI控制規(guī)律。副被控變量的設(shè)立是為了確保主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反映速度，提高控制質(zhì)量，能夠允許在一定范疇內(nèi)變化，允許有余差，因此副控制器只要選P控制規(guī)律就能夠了。在工程實(shí)踐中，串級控制系統(tǒng)慣用的整定辦法有下列三種：逐步逼近法；兩步整定法；一步整定法。逐步逼近法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中極少使用。兩步整定法即使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(shí)測。對兩步整定法進(jìn)行簡化，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)先擬定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一種環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定辦法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定環(huán)節(jié)為：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的狀況下，根據(jù)K02/δ2＝0.5這一關(guān)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)δ2或按經(jīng)驗(yàn)選用，并將其設(shè)立在副調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定辦法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。（3）變化給定值，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，適宜調(diào)節(jié)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δ或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。對于該溫度串級控制系統(tǒng)，在一定范疇內(nèi)，主、副控制器的增益能夠互相匹配。根據(jù)表1，能夠大致擬定副控制器的增益Kc2及比例帶。第3頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力根據(jù)本設(shè)計(jì)，適宜選用Kc2=3.5（整定時(shí)能夠根據(jù)具體狀況再做適宜調(diào)節(jié)）。然后在副回路已經(jīng)閉合的狀況下按單回路控制器參數(shù)整定辦法整定主控制器，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)。普通地取Kv=1,將X=45（學(xué)號最后三位）帶入可計(jì)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(shè)立為純比例作用，然后把比例度由大逐步減小，加階躍擾動觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至10：1衰減過程為止。這時(shí)的比例度稱為10：1衰減比例度，用δS表達(dá)之。相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS。根據(jù)δS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。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)行實(shí)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串級系統(tǒng)Simulink模型（未連積分輸出線時(shí)）第4頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力當(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（1.15-0.86）：（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串級系統(tǒng)10：1衰減振蕩曲線將Kc1的值設(shè)立為7.7，1/Ti的值設(shè)立為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所示的成果，它即為PI控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。根據(jù)成果可知，參數(shù)整定后系統(tǒng)達(dá)成比較抱負(fù)的效果。第5頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力圖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)整定成果為：Kc1=7.7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1。第6頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力四、單回路系統(tǒng)和串級系統(tǒng)仿真輸出響應(yīng)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(yīng)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(yīng)輸出曲線五、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(shí)間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時(shí)間，減小了對象時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)。串級系統(tǒng)輸?shù)?頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-----張力出曲線的調(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。對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)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)的的抗干擾性能、動態(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、能夠明顯提高系統(tǒng)對二次擾動的克制能力，甚至是二次干擾在對主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時(shí)就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加緊，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加緊，對一次擾動的克制能力也得到提高。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能夠更窄，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，由于副回路明顯改善了涉及控制閥在內(nèi)的副對象的特性，減少了時(shí)間常數(shù)和相位滯后，使得整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。4、對負(fù)荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。涉及控制閥在內(nèi)的副對象在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，其特性變化對系統(tǒng)的影響明顯地削弱。但串級控制系統(tǒng)也存在某些局限性：只有當(dāng)中間變量能夠檢測出來時(shí)，才可能采用串級控制系統(tǒng)，但許多過程在構(gòu)造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(fù)雜些。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果是單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問題，就不一定非要采用串級控制系統(tǒng)方案，普通當(dāng)單回路控制方案質(zhì)量達(dá)不到實(shí)際規(guī)定時(shí)，才考慮采用串級控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)心得本次課程設(shè)計(jì)----加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用到了過程控制系統(tǒng)諸多方面的知識，涉及串級控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級控制系統(tǒng)整定辦法，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，允許波動的范疇很小，規(guī)定無余差，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減少副回路的快速性，減少控制效果。在串級系統(tǒng)整定時(shí)，開始準(zhǔn)備用逐步逼近法，覺得這種辦法能夠?qū)⑾到y(tǒng)調(diào)試到靠近最優(yōu)狀態(tài)，但通過實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)這種辦法很繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，就考慮使用實(shí)踐中慣用的一步整定法，操作后感覺不僅操作簡便，并且也能夠達(dá)成滿意效