過(guò)控課程設(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)

1、二一二 二一三 學(xué)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(shū)課程名稱(chēng)： 過(guò)程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 班 級(jí)： 自動(dòng)化2009級(jí)（2）班 學(xué) 號(hào)： 200904134055 姓 名： 陳 金 龍 指導(dǎo)教師： 章政 二一二 年 十二 月加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目圖所示為某工業(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，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。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)到控制出口溫度的目的。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，

2、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)加熱爐出口溫度的要求。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。設(shè)計(jì)要求1、繪制加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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、假設(shè)主對(duì)象的傳遞函數(shù)為，其中,副對(duì)象的傳遞函數(shù)為，主、副控制器的傳遞函數(shù)分別為，,，請(qǐng)確定主、副控制器的參數(shù)（要求寫(xiě)出詳細(xì)的參數(shù)估算過(guò)程）。4、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。5、根據(jù)兩種系統(tǒng)仿

3、真結(jié)果分析串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)方案溫度控制器控制閥爐膛爐膛壁溫度檢測(cè)、變送儀表加熱爐出口一、 加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2 加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、 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，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。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)到控制出口溫度的目的。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)加熱爐出口溫度的要求。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，以加熱爐出口溫度為主變量，選擇滯

4、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)有效地提高控制質(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。 圖3 加熱爐出口溫度串級(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，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。由加熱爐出口溫度串級(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。主控制器副控制器調(diào)節(jié)閥爐膛出口主檢測(cè)、變送儀表副檢測(cè)、變送儀表爐膛壁 圖4 加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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主要指標(biāo)（溫度），允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求

5、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)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(jiàn)，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)

6、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

7、大致確定副控制器的增益Kc2及比例帶。表1 常見(jiàn)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）。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=55（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

8、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(chēng)為10：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱(chēng)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 TiTd0.75 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(kāi)，Kc1的值從大到小進(jìn)行

9、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（1.15-0.86）：（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(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=0.03

10、2，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=7.7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1。四、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)輸出曲線五、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

11、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

12、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)。設(shè)計(jì)心得此次課程設(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)