過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、過(guò)程控制課程設(shè)計(jì) 題 目: 燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng) 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名：同組人員： 任課教師： 張虹完成時(shí)間： 2013年10月30日目 錄 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求-3二、 被控對(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析-32.1對(duì)象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證-32.2對(duì)象特性分析-5三、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-53.1 基本控制方案-53.2 控制儀表選型-93.3 參數(shù)整定計(jì)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(jì)總結(jié)-12一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 在模殼澆鑄、焙燒時(shí)常用燃油爐，燒制過(guò)程中需要對(duì)溫度加以控制，對(duì)一個(gè)燃油爐裝置進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在溫度控制穩(wěn)定到500時(shí)，在開(kāi)

2、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)后結(jié)束，等間隔記錄爐內(nèi)溫度變化數(shù)據(jù)如下表，試根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)超調(diào)量的無(wú)差溫度控制系統(tǒng)。t(點(diǎn))01234567891000.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t (點(diǎn))1112131415161718192021()0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00具體設(shè)計(jì)要求如下:（1） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對(duì)象的模型；（2） 根據(jù)辨識(shí)結(jié)果設(shè)計(jì)符合要求的控制系統(tǒng)（給出帶控制點(diǎn)的控制流程圖，控制系統(tǒng)原理圖等，選擇控制規(guī)律）；畫(huà)出控制系統(tǒng)SAMA圖；（3

3、） 根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表（DDZ-），繪制原理接線圖；（4） 對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，首先按對(duì)象特性法求出整定參數(shù)，然后按4:1衰減曲線法整定運(yùn)行參數(shù)。（5） 用MCGS進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。二、被控對(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析2.1對(duì)象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)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(jìn)行相應(yīng)的歸一化處理，得： 表2t(s)0100200300400500600700800900100000.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.015.677.188.359.3410.1510.8111.35y*000370.14

4、50.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)110012001300140015001600170018001900200021000.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.88409140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991則y（）=13.34K= y（）/u=0.5336(/)Matlab畫(huà)出圖像： 程序如下：clear;t=0:100:

5、2100;yi=0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00;ys=0 0.5 1.94 4.01 5.69 7.18 8.35 9.34 10.15 10.81 11.35 11.8 12.19 12.52 12.79 13 13.15 13.24 13.3 13.33 13.34 13.34;ym=0 0.037 0.145 0.300 0.425 0.538 0.626 0.700 0.761 0.810 0.851 0.8

6、84 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.999 1 1plot(t,yi); %畫(huà)出脈沖響應(yīng)曲線hold on;plot(t,ys); %畫(huà)出單位階躍響應(yīng)曲線hold on;grid on;figure;plot(t,ym); %畫(huà)出歸一化階躍響應(yīng)輸出曲線grid on; 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?yàn)閠1/t2=0.433<0.46,所以選用2階傳函。又因?yàn)椋海?。求得T1=166s，T2=419s得到對(duì)象傳遞函數(shù)為：0.533441

7、9s+1(166s+1)對(duì)象仿真圖如下：2.2對(duì)象特性分析0.5334419s+1(166s+1)為二階自衡對(duì)象，沒(méi)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(jì)3.1 基本控制方案從設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)約性和實(shí)用性考慮，首先考慮單回路的控制方法，由于對(duì)象的容量較大，而爐內(nèi)溫度的測(cè)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(guò)仔細(xì)比較，最終決定采用雖然復(fù)雜一些，但是控制效果更好的串級(jí)控制方法。為了更好的反應(yīng)串級(jí)方式相對(duì)于單回路的優(yōu)點(diǎn)，小組決定用兩種控制方法都試驗(yàn)一下，用事實(shí)說(shuō)話。（1） 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

8、回路系統(tǒng)控制原理圖如下:根據(jù)對(duì)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：Gm=20-4750-420=0.048(mA/)調(diào)節(jié)閥增益： 得廣義對(duì)象傳函：0.16419s+1166s+1根據(jù)廣義對(duì)象畫(huà)出輸出曲線見(jiàn)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：=60,T=700最終整定參數(shù)如下：=0.85=0.112; kc=1=8.96；Ti=2=120;Td=0.5=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(guò)多

9、次調(diào)節(jié)之后取kc=3，Ti=120，Td=200；SIMULINK仿真圖(帶擾動(dòng))如下:很明顯，調(diào)節(jié)速度慢，而且超調(diào)過(guò)大，所以舍棄這種方法。（2）串級(jí)控制方式：1.擾動(dòng)分析：燃料：壓力、流量、成分和熱值等 原料：進(jìn)料量、進(jìn)料溫度 若爐內(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(dòng)包含了較多擾動(dòng)，即可能多的擾動(dòng)可進(jìn)入副回路。串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、初調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，對(duì)副回路沒(méi)有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。2.在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用

10、不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。 在燃油爐溫度串級(jí)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(yán)格，又因?yàn)榧訜釥t串級(jí)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：從安全考慮，選氣開(kāi)，Kv為正副對(duì)象：調(diào)節(jié)閥開(kāi)，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(duì)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(shí)主調(diào)不改變作用方式4

11、.控制流程圖控制系統(tǒng)原理圖：控制系統(tǒng)SAMA圖：3.2 控制儀表選型1.溫度變送器變送器選用DDZ-控制儀表。在主回路的對(duì)象為原料油出口溫度，約為500度，故所設(shè)計(jì)的的范圍為420度到750度。副對(duì)象為爐膛溫度比較高，故所選的變化的范圍600度到1000。主回路的變送器傳函：Gm1=20-4750-420=0.048 mA/%副回路的變送器傳函: Gm2=20-41000-600=0.04 mA/%根據(jù)設(shè)計(jì)要求變送器檢測(cè)溫度范圍較大，選擇NHR-M32智能溫度變送器，測(cè)量范圍為01300 ?？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2. 閥門(mén)的選擇由于燃油具

12、有較強(qiáng)的腐蝕性，里面的殘?jiān)容^多，而且由于安全性的要求，所以，經(jīng)過(guò)比較最終決定選擇氣動(dòng)蝶閥，最大流量大于4.8t每小時(shí)。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(shí)經(jīng)過(guò)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，主回路加入PID，逐步調(diào)節(jié)、的值，使輸出符合要求，記下此時(shí)的Kc1=6，Ti1=200，Td1=803.4 Simulink仿真圖(帶擾動(dòng))如下:將兩者比較如下：分析:經(jīng)過(guò)改進(jìn)，串級(jí)控制系統(tǒng)的超調(diào)量只有約為3%，符合控制要求，并

13、且調(diào)節(jié)時(shí)間也有很大程度上改善，通過(guò)與單回路PID控制對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特有很大改善。擾動(dòng)分析：從圖中可以看出，在2500s時(shí)分別加入幅值為2的干擾信號(hào)，串級(jí)控制對(duì)擾動(dòng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。相比較上圖的單回路抗擾動(dòng)輸出，又可以看出的串級(jí)控制的優(yōu)越性。3.5仿真結(jié)果分析通過(guò)仿真結(jié)果可以看到，串級(jí)控制系統(tǒng)可以跟好的實(shí)現(xiàn)工程要求，有效克服擾動(dòng)，很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； 對(duì)二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力；提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇串級(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)控制系統(tǒng)的性能分析等。 剛開(kāi)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PID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