課程設(shè)計--加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)(設(shè)計部分)

1、<p>　　加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘 要：生產(chǎn)自動控制過程中 ,隨著工藝要求 ,安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)不斷提高的情況下 ,簡單、常規(guī)的控制已不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)很難使系統(tǒng)完全抗干擾。串級控制系統(tǒng)具備較好的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量，因此在復(fù)雜的過程控制工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用．對串級控制系統(tǒng)的特點和主副回路設(shè)計進(jìn)行了詳述，設(shè)計了加熱爐串級控制系統(tǒng)，并將基于

2、MATLAB的增量式PID算法應(yīng)用在控制系統(tǒng)中．結(jié)合基于計算機(jī)控制的PID參數(shù)整定方法實現(xiàn)串級控制，控制結(jié)果表明系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性．</p><p>　　關(guān)鍵詞： 串級控制 干擾 主回路 副回路</p><p>　　Abstract: Automatic control of production process, with the technical requireme

3、nts, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern production. The traditional single-loop control system is difficult to make the system completely anti-interference. C

4、ascade control system with good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade control system of the </p><p&g

5、t;　　Keywords: Cascade control, interference, the main circuit, the Deputy loop</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.前言1</b></p><p>　　2、整體方案設(shè)計2</p>&l

6、t;p><b>　　2.1方案比較2</b></p><p><b>　　2.2方案論證4</b></p><p><b>　　2.3方案選擇4</b></p><p>　　3、串級控制系統(tǒng)的特點5</p><p>　　4. 溫度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計6</

7、p><p>　　4.1控制對象的特性6</p><p>　　4.2主回路的設(shè)計7</p><p>　　4.3副回路的選擇7</p><p>　　4.4主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇7</p><p>　　4.5主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定7</p><p>　　5、控制器參數(shù)的工程整定9<

8、;/p><p>　　6 、MATLAB系統(tǒng)仿真9</p><p>　　6.1系統(tǒng)仿真圖10</p><p>　　6.2副回路的整定10</p><p>　　6.3主回路的整定11</p><p><b>　　7.設(shè)計總結(jié)13</b></p><p><b>

9、　　【參考文獻(xiàn)】14</b></p><p><b>　　1.前言</b></p><p>　　加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一。它的任務(wù)是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行。因此加熱爐的溫度控制起著舉足輕重的作用，直接關(guān)系到產(chǎn)量、能源、污染、工人的勞動強(qiáng)度等等。目前而言，國內(nèi)加熱爐控制多數(shù)仍舊采用老式的人工控制。需操作人員完全手動控

10、制燃料、原料閥的開度，進(jìn)行燒爐。這樣一來，流量控制的精度將極差，操作的及時性也將大大降低。同時，由于大多數(shù)加熱爐的燃料是利用高爐煤氣，而高爐煤氣是多用戶煤氣管網(wǎng)，煤氣壓力波動極大，煤氣流量也將嚴(yán)重不穩(wěn)定，對人工操作難度也進(jìn)一步加大。為此我們設(shè)計一套以串級控制為基礎(chǔ)的加熱爐串級控制系統(tǒng)，這對提高工業(yè)產(chǎn)能具有相當(dāng)積極的意義。</p><p><b>　　2、整體方案設(shè)計</b></p>

11、;<p>　　本設(shè)計的整體思路是：利用對燃料量的控制最終來實現(xiàn)對原油溫度的控制。該控制分為主回路控制與副回路控制兩部分。在原油出口處設(shè)置主回路溫度傳送器，由其帶動主回路溫度控制器從而進(jìn)行對燃料閥的流量控制，此控制為主回路被控參數(shù)控制。在爐膛設(shè)置主回路溫度傳送器，由其帶動主回路溫度控制器進(jìn)行對干擾的消除。這樣，便構(gòu)成了以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，以爐膛溫度為輔助被控參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。</p><p&

12、gt;<b>　　2.1方案比較</b></p><p>　　方案一、簡單控制系統(tǒng)</p><p>　　溫度調(diào)節(jié)器 是根據(jù)原料油的出口溫度 與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制。當(dāng)燃料部分出現(xiàn)干擾后，控制系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用，克服干擾對被控參數(shù) 的影響控制質(zhì)量差。當(dāng)生產(chǎn)工藝對原料油出口溫度 要求很嚴(yán)格時，簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求</p><p>　　被

13、控變量：原料出口溫度；</p><p>　　操縱變量：燃料流量。</p><p>　　當(dāng)對出口溫度控制要求不高時，簡單控制系統(tǒng)可以滿足要求。</p><p>　　圖2.1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.2 加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　方案二、串級控制系統(tǒng) </p>

14、<p>　　串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。</p><p>　　中間被控變量：爐膛溫度；</p><p>　　操縱變量：燃料流量。</p><p>　　爐膛溫度變化時，TSC可以及時動作，克服干擾。</p><p>　　圖2.3 加熱爐溫度串級

15、控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.4 加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.2方案論證</b></p><p>　　方案一：簡單控制系統(tǒng)有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進(jìn)而改變?nèi)剂狭髁浚跔t膛中燃燒后，爐膛溫度改變，傳給，最終改變原料溫度。該過程時間常數(shù)大，可達(dá)到15min。因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量

16、，制不及時，偏差在較長時間內(nèi)不能被消除。</p><p>　　方案二：串級控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，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)、粗調(diào)、快調(diào)的特點：主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點，對副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合、相互補(bǔ)充，使控制質(zhì)量顯著提高。</p><p><b>　　2.3方案選擇<

17、;/b></p><p>　　由于加熱爐的溫度對于保證產(chǎn)品的指標(biāo)是非常重要的.控制效果好,即能保證產(chǎn)品質(zhì)量又能提高產(chǎn)量。某些加熱爐爐出口溫度控制非常困難,波動幅度大.控制不理想的原因在于被控對象十分復(fù)雜:</p><p>　　1、原料油的流量變化照成溫度波動很大;</p><p>　　2、處理量頻繁提降也造成出口溫度的波動;</p><p&

18、gt;　　3、油品不斷切換也使?fàn)t口的溫度產(chǎn)生較大的波動;</p><p>　　4、加熱爐的溫度存在較大的時滯.</p><p>　　可以看出, 加熱爐系統(tǒng)是一個時變,大時滯,多干擾的復(fù)雜系統(tǒng)。從加熱爐工作特性可以看出,燃料量的多少是加熱爐溫度變化的決定因素。但其變化過程是:燃料量的變化首先引起爐膛溫度的變化,由于爐膛溫度產(chǎn)生變化,進(jìn)而引起爐出口溫度的改變.由此可見,對爐出口溫度的控制采用爐

19、膛溫度與爐出口溫度進(jìn)行串級控制的控制方案是合理而且可行的,這種方案也有助于對一系列干擾的克服。</p><p>　　3、串級控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路，主、副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作；住調(diào)節(jié)器輸出作副負(fù)調(diào)節(jié)器設(shè)定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對參數(shù)的定值控制。串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)，通過

20、協(xié)調(diào)工作使主參數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制在工藝規(guī)定范圍之內(nèi)。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，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)、粗調(diào)、快調(diào)的特點：主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點，對副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合、相互補(bǔ)充，使控制質(zhì)量顯著提高。</p><p>　　4.串級控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計<

21、/p><p>　　4.1控制對象的特性</p><p>　　假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分別為：</p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= </b></p><p&g

22、t;　　將副回路反饋信號相加點由副調(diào)劑器前向后移至副對象之前，經(jīng)簡化，可得出其等效副對象為：</p><p><b>　　= =</b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　因： = < </b></p><p><b>　　=

23、 < </b></p><p>　　因此，在此控制系統(tǒng)中，等效副對象的時間常數(shù)和放大倍數(shù)都縮小了，而且隨著副控放大倍數(shù)Kc2整定得越大，等效副對象的放大倍數(shù)和時間常數(shù)縮小得越顯著。這相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個起超前作用的微分環(huán)節(jié)，這會使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，控制更為及時，有利于提高控制品質(zhì)和系統(tǒng)可控性。</p><p><b>　　4.2主回路的設(shè)計</b&g

24、t;</p><p>　　加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)是以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。其它被控參數(shù)有爐膛溫度，膛壁溫度，燃料流量，原料油流量。溫度調(diào)節(jié)器對被控參數(shù)θ1（t）精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對來自燃料干擾 、的及時控制相結(jié)合，先根據(jù)爐膛溫度θ2（t）的變化，改變?nèi)剂狭?，快速消除來自燃料的干擾 、對爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度θ1（t）與設(shè)定值的偏差，改變爐膛溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃料量

25、，使原料油出口溫度恒定，達(dá)到溫度控制的目的。</p><p><b>　　4.3副回路的選擇</b></p><p>　　副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。燃料由于其成分和流量變化，對控制過程產(chǎn)生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)爐膛溫度θ2（t）能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度θ1（t），提高了主參數(shù)的控

26、制效果。</p><p>　　4.4主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇 </p><p>　　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)律的基本出發(fā)點。</p><p>　　在加熱爐溫度串級控制中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格，又因為加熱爐串級控制系統(tǒng)有較大容量

27、滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。</p><p>　　控制副參數(shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，所以我們的副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P控制。</p><p>　　4.5主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 </p><p>　　一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。串級控制系統(tǒng)有兩個回

28、路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負(fù)反饋。</p><p>　　副調(diào)節(jié)器作用方式的確定： </p><p>　　出于生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 >0 。然后確定副被控過程的 ，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 >0 。最后確定副

29、調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器大于0 ，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。</p><p>　　主調(diào)節(jié)器作用方式的確定： </p><p>　　爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 > 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K 1> 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。</p>&

30、lt;p>　　例如圖2.3所示加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)示意圖，從加熱爐安全角度考慮，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開閥，即如果調(diào)節(jié)閥的控制信號中斷，閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，控制信號上升，閥門開度增大，流量增加，是正作用方式。反之，為負(fù)作用方式。副對象的輸入信號是燃料流量，輸出信號是閥后燃料壓力，流量上升，壓力亦增加是正作用方式。測量變送單元作用方式均為正。 </p><p>　　5、控制器參數(shù)的工程整定</p>&

31、lt;p>　　串級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法主要有三種。兩步整定法、逐步逼近法和一步整定法。</p><p>　　1、按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做兩步整定法。</p><p>　　2、一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先將副控制器一次放好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。</p><p&

32、gt;　　3、逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。</p><p>　　我們是用兩步整定法來整定串級控制系統(tǒng)的參數(shù)。</p><p>　　6 、MATLAB系統(tǒng)仿真</p><p>　　已知副對象傳遞函數(shù)為 主對象的傳遞函數(shù)為 我們采用臨界比例度法來整定控制器參數(shù)。臨界比例度法又稱穩(wěn)定邊界條

33、件法，它是先讓控制器在純比例作用下，通過現(xiàn)場試驗找到等幅振蕩的過渡過程，記下此時的比例度和等幅振蕩周期，再通過簡單的計算，求出衰減振蕩時控制器的參數(shù)。</p><p><b>　　6.1系統(tǒng)仿真圖</b></p><p>　　圖6.1 系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　此時P為10.4，I為0.1，D為1.26，此時的波形如圖6.2</p

34、><p>　　圖6.2 系統(tǒng)仿真波形</p><p>　　對設(shè)定值施加干擾信號：</p><p>　　圖6.3施加干擾時的波形</p><p>　　串級控制系統(tǒng)對干擾串級控制系統(tǒng)的副回路的存在，能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，從而極大的減小副回路干擾對住被控參數(shù)的影響；副回路的存在提高了系統(tǒng)住調(diào)節(jié)器對進(jìn)入主回路干擾控制的快速性；由于副回路的存在，總

35、放大系數(shù)提高了，抗干擾能力和控制性能都比單回路控制系統(tǒng)有明顯提高。</p><p><b>　　6.2副回路的整定</b></p><p>　　將主環(huán)路斷開，副環(huán)路為比例作用的條件下，由大到小逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例度。</p><p>　　圖6.4 副回路整定仿真圖</p><p><b>　　副回路參數(shù)設(shè)定：

36、</b></p><p>　　圖6.5 副回路參數(shù)</p><p>　　先對副回路進(jìn)行整定，按要求，此時控制器為純比例作用，在Simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)模型。</p><p>　　圖6.6 副回路仿真波形</p><p>　　當(dāng)P值為9時，衰減比基本可達(dá)到4：1，此時比例度為9，振蕩周期為8.8。</p><

37、;p><b>　　6.3主回路的整定</b></p><p>　　連接好主回路，保持副回路的比例度不變，逐步降低主回路的比例度P1。</p><p>　　圖6.7 主回路整定仿真圖</p><p>　　用臨界比例度法對主回路進(jìn)行整定，其純比例條件下的系統(tǒng)圖</p><p><b>　　主回路參數(shù)設(shè)定：&l

38、t;/b></p><p>　　圖6.8 主回路參數(shù)</p><p>　　圖6.9 主回路仿真波形</p><p>　　衰減比為4：1時的P值為13，此時比例度為13，振蕩周期為14.1。</p><p><b>　　7.設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　通過本設(shè)計，我對自動控制系統(tǒng)在工

39、業(yè)中的運用有了深入的認(rèn)識，對自動控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識。</p><p>　　在設(shè)計過程中，從方案設(shè)計到方案確定，都經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎?，主、副回路的設(shè)計，主、副調(diào)節(jié)器的正反調(diào)節(jié)作用的確定，被控參數(shù)和控制參數(shù)的選擇，再用MATLAB仿真、調(diào)試，使自己設(shè)計的 系統(tǒng)能夠正常運行，并且得到正確的結(jié)果。在設(shè)計中，遇到了許多困難，但是，在同組成員及老師的團(tuán)結(jié)努力下，完成這個課程設(shè)計。</p>

40、<p>　　通過這次設(shè)計，我學(xué)到了控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，拓展了知識面，了解了工業(yè)工程中，控制系統(tǒng)起到的巨大作用。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　[1] 鄒伯敏．自動控制理論．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2005</p><p>　　[2] 李宜達(dá)．控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真．北京：清華大學(xué)出版社．2004

41、</p><p>　　[3] 施仁．過程控制系統(tǒng)與裝置．北京機(jī)械工業(yè)出版社．2003</p><p>　　[4] 王兆安，等.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[5] 張廣溢，等.電機(jī)學(xué)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.</p><p>　　[6] 王軍.自動控制原理[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，