過(guò)程控制課程設(shè)計(jì) (2)

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 研究背景 </p><p>　　管式加熱爐是煉油廠和石油化工廠的重要設(shè)備之一，，它利用燃料在爐膛內(nèi)燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫火焰與煙氣作為熱源，加熱在爐管中高速流動(dòng)的介質(zhì)，使其達(dá)到工藝規(guī)定的溫度，以供給介質(zhì)再進(jìn)行分餾、裂解或反應(yīng)等加工過(guò)程中所需要的熱量，保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。與其它加熱方式相比，管式加熱爐

2、的主要優(yōu)點(diǎn)是加熱溫度高(可達(dá)l 273 K)，傳熱能力大和便于操作管理。近年來(lái)，管式爐的發(fā)展很快，它已成為近代煉油和石油化工工業(yè)中必不可少的工藝設(shè)備之一。</p><p><b>　　1.2 課題重要性</b></p><p>　　在生產(chǎn)中，為延長(zhǎng)爐子的壽命，保證下一道工序精餾分離的質(zhì)量，控制爐出口溫度t的穩(wěn)定是十分重要的。而目前，在國(guó)內(nèi)仍有相當(dāng)部分工業(yè)企業(yè)所用的窯、

3、爐干生產(chǎn)線存在著控制精度不高，爐內(nèi)溫度均勻性差等問(wèn)題，達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)品的品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。其主要原因是溫度控制具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、控制滯后等特點(diǎn)，所以在實(shí)際的控制中，溫度的準(zhǔn)確性和精度很難控制。由此可以看出，準(zhǔn)確地測(cè)量和控制溫度，對(duì)于新材料的研究與生產(chǎn)、獲得正確的科研數(shù)據(jù)和保證產(chǎn)品質(zhì)量都是十分重要的。管式加熱爐工藝上要求爐出口溫度在±2℃內(nèi)波動(dòng)，而影響加熱爐出口溫度的干擾因素主要有

4、管式加熱爐的擾動(dòng)，包括被加熱流體的進(jìn)料量、進(jìn)料溫度、燃料壓力、燃料的熱值、霧化狀況、空氣量助燃風(fēng)量、煙道抽力等。同時(shí)，溫度控制的大滯后特點(diǎn)增加了控制的困難性。因此，研究管式加熱爐的溫度控制是十分重要的。</p><p>　　1.3 通?？刂撇呗?lt;/p><p>　　長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)溫度控制進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如性能成熟、應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)器、智能控制P

5、ID調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。通常，溫度控制的策略有經(jīng)典的PID控制，基于智能控制策略（專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制等）的PID控制，基于先進(jìn)控制的控制策略等。針對(duì)控制對(duì)象特點(diǎn)及PID控制的重要性，我們研究了被控對(duì)象的特性及PI、PID控制策略在加熱爐中的控制性能及其仿真驗(yàn)證。</p><p>　　關(guān)鍵詞 管式加熱爐 溫度 PID控制 串級(jí)控制 </p><

6、p>　　2 加熱爐控制對(duì)象分析</p><p>　　2.1加熱爐工作流程</p><p>　　圖2.1 加熱爐工作流程圖</p><p>　　燃料由管道進(jìn)入加熱爐中，通過(guò)電子設(shè)備打火，在爐底燃燒，加熱爐內(nèi)物料至指定溫度，在入口處設(shè)置閥門以控制燃?xì)饬髁?。待加熱物料由入口管道進(jìn)入加熱爐中，在爐中彎曲輻射受熱，加大了受熱面積，在出口處設(shè)置溫度傳感器，以檢測(cè)是否到達(dá)指

7、定溫度，如不符合指標(biāo)則進(jìn)行調(diào)節(jié)，加大或減小燃?xì)饬髁?，使出口物料穩(wěn)定在要求值。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定</b></p><p>　　1. 物料以恒定速度進(jìn)入管道，流速為20L/s，管道直徑為10cm，不考慮物料濃度變化、壓力變化等其他條件。</p><p>　　2. 物料在加熱爐內(nèi)的長(zhǎng)度為5m，假定物料受熱均勻，并在4s后

8、上升至指定溫度。</p><p>　　3. 假定燃?xì)饣旌蠞舛炔蛔?，物料溫度上升只受燃料流量影響?lt;/p><p>　　4. 不考慮環(huán)境溫度、燃料熱值等影響，主要考慮燃料流量的擾動(dòng)。</p><p>　　2.3問(wèn)題描述及模型建立</p><p>　　工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行汽化，其溫度的高低會(huì)直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)當(dāng)爐子溫

9、度過(guò)高時(shí)會(huì)使物料在加熱爐內(nèi)分解，甚至造成結(jié)焦，而燒壞爐管。加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長(zhǎng)爐管使用壽命，因此加熱爐出口溫度必須嚴(yán)加控制。</p><p>　　建立下圖所示串級(jí)控制傳遞函數(shù)方框圖</p><p>　　圖2.2 串級(jí)控制傳遞函數(shù)方框圖</p><p>　　加熱爐是傳熱設(shè)備的一種，同樣具有熱量的傳遞過(guò)程，熱量通過(guò)金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，因此它們同樣符合導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱

10、的基本規(guī)律。但加熱爐屬于火力加熱設(shè)備，首先由燃料的燃燒，產(chǎn)生熱的火焰和高溫的煙氣流，主要通過(guò)輻射給熱將熱量傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質(zhì)。工藝介質(zhì)在輻射室獲得熱量約占總熱負(fù)荷的７０％～８０％，而對(duì)流段獲得的熱量約占熱負(fù)荷的２０％～３０％。因此加熱爐的傳熱過(guò)程比較復(fù)雜，想從理論上獲得對(duì)象特性是很困難的。</p><p>　　加熱爐的對(duì)象特性一般從定性分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得。從定性角度出發(fā)，可看出其熱量的傳遞過(guò)程是：爐

11、膛熾熱火焰輻射給爐管，經(jīng)熱傳導(dǎo)，對(duì)流傳熱給工藝介質(zhì)。所以與一般傳熱對(duì)象一樣，具有較大的時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間。特別是爐膛具有較大的熱容量，滯后更為顯著，因此加熱爐屬于一種多容量的調(diào)節(jié)對(duì)象。根據(jù)若干實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并作一些簡(jiǎn)化，可以用一階環(huán)節(jié)加純滯后來(lái)近似，其時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時(shí)間有關(guān)，爐膛容量大，停留時(shí)間長(zhǎng)，則時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間大，反之亦然。根據(jù)部分前饋,反饋調(diào)節(jié)實(shí)踐來(lái)看，用一階環(huán)節(jié)加純滯后來(lái)近似還是可以的。&l

12、t;/p><p>　　因此 （1）</p><p>　　假設(shè)擾動(dòng)也為一階線性模型，即</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　控制閥門的傳遞函數(shù)可近似為</p><p><b>　　(3)</b>&

13、lt;/p><p>　　因此，由（1）、（2）（3）及控制原理相關(guān)計(jì)算可得</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　將p-a之間方框圖綜合化簡(jiǎn)可得以下方框圖</p><p>　　圖2.3 化簡(jiǎn)后串級(jí)控制傳遞函數(shù)方框圖</p><p>　　其中

14、 （5）</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　于是，可得 （7）</p><p>　　2.4 模型參數(shù)的確定</p><p>　　1．溫度變送器傳遞函數(shù)</p><p>　　經(jīng)查閱相關(guān)資料，溫度變送器的傳遞函數(shù)可近似為

15、為</p><p>　　其中 （8）</p><p>　　由于其對(duì)系統(tǒng)影響較小，我們可近似認(rèn)為</p><p>　　2.氣壓變送器傳遞函數(shù)</p><p>　　經(jīng)查閱相關(guān)資料，氣壓變送器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　，其中 (9)</p><p>

16、;　　同樣由于其對(duì)系統(tǒng)影響較小，我們可近似認(rèn)為</p><p>　　3．氣動(dòng)薄膜閥門執(zhí)行器傳遞函數(shù)</p><p>　　我們假定氣動(dòng)薄膜閥門執(zhí)行器模型傳遞函數(shù)</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　4.控制對(duì)象傳遞函數(shù)</p><p>　　經(jīng)查閱相關(guān)資料及過(guò)程分析，我們

17、假定控制對(duì)象傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（11）</b></p><p>　　5.擾動(dòng)過(guò)程傳遞函數(shù)</p><p>　　經(jīng)查閱相關(guān)資料，控制對(duì)象傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（12）</b></p><p><b>　　控制方案的設(shè)計(jì)</

18、b></p><p>　　3.1 被控變量與操縱變量的選擇</p><p>　　被控變量 出口的物料溫度 </p><p>　　選擇理由： 產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)</p><p>　　操作變量 燃料進(jìn)爐流量 </p><p>　　選擇理由：可以很好地反映燃料的燃燒程度，影響物料輻射段出口溫

19、度</p><p>　　閥門的選擇：從安全因素考慮，物料為可燃物質(zhì)，發(fā)生故障時(shí)需要切斷進(jìn)入加熱爐的物料，所以選擇線性氣開(kāi)閥。</p><p><b>　　3.2 控制策略：</b></p><p>　　管式加熱爐最主要的控制參數(shù)是工藝介質(zhì)的出口溫度、流量和壓力。對(duì)不少加熱爐來(lái)說(shuō)，溫度控制指標(biāo)很嚴(yán)格，有時(shí)要求工藝介質(zhì)出口溫度的最大偏差不得超過(guò)&#

20、177;１&５℃。由于其傳熱過(guò)程滯后大，干擾因素多，如處理量、進(jìn)料成分、燃料總管壓力、燃料組成、燃料霧化狀況、助燃空氣過(guò)量情況、煙道阻力等。所以要滿足溫度控制要求，必須采取排除主要干擾和改進(jìn)控制回路結(jié)構(gòu)等措施。加熱爐控制方案有如下幾種。</p><p>　　1． 當(dāng)工藝對(duì)爐出口溫度的控制要求不很高，外來(lái)干擾不太大，爐膛容量較小，即滯后不大時(shí)，可以采用圖3-1所示的單回路溫度控制方案。該方案是在已另設(shè)進(jìn)料流

21、量、燃料油壓力與霧化氣壓力等控制系統(tǒng)，基本上排除了上述干擾影響的基礎(chǔ)上，再根據(jù)出料溫度變化，改變?nèi)剂嫌土髁空{(diào)節(jié)供熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫目的單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，但當(dāng)控制通道滯后較大時(shí)，控制作用不夠及時(shí)，克服干擾能力差，以致無(wú)法滿足控制要求。為此，需改進(jìn)控制回路的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3-1加熱爐單回路溫度控制方案</p><p>　　2． 為了提高加熱爐系統(tǒng)的抗干擾能力，常采用

22、串級(jí)控制方案。加熱爐溫度控制中常用的串級(jí)控制方案如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2加熱爐常采用串級(jí)控制方案</p><p>　　圖3-2（a）為爐出口溫度對(duì)燃料流量的串級(jí)控制，該系統(tǒng)主要是克服燃料總管壓力干擾，但在使用重油作燃料時(shí)，流量測(cè)量比較困難。為了便于測(cè)量，可用燃料壓力作為副回路的被控變量，組成如圖3-2（b）所示的爐出口溫度與壓力串級(jí)控制方案。但使用此方案時(shí)，必須注意燒

23、嘴結(jié)焦，部分堵塞會(huì)造成閥后壓力升高的假象而產(chǎn)生錯(cuò)誤操作。圖3-2（c）是爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)副回路能感受較多的干擾，除進(jìn)料溫度和流量外，由于物料的溫度對(duì)下一環(huán)節(jié)的正常生產(chǎn)有重要的影響，需要嚴(yán)格控制溫度，然而溫度由于大的滯后性，其控制往往較為困難，所以選用串級(jí)控制方案。不僅具有單回路控制的所有優(yōu)點(diǎn)，而且控制效果好，易于實(shí)現(xiàn)，在工程上廣泛應(yīng)用。</p><p>　　我們主要考慮干擾在燃料的流動(dòng)狀

24、態(tài)方面，例如閥前壓力的變化，因此，采用加熱爐出口溫度與壓力串級(jí)控制方案。</p><p>　　選取溫度控制為主回路，定值控制；流量控制為副回路，隨動(dòng)控制。方塊圖如圖3-3</p><p>　　圖3-3 溫度、流量串級(jí)系統(tǒng)方塊圖</p><p>　　工作過(guò)程：在穩(wěn)定工況下，原料油出口溫度和燃料流量都處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，控制燃料油的閥門保持在一定的開(kāi)度。假定在某一時(shí)刻，燃

25、料流量發(fā)生變化，它的變化促使流量控制器進(jìn)行工作，改變?nèi)剂系募尤肓?，從而使燃料流量的偏差隨之減少。與此同時(shí)，由于燃料流量的變化，或由于物料本身的進(jìn)口流量或溫度發(fā)生變化，會(huì)使物料出口溫度發(fā)生變化，通過(guò)溫度控制器不斷地去改變流量控制器的給定值。這樣，兩個(gè)控制器協(xié)同工作，直到物料出口溫度重新穩(wěn)定在給定值時(shí)，控制過(guò)程才告結(jié)束。</p><p><b>　　控制器控制算法</b></p>

26、<p>　　4.1 PID控制算法</p><p>　　PID控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中被廣泛采用的一種控制方法，是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方法。在工業(yè)過(guò)程控制中，90%以上的控制系統(tǒng)回路具有PD結(jié)構(gòu)。在目前的溫度控制領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛，即使在科技發(fā)達(dá)的日本，PID在其溫度控制應(yīng)用中仍然占80%的比例。</p><p>　　4.1.1 PID控制原

27、理</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，如圖4.1所示。它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即表示e(t)=r(t)-y(t)。將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。</p><p>　　圖4.1 PID控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　系統(tǒng)由模擬控制器和被控對(duì)象組成，其控

28、制規(guī)律為：</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　4.1.2 PID控制各參數(shù)的作用</p><p>　　其中Pk是比例系數(shù)，Ti是積分時(shí)間常數(shù)， Td是微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，模擬PID控制器的各個(gè)環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p>　　(1)比例環(huán)節(jié)：即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e (

29、t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生作用以減小誤差。</p><p>　　(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。</p><p>　　(3)微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。</p

30、><p>　　4.2 加熱爐串級(jí)控制PID控制規(guī)律的選擇</p><p>　　加熱爐串級(jí)控制方框圖為</p><p>　　圖4.2 加熱爐串級(jí)控制方塊圖</p><p>　　在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對(duì)作用于主對(duì)象上的干擾也能加速克服過(guò)程。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)

31、調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對(duì)于副回路沒(méi)有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，正確地選擇控制規(guī)律，主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，可以充分發(fā)揮控制作用，大大提高控制質(zhì)量。</p><p>　　主、副控制器控制規(guī)律的選擇：</p><p>　　1）主控制器：主環(huán)是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，主控制器控制規(guī)律的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。但采用串級(jí)控制系統(tǒng)的主變量往往是比較重要的參數(shù)，工藝要求較

32、嚴(yán)格，一般不允許有余差。因此，通常都采用比例積分控制規(guī)律，滯后較大時(shí)也采用比例積分微分控制規(guī)律。</p><p>　　2）副控制器：副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，副變量的控制可以有余差。因此，副控制器一般采用比例控制規(guī)律即可，而且比例度通常取得很小，這樣比例增益大，控制作用強(qiáng)，余差也不大。如果引入積分作用，會(huì)使控制作用趨勢(shì)變緩，并可能帶來(lái)積分飽和現(xiàn)象。</p><p><b>　　因此，我

33、們選擇</b></p><p>　　方案1：主控制器PI控制，副控制器P控制</p><p>　　方案2：主控制器PID控制，副控制器P控制</p><p>　　5　控制器參數(shù)的整定及其MATLAB仿真</p><p>　　5.1 控制器參數(shù)的整定</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)從整體上來(lái)看是個(gè)定值控制系

34、統(tǒng)，要求主變量有較高的控制精度。但從副回路來(lái)看是個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副變量能準(zhǔn)確、快速地跟隨主控制器輸出的變化而變化。只有明確了主、副回路的不同作用和對(duì)主、副變量的不同要求后，才能正確地通過(guò)參數(shù)整定，確定主、副控制器的不同參數(shù)，來(lái)改善控制系統(tǒng)的特性，獲取最佳的控制過(guò)程。</p><p>　　5.1.1副回路控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　為了有較快的系統(tǒng)響應(yīng)，我們選擇了P控制器作為副回路的控制

35、器。</p><p>　　令 （14）</p><p>　　在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用運(yùn)行的條件下，將主控制器的比例度先固定在１００％的刻度上，逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比（如４∶１）過(guò)渡過(guò)程下的副控制器比例增益。</p><p>　　又

36、 （15） （16）</p><p>　　由式（5），（6）得</p><p><b>　?。?7）</b></p><p><b>　?。?8）</b></

37、p><p><b>　　同理</b></p><p><b>　　(19)</b></p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　通過(guò)式（17）、（18）和（19）可以看出，適當(dāng)?shù)脑黾颖攘锌刂破鞯姆糯蟊稊?shù),趨近于零，可以使操作變量對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的敏感程度降低，又由于

38、將隨著的增大而減少，使系統(tǒng)有更快的響應(yīng)速度。</p><p>　　5.1.2主回路控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)的過(guò)程響應(yīng)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(21)</b></p><p>　　高階系統(tǒng)用低階帶時(shí)滯模型近似代替，系統(tǒng)較大時(shí)間常數(shù)=10，主導(dǎo)極點(diǎn)為-1/10，因此可得</p>&

39、lt;p><b>　?。?2）</b></p><p>　　通過(guò)MATLAB仿真，得到過(guò)程響應(yīng)曲線</p><p>　　圖5.1 加熱爐系統(tǒng)串級(jí)控制過(guò)程響應(yīng)曲線</p><p>　　由過(guò)程響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)是可以自平衡的穩(wěn)定對(duì)象，但有較大時(shí)滯，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需要進(jìn)行控制。</p><p>　　由過(guò)程控制課程學(xué)習(xí)可知

40、，PID參數(shù)調(diào)節(jié)主要有Ziegler-Nichols、ITAE等經(jīng)驗(yàn)方法，下面我們就Ziegler-Nichols、ITAE兩種方法確定控制器參數(shù)。</p><p>　　1． 用Ziegler-Nichols方法設(shè)計(jì)控制器</p><p>　　系統(tǒng)的過(guò)程響應(yīng)傳遞函數(shù)為時(shí)，相應(yīng)的Ziegler-Nichols調(diào)節(jié)方法如下圖所示</p><p>　　圖5.2 Cohen

41、-Coon，Ziegler-Nichols PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式</p><p>　　采用PI控制時(shí)，運(yùn)用相關(guān)公式計(jì)算可得控制其參數(shù)為</p><p><b>　　，所以可得</b></p><p>　　得到控制器的傳遞函數(shù) （23）</p><p>　　通過(guò)MATLAB繪制系統(tǒng)采用Ziegler-Ni

42、chols 方法PI控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖5.3 Ziegler-Nichols 方法PI控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　采用PID控制時(shí)，運(yùn)用相關(guān)公式計(jì)算可得控制其參數(shù)為</p><p><b>　　,所以可得</b></p><p>　　得到控制器的傳遞函數(shù) （24）</p&g

43、t;<p>　　通過(guò)MATLAB繪制系統(tǒng)采用Ziegler-Nichols 方法PID控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖5.4 Ziegler-Nichols 方法PID控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖5.3、5.4可得，Ziegler-Nichols 方法設(shè)計(jì)PID控制相應(yīng)較快，并且超調(diào)較小，符合要求，而PI控制超調(diào)較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。</p&

44、gt;<p>　　2． 用ITAE方法設(shè)計(jì)控制器</p><p>　　系統(tǒng)的過(guò)程響應(yīng)傳遞函數(shù)為時(shí)，相應(yīng)的ITAE調(diào)節(jié)方法如下圖所示</p><p>　　圖5.5 ITAE方法 PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式</p><p>　　采用PI控制時(shí)，運(yùn)用相關(guān)公式計(jì)算可得控制其參數(shù)為</p><p>　　得到控制器的傳遞函數(shù) （

45、25）</p><p>　　通過(guò)MATLAB繪制系統(tǒng)采用ITAE方法PI控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖5.6 ITAE 方法PI控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　采用PID控制時(shí)，運(yùn)用相關(guān)公式計(jì)算可得控制其參數(shù)為</p><p>　　得到控制器的傳遞函數(shù) （26）</p><p>　　圖5.

46、7 ITAE方法PID控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖5.6、5.7可得，ITAE方法設(shè)計(jì)PID控制相應(yīng)較快，并且超調(diào)較小，符合要求，而PI控制超調(diào)較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。與Ziegler-Nichols方法設(shè)計(jì)的PID控制器相比，ITAE方法調(diào)節(jié)時(shí)間短，系統(tǒng)很快穩(wěn)定，但超調(diào)較大，而Ziegler-Nichols方法超調(diào)量較小，但調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。</p><p>　　5.3 基于M

47、ATLAB simulink方框圖的仿真模擬</p><p>　　5.3.1 用simulink對(duì)Ziegler-Nichols方法設(shè)計(jì)的控制器仿真模擬</p><p>　　用simulink建立Ziegler-Nichols方法PI控制仿真結(jié)構(gòu)圖如圖所示</p><p>　　圖5.8 Ziegler-Nichols方法PI控制仿真結(jié)構(gòu)圖</p>&l

48、t;p>　　系統(tǒng)的前向通道階躍響應(yīng)和干擾通道脈沖響應(yīng)分別如圖所示</p><p>　　圖5.9 Ziegler-Nichols方法PI控制 圖5.10 Ziegler-Nichols方法PI控制</p><p>　　前向通道階躍響應(yīng)曲線 干擾通道脈沖響應(yīng)曲線</p><p>　　2． Ziegler-Nich

49、ols方法PID控制仿真結(jié)構(gòu)圖如圖所示</p><p>　　圖5.11 Ziegler-Nichols方法PID控制仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　系統(tǒng)的前向通道階躍響應(yīng)和干擾通道脈沖響應(yīng)分別如圖所示</p><p>　　圖5.12 Ziegler-Nichols方法PID控制 圖5.13 Ziegler-Nichols方法PID控制</p>

50、<p>　　前向通道階躍響應(yīng)曲線 干擾通道脈沖響應(yīng)曲線</p><p>　　5.3.2 用simulink對(duì)ITAE方法設(shè)計(jì)的控制器仿真模擬</p><p>　　1． 用simulink建立ITAE方法PI控制仿真結(jié)構(gòu)圖如圖所示</p><p>　　圖5.14 ITAE方法PI控制仿真結(jié)構(gòu)圖</p>&

51、lt;p>　　系統(tǒng)的前向通道階躍響應(yīng)和干擾通道脈沖響應(yīng)分別如圖所示</p><p>　　圖5.15 ITAE方法PI控制前向通道 圖5.16 ITAE方法PI控制干擾通道</p><p>　　階躍響應(yīng)曲線 脈沖響應(yīng)曲線</p><p>　　2． 用simulink建立ITAE方法P

52、ID控制仿真結(jié)構(gòu)圖如圖所示</p><p>　　圖5.17 ITAE方法PID控制仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　系統(tǒng)的前向通道階躍響應(yīng)和干擾通道脈沖響應(yīng)分別如圖所示</p><p>　　圖5.18 ITAE方法PID控制前向通道 圖5.19 ITAE方法PID控制干擾通道</p><p>　　階躍響應(yīng)曲線

53、 脈沖響應(yīng)曲線</p><p>　　綜合上述仿真結(jié)果，我們可以得出：</p><p>　　運(yùn)用PID控制時(shí)在超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等性能指標(biāo)均優(yōu)于PI控制，因此，</p><p>　　在時(shí)滯系統(tǒng)串級(jí)控制中選用PID控制可以得到較理想的效果。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)要求以快速響應(yīng)為主要指標(biāo)時(shí)，可以考慮用

54、Ziegler-Nichols方</p><p>　　法設(shè)計(jì)控制器；當(dāng)系統(tǒng)要求以超調(diào)最小為主要指標(biāo)時(shí)，可以考慮用ITAE方法設(shè)計(jì)控制器。</p><p>　　3．在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對(duì)作用于主對(duì)象上的干擾也能加速克服過(guò)程。副回路具有先調(diào)、粗調(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)，并對(duì)于副回路沒(méi)有完全克服掉的干擾影響能徹

55、底加以克服。因此，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　管式加熱爐是煉油廠和石油化工廠的重要設(shè)備，對(duì)出口處的溫度控制非常重要。我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)仍然以傳統(tǒng)控制方法為主，包括手工調(diào)節(jié)控制和PID控制等。PID控制簡(jiǎn)單，精度高，在實(shí)際生產(chǎn)中仍然應(yīng)用廣泛。&

56、lt;/p><p>　　本文首先針對(duì)加熱爐過(guò)程工程進(jìn)行了控制對(duì)象分析，確定了管式加熱爐的數(shù)學(xué)模型；隨后討論了加熱爐溫度控制中的各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并最終確定了加熱爐出口溫度與壓力串級(jí)控制方案，基于PID控制的廣泛性，討論了Ziegler-Nichols和ITAE的方法進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，并給出了仿真模擬；最后總結(jié)了各種方法得到的控制效果，得出了不同要求下不同控制方案的結(jié)論。</p><p>　　在

57、這一周的過(guò)程控制的課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多課本中學(xué)不到的東西, 學(xué)會(huì)了文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用圖書(shū)館數(shù)字資源檢索需要的文獻(xiàn)資料，學(xué)會(huì)了運(yùn)用所學(xué)的控制理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的方法，加深了對(duì)過(guò)程控制課程的理解，為將來(lái)從事相關(guān)方面的工作和研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　附：小組分工</b></p><p><b>　　附錄</b>

58、;</p><p>　　1 MATLAB相應(yīng)程序源代碼</p><p>　?。? ）MATLAB繪制過(guò)程響應(yīng)曲線</p><p>　　td=4+0.5; </p><p>　　P1=tf([-td/2 1],[td/2 1]);</p><p>　　G1=tf(1.05,[10 1]);</p>&l

59、t;p>　　step(P1*G1);</p><p>　?。?） MATLAB繪制系統(tǒng)采用Ziegler-Nichols 方法PI控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　kc=1.9; </b></p><p>　　taui=14.8;</p><p>　　Gc=tf(kc*[taui 1],[taui

60、0]); % PI控制器傳遞函數(shù)</p><p>　　td=4+0.5; </p><p>　　P1=tf([-td/2 1],[td/2 1]);</p><p>　　G1=tf(1.05,[10 1]);</p><p>　　Gp=P1*G1;% 過(guò)程傳遞函數(shù)</p><p>　　Gcl=feedback(Gc

61、*Gp,1) </p><p>　　step(Gcl); </p><p>　?。?） MATLAB繪制系統(tǒng)采用Ziegler-Nichols 方法PID控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　kc=2.5; </b></p><p><b>　　taui=9;</b></p

62、><p><b>　　taud=2.3;</b></p><p>　　Gc=tf(kc*[taui*taud taui 1],[taui 0]); % PID控制器傳遞函數(shù)</p><p>　　td=4+0.5; </p><p>　　P1=tf([-td/2 1],[td/2 1]);</p><p

63、>　　G1=tf(1.05,[10 1]);</p><p>　　Gp=P1*G1;% 過(guò)程傳遞函數(shù)</p><p>　　Gcl=feedback(Gc*Gp,1) </p><p>　　step(Gcl); </p><p>　?。?） MATLAB繪制系統(tǒng)采用ITAE 方法PI控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線</p>&l

64、t;p><b>　　kc=2.18; </b></p><p>　　taui=8.62;</p><p>　　Gc=tf(kc*[taui 1],[taui 0]); % PI控制器傳遞函數(shù)</p><p>　　td=4+0.5; </p><p>　　P1=tf([-td/2 1],[td/2 1]);<

65、;/p><p>　　G1=tf(1.05,[10 1]);</p><p>　　Gp=P1*G1;% 過(guò)程傳遞函數(shù)</p><p>　　Gcl=feedback(Gc*Gp,1) </p><p>　　step(Gcl); </p><p>　　（5） MATLAB繪制系統(tǒng)采用ITAE方法PID控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲

66、線</p><p><b>　　kc=2.13; </b></p><p>　　taui=6.63;</p><p>　　taud=1.72;</p><p>　　Gc=tf(kc*[taui*taud taui 1],[taui 0]); % PID控制器傳遞函數(shù)</p><p>　　td=4+

67、0.5; </p><p>　　P1=tf([-td/2 1],[td/2 1]);</p><p>　　G1=tf(1.05,[10 1]);</p><p>　　Gp=P1*G1;% 過(guò)程傳遞函數(shù)</p><p>　　Gcl=feedback(Gc*Gp,1) </p><p>　　step(Gcl);

68、 </p><p><b>　　2 符號(hào)說(shuō)明</b></p><p>　　主控制器傳遞函數(shù) 副控制器傳遞函數(shù)</p><p>　　過(guò)程傳遞函數(shù) 執(zhí)行器傳遞函數(shù)</p><p>　　傳感變送器傳遞函數(shù)

69、 擾動(dòng)對(duì)象傳遞函數(shù)</p><p>　　等效執(zhí)行器傳遞函數(shù) 等效擾動(dòng)對(duì)象傳遞函數(shù)</p><p>　　延遲時(shí)間常數(shù) 過(guò)程時(shí)間常數(shù)</p><p>　　擾動(dòng)過(guò)程時(shí)間常數(shù) 執(zhí)行器時(shí)間常數(shù)</p>

70、<p>　　過(guò)程增益 執(zhí)行器過(guò)程增益</p><p>　　擾動(dòng)過(guò)程增益 傳感器過(guò)程增益</p><p><b>　　3 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王浩宇 張?jiān)粕?.管式加熱爐PID算法改進(jìn)及

71、其在虛擬儀器中的應(yīng)用 自動(dòng)化儀表2009，30(4)</p><p>　　[2] 冉從蓉．串級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)的抗干擾分析[J]．北京廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000(4)：35—36．</p><p>　　[3] 張志杰．加熱爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．工業(yè)爐，2000．22(3)，26．</p><p>　　[4] 白美卿 高富強(qiáng) .關(guān)于爐溫動(dòng)態(tài)特性的

72、分析 冶金自動(dòng)化 第18卷第4期 1994年7月</p><p>　　[5] 逢秀鋒．燃?xì)饧訜釥t燃燒過(guò)程控制與特性辨識(shí)[DI．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003．</p><p>　　[6] Pao C. Chau . Process Control: A First Course with MATLAB </p><p>　　Cambridge Univer