1、二一二 二一三 學年第 一 學期 信息科學與工程學院 課程設計報告書課程名稱： 過程控制與集散系統課程設計 班 級： 自動化2009級（2）班 學 號： 200904134055 姓 名： 陳 金 龍 指導教師： 章政 二一二 年 十二 月加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統設計設計題目圖所示為某工業生產中的加熱爐，其任務是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進行加工。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要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調節閥，用以控制燃料油流量，以達到控制出口溫度的目的。圖1 加熱爐出口溫度系統但是，由于加熱爐時間常數大，

2、而且擾動的因素多，單回路反饋控制系統不能滿足工藝對加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質量，采用串級控制系統，運用副回路的快速作用，有效地提高控制質量，滿足生產要求。設計要求1、繪制加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統結構框圖。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，構成爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統，要求繪制該串級控制系統結構圖。3、假設主對象的傳遞函數為，其中,副對象的傳遞函數為，主、副控制器的傳遞函數分別為，,，請確定主、副控制器的參數（要求寫出詳細的參數估算過程）。4、利用simulink實現單回路系統仿真和串級系統仿真，分別給出系統輸出響應曲線。5、根據兩種系統仿

3、真結果分析串級控制系統的優缺點設計方案溫度控制器控制閥爐膛爐膛壁溫度檢測、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結構框圖 圖2 加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統結構框圖二、 串級控制系統加熱爐工藝過程為：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要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調節閥，用以控制燃料油流量，以達到控制出口溫度的目的。由于加熱爐時間常數大，而且擾動的因素多，比如原料側的擾動及負荷擾動；燃燒側的擾動等，單回路反饋控制系統不能滿足工藝對加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質量，采用串級控制系統，運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，構成爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統有效地提高控制質量，以滿足工業生產的要求。 圖3 加熱爐出口溫度串級控制系統結構圖串級控制系統的工作過程，就是指在擾動作用下，引起主、副變量偏離設定值，由主、副調節器通過控制作用克服擾動，使系統恢復到新的穩定狀態的過渡過程。由加熱爐出口溫度串級控制系統結構圖可繪制出其結構方框圖，如圖4所示。主控制器副控制器調節閥爐膛出口主檢測、變送儀表副檢測、變送儀表爐膛壁 圖4 加熱爐出口溫度串級控制系統結構方框圖三、 主、副控制器參數整定及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（溫度），允許波動的范圍很小，一般要求

5、無余差，主控制器應選PI控制規律。副被控變量的設置是為了保證主被控變量的控制質量，提高系統的反應速度，提高控制質量，可以允許在一定范圍內變化，允許有余差，因此副控制器只要選P控制規律就可以了。在工程實踐中，串級控制系統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。逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步逼近法簡化了調試過程，但還是要做兩次4：1衰減曲線法的實測。對兩步整定法進行簡化，在總結實踐經驗的基礎上提出了一步整定法。為了簡便起見，本設計采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據經驗先確定副調節器的參數，然后將副回路作為主回路的一個環節，按單回路反饋控制系統

6、的整定方法整定主調節器的參數。具體的整定步驟為：（1）在工況穩定，系統為純比例作用的情況下，根據K02/20.5這一關系式，通過副過程放大系數K02，求取副調節器的比例放大系數2或按經驗選取，并將其設置在副調節器上。（2）按照單回路控制系統的任一種參數整定方法來整定主調節器的參數。（3）改變給定值，觀察被控制量的響應曲線。根據主調節器放大系數K1 和副調節器放大系數K2的匹配原理，適當調整調節器的參數，使主參數品質最佳。（4）如果出現較大的振蕩現象，只要加大主調節器的比例度或增大積分時間常數TI，即可得到改善。對于該溫度串級控制系統，在一定范圍內，主、副控制器的增益可以相互匹配。根據表1，可以

7、大致確定副控制器的增益Kc2及比例帶。表1 常見對象的副控制器比例帶的經驗法副控制器對象 溫 度 壓 力流 量液 位比例帶 2060307040802080增益Kc2 1.75.01.43.01.252.51.255.0根據本設計，適當選取Kc2=3.5（整定時可以根據具體情況再做適當調整）。然后在副回路已經閉合的情況下按單回路控制器參數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。一般地取Kv=1,將X=55（學號最后三位）帶入可計算出主對象的傳遞函數。衰減曲線法是在閉環系統中，先把調節器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐

8、漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程，直至10：1衰減過程為止。這時的比例度稱為10：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS。根據S和TS，運用表2所示的經驗公式，就可計算出調節器預整定的參數值。 表2 衰減曲線法整定計算公式 衰減率 整定參數調節規律 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的值從大到小進行

9、試驗，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10：1衰減曲線。 圖5 串級系統Simulink模型（未連積分輸出線時）當Kc1=7.7時，在t1=8.1時出現第一峰值，為1.15；在t2=23.8時出現第二峰值，為0.89，曲線穩定值為0.86，可計算出衰減度為（1.15-0.86）：（0.89-0.86）=10：1。因此，當Kc1=7.7時，系統出現10：1衰減振蕩，且Ts=t2-t1=23.8-8.1=15.7,根據表2可知，積分時間常數Ti=2Ts=31.4。 圖6 串級系統10：1衰減振蕩曲線 將Kc1的值設置為7.7，1/Ti的值設置為1/31.4=0.03

10、2，將積分器的輸出連線連上，如圖7所示，運行仿真后，得到如圖8所示的結果，它即為PI控制時系統的單位階躍響應。根據結果可知，參數整定后系統達到比較理想的效果。 圖7系統Simulink模型（積分輸出線連上時） 圖8 系統PI參數整定后的單位階躍響應曲線綜上可知，主、副控制器參數整定結果為：Kc1=7.7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1。四、單回路系統和串級系統仿真輸出響應曲線對比 圖9 單回路控制系統Simulink模型 圖10 單回路控制系統階躍響應輸出曲線圖8與圖10即分別為串級控制系統和單回路控制系統階躍響應輸出曲線五、串級控制系統性能分析圖8與圖10比較可知，串級系統輸出曲線

11、第一峰值出現時間明顯比單回路系統更早，縮短了上升時間，減小了對象時間常數，系統快速性增強。串級系統輸出曲線的調節時間縮短，使系統更早進入穩定狀態，系統振蕩幅度明顯得到改善，增強了系統的穩定性。 對串級控制系統和單回路控制系統階躍響應輸出曲線對比可知，串級控制系統由于增加了副控制回路，使控制系統的的抗干擾性能、動態性能、工作頻率及自適應能力都得到明顯改善。其性能可歸納為： 1、可以顯著提高系統對二次擾動的抑制能力，甚至是二次干擾在對主被控量尚未產生明顯影響時就被副回路克服了。由于副回路調節作用的加快，整個系統的調節作用也加快，對一次擾動的抑制能力也得到提高。 2、提高了系統的工作頻率，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，從而提高了系統工作頻率。3、提高了系統的動態性能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內的副對象的特性，減少了時間常數和相位滯后，使得整個系統的動態性能得到明顯改善。4、對負荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應能力。包括控制閥在內的副對象在操作條件和負荷變化時，其特性變化對系統的影響顯著地削弱。但串級控制系統也存在一些不足：只有當中間變量能夠檢測出來時，才可能采用串級控制系統，但許多過程在結構上是不容易以這種方式加以分割的；串級控制系統比單回路控制系統需要更多的儀表，串級控制系統的投放和整定也比單回路控制系統復雜些。在實際生產中，如果是單回路控制系統能夠解決的問題，就不一定非要采用串級控制系統方案，一般當單回路控制方案質量達不到實際要求時，才考慮采用串級控制系統。設計心得此次課程設計-加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統設計，使用到了過程控制系統很多方面的知識，包括串級控制系統分析、建模與仿真，串級控制系統整定方法，PID調