1、設計內容與設計要求設計內容：某隧道窯爐系統，考慮將燃燒室溫度作為副變量，燒成溫度為主變量，燃燒室溫度為副變量的串級控制系統中主、副對象的傳遞函數分別為：G01(s)=1/(30s+1)(3s+1);g02(s)=1/(10s+1)(s+1)2);主控制器采用比例積分控制，副控制器采用比例控制。 設計要求： 試分別采用單回路控制和串級控制設計主、副PID控制器的參數，并給出整定后系統的階躍響應曲線和階躍擾動的響應曲線，并說明不同控制方案對系統的影響。目 錄第1章 概述1第2章 系統總體方案22.1 隧道窯的結構22.2 方案比較22.3 方案選擇4第3章 系統控制參數的選擇53.1串級控制系統選

2、擇53.1.1 主變量的選擇53.1.2 副變量的選擇53.1.3 操縱變量的選擇53.2 調節閥開關形式的選擇63.3 傳感器、變送器的選擇63.4 控制器的選擇73.4.1 控制器控制規律的選擇73.4.2 控制器正、反作用選擇73.4.3 控制器選型8第4章 系統調試104.1系統參數的整定104.2 系統仿真10第5章 心得體會14參考文獻15第1章 概述隨著人們物質生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產品的質量和功能也向更高的檔次發展，制造產品的工藝過程變得越來越復雜，為滿足優質、高產、低消耗，以及安全生產、保護環境等要求，做為工業自動化重要分支的過程控制的任務也愈來愈繁重。在現代

3、工業控制中, 過程控制技術是一歷史較為久遠的分支。在本世紀30 年代就已有應用。過程控制技術發展至今天, 在控制方式上經歷了從人工控制到自動控制兩個發展時期。在自動控制時期內，過程控制系統又經歷了三個發展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業過程控制取得了驚人的發展，無論是在大規模的結構復雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對于提高產品質量以及節省能源等均起著十分重要的作用。目前，過程控制正朝高級階段發展，不論是從過程控制的歷史和現狀看，還是從過程控制發展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發展，即計算機集成制造系統(C

4、IMS)：以智能控制理論為基礎，以計算機及網絡為主要手段，對企業的經營、計劃、調度、管理和控制全面綜合，實現從原料進庫到產品出廠的自動化、整個生產系統信息管理的最優化。本次課程設計是隧道窯的溫度課程系統，而隧道窯是對陶瓷制品進行預熱、燒成、冷卻的裝置。因為幾個環節都涉及到溫度的控制，因此隔焰隧道窯的溫度是生產工藝的一項重要指標，溫度控制的好壞將直接影響產品的質量。如果火焰直接在窯道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質將會影響產品的光澤和顏色，所以就出現了隔焰式隧道窯。火焰在燃燒室中燃燒，熱量經過隔焰板輻射加熱燒成帶。另外隨著現代工業生產的迅速發展，對工藝操作條件的要求更嚴格，對安全運行及對控制質量

5、的要求也更高。而因為隧道窯溫度的變化比較慢，所以滯后比較大。綜上所述，須設計一套以溫度為控制變量的控制系統。該控制系統的生產工藝要求：可以實現對整個隧道窯的工藝流程的控制。 能夠克服較大的滯后。能夠自動控制窯內溫度，并達到所需精度。第2章 系統總體方案2.1 隧道窯的結構 隧道窯的整個窯爐主要包括窯爐主體結構、窯頭封閉氣幕及排煙系統、攪拌風系統、燃燒系統、窯尾冷卻系統、車下冷卻風系統、余熱利用系統、窯車、自動控制系統等。制品在窯道的燒成帶內按工藝規定的溫度進行燒結，燒結溫度一般為1300，偏差不得超過5C。所以燒成帶的燒結溫度是影響產品質量的重要控制指標之一，因此將窯道燒成帶的溫度作為被控變量

6、，將燃料的流量作為操縱變量。如果火焰直接在窯道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質將會影響產品的光澤和顏色。因此，我選用了隔焰式隧道窯，讓火焰只在燃燒室中燃燒，熱量經過隔焰板輻射加熱燒成帶。2.2 方案比較制品在窯道的燒成帶內按工藝規定的溫度進行燒結，燒結溫度一般為1300，偏差不得超過5C。所以燒成帶的燒結溫度是影響產品質量的重要控制指標之一，因此將窯道燒成帶的溫度作為被控變量，將燃料的流量作為操縱變量。如果火焰直接在窯道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質將會影響產品的光澤和顏色，所以就出現了隔焰式隧道窯。火焰在燃燒室中燃燒，熱量經過隔焰板輻射加熱燒成帶。若采用隔焰隧道窯溫度簡單控制系統，由于從控

7、制閥到窯道燒成帶滯后時間太大，如果燃料的壓力發生波動，盡管控制閥門開度沒變，但燃料流量將發生變化，必將引起燃燒室溫度的波動，再經過隔焰板的傳熱、輻射，引起燒成帶溫度的變化。因為只有燒成帶溫度出現偏差時，才能發現干擾的存在，所以對于燃料壓力的干擾不能夠及時發現。燒成帶溫度出現偏差后，控制器根據偏差的性質立即改變控制閥的開度，改變燃料流量，對燒成帶溫度加以調節。可是這個調節作用同樣要經歷燃燒室的燃燒、隔焰板的傳熱以及燒成帶溫度的變化這個時間滯后很長的通道，當調節過程起作用時，燒成帶的溫度已偏離設定值很遠了。也就是說，即使發現了偏差，也得不到及時調節，造成超調量增大，穩定性下降。如果燃料壓力干擾繁出

8、現，對于單回路控制系統，不論控制器采用PID的什么控制作用，還是參數如何整定，都得不到滿意的控制效果。為了克服較大的滯后，抑制較大的干擾以及使控制更加的準確，簡單控制系統已不能滿足條件，故可選擇串級控制系統。簡單控制系統和串級控制系統的結構圖如下圖所示。圖2.1 單回路控制系統結構圖圖2.2 串級控制系統的結構圖2.3 方案選擇方案一的簡單控制系統有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進而改變燃料流量，在爐膛中燃燒后，爐膛溫度改變，改過程時間常數大，可達到15min。因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，動作不及時，偏差在較長時間內不能被消除。 方案二的串級控制系統中，由于引進了副回路，不僅能

9、迅速克服作用于副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調、初調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，對副回路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制質量顯著提高。與單回路控制系統相比，串級控制系統多用了一個測量變送器與一個控制器（調節器），增加的投資并不多（對計算機控制系統來說，僅增加了一個測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統改善了被控過程的動態特性，提高了系統的工作頻率； 對二次擾動有很強的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數變化的自適應能力。綜上所述，本設計選擇串

10、級控制系統。第3章 系統控制參數的選擇3.1串級控制系統選擇3.1.1 主變量的選擇串級控制系統選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應盡量選擇能直接反應控制目的的參數為主變量；其次要選擇與控制目的有某種單值對應關系的間接單數作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。由于陶瓷制品的燒成主要是在燒成帶，故在本系統中選擇燒成帶溫度作為主變量。3.1.2 副變量的選擇副回路的設計質量是保證發揮串級系統優點的關鍵。副變量的選擇應遵循以下原則：應使主要干擾和更多的干擾落入副回路；應使主、副對象的時間常數匹配；應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟型另外考慮到燃料壓力變化的干擾對系統溫度影

11、響較大，選擇燃燒室溫度作為副變量。3.1.3 操縱變量的選擇工業過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統平穩操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統重新穩定運行的因素。操縱變量的基本原則為：選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量；在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制；在的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統響應較快；燃料流量方便控制，且對溫度的影響較大，故選擇燃料流量作為操縱變量。3.2 調節閥開關形式的選擇調節閥的氣開、氣關形式需要考慮到以下幾種因素：生產安全角度：當氣源

12、供氣中斷，或調節閥出故障而無輸出等情況下，應該確保生產工藝設備的安全，不至發生事故；保證產品質量：當發生控制閥處于無源狀態而恢復到初始位置時，產品的質量不應降低；盡可能的降低原料、產品、動力損耗；當隔焰隧道窯發生故障時，應關閉調節閥停止燃料的送入，避免窯內溫度過高及燃料不必要的浪費。所以調節閥選擇氣開閥。調節閥的流量特性的選擇，在實際生產中常用的調節閥有線性特性、對數特性和快開特性三種，在本系統中調節閥的流量特性選擇線性特性。3.3 傳感器、變送器的選擇由于窯內燒結溫度一般為1300，故應選擇熱電偶溫度傳感器。一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測溫度元件接線盒或專用接線盒內，變 送器模塊

13、和測溫元件形成一個整體，可直接安裝在被測設備上，輸出為統一標準信號，4mA20mA。這種變送器具有體積小、質量輕、現場安裝方便等優點，因而在工業生產中 得到廣泛應用。所以本設計選擇一體化化熱電偶溫度變送器。根據表1所示，其材質可選則鉑銠30-鉑銠6熱電偶。 表1 不同材質熱電偶測量范圍對應表類 別材 質分 度 號測 量 范 圍熱電偶鎳鉻-康銅E0-1000范圍內任選鎳鉻-鎳硅K0-1300范圍內任選鉑銠10-鉑S0-1600范圍內任選鉑銠30-鉑銠6B0-1800范圍內任選銅-康銅T0-400范圍內任選鐵-康銅J0-1200范圍內任選整個溫度變送器的電路原理圖如圖所示，由熱電偶、輸入電路和 A

14、D693 等組成。輸入電路是一個冷端補償電橋，為銅補償電阻，通過改變電位器的阻值可以調整變送器的零點。和的作用是調整量程。圖3.1一體化熱電偶溫度變送器原理圖3.4 控制器的選擇3.4.1 控制器控制規律的選擇在串級控制中，主變量直接關系到產品的質量或生產的安全，所以主變量一般要求不得有余差，而對副變量的要求一般都不很嚴格，允許有一定波動和余差。從串級控制的結構上看，主環是一個定值系統，副環是一個隨動系統。對于本系統由于溫度變化緩慢造成的滯后較大，為克服較大滯后，選用PID控制器作為主控制器。副控制器只選比例控制器。3.4.2 控制器正、反作用選擇因為當閥開大使燃料流量增加時，燃燒室溫度升高，

15、故副對象為正作用。燃燒室溫度增加使燒成帶溫度也增加，即主對象為正作用。調節閥為氣開式為正作用。溫度傳感器均為正作用。要滿足主回路和副回路為負反饋，則副控制器為反作用，主控制器為反作用。3.4.3 控制器選型通過前面的分析，主調節器要用到PID調節，副調節器要用到P調節，所以對于主副調節器我們用兩個DDZ-III型控制器即可。DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有特點：1）采用國際電工委員會（IEC）推薦的統一信號標準，現場傳輸信號為DC4-20mA，控制室聯絡信號為DC1-5V，信號電流與

16、電壓的轉換電阻為250；2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少；3）整套儀表可構成安全火花型防爆系統。DDZ-III型儀表室按國家防爆規程進行設計的，而且增加了安全柵，實現了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險的場所中使用。圖3.2 DDZ-III型調節器的結構框圖 DDZ-III型PID調節器的結構框圖如圖6。主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。調節器接收變送器送來的測量信號(DC4-20mA或DC1-5V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算

17、，最后由輸出電路轉換為4-20mA直流電流輸出。對于控制器的正反作用、PID或P調節以及參數的設定都可以通過調節器面板上的操作鍵來完成。對于主控制器的DDZ-III型調節器，我們將其右側面板上設有正反作用切換按鈕切到反作用上，并在P、TI、TD參數設定輪上使P、TI、TD均不為0構成PID調節；對于副控制器的DDZ-III型調節器，我們將其右側面板上設有正反作用切換按鈕切到反作用上，并在P、TI、TD參數設定輪上將TD設定為零，TI設定為無窮大，構成P調節。綜上所述，串級控制在結構上形成的兩個閉環，一個在閉環里面，成為內環、副環或副控回路，其控制器為副控制器，在控制中起“粗調”的作用；一個閉環

18、在外面，成為外環、主環或主控回路，其控制器稱為主控制器，在控制中起“細調”作用，最終被控量滿足控制要求。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而副控制器的輸出則去控制被控對象。由此，根據串級控制的結構特點可畫出隔焰隧道窯溫度溫度串級控制系統的結構框圖。隧道窯爐串級控制系統的結構框圖如下圖所示。圖3.3 隔焰隧道窯溫度串級控制系統的結構方框圖 第4章 系統調試本次系統仿真采用目前比較流行的控制系統仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統進行計算機仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統的傳遞函數為基礎，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統電氣原

19、理結構圖，使用Power System工具箱進行調速系統仿真的新方法。4.1系統參數的整定工程實踐中，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的整定方法整定主調節器的參數。本次課程設計中的串級控制系統中主、副對象的傳遞函數分別為： G01(s)=1

20、/(30s+1)(3s+1);g02(s)=1/(10s+1)(s+1)2);首先在比例作用的條件下，由大到小逐漸降低副調節器的比例度，進行副回路的參數整定。然后保持副回路的比例度不變，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路過渡過程衰減比為4：1的比例度P1S，記取過渡過程的振蕩周期T1S。當衰減比為4：1時，比例度為98，振蕩周期為為56.3，最后按已求得的P1S、T1S和P2s、T2s值，結合已選定的調節規律，按衰減曲線法整定參數的經驗公式，進行主、副調節器的參數的整定。4.2 系統仿真根據隔焰隧道窯溫度串級控制系統的結構方框圖和主副控制對象的傳遞函數以及控制部分的PID參數可在Sim

21、ulink中建立系統結構圖。由于本次課程設計要求進行分別采用單回路控制和串級控制兩種過程控制方式的系統仿真，因此可先進行單回路控制系統的系統仿真，然后再進行串級控制系統的系統仿真。單回路控制系統的系統結構仿真原理圖和串級控制系統的系統結構仿真原理圖如下所示。圖4.1 單回路控制系統仿真圖圖4.2 串級控制系統仿真圖 單回路控制系統和串級控制系統的主、副調節器參數整定好以后系統在不加擾動時的仿真輸出圖如下圖所示。圖4.3 串級控制沒加擾動時仿真圖圖4.4 單回路控制系統無擾動時的仿真圖 單回路控制系統和串級控制系統的主、副調節器參數整定好以后系統在添加加擾動時的仿真輸出圖如下圖所示。圖4.5 串

22、級控制系統有擾動時的仿真圖圖4.6 單回路控制系統有擾動時的仿真圖 由單回路控制系統和串級控制系統的仿真結果可知由于串級控制系統中副控回路的存在，很好的控制了二次擾動對系統的影響，說明采用串級控制能夠有效的克服進入副控回路的干擾。第5章 心得體會不知不覺中，為其兩周的串級控制隧道窯爐系統的課程設計已經做完了，在這次課程設計中，讓我感覺受益匪淺。在設計過程中，從拿到題目，系統方案的選擇到方案的確定，主副回路的設計，調節器的正反作用的確定，被控參數的選擇，都經過了嚴謹的思考，使系統能夠達到設計目的。在設計中，遇到了許多困難，老師從開始的題目介紹，構思到最后定稿的各個環節給予細心指引與教導, 同時，

23、其他的同學，在設計的過程中曾耐心給與幫助，使我得以最終完成這次關于隧道窯爐溫度控制系統的設計。我們以前學習的知識都漸漸離我們遠去，甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。學校安排了這次隧道窯爐溫度控制系統的課程設計，通過自己查找資料，了解情況，讓我們清楚我們學的知識與現實工業生產之間的聯系，使得我們對知識更加了解和鞏固。通過這次設計，我對過程控制系統在工業中的運用有了深入的認識，對過程控制系統設計步驟、思路有一定的了解與認識。我學到了控制系統的設計方法和步驟，拓展了知識面，了解了工業工程中控制系統起到的重要作用。另外在做課程設計過程中，涉及到Matlab的仿真。通過親自仿真實踐，掌握了如何在Simulink中進行仿真。與此同時，在團隊的協作