1、燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)張虹2013年10月 30日過程控制課程設(shè)計題目:班級：學(xué)號：姓名：同組人員：任課教師：完成時間： 3 32.1 對象數(shù)學(xué)模型的計算及仿真驗證 32.2 對象特性分析 5 53.1 基本控制方案 53.2 控制儀表選型 93.3 參數(shù)整定計算 103.4 控制系統(tǒng)MATLAB 仿真 103.5 仿真結(jié)果分析 11 12一、設(shè)計任務(wù)及要求1.在模殼澆鑄、焙燒時常用燃油爐，燒制過程中需要對溫度加以控制，對一個 燃油爐裝置進行如下實驗，在溫度控制穩(wěn)定到500c時，在開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入燃油流量增加大約25% ,即Iq 1.2T/h,持續(xù)t 100s后結(jié)束, 等間隔t 100

2、s記錄爐內(nèi)溫度變化數(shù)據(jù)如下表，試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超 調(diào)量p 20%的無差溫度控制系統(tǒng)。t(點)012345678910C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t (點)1112131415161718192021(C)0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00具體設(shè)計要求如下：(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的模型；(2)根據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計符合要求的控制系統(tǒng)(給出帶控制點的控制流程圖,控制系統(tǒng)原理圖等，選擇控制規(guī)律)；畫出控制系統(tǒng)SAMA圖；(3)根據(jù)設(shè)計方案選擇相應(yīng)的控制儀表(DDZ-IH)

3、,繪制原理接線圖；(4)對設(shè)計系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，首先按對象特性法求出整定參數(shù)，然后按4:1衰減曲線法整定運行參數(shù)。(5) 用MCGS進行組態(tài)設(shè)計。二、被控對數(shù)學(xué)模型建模及對象特性分析2.1對象數(shù)學(xué)模型的計算及仿真驗證根據(jù)矩形脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的歸一化處理，得:表2t(s)01002003004005006007008009001000C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.015.677.188.359.3410.1510.8111.35y*00. 0370.1450.3000.4250.5380.6260

4、.7000.7610.8100.851t(s)11001200130014001500160017001800190020002100c0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.8840. 9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991貝(J y (oo) =13.34K= y (oo) /Au=0.5336(C /%)Matlab畫出圖像：程序如下：clear;t=0:100:2100;

5、yi=0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.450.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00;11.8ys=0 0.5 1.94 4.01 5.69 7.18 8.35 9.34 10.15 10.81 11.35 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 0.8100.851 0.884 0.914

6、 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.9991 1plot(t,yi);%ffl出脈沖響應(yīng)曲線hold on;plot(t,ys);%ffl出單位階躍響應(yīng)曲線hold on;grid on;figure;plot(t,ym);%畫出歸一化階躍響應(yīng)輸出曲線grid on;脈沖響應(yīng)及階躍響應(yīng)輸出曲線2500又因為:TT2(T1 丁2)2(1.74 0.55) , T1 T2一(t1 2.16t2)。XY:9000.81XY400:0.4250.90.80.70.60.50.40.30.20.1500100015002000歸一化輸出曲線從圖中取 y*(t1)

7、=0.4,y*(t2)=0.8 ,得： t1=382s,t2=882s因為t1/t2=0.4330.46，所以選用2階傳函求得 T1=166s, T2=419s得到對象傳遞函數(shù)為0.5334(419s+1 )(166s+1)對象仿真圖如下:2.2對象特性分析0.5334(419s + 1)(166s + 1)1. 、 K為二階自衡對象，沒有純延遲環(huán)下。自禽率 =K1.88,響應(yīng)速度=t =0.0021 ,三、控制系統(tǒng)設(shè)計3.1基本控制方案從設(shè)計的簡約性和實用性考慮，首先考慮單回路的控制方法，由于對象的容 量較大，而爐內(nèi)溫度的測量較難，所以單回路的控制方法難以得到較好的效果， 所以經(jīng)過仔細(xì)比較，

8、最終決定采用雖然復(fù)雜一些，但是控制效果更好的審級控制 方法。為了更好的反應(yīng)申級方式相對于單回路的優(yōu)點，小組決定用兩種控制方法都 試驗一下，用事實說話。(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。單回路系統(tǒng)控制原理圖如下根據(jù)對象特性整定參數(shù)(采用齊勒格-尼克爾整定方法)變送器增益：G?=%48/ C)調(diào)節(jié)閥增益：Gv得廣義對象傳函：100% 0%6.25(%/mA20 40.16(419s+1 )( 166S+1 )根據(jù)廣義對象回出輸出曲線見圖5,程序:clc;K0=0.16;num=K0;den=conv(419,1,166,1);G0=tf(num,de

9、n);step(G0);k=dcgain(G0);60/10/1Step ResponseAdHLlpmA08606604602650010001500200025003000Time (sec)讀圖可知：r =60,T=700最終整定參數(shù)如下：6 =0.85 e r =0.112; kc=-1= 8.96; Ti=2 r =120;Td=0.5 r 很明顯，調(diào)節(jié)速度慢，而且超調(diào)過大，所以舍棄這種方法。=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)過多次調(diào)節(jié)之后取 kc=3, Ti=120, Td=200;SIMULINK 仿真圖（帶擾動）如下：（2）審級

10、控制方式：1.擾動分析：燃料：壓力、流量、成分和熱值等原料：進料量、進料溫度若爐內(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 屬擾動包含了較多擾動，即可能多的擾動可進入副回路。審級控制系統(tǒng)中，由于引進了副回路，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；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干擾 的影響能徹底加以消除。2 .在審級控制系統(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。在燃油爐溫度審級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要

11、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， 又因為加熱爐用級控制系統(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，（為正副對象：調(diào)節(jié)閥開，爐膛溫度升高， 限為正副調(diào)節(jié)器：（2為正，即反作用調(diào)節(jié)器主對象：爐溫升高，出口溫度升高， %為正主調(diào)節(jié)器：Q為正，即反作用調(diào)節(jié)器（為正，切主調(diào)時主調(diào)不改變作用方式控制系統(tǒng)原理圖:控制系統(tǒng)SAMAS:泡吊4：苫券一+ iii/ ,加I忡回網(wǎng)，于旬書I5片小故Le.L-浙的斗職討f尻區(qū) 43.2控制儀表選型1.溫度變送

12、器變送器選用DDZ-IH控制儀表。在主回路的對象為原料油出口溫度，約為500度，故所設(shè)計的的范圍為 420度到750度。副對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:20-4?1= 750-42 = 0.048 mA/%副回路的變送器傳函：？?2=而蕊一=0.04 mA/%根據(jù)設(shè)計要求變送器檢測溫度范圍較大，選擇NHR-M32智能溫度變送器,測量范圍為01300 C 。一學(xué)通I道、效通遒*熱電阻、熱電偶元伏輸入*一模槐里、RS-485、雉電巖樓直售號輸出也輸入/輸出/電源三隔窩o傳福精度0. 1為，T莫塊化設(shè)計，體枳小，功耗低，o全彩能，蚣李化，同帽程金。各

13、瑞子可芾電播掾，便于安裝、維護。控制器要求具有PID調(diào)節(jié)功能，選擇HR-WP模糊PID自整定調(diào)節(jié)器。標(biāo)準(zhǔn)的35mmp工N導(dǎo)軌卡式安裝原理接線圖2.閥門的選擇由于燃油具有較強的腐蝕性，里面的殘渣比較多，而且由于安全性的要求，所以，經(jīng)過比較最終決定選擇氣動蝶閥，最大流量大于 4.8t每小時。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 Kpi設(shè)為1, Kii和Kdi設(shè)為0,副調(diào)器Kp2設(shè)為1逐步調(diào)節(jié)副回路的kc。.此時經(jīng)過微小調(diào)整得到副回路 P控制器Kc2=6.2、主回路整定：將副調(diào)節(jié)器Kc2=6,主回路加入PID,逐

14、步調(diào)節(jié)K1、Tii、Tdi的值，使輸出符合要求，記下此時的Kc1 = 6, Ti1 = 200, Td1 = 803.4 Simulink仿真圖（帶擾動）如下：將兩者比較如下:分析:經(jīng)過改進，用級控制系統(tǒng)的超調(diào)量只有約為 3%,符合控制要求，并且調(diào)節(jié) 時間也有很大程度上改善，通過與單回路 PID控制對比可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)特 有很大改善。擾動分析：從圖中可以看出，在2500s時分別加入幅值為2的干擾信號，用級控制對擾動有很強的抗干擾能力。串級控制的優(yōu)越性。相比較上圖的單回路抗擾動輸出，又可以看出的3.5仿真結(jié)果分析通過仿真結(jié)果可以看到，串級控制系統(tǒng)可以跟好的實現(xiàn)工程要求，有效克服擾動，很好的實現(xiàn)

15、了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路， 使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)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(shù)變化的自適應(yīng)能力。綜上所述，本設(shè)計選擇串級控制系統(tǒng)。四：設(shè)計總結(jié)此次課程設(shè)計-加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計，使用到了過程控制系統(tǒng)很多方面的知識，包括串級控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級控制系統(tǒng)整定方法，PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定，串級控制系統(tǒng)的性能分析等。剛開始設(shè)計時，在主、副控制器選擇上，考慮到主被控變量是加熱爐溫度，允許波動的范圍很小，要求無余差，主控制器選了PID 控制。副控制器直接采用了P 控制