加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電 廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多 領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。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(diǎn)和主副回路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳述，設(shè)計(jì)了加熱爐串級控制系統(tǒng)， 并將基于MATLAB的增量式PID算法應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。結(jié)合基于計(jì)算機(jī)控制的 PI

2、D參數(shù)整定方法實(shí)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。關(guān)鍵詞：干擾 串級控制主回路副回路Abstract： Automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern product io n. The traditional single-loop control system is diffi

3、cult to make the system completely ant i-interfere nee. Cascade 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 characteristics and the main and sub-loop

4、design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLAB-based incremental PID algorithm is applied in the control system Combination of computer-based control method to achieve PID parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control accurac

5、y and stabi1ityKeywords: Cascade control, interferenee. the main circuit, the Deputy loop1、前言錯誤!未定義書簽。2、整體方案設(shè)計(jì)錯誤!未定義書簽。方案比較錯誤!未定義書簽。方案論證錯誤!未定義書簽。方案選擇錯誤!未定義書簽。3、串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)錯誤!未定義書簽。4、溫度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)錯誤!未定義書簽?？刂茖ο蟮奶匦藻e誤!未定義書簽。主回路的設(shè)計(jì)錯誤!未定義書簽。副回路的選擇錯誤!未定義書簽。主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇錯誤!未定義書簽。主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定錯誤!未定義書簽。5、控制器參數(shù)的工

6、程整定錯誤!未定義書簽。6、MATLAB系統(tǒng)仿真 錯誤!未定義書簽。系統(tǒng)仿真圖錯誤!未定義書簽。副回路的整定錯誤!未定義書簽。主回路的整定錯誤!未定義書簽。7、設(shè)計(jì)總結(jié)錯誤!未定義書簽?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】 錯誤!未定義書簽。1 前言隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加熱爐的使用范圍越來越廣泛。而加熱爐溫度控制 是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著 產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量?，F(xiàn)代加熱爐的生產(chǎn)過程可以實(shí)現(xiàn)高度的機(jī)械化，這就為加熱爐的自 動化提供了有利條件。加熱爐自動化是提高鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要措施。目前，加 熱爐的自動化主要包括自動檢測、自動調(diào)節(jié)、程序控制、自動保護(hù)和控制計(jì)

7、算五個方面。 實(shí)現(xiàn)加熱爐自動化能夠提高加熱爐運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件, 減少運(yùn)行人員。加熱爐是將物料或工件加熱的設(shè)備。按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加 熱爐、感應(yīng)加熱爐、微波加熱爐等。應(yīng)用遍及石油、化工、冶金、機(jī)械、熱處理、表面 處理、建材、電子、材料、輕工、日化、制藥等諸多行業(yè)領(lǐng)域。在生產(chǎn)過程控制中，一 些復(fù)雜環(huán)節(jié)，往往需要進(jìn)行串級控制。即把兩個控制器串聯(lián)起來，第一個控制器的設(shè)定 值是控制目標(biāo)，它的輸出傳給第二個控制器，作為它的設(shè)定值，第二個控制器的輸出作 為串級控制系統(tǒng)的輸出，送到被控系統(tǒng)，作為它的控制"動作”?？刂葡到y(tǒng)的這種串級 形式對于復(fù)雜對象的控制往往比

8、單回路控制的效果更好。串級控制對克服被控系統(tǒng)的時(shí) 滯之所以能收到好的效果，是因?yàn)楫?dāng)用兩個控制器進(jìn)行串級控制時(shí)，每個控制器克服時(shí) 滯的負(fù)擔(dān)相對減小，這就使得整個控制系統(tǒng)克服時(shí)滯的能力得到加強(qiáng)。2、整體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的整體思路是：利用對燃料量的控制最終來實(shí)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)。方案比較方

9、案一、簡單控制系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)器T1C是根據(jù)原料油的出口溫度i(t)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(shí)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(shí)，簡單控制系統(tǒng)很難滿 足要求。被控變量：原料出口溫度；操縱變量：燃料流量。當(dāng)對出口溫度控制要求不高時(shí)，簡單控制系統(tǒng)可以滿足要求。圖加熱爐溫度控制系統(tǒng)圖加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖方案二、串級控制系統(tǒng)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。中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。爐膛溫度變化時(shí)，

10、TsC可以及時(shí)動作，克服干擾。燃料油圖加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)圖加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖方案三、前饋一串級控制系統(tǒng)如果將上面兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)一一溫度控制器7；c對被控參數(shù)q(/)的精確控制、 溫度控制器對來自燃料的干擾厶、厶(/)的及時(shí)控制結(jié)合起來，先根據(jù)爐膛溫度 4(/)的變化，改變?nèi)剂狭?，改變爐膛溫度控制器AC的設(shè)定值，進(jìn)一步控制燃料量，以 保持原料油出口溫度恒定，這樣就構(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)。油K7圖加熱爐出口溫度前饋一串級控制系統(tǒng)溫度變送器溫度變送器1圖加熱爐岀口溫度前饋一串級控制系統(tǒng)框圖方案論證方案一：簡單控制系統(tǒng)有干擾時(shí)

11、，TC輸出信號改變閥門開度，進(jìn)而改變?nèi)剂狭髁?，在爐 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(shí)間常數(shù)大，可達(dá)到15mino 因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，制不及時(shí)，偏差在較長時(shí)間內(nèi)不能被消除。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(diǎn)：主回路具有 后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，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。方案三：加入前饋控制器后，從干擾F(s)到被控參數(shù)Y(s)之間存在兩個通道：一 個是通過干擾通道傳遞函數(shù)為

12、Gf(s)去影響被控參數(shù)Y(s),另一個是經(jīng)過測量環(huán)節(jié)FT, 傳遞函數(shù)為G,”(s),和前饋控制器FC,傳遞函數(shù)為6,(5)及控制閥傳遞函數(shù)為 G(s),產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過控制通道傳遞函數(shù)為G0(s)去影響輸出量Y(s)0方案選擇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：1、原料油的流量變化照成溫度波動很大；2、處理量頻繁提降也造成出口溫度的波動；3、油品不斷切換也使?fàn)t口的溫度產(chǎn)生較大的波動；4、加熱爐的溫度存在較大的時(shí)滯.可以看出，加熱爐系統(tǒng)是一個時(shí)變，大

13、時(shí)滯，多干擾的復(fù)雜系統(tǒng)。從加熱爐工作特性 可以看岀，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)而引起爐岀口溫度的改變.由此可 見，對爐出口溫度的控制采用爐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。3、串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shí)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)，通過協(xié)調(diào)工作使主參

14、數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制在工藝規(guī)定范圍之內(nèi)。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(diǎn)：主回路具有后調(diào)、細(xì) 調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，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。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，加熱到爐工藝所要求 的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制 溫度的目的。由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動的因素多，比如原料側(cè)的擾動及負(fù)荷擾 動；燃燒側(cè)的擾動等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐溫度的要

15、求。為了提 高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐溫度為主變量，選 擇滯后較小的爐膛溫度為副變量，構(gòu)成爐溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)有效地提高控 制質(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。4 串級控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)控制對象的特性假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分別為：Gc2（S）-氐2Gy（s）二KyGo2（S）Ko2將副回路反饋信號相加點(diǎn)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：Gc2（S）二Gq2（5）_1 + Go2（5）GW2（5）Gc2（S）GC2（5）Ko2_ Ki）21 + Ko2&2Kc2 + Tq2s 1 + Tq2s因：Ko2（s）=i

16、+ Xkc2<Ko2Ko2（s）=TT1<TO2因此，在此控制系統(tǒng)中，等效副對象的時(shí)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(shí)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(shí)，有利于提高控制品質(zhì)和系統(tǒng)可控性。主回路的設(shè)計(jì)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)0 1 (t)精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對來自燃料干擾、的及時(shí)控制相結(jié)合，先 根據(jù)爐膛溫度02 (t)的變化，改變?nèi)剂?/p>

17、量，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0 1 (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，使原料油出口溫度恒定，達(dá)到溫度控制 的目的。副回路的選擇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02 (t)能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度0 1 (t),提高了 主參數(shù)的控制效果。主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇在串級控制系統(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

18、調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。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?yàn)榧訜釥t串級控制系統(tǒng)有較大容 量滯后，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?？刂聘眳?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。主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定一個過程控制系統(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。副調(diào)節(jié)器作用方式的確定: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

19、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Kv0。然后確定副被控過程的K°2,當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以心2 >0 o最后確定副調(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。主調(diào)節(jié)器作用方式的確定：爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程K oi> 0o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。例如圖所示加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)示意圖，從加熱爐安全角

20、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。5、控制器參數(shù)的工程整定串級控制系統(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。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。2、一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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)。3、逐步逼

21、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。我們是用兩步整定法來整定串級控制系統(tǒng)的參數(shù)。6、MATLAB系統(tǒng)仿真已知副對象傳遞函數(shù)為（10s 十 l）（s 十 1）主對象的傳遞函數(shù)為Goi（s）二（30$ 十 l）（3s 十 1）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)定邊界條件 法，它是先讓控制器在純比例作用下，通過現(xiàn)場試驗(yàn)找到等幅振蕩的過渡過程，記下此 時(shí)的比例度和等幅振蕩周期人，再通過簡單的計(jì)算，求出衰減振蕩時(shí)控制器的參數(shù)。系統(tǒng)仿真圖圖系統(tǒng)仿真框圖此時(shí)P為，I為，D為，此時(shí)的波形如圖圖系統(tǒng)仿真波形對設(shè)定值施加干擾信號:圖施加干擾

22、時(shí)的波形串級控制系統(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。副回路的整定將主環(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。Scop «(n)1圖副回路整定仿真圖副回路參數(shù)設(shè)定:圖副回路參數(shù)先對副回路進(jìn)行整定，按要求，此時(shí)控制器為純比例作用，在Simulink環(huán)境中建 立系統(tǒng)模型。圖副回路仿真波形當(dāng)P值為9時(shí)，衰減比基本可達(dá)到4： 1,此時(shí)比例度&為9,振蕩周期：為。主回路的整定連接好主回路，保持副回路的比例度不變，逐步降低主回路的比例度P1。Wcopo何4圖主回路整定仿真圖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)圖主回路參數(shù)設(shè)定:圖主回路參數(shù)圖主回路仿真波形衰減比為4： 1時(shí)的P值為13,此時(shí)比例度匕為13,振蕩周期兀為。7.設(shè)計(jì)總結(jié)通過本設(shè)計(jì)，我對自動控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運(yùn)用有了深入的認(rèn)識，對自動控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識?；仡櫰鸫舜渭訜釥t出口溫度前饋一一串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我仍感慨頗多，的確，從 選題到定