過程控制課程設(shè)計(jì)燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、過程控制課程設(shè)計(jì)燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)集團(tuán)文件版本號：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M198過程控制課程設(shè)計(jì)題班學(xué)姓目：燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)級：號：名：同組人員：任課教師：張虹完成時間：2013年10月30日目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求3二、被控對數(shù)學(xué)模型建模及對象特性分析32. 1對象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證32. 2對象特性分析5三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.1基本控制方案3.2控制儀表選型93.3參數(shù)整定計(jì)算103.4控制系統(tǒng)MATLAB仿真103.5仿真結(jié)果分析11四、設(shè)計(jì)總結(jié)12一、設(shè)計(jì)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

2、控制， 對一個燃油爐裝置進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在溫度控制穩(wěn)定到500°C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AZq = 1.2T/h,持 續(xù)A/ = 1OO5后結(jié)束，等間隔A/ = 100.v記錄爐內(nèi)溫度變化數(shù)據(jù)如下表，試 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個超調(diào)量 W 20%的無差溫度控制系統(tǒng)。r(點(diǎn))012345678910礦C00.51.442. 071. 681.411. 170. 990.810. 660. 54t （點(diǎn)）1112131415161718192021&(°C)0. 450. 390. 330. 270.210. 150. 090. 060.

3、030.010. 00具體設(shè)計(jì)要求如下：（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì)符合要求的控制系統(tǒng)（給出帶控制點(diǎn)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(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表（DDZ-III）,繪制原理接線 圖；（4）對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，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(yùn)行參數(shù)。（5）用MCGS進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。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(jì)算及仿真驗(yàn)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(jìn)行相應(yīng)的歸一化處理，得：表2(s)01002003004005

4、006007008009001000礦C00.51.442. 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. 7000. 7610.8100. 851(s)11001200130014001500160017001800190020002100礦C0. 450. 390. 330.270.210. 150. 090. 060. 030.010. 00y11.8012. 1912. 5212.

5、7913. 0013. 1513. 2413. 3013. 3313. 3413. 34y*0. 8840. 9140. 9380. 9580. 9740. 9860. 9920. 9970. 9990. 9991則 y(8)=13. 34K二 y(8)/Au=O. 5336(°C/%)Mat lab畫出圖像：程序如下：clear;t二0:100:2100;yi=0 0. 51.442. 071.681.411. 170. 990.81 0. 66 0.54 0. 450. 39 0. 330. 270. 210. 150. 090. 060. 030. 01 0. 00;ys=0

6、0.51.944.015.697. 188. 359. 3410. 15 10.81 11.35 11.812. 19 12. 52 12.79 13 13. 15 13.24 13. 3 13. 33 13. 34 13.34;ym二0 0. 037 0. 145 0. 300 0. 425 0. 538 0. 626 0. 700 0. 761 0. 810 0. 851 0. 884 0. 914 0. 938 0. 958 0. 974 0. 986 0. 992 0. 997 0. 999 1 1plot(t,yi); %畫出脈沖響應(yīng)曲線hold on;plot (t, ys) ;

7、%畫出單位階躍響應(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)輸出曲線歸一化輸出曲線從圖中取 y*(tl)=0. 4, y*(t2)=0.8,得: 11382s, t2882s因?yàn)閠l/t2=0. 433<0. 46,所以選用2階傳函。又因?yàn)椋夯?=(174丄_0.55),刁+厲心二4+心)。 (/1 + )I =2.1 o求得 T1 二 166s, T2二419s得到對象傳遞函數(shù)為:0.5334(419s+l)(166s+l)對象仿真圖如下:2. 2對象特性分析0.5334(419s +

8、 l)(166s+ 1)為二階自衡對象，沒有純延遲環(huán)節(jié)。自衡率p二-=1.88，響應(yīng)速度K戶.0021,三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 1基本控制方案從設(shè)計(jì)的簡約性和實(shí)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，最終決定采用雖然復(fù)雜一些，但 是控制效果更好的串級控制方法。為了更好的反應(yīng)串級方式相對于單回路的優(yōu)點(diǎn)，小組決定用兩種控 制方法都試驗(yàn)一下，用事實(shí)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

9、整定方法） 變送器增益：G =詈丙=0.048（誡/°（3）調(diào)節(jié)閥增盤-唏罟6.25（%曲得廣義對象傳函:0.16(119s+l)(166s+l)根據(jù)廣義對象畫出輸出曲線見圖5,程序: clc;K0=0. 16;num二KO;den二conv(419, 1, 166, 1);GO二tf(num, den);step(GO);k=dcgain（GO）;讀圖可知：t二60, T二700最終整定參數(shù)如下：S -o. 85 e T 二0.112; kc二* = 896； Ti二2 t0=120;Td=0. 5t=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)

10、過多次調(diào)節(jié)之后取kc=3, Ti二120, Td二200；SIMfLINK仿真圖（帶擾動）如下：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。（2）串級控制方式：1. 擾動分析：燃料：壓力、流量、成分和熱值等原料：進(jìn)料量、進(jìn)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(jìn)入副回路。串級控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)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(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 有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。2. 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)

11、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(diǎn)。在燃油爐溫度串級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控 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?yàn)榧訜釥t串級控制系統(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，氏為正副對象：調(diào)節(jié)閥開,爐膛溫度升高，心為正副調(diào)節(jié)器：血為正,即反作用調(diào)節(jié)器主對象：爐溫升髙,出口溫度升高，&為正主調(diào)節(jié)器：心為正,即反作用調(diào)節(jié)器血為正，切主調(diào)時主調(diào)不改變作用

12、方式4 控制流程圖 控制系統(tǒng)原理圖：控制系統(tǒng)SAMA圖:3.2制儀表選型1. 溫度變送器變送器選用DDZ-III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(jì)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1000c主回路的變送器傳函：1 = 7 = 0.048 mA/%副回路的變送器傳函：2 =丄=0.04 mA/%1000-600 z根據(jù)設(shè)計(jì)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0-1300 °Co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)器原理接線圖2. 閥門的選擇由

13、于燃油具有較強(qiáng)的腐蝕性，里面的殘?jiān)容^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)器心設(shè)為1,心和Ke設(shè)為0,副調(diào)器&,2設(shè)為1逐步調(diào)節(jié)副回路的kco .此時經(jīng)過微小調(diào)整得到副回路P控制器K2=6.2. 主回路整定：將副調(diào)節(jié)器Kd二6,主回路加入PID,逐步調(diào)節(jié)K, 7/i > 77”的值，使輸出符合要求，記下此時的Kcl = 6, T】i = 200, Tdl = 803. 4 Simulink仿真圖（

14、帶擾動）如下：將兩者比較如下：分析:經(jīng)過改進(jìn)，串級控制系統(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，串級控制對擾動有很強(qiáng)的抗干擾能力。相比較上圖的單回路抗擾動 輸出，又可以看出的串級控制的優(yōu)越性。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(shí)現(xiàn)工程要求，有 效克服擾動，很好的實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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(jì)選擇串級控制系 統(tǒng)。四：設(shè)計(jì)總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)一-加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jì)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控制考慮到如果引入積