計控第二次大作業(yè)~氧化爐

1、 8/8 某大學答題紙（20 12 20 13 學年第 1 學期）課號： 103Z01A07 課程名稱： 計算機控制技術 改卷教師： 學號： 姓 名： 得 分： 大作業(yè)（二） 下圖為氧化爐對象，工藝要求氧化爐內的反應溫度恒定，一般通過氧化爐的氨氣和氧氣比恒定來實現(xiàn)，但氨管壓力波動會影響氨氣流量變化，空氣含氧量會隨環(huán)境發(fā)生變化。被控量為氧化爐溫度，調節(jié)量為氨氣管道閥門。緒論在硝酸銨生產(chǎn)過程中，氨氧化爐是關鍵設備。其工藝流程：氨氣和空氣混合氣體進入氧化爐，在鉑金觸煤的作用下進行氧化反應，生成所需要的一氧化氮，這是一個多種參數(shù)相互制約的復雜過程，工藝控制指標的好壞關系到生產(chǎn)能否穩(wěn)定運行，生產(chǎn)效益以及

2、設備安全問題。 氨氧化法制硝酸是硝酸生產(chǎn)中比較普遍的方法，氨氣和空氣混合氣體經(jīng)靜化后，進入氧化爐，在鉑金網(wǎng)的作用下，在絕壓045 MPa，溫度850的條件下，將氨氧化成一氧化氮氣體，影響氧化反應過程的因素有氨的體積分數(shù)，壓力，氧化率，反應溫度，混合氣流量，鉑網(wǎng)活性等，氧化率是氧化反應的指標，但目前沒有有效的檢測手段。在一定條件下，氧化率正比于反應溫度，而氨氣是氧化反應的主要成分，反應的溫度取決于氣體中氨的體積分數(shù)，而氨的體積分數(shù)又無法測量，只有氧化爐溫度能間接反應出氧化率。為了獲得更高的氧化率，氧化爐溫度與氨的體積分數(shù)均控制在極值，而爐溫超到1100會燒毀價值昂貴的鉑金網(wǎng)，氨的體積分數(shù)超過14

3、會引起惡性爆炸事故毀壞生產(chǎn)設備，必需加設聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，氧化爐溫度及氨空比是最關鍵的控制參數(shù)，對儀表精度要求極高。因此氨氧化反應對氧化爐內的氨空流量比和爐溫的要求非常嚴格，所以，氨空比與爐溫的實時檢測與穩(wěn)定控制是氧化爐控制的關鍵。1、確定被控對象，輸出量和控制參數(shù)分析：由緒論可知氨空比與爐溫的實時檢測與穩(wěn)定控制是氧化爐控制的關鍵。以爐溫為主調節(jié)回路，氨空比值為副調節(jié)回路，構成變比值控制系統(tǒng)。串級比值調節(jié)回路中，當出現(xiàn)直接引起氨氣，空氣流量變化的干擾時，通過比值系統(tǒng)，可以得到及時克服，以保持爐溫不變，對于其他干擾如氨氣、溫度壓力變化，觸媒活性變化等引起的爐溫變化，可通過主調節(jié)器對氨空比值進行修正，

4、以保證爐溫恒定。串級比值調節(jié)系統(tǒng)， 快速而有效地克服各種干擾，可使溫度控制精度達到恒定。由圖可知被控對象：氨氣調節(jié)閥 輸出量：溫度 控制參數(shù)：氧化爐溫度和氨空比控制系統(tǒng)方框圖如圖所示： 主控制器副控制器調節(jié)閥副對象主對象除法器氨流量測量變送空氣測量變送溫度變送2、給出對象模型的建立方法分析：就工業(yè)過程或裝置而言,所謂系統(tǒng)就是由元件、部件相互聯(lián)系而組成的具有某種特定功能的整體。不同的系統(tǒng)對應著不同的學科領域。每個學科領域都要研究這一領域所包含的所有系統(tǒng)內部的以及與之相聯(lián)系的外部因素之間比較精確的定量關系,即數(shù)學模型。所謂系統(tǒng)的數(shù)學模型,就是利用數(shù)學結構(表格、圖形以及各種數(shù)學方程:代數(shù)方程、積分

5、方程、微分方程、它們的方程組、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程、差分方程等)來反映系統(tǒng)內部之間、內部與某些外部因素之間的精確的定量關系。建立數(shù)學模型有兩種方法:一種是從基本物理定律,即利用各個專門學科領域提出來的物質和能量的守恒性和連續(xù)性原理,以及系統(tǒng)(設備)的結構數(shù)據(jù)推導出模型。種方法得出的數(shù)學模型稱之為機理模型或解析模型,這種建立模型的方法,稱之為解析法;另一種方法是從系統(tǒng)的運行和試驗數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型(模型結構和參數(shù)),這種方法稱之為系統(tǒng)辨識。由實驗法建立的數(shù)學模型傳遞函數(shù),來描述單輸入單輸出線性系統(tǒng)的方法,可以為更復雜的系統(tǒng)數(shù)學模型的辨識作預備性試驗,它是系統(tǒng)辨識的基礎。（1）階躍響應法系統(tǒng)辨識在被辨

6、識對象上施加一個階躍信號，然后測定出對象的響應隨時間變化的曲線，再根據(jù)該響應曲線，通過圖解法而不是通過尋求其解析公式的方法來求解被辨識對象的傳遞函數(shù)。通過操作器的操作使系統(tǒng)的工作在所需測試的負荷下，穩(wěn)定運行一段時間后，快速改變系統(tǒng)的輸出量，并用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄下系統(tǒng)的輸入、輸出變化曲線，經(jīng)過一段時間后，系統(tǒng)進入新的穩(wěn)態(tài)，實驗就可結束，得到的記錄曲線就是系統(tǒng)的階躍響應。在測定出階躍響應曲線以后，可以根據(jù)階躍響應曲線推出典型對象的傳遞函數(shù)。估算傳遞函數(shù)的方法有很多，常用的有近司法、切線法、兩點法和面積法等，但幾乎所有的方法都是在假定傳遞函數(shù)的結構已知的情況下，通過圖解法和計算的方法，利用響應曲

7、線上少量特征參數(shù)則可推出傳遞函數(shù)的參數(shù)。（2）頻率響應法系統(tǒng)辨識系統(tǒng)地頻率響應解析式往往很難找到，對于一個穩(wěn)定的過程來說，通?？筛鶕?jù)實驗數(shù)據(jù)可推算出它的頻率響應曲線。工程上常采用的最簡單的方法是是直線曲線記錄法：在對象的輸入端施加一個正弦波激勵信號，然后用記錄設備同時記錄對象的輸入輸出，每次用以不同的頻率的正弦波測試，重復多次。隨后對這些數(shù)據(jù)進行處理，將每個頻率下的輸出輸入的振幅計算出來，并求出比值，這就是頻率特性上在該頻率下相位差。最后，將其幅值及頻率按所需的坐標繪制成圖，即為該對象的頻率特性。（3）相關分析法系統(tǒng)辨識采用相關分析法獲得的北邊是系統(tǒng)的脈沖響應函數(shù)是在線辯是非參數(shù)模型的一種有效

8、方法。 在對系統(tǒng)動態(tài)性能了解較少的情況下，采用階躍響應法建模，是一種較好的快速而簡潔的建模方法，同時輸入信號簡單、易實現(xiàn)，從而在工程實踐中被廣泛使用。經(jīng)過現(xiàn)場運行情況及數(shù)據(jù)進行大量的觀察分析，確定實際階躍信號。通過圖解法和計算的方法，利用響應曲線上少量特征參數(shù)則可推出傳遞函數(shù)的參數(shù)。3、如對象具有一階慣性和純滯后，給出合適的控制方案針對一個具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)方案分析與選擇： 控制算法效果模擬化數(shù)字PID控制控制復雜且效果不一定好，當/Tm（最大時間常數(shù)）0.5時，采用常規(guī)PID控制難以得到良好的控制Smith純滯后補償控制將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了的被控量

9、，無延遲部分反映到調節(jié)器，讓調節(jié)器提前動作，從而可明顯地減少超調量和加快調節(jié)過程。但是該方式對系統(tǒng)受到的負荷干擾無補償作用，且控制效果嚴重依賴于對象的動態(tài)模型精度，特別是純滯后時間達林算法針對多數(shù)工業(yè)過程具有純滯后特性，解決/Tm0.5時常規(guī)PID控制的難題，能使被控對象輸出沒有超調量或超調量很小 由于被控對象具有純延時特性，導致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程變壞，且此對象的純延時時間與對象慣性時間常數(shù)T之比為0.5，采用常規(guī)PID算法難以獲得良好的系統(tǒng)性能，因此使用達林算法。當使用達林算法求取字調節(jié)器時，必須求得系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。而達林算法目標是設計一個數(shù)字調節(jié)器，使得整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

10、為具有純時延特性的一階慣性環(huán)節(jié)，其中，純時延時間等于工業(yè)對象的純時延時間，因此，我們可以設，其中為系統(tǒng)的期望閉環(huán)時間常數(shù)。因達林算法也是一種零、極點配置的設計方法，它適用于廣義對象含有時延環(huán)節(jié)、且要求系統(tǒng)沒有超調量或超調量很小的應用場合，適當放寬采樣周期T和的取值X圍或取值為同一數(shù)量級時，有利于消除或削弱振鈴現(xiàn)象。則可取=0.8。 達林算法下調節(jié)器函數(shù)由以上分析知，帶純時延特性的一階慣性環(huán)節(jié)如下：其中，0.374，0.7479，K=122.88 所設計數(shù)字調節(jié)器傳遞函數(shù)如下：，式中，0.8。系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù) 式中，為采樣周期，取L=2，可得。為期望閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)。則 廣義工業(yè)對象脈沖傳遞函數(shù)為： 則所設計數(shù)字調節(jié)器形式為： 因此可求得在單位階躍輸入下，系統(tǒng)期望輸出序列： 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：由以上傳遞函數(shù)，通過MATLAB求其伯德圖，程序如下：給出MATLAB下 的最少拍和PID控制的對比效果假設已測得對象的模型為，采樣時間為15sPID控制Simulink仿真Kp=0.11Ki=0.001Kd=0輸出響應：（2）最小拍控制所謂最少拍系統(tǒng)或最少調整時間系統(tǒng)，是指對下圖所示的隨動系統(tǒng)，在給定某種典型輸入條件下，設計一個控制規(guī)律D（z），使閉環(huán)系統(tǒng)具有最快的響應速度