加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)(設(shè)計(jì)部分)

加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：生產(chǎn)自動(dòng)控制過(guò)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(jiǎn)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(jí)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(guò)程控制工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用．對(duì)串級(jí)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(jí)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PID參數(shù)整定方法實(shí)現(xiàn)串級(jí)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：串級(jí)控制干擾主回路副回路Abstract:Automaticcontrolofproductionprocess,withthetechnicalrequirements,security,economicproductionrisingcases,simple,conventionalcontrolcannotmeetthemodernproduction.Thetraditionalsingle-loopcontrolsystemisdifficulttomakethesystemcompletelyanti-interference.Cascadecontrolsystemwithgoodanti-jammingcapability,rapidity,flexibilityandqualitycontrol,andthereforeacomplexprocesscontrolindustryhasbeenwidelyused.Cascadecontrolsystemofthecharacteristicsandthemainandsub-loopdesignwaselaborate,designedcascadecontrolsystem,furnace,andMATLAB-basedincrementalPIDalgorithmisappliedinthecontrolsystem.Combinationofcomputer-basedcontrolmethodtoachievePIDparametertuningcascadecontrol,controlresultsshowthatthesystemhasexcellentcontrolaccuracyandstabilityKeywords:Cascadecontrol,interference,themaincircuit,theDeputyloop目錄1.前言 12、整體方案設(shè)計(jì) 22.1方案比較 22.2方案論證 42.3方案選擇 43、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 54.溫度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 64.1控制對(duì)象的特性 64.2主回路的設(shè)計(jì) 74.3副回路的選擇 74.4主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇 74.5主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 75、控制器參數(shù)的工程整定 96、MATLAB系統(tǒng)仿真 96.1系統(tǒng)仿真圖 106.2副回路的整定 106.3主回路的整定 117.設(shè)計(jì)總結(jié) 13【參考文獻(xiàn)】 141.前言加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一。它的任務(wù)是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行。因此加熱爐的溫度控制起著舉足輕重的作用，直接關(guān)系到產(chǎn)量、能源、污染、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等等。目前而言，國(guó)內(nèi)加熱爐控制多數(shù)仍舊采用老式的人工控制。需操作人員完全手動(dòng)控制燃料、原料閥的開(kāi)度，進(jìn)行燒爐。這樣一來(lái)，流量控制的精度將極差，操作的及時(shí)性也將大大降低。同時(shí)，由于大多數(shù)加熱爐的燃料是利用高爐煤氣，而高爐煤氣是多用戶煤氣管網(wǎng)，煤氣壓力波動(dòng)極大，煤氣流量也將嚴(yán)重不穩(wěn)定，對(duì)人工操作難度也進(jìn)一步加大。為此我們?cè)O(shè)計(jì)一套以串級(jí)控制為基礎(chǔ)的加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)，這對(duì)提高工業(yè)產(chǎn)能具有相當(dāng)積極的意義。2、整體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的整體思路是：利用對(duì)燃料量的控制最終來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)主回路溫度控制器從而進(jìn)行對(duì)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(dòng)主回路溫度控制器進(jìn)行對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)。2.1方案比較方案一、簡(jiǎn)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Θ1(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(duì)被控參數(shù)Θ1(t)被控變量：原料出口溫度；操縱變量：燃料流量。當(dāng)對(duì)出口溫度控制要求不高時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)可以滿足要求。圖2.1加熱爐溫度控制系統(tǒng)--調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)閥爐膛管壁原料油溫度變送器1+-+++調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)閥爐膛管壁原料油溫度變送器1+-+++圖2.2加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖方案二、串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)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)，TSC可以及時(shí)動(dòng)作，克服干擾。圖2.3加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)圖2.4加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)框圖2.2方案論證方案一：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有干擾時(shí)，TC輸出信號(hào)改變閥門(mén)開(kāi)度，進(jìn)而改變?nèi)剂狭髁浚跔t膛中燃燒后，爐膛溫度改變，傳給，最終改變?cè)蠝囟?。該過(guò)程時(shí)間常數(shù)大，可達(dá)到15min。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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能被消除。方案二：串級(jí)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(duì)副回路沒(méi)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。2.3方案選擇由于加熱爐的溫度對(duì)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(dòng)幅度大.控制不理想的原因在于被控對(duì)象十分復(fù)雜:1、原料油的流量變化照成溫度波動(dòng)很大;2、處理量頻繁提降也造成出口溫度的波動(dòng);3、油品不斷切換也使?fàn)t口的溫度產(chǎn)生較大的波動(dòng);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(gè)時(shí)變,大時(shí)滯,多干擾的復(fù)雜系統(tǒng)。從加熱爐工作特性可以看出,燃料量的多少是加熱爐溫度變化的決定因素。但其變化過(guò)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)而引起爐出口溫度的改變.由此可見(jiàn),對(duì)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(jí)控制的控制方案是合理而且可行的,這種方案也有助于對(duì)一系列干擾的克服。3、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)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(guò)副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的定值控制。串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)調(diào)工作使主參數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制在工藝規(guī)定范圍之內(nèi)。串級(jí)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(duì)副回路沒(méi)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。4.串級(jí)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.1控制對(duì)象的特性假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分別為：GGvsG02sGm2s將副回路反饋信號(hào)相加點(diǎn)由副調(diào)劑器前向后移至副對(duì)象之前，經(jīng)簡(jiǎn)化，可得出其等效副對(duì)象為：Gc2s=K021+因：K02s=KK02s=T因此，在此控制系統(tǒng)中，等效副對(duì)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(duì)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(gè)起超前作用的微分環(huán)節(jié)，這會(huì)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。4.2主回路的設(shè)計(jì)加熱爐溫度串級(jí)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(duì)被控參數(shù)θ1（t）精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對(duì)來(lái)自燃料干擾、的及時(shí)控制相結(jié)合，先根據(jù)爐膛溫度θ2（t）的變化，改變?nèi)剂狭浚焖傧齺?lái)自燃料的干擾、對(duì)爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度θ1（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。4.3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(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為串級(jí)控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級(jí)系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)整副參數(shù)爐膛溫度θ2（t）能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度θ1（t），提高了主參數(shù)的控制效果。4.4主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇在串級(jí)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(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。在加熱爐溫度串級(jí)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(jí)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(duì)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。4.5主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定一個(gè)過(guò)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(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)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(kāi)式，這樣保證當(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Kv>0。然后確定副被控過(guò)程的K02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以K02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(guò)程K01例如圖2.3所示加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖，從加熱爐安全角度考慮，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開(kāi)閥，即如果調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)中斷，閥門(mén)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，控制信號(hào)上升，閥門(mén)開(kāi)度增大，流量增加，是正作用方式。反之，為負(fù)作用方式。副對(duì)象的輸入信號(hào)是燃料流量，輸出信號(hào)是閥后燃料壓力，流量上升，壓力亦增加是正作用方式。測(cè)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(jí)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(jí)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(dòng)，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(lái)整定串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)。6、MATLAB系統(tǒng)仿真已知副對(duì)象傳遞函數(shù)為

G02(s)=110s+1(s+1)

主對(duì)象的傳遞函數(shù)為

G01s6.1系統(tǒng)仿真圖圖6.1系統(tǒng)仿真框圖此時(shí)P為10.4，I為0.1，D為1.26，此時(shí)的波形如圖6.2圖6.2系統(tǒng)仿真波形對(duì)設(shè)定值施加干擾信號(hào)：圖6.3施加干擾時(shí)的波形串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)干擾串級(jí)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(duì)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(duì)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。6.2副回路的整定將主環(huán)路斷開(kāi)，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。圖6.4副回路整定仿真圖副回路參數(shù)設(shè)定：圖6.5副回路參數(shù)先對(duì)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6.6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8.8。6.3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。圖6.