過程控制課程設(shè)計(jì)--燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、<p>　　《過程控制》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目: 燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng) </p><p><b>　　班 級(jí)： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><p><b>　　姓 名：</

2、b></p><p><b>　　同組人員： </b></p><p><b>　　任課教師： </b></p><p>　　完成時(shí)間： 2013年10月30日</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

3、----------------------------------------------------------------------3</p><p>　　被控對(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析------------------------------------------3</p><p>　　2.1對(duì)象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證---------------------------

4、-----------------3</p><p>　　2.2對(duì)象特性分析--------------------------------------------------------------------5</p><p>　　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)------------------------------------------------------------------------

5、-5</p><p>　　3.1 基本控制方案--------------------------------------------------------------------5</p><p>　　3.2 控制儀表選型--------------------------------------------------------------------9</p>&l

6、t;p>　　3.3 參數(shù)整定計(jì)算-------------------------------------------------------------------10</p><p>　　3.4 控制系統(tǒng)MATLAB仿真-----------------------------------------------------10</p><p>　　3.5 仿真結(jié)果分析-----

7、--------------------------------------------------------------11</p><p>　　四、設(shè)計(jì)總結(jié)------------------------------------------------------------------------------12</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b&g

8、t;</p><p>　　在模殼澆鑄、焙燒時(shí)常用燃油爐，燒制過程中需要對(duì)溫度加以控制，對(duì)一個(gè)燃油爐裝置進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在溫度控制穩(wěn)定到500℃時(shí)，在開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入燃油流量增加大約，即，持續(xù)后結(jié)束，等間隔記錄爐內(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(gè)超調(diào)量的無(wú)差溫度控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　具體設(shè)計(jì)要求如下:</b></p>&l

9、t;p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對(duì)象的模型；</p><p>　　根據(jù)辨識(shí)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；</p><p>　　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；</p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，首先按對(duì)象特性法求出整定參數(shù)，然

10、后按4:1衰減曲線法整定運(yùn)行參數(shù)。</p><p>　　★用MCGS進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。</p><p>　　二、被控對(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析</p><p>　　2.1對(duì)象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證</p><p>　　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：</p><p><b>

11、;　　表2</b></p><p>　　則y（∞）=13.34</p><p>　　K= y（∞）/Δu=0.5336(℃/％)</p><p>　　Matlab畫出圖像：</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　clear;</b&

12、gt;</p><p>　　t=0:100:2100;</p><p>　　yi=[0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00];</p><p>　　ys=[0 0.5 1.94 4.01 5.69

13、 7.18 8.35 9.34 10.15 10.81 11.35 11.8 12.19 12.52 12.79 13 13.15 13.24 13.3 13.33 13.34 13.34];</p><p>　　ym=[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

14、 0.992 0.997 0.999 1 1]</p><p>　　plot(t,yi); %畫出脈沖響應(yīng)曲線</p><p><b>　　hold on;</b></p><p>　　plot(t,ys); %畫出單位階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　hold on;</b></p&

15、gt;<p><b>　　grid on;</b></p><p><b>　　figure;</b></p><p>　　plot(t,ym); %畫出歸一化階躍響應(yīng)輸出曲線</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　脈沖響應(yīng)及階

16、躍響應(yīng)輸出曲線</p><p><b>　　歸一化輸出曲線</b></p><p>　　從圖中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得：</p><p>　　t1=382s,t2=882s </p><p>　　因?yàn)閠1/t2=0.433<0.46,所以選用2階傳函。</p><p>

17、;<b>　　又因?yàn)椋?，?lt;/b></p><p>　　求得T1=166s，T2=419s</p><p>　　得到對(duì)象傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　對(duì)象仿真圖如下：</b></p><p><b>　　2.2對(duì)象特性分析</b></p><p&

18、gt;　　為二階自衡對(duì)象，沒有純延遲環(huán)節(jié)。自衡率= 1.88，響應(yīng)速度= =0.0021，</p><p><b>　　三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 基本控制方案</p><p>　　從設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)約性和實(shí)用性考慮，首先考慮單回路的控制方法，由于對(duì)象的容量較大，而爐內(nèi)溫度的測(cè)量較難，所以單回路的控制方法難以得到較好的效果，所

19、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(jí)控制方法。</p><p>　　為了更好的反應(yīng)串級(jí)方式相對(duì)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(shuō)話。</p><p>　　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。</p><p>　　單回路系統(tǒng)控制原理圖如下:</p><p&g

20、t;　　根據(jù)對(duì)象特性整定參數(shù)（采用齊勒格-尼克爾整定方法）</p><p><b>　　變送器增益：</b></p><p><b>　　調(diào)節(jié)閥增益： </b></p><p><b>　　得廣義對(duì)象傳函：</b></p><p>　　根據(jù)廣義對(duì)象畫出輸出曲線見圖5，程序：&

21、lt;/p><p><b>　　clc;</b></p><p><b>　　K0=0.16;</b></p><p><b>　　num=K0;</b></p><p>　　den=conv([419,1],[166,1]);</p><p>　　G0=t

22、f(num,den);</p><p><b>　　step(G0);</b></p><p>　　k=dcgain(G0);</p><p>　　讀圖可知：τ=60,T=700</p><p>　　最終整定參數(shù)如下：δ=0.85ετ=0.112; kc=；Ti=2τ=120;Td=0.5τ=30;</p>

23、<p>　　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；</p><p>　　SIMULINK仿真圖(帶擾動(dòng))如下:</p><p>　　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。</p><p>　?。?）串級(jí)控制方式：</p><p&g

24、t;<b>　　1.擾動(dòng)分析：</b></p><p>　　燃料：壓力、流量、成分和熱值等</p><p>　　原料：進(jìn)料量、進(jìn)料溫度 </p><p>　　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(dòng)包含了較多擾動(dòng)，即可能多的擾動(dòng)可進(jìn)入副回路。</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)了

25、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(duì)副回路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。</p><p>　　2.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)。</p><p>　　在燃油爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們選

26、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(jí)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。</p><p>　　3.調(diào)節(jié)閥：從安全考慮，選氣開，Kv為正</p><p>　　副對(duì)象：調(diào)節(jié)閥開，爐膛溫度升高，Kp2為正</p>&

27、lt;p>　　副調(diào)節(jié)器：Kc2為正，即反作用調(diào)節(jié)器</p><p>　　主對(duì)象：爐溫升高，出口溫度升高，Kp1為正</p><p>　　主調(diào)節(jié)器：Kc1為正，即反作用調(diào)節(jié)器</p><p>　　Kc2為正，切主調(diào)時(shí)主調(diào)不改變作用方式</p><p><b>　　4.控制流程圖</b></p><

28、p><b>　　控制系統(tǒng)原理圖：</b></p><p>　　控制系統(tǒng)SAMA圖：</p><p><b>　　控制儀表選型</b></p><p><b>　　1.溫度變送器</b></p><p>　　變送器選用DDZ-Ⅲ控制儀表。在主回路的對(duì)象為原料油出口溫度，約為

29、500度，故所設(shè)計(jì)的的范圍為420度到750度。副對(duì)象為爐膛溫度比較高，故所選的變化的范圍600度到1000。</p><p>　　主回路的變送器傳函：</p><p>　　副回路的變送器傳函:</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求變送器檢測(cè)溫度范圍較大，選擇NHR-M32智能溫度變送器，測(cè)量范圍為0—1300 。</p><p>　　控制器要求

30、具有PID調(diào)節(jié)功能，選擇HR-WP模糊PID自整定調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　原理接線圖</b></p><p><b>　　閥門的選擇</b></p><p>　　由于燃油具有較強(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(dòng)蝶閥，最大流量大于4.8t每小時(shí)。</p>

31、<p><b>　　3.3參數(shù)整定</b></p><p>　　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：</p><p><b>　　1.副回路參數(shù)整定</b></p><p>　　調(diào)節(jié)副環(huán)。將主調(diào)節(jié)器設(shè)為1，和設(shè)為0，副調(diào)器設(shè)為1</p><p>　　

32、逐步調(diào)節(jié)副回路的kc。.此時(shí)經(jīng)過微小調(diào)整得到副回路P控制器=6.</p><p><b>　　2、主回路整定：</b></p><p>　　將副調(diào)節(jié)器=6，主回路加入PID，逐步調(diào)節(jié)、、的值，使輸出符合要求，記下此時(shí)的</p><p>　　Simulink仿真圖(帶擾動(dòng))如下:</p><p><b>　　將兩

33、者比較如下：</b></p><p>　　分析:經(jīng)過改進(jìn)，串級(jí)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(shí)間也有很大程度上改善，通過與單回路PID控制對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特有很大改善。</p><p>　　擾動(dòng)分析：從圖中可以看出，在2500s時(shí)分別加入幅值為2的干擾信號(hào)，串級(jí)控制對(duì)擾動(dòng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。相比較上圖的單回路抗擾動(dòng)輸出，又可以看出的串級(jí)控制的優(yōu)越性。

34、</p><p><b>　　3.5仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　通過仿真結(jié)果可以看到，串級(jí)控制系統(tǒng)可以跟好的實(shí)現(xiàn)工程要求，有效克服擾動(dòng)，很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； 對(duì)二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力；提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。綜上所述

35、，本設(shè)計(jì)選擇串級(jí)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　四：設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)---加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)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(shí)，包括串級(jí)控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)的性能分析等。 剛開始設(shè)計(jì)時(shí)，在主、副控制器選擇上，考慮到主被控變量

36、是加熱爐溫度，允許波動(dòng)的范圍很小，要求無(wú)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分控制可能反而會(huì)降低副回路的快速性，降低控制效果。在串級(jí)系統(tǒng)整定時(shí)，開始準(zhǔn)備用逐步逼近法，以為這種方法可以將系統(tǒng)調(diào)試到接近最優(yōu)狀態(tài)，但經(jīng)過實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)這種方法很繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，就考慮使用實(shí)踐中常用的一步整定法，操作后感覺不僅操作簡(jiǎn)便，而且也可以達(dá)到滿意效果，很適合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在PID參數(shù)整定時(shí)，也是用到了比較常用的衰減曲線法