畢業(yè)設計----隔焰隧道窯串級控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p><b>　　2 方案分析1</b></p><p>　　2.1 控制方案的選擇1</p><p>　　2.2 系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇2</p><

2、p>　　2.2.1主變量的選擇2</p><p>　　2.2.2副變量的選擇3</p><p>　　2.2.3操縱變量的選擇3</p><p>　　2.3 調節(jié)閥的選擇3</p><p>　　2.4 傳感器、變送器的選擇3</p><p>　　2.5 控制器的選擇4</p><p&

3、gt;　　2.5.1 控制器控制規(guī)律的選擇4</p><p>　　2.5.2 控制器正、反作用選擇5</p><p>　　2.5.3 控制器選型5</p><p><b>　　3 參數(shù)整定6</b></p><p><b>　　4 仿真分析8</b></p><p>

4、;<b>　　5心得體會13</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p>　　隔焰隧道窯串級控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　過程控制是指在生產過程中，運用合適的控制策略，采用自動化儀表及系統(tǒng)來代替

5、操作人員的部分或全部直接勞動，使生產過程在不同程度上自動地運行，所以過程控制又被稱為生產過程自動化，廣泛應用于石油、化工、冶金、機械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等領域。過程控制系統(tǒng)是指自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度以及PH值等這樣一些過程變量的控制系統(tǒng)。過程控制是提高社會生產力的有力工具之一。它在確保生產正常運行，提高產品質量，降低能耗，降低生產成本，改善勞動條件，減輕勞動強度等方面具有巨大的作用。&

6、lt;/p><p>　　隔焰隧道窯是對陶瓷制品進行預熱、燒成、冷卻的裝置。因為幾個環(huán)節(jié)都涉及到溫度的控制，因此隔焰隧道窯的溫度是生產工藝的一項重要指標，溫度控制的好壞將直接影響產品的質量。另外隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的迅速發(fā)展，對工藝操作條件的要求更嚴格，對安全運行及對控制質量的要求也更高。而因為隧道窯溫度的變化比較慢，所以滯后比較大。綜上所述，須設計一套以溫度為控制變量的控制系統(tǒng)。</p><p>

7、　　該控制系統(tǒng)的生產工藝要求：</p><p>　?、趴梢詫崿F(xiàn)對整個隧道窯的工藝流程的控制。 </p><p>　?、颇軌蚩朔^大的滯后。</p><p>　?、悄軌蜃詣涌刂聘G內溫度，并達到所需精度。</p><p><b>　　2 方案分析</b></p><p>　　2.1 控制方案的選擇&

8、lt;/p><p>　　制品在窯道的燒成帶內按工藝規(guī)定的溫度進行燒結，燒結溫度一般為1300℃，偏差不得超過5C。所以燒成帶的燒結溫度是影響產品質量的重要控制指標之一，因此將窯道燒成帶的溫度作為被控變量，將燃料的流量作為操縱變量。如果火焰直接在窯道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質將會影響產品的光澤和顏色，所以就出現(xiàn)了隔焰式隧道窯?；鹧嬖谌紵抑腥紵瑹崃拷涍^隔焰板輻射加熱燒成帶。</p><p&g

9、t;　　若采用隔焰隧道窯溫度簡單控制系統(tǒng)，由于從控制閥到窯道燒成帶滯后時間太大，如果燃料的壓力發(fā)生波動，盡管控制閥門開度沒變，但燃料流量將發(fā)生變化，必將引起燃燒室溫度的波動，再經過隔焰板的傳熱、輻射，引起燒成帶溫度的變化。因為只有燒成帶溫度出現(xiàn)偏差時，才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在，所以對于燃料壓力的干擾不能夠及時發(fā)現(xiàn)。燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制器根據(jù)偏差的性質立即改變控制閥的開度，改變燃料流量，對燒成帶溫度加以調節(jié)?？墒沁@個調節(jié)作用同樣要經歷燃燒

10、室的燃燒、隔焰板的傳熱以及燒成帶溫度的變化這個時間滯后很長的通道，當調節(jié)過程起作用時，燒成帶的溫度已偏離設定值很遠了。也就是說，即使發(fā)現(xiàn)了偏差，也得不到及時調節(jié)，造成超調量增大，穩(wěn)定性下降。如果燃料壓力干擾頻繁出現(xiàn)，對于單回路控制系統(tǒng)，不論控制器采用PID的什么控制作用，還是參數(shù)如何整定，都得不到滿意的控制效果。 </p><p>　　為了克服較大的滯后，抑制較大的干擾以及使控制更加的準確，簡單控制系統(tǒng)已不能滿

11、足條件，故可選擇串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結構原理圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 隔焰隧道窯溫度—溫度串級控制系統(tǒng)結構原理圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇</p><p>　　2.2.1主變量的選擇</p><p>　　串級控制系統(tǒng)選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應盡量選擇能直接反應控制目的的參數(shù)為

12、主變量；其次要選擇與控制目的有某種單值對應關系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。</p><p>　　由于陶瓷制品的燒成主要是在燒成帶，故在本系統(tǒng)中選擇燒成帶溫度作為主變量。</p><p>　　2.2.2副變量的選擇</p><p>　　副回路的設計質量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點的關鍵。副變量的選擇應遵循以下原則：</p><

13、;p>　　① 應使主要干擾和更多的干擾落入副回路；</p><p>　　② 應使主、副對象的時間常數(shù)匹配；</p><p>　?、?應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟型</p><p>　　另外考慮到燃料壓力變化的干擾對系統(tǒng)溫度影響較大，選擇燃燒室溫度作為副變量。</p><p>　　2.2.3操縱變量的選擇</p>&l

14、t;p>　　工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行的因素。操縱變量的基本原則為：</p><p>　?、?選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量；</p><p>　?、?在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制；</p>

15、<p>　?、?在①的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)響應較快；</p><p>　　燃料流量方便控制，且對溫度的影響較大，故選擇燃料流量作為操縱變量。</p><p>　　2.3 調節(jié)閥的選擇</p><p>　　調節(jié)閥的氣開、氣關形式需要考慮到以下幾種因素：</p><p>　　① 生產安全角

16、度：當氣源供氣中斷，或調節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應該確保生產工藝設備的安全，不至發(fā)生事故；</p><p>　　② 保證產品質量：當發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復到初始位置時，產品的質量不應降低；</p><p>　　③ 盡可能的降低原料、產品、動力損耗；</p><p>　　當隔焰隧道窯發(fā)生故障時，應關閉調節(jié)閥停止燃料的送入，避免窯內溫度過高及燃料不必要的浪費。

17、所以調節(jié)閥選擇氣開閥。</p><p>　　調節(jié)閥的流量特性的選擇，在實際生產中常用的調節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性和快開特性三種，在本系統(tǒng)中調節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。</p><p>　　2.4 傳感器、變送器的選擇</p><p>　　由于窯內燒結溫度一般為1300℃，故應選擇熱電偶溫度傳感器。</p><p>　　一體化溫度變送器，是指

18、將變送器模塊安裝在測溫度元件接線盒或專用接線盒內，變 </p><p>　　送器模塊和測溫元件形成一個整體，可直接安裝在被測設備上，輸出為統(tǒng)一標準信號，4mA～20mA。這種變送器具有體積小、質量輕、現(xiàn)場安裝方便等優(yōu)點，因而在工業(yè)生產中 得到廣泛應用。</p><p>　　所以本設計選擇一體化化熱電偶溫度變送器。根據(jù)表1所示，其材質可選則鉑銠30-鉑銠6熱電偶。</p>&l

19、t;p>　　表1 不同材質熱電偶測量范圍對應表</p><p>　　整個溫度變送器的電路原理圖如圖2所示，由熱電偶、輸入電路和 AD693 等組成。輸入電路是一個冷端補償電橋，為銅補償電阻，通過改變電位器的阻值可以調整變送器的零點。和的作用是調整量程。</p><p>　　圖2 一體化熱電偶溫度變送

20、器原理圖</p><p>　　2.5 控制器的選擇</p><p>　　2.5.1 控制器控制規(guī)律的選擇</p><p>　　在串級控制中，主變量直接關系到產品的質量或生產的安全，所以主變量一般要求不得有余差，而對副變量的要求一般都不很嚴格，允許有一定波動和余差。從串級控制的結構上看，主環(huán)是一個定值系統(tǒng)，副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)。對于本系統(tǒng)由于溫度變化緩慢造成的滯后較大，

21、為克服較大滯后，選用PID控制器作為主控制器。副控制器只選比例控制器。</p><p>　　2.5.2 控制器正、反作用選擇</p><p>　　因為當閥開大使燃料流量增加時，燃燒室溫度升高，故副對象為正作用。燃燒室溫度增加使燒成帶溫度也增加，即主對象為正作用。</p><p>　　調節(jié)閥為氣開式為正作用。</p><p>　　溫度傳感器均為

22、正作用。</p><p>　　要滿足主回路和副回路為負反饋，則副控制器為反作用，主控制器為反作用。 </p><p>　　2.5.3 控制器選型</p><p>　　通過前面的分析，主調節(jié)器要用到PID調節(jié)，副調節(jié)器要用到P調節(jié)，所以對于主副調節(jié)器我們用兩個DDZ-III型控制器即可。</p><p>　　DDZ-III型儀表采用了集成電路和

23、安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有特點：1）采用國際電工委員會（IEC）推薦的統(tǒng)一信號標準，現(xiàn)場傳輸信號為DC4-20mA，控制室聯(lián)絡信號為DC1-5V，信號電流與電壓的轉換電阻為250；2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少；3）整套儀表可構成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國家防爆規(guī)程進行設計的，而且增加了安全柵

24、，實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險的場所中使用。</p><p>　　圖3 DDZ-III型調節(jié)器的結構框圖</p><p>　　DDZ-III型PID調節(jié)器的結構框圖如圖6。主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。</p><p>　　調節(jié)器接收變送器送來的測量信號(DC4-20mA或DC1-

25、5V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算，最后由輸出電路轉換為4-20mA直流電流輸出。</p><p>　　對于控制器的正反作用、PID或P調節(jié)以及參數(shù)的設定都可以通過調節(jié)器面板上的操作鍵來完成。對于主控制器的DDZ-III型調節(jié)器，我們將其右側面板上設有正反作用切換按鈕切到反作用上，并在P、TI、TD參數(shù)設定輪上使P、TI、TD均不為0構成PID調節(jié)；對于副控

26、制器的DDZ-III型調節(jié)器，我們將其右側面板上設有正反作用切換按鈕切到反作用上，并在P、TI、TD參數(shù)設定輪上將TD設定為零，TI設定為無窮大，構成P調節(jié)。</p><p>　　綜上所述，可畫出隔焰隧道窯溫度—溫度串級控制系統(tǒng)的結構方框圖，如圖2。</p><p>　　圖4隔焰隧道窯溫度—溫度串級控制系統(tǒng)的結構方框圖 </p><p><b>　　3 參

27、數(shù)整定</b></p><p>　　由上所知，主控制器為PID控制器，副控制器為P控制器?？稍O定控制系統(tǒng)所用主、副控制器的傳遞函數(shù)分別為：，，假設主對象的傳遞函數(shù)為，副對象的傳遞函數(shù)為，,</p><p>　　在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：逐步逼近法；兩步整定法；一步整定法。逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步逼近法簡化了調試過程，但

28、還是要做兩次4：1衰減曲線法的實測。對兩步整定法進行簡化，在總結實踐經驗的基礎上提出了一步整定法。為了簡便起見，本設計采用一步整定法。</p><p>　　所謂一步整定法，就是根據(jù)經驗先確定副調節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調節(jié)器的參數(shù)。</p><p>　　在在Simulink中建立系統(tǒng)結構圖，如圖5所示。</p><

29、;p>　　圖5在Simulink中控制系統(tǒng)的結構圖 </p><p>　　對于該溫度串級控制系統(tǒng)，在一定范圍內，主、副控制器的增益可以相互匹配。根據(jù)表1，可以大致確定副控制器的增益及比例帶。</p><p>　　表2 常見對象的副控制器比例帶的經驗法</p><p>　　根據(jù)本設計，為了使系統(tǒng)的快速性更好一些，適當選取（整定時可以根據(jù)具體情況再做適當調整）。然

30、后在副回路已經閉合的情況下按單回路控制器參數(shù)整定方法整定主控制器，本方案采用衰減曲線法整定，考慮到4：1衰減太慢，因此采用10：1衰減曲線法整定主控制器參數(shù)。</p><p>　　衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調節(jié)器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程，直至10：1衰減過程為止。這時的比例度稱為10：1衰減比例度，用表示之。由于當衰減比為10：1時。要推測的時間不容易，因此

31、當過渡過程曲線上只看到第一個波峰而第二個看不出來時就認為是衰減比為10：1的振蕩過程。此時被控參數(shù)上升時間為。根據(jù)和，運用表2所示的經驗公式，就可計算出調節(jié)器預整定的參數(shù)值。</p><p>　　表3 衰減曲線法整定計算公式 </p><p>　　衰減曲線法的第一步就是獲取系統(tǒng)的衰減曲線，采用10：1衰減曲線法。取，，可直接將圖5中的積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)都斷開，讓δS的值從大到小進行試驗.，

32、觀察示波器的輸出， 直到只看到第一個波峰而第二個看不出來時就認為是衰減比為10：1的振蕩過程。</p><p>　　此結構模型仿真出來得到系統(tǒng)10：1衰減曲線如圖6所示。此時，由圖可知，s,根據(jù)表2計算得,,。即主控制器傳遞函數(shù)為，副控制器傳遞函數(shù)為</p><p>　　圖6 系統(tǒng)10：1衰減曲線圖</p><p><b>　　4 仿真分析</b&g

33、t;</p><p>　　根據(jù)衰減曲線法求出來的主副控制器的各項參數(shù)，可以在Simulink中進行仿真。為了使仿真結果更直觀更具比較性，讓經過系統(tǒng)調節(jié)后的輸出與給定進行比較，可以在如圖5所示的結構圖中增加一條由階躍信號直接到示波器的線。</p><p>　　將所整定出來的主副調節(jié)器的各項參數(shù)代入圖5中，得到如圖7所示，即為整定好時Simulink中系統(tǒng)模型結構圖。</p>&

34、lt;p>　　圖7整定好時Simulink中系統(tǒng)模型結構圖。</p><p>　　點擊Start simulation,在示波器里面雙擊進行查看，可以得到如圖8所示的仿真圖形。</p><p>　　圖8整定好后Simulink系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　由圖8可以看出，經過串級控制系統(tǒng)主副控制器的調節(jié)后，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時可以達到無靜差，且

35、 ，超調量較小。系統(tǒng)在110s時達到穩(wěn)定。</p><p>　　當考慮到主回路里加入干擾時，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行到大約130s時，加入一個幅值為設定值40%的階躍擾動信號，如圖所示。</p><p>　　圖9主回路加入干擾時系統(tǒng)結構模型圖</p><p>　　對其進行仿真后如圖10所示，可以看出干擾很快被抑制，由主回路所加干擾引起的系統(tǒng)的超調量為

36、 ，在220s時系統(tǒng)很快重新達到穩(wěn)定。且達到穩(wěn)定后系統(tǒng)無靜差。</p><p>　　圖10主回路加入干擾后Simulink系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　當考慮到副回路里加入干擾時，如在系統(tǒng)在穩(wěn)定運行到大約130s時，加入一個幅值為設定值40%的階躍擾動信號，如圖11所示。 </p><p>　　圖11副回路加入干擾時系統(tǒng)結構模型圖</p

37、><p>　　對系統(tǒng)進行仿真后如圖12所示，可以看出干擾很快被抑制，而且由干擾引起的超調量為 ，明顯比主回路加入干擾時超調量要小，表明串級控制系統(tǒng)對加在副回路里的干擾的抑制作用更強，在系統(tǒng)設計時應盡量將主要的干擾包含在副回路中。系統(tǒng)在220s時重新達到穩(wěn)定。且達到穩(wěn)定后系統(tǒng)無靜差。</p><p>　　圖12副回路加入干擾后Simulink系統(tǒng)仿真圖<

38、;/p><p>　　再來分析若主回路和副回路同時加入干擾時系統(tǒng)的抗擾性能，如在系統(tǒng)在穩(wěn)定運行到大約130s時，主回路和副回路中均加入一個幅值為設定值40%的階躍擾動信號，如圖13所示。</p><p>　　圖13主副回路同時加入干擾后Simulink系統(tǒng)結構模型圖</p><p>　　圖14主副回路同時加入干擾后Simulink系統(tǒng)仿真圖</p><

39、p>　　對其進行仿真后如圖14所示，可以看出干擾很快被抑制，由主回路所加干擾引起的系統(tǒng)的超調量為 ，在220s時系統(tǒng)重新達到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　從以上三種情況時的抗擾分析可以得出，串級控制系統(tǒng)對主回路和副回路中的干擾有較好的抑制作用，系統(tǒng)都可以較快地達到穩(wěn)定。而且穩(wěn)態(tài)均無靜差。另外系統(tǒng)對加在副回路中的干擾信號的抑制作用更強。</p>

40、<p><b>　　5心得體會</b></p><p>　　理論的學習使我掌握了有關過程控制系統(tǒng)的設計和分析。隨著科技不斷發(fā)展進步系統(tǒng)的自動控制也同我們的生活息息相關，在我們的生活中扮演的角色也越來越重要。</p><p>　　這次課程設計總共不到兩個星期的時間，而且期間穿插著元旦放假以及另外一門課設，時間比較緊，但是即使這樣，我也積極地進行準備，認真分析老

41、師所給的任務書。剛開始時，我看到我的題目為串級控制系統(tǒng)，還暗自慶幸比那些什么比值或分程控制的要簡單。但是做了段時間，就被卡住了，在對隧道窯進行建模的問題上，我想了很多方法，在網上無論怎么搜索都搜不到，最終只有對于建模這一過程進行舍棄。而是將重點放在參數(shù)的整定以及對系統(tǒng)進行仿真和抗擾性能分析上面了。 </p><p>　　在做過控課程設計的過程中我更能認真和全面的對所學知識有一個全面和系統(tǒng)更深刻的了解和掌握。在這個

42、過程中我認真查閱了大量資料和工具書增長了我的知識，開闊了我的視野。不過我看得更多的還是教材，萬變不離其宗，對任何一個設計其基本原理最終都可以在書本上找到答案。所以書本是最重要的，完全吃透書本課程設計才能發(fā)揮得更好。</p><p>　　雖然課程設計源于書本，但是和應用于生活聯(lián)系得更加緊密。這就要求我們在學習和生活的過程中每個人都要學會應用資源和我們自身的優(yōu)勢，同時留心觀察身邊的事物。</p><

43、;p>　　另外在做課程設計過程中，涉及到Matlab的仿真。通過親自仿真實踐，掌握了如何在Simulink中進行仿真。另外為了模擬這個工業(yè)控制過程，我還專門下載了組態(tài)王軟件，但是因為不太會用，所以最終沒有能仿真出其控制的動態(tài)過程，不過卻讓我認識了這款軟件，并且了解了一些基本的操作。只有親自動手才會發(fā)現(xiàn)問題，在做課設過程中，我遇到了關于Word排版的問題，公式編緝的問題，以及進行截圖要用到虛擬打印機的問題等，我最終都比較順利的完成了

44、，這更鍛煉了我解決問題的能力。</p><p>　　要在10天左右時間內做好兩門課設，吃苦熬夜是必然的，舍不得吃苦是做不好任何事的。另外光能吃苦是不夠的，還要有過硬的技術水平，有的同學基礎扎實，一兩個晚上就能完成設計，但有的同學卻不知道怎么樣開頭，不知道要做什么，這就是差距。通過課程設計讓自己明白自己所差的 還很多很多……在接下來的日子里一定要努力學習以備將來走入社會能不讓人用輕飄飄的眼神看自己。也用自己的所學來

45、證明自己的尊嚴和人格。</p><p>　　在這次設計中，由于我知識的欠缺，設計的并不詳細，知識的銜接也不理想，錯誤應該是有的，但我很認真地去做了，設計中錯誤的地方希望老師能諒解，并加以指點。我會努力改正，力爭在以后的課設和學習中更加完善。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 蔡啟仲.控制系統(tǒng)計算機輔助設計

46、. 重慶：重慶大學出版社， 2003</p><p>　　[2] 孫洪程、李大宇.過程控制工程. 北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[3] 蔣珉.控制系統(tǒng)計算機仿真. 北京:電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[4] 梁昭峰.過程控制工程. 北京：北京理工大學出版社，2010</p><p>　　[5] 王選民.