过程控制与集散系统课程设计加热炉出口温度控制系统的设计.docx

二○一六~二○一七学年第一学期
信息科学与工程学院
课程设计报告书
课程名称: 过程控制与集散系统课程设计
班级: 自动化1304班
学号: 4
姓名: 仲承勇()
指导教师: 周红军
二○一六年十月
设计题目、任务及要求

加热炉出口温度控制系统的设计
2. 设计任务
图1所示为某工业生产中的加热炉,其任务是将被加热物料加热到一定温度,然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为:被加热物料流过排列炉膛四周的管道后,加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀,用以控制燃料油流量,以达到控制出口温度的目的。
图1 加热炉出口温度系统
但是,由于炉子时间常数大,而且扰动的因素多,单回路反馈控制系统不能满足工艺对炉出口温度的要求。为了提高控制质量,采用串级控制系统,运用副回路的快速作用,有效地提高控制质量,满足生产要求。
3. 设计要求
绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。
以加热炉出口温度为主变量,选择滞后较小的炉膛温度的副变量,构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统,要求绘制该串级控制系统结构图。
假设主对象的传递函数为,副对象的传递函数为,主、副控制器的传递函数分别为,,,请确定主、副控制器的参数(要求写出详细的参数估算过程)。
利用simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真,分别给出系统输出响应曲线。
设计任务分析
1、系统建模
1)主副变量的选择
主控制变量:出口原料温度副控制变量:炉膛温度
主副回路设计
副回路是随动系统,因此将炉膛温度对燃料油管道上调节阀的控制设计为副回路。
主回路是定值控制系统,要求控制变量跟随给定值,因此将原料出口温度对燃料油管道上调节阀的控制设计为主回路。
控制方案的选择
根据设计要求可知,主控制采用PI控制器,副控制器采用P控制器。
主回路的任务是满足主变量的定值控制要求,主控制器必须加入较强的积分作用。当主变量的滞后较大且主变量变化较为平缓时,可以加入微分作用。由主变量的特性知,主回路应该选择PI控制器。
副回路是随动系统,其设定值变化频繁,要求控制的快速性,而微分作用对于频繁变化的控制变量会使调节阀的动作过大,不利于整个系统的控制,因此不宜加D控制。副回路的主要目的是快速客服副回路中的各种扰动,为了加大副回路的调节能力,因此不加入I控制。因为积分作用会使得副对象响应速度变慢,延长了控制过程,所以本系统副回路采用P控制。
详细设计
加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图
串级控制系统结构框图
参数整定
(1)、理论依据
串级控制系统的参数整定原则是:先副回路,后主回路。一般而言,副回路的控制要求不高,因此可以参照经验法一次整定;主回路控制器参数整定与单回路整定的方法类似。串级控制系统参数整定主要有三种方法:逐次逼近法、两步整定法、一步法。
在本次课程设计中我采用的是两步整定法。两步整定法的理论依据是,由于主、副对象的时间常数相差很大,则主、副回路的工作频率差别很大,当串级系统中副回路的控制过程比主回路快得多时,可以按先副控制器、再主控制器的整定过程分别独立的整定主、副控制器参数。当副回路整定好以后,将副回路视作主回路的一个环节来整定主回路时,可认定对副回路的影响很小,甚至可以忽略。当副控制器整定好以后,再去整定主控制器时,虽然会影响副变量的控制品质,但只要保证主变量的控制品质,副变量的控制品质就允许有一定的偏差。
两步法整定参数详细步骤
先整定副环。在主、副环路都闭合的情况下,整定副环参数。利用MATLAB建立模型,如下图所示:
参照经验法尝试取的值为【 3 5】,利用Simulink仿真的结果如下:
=
=3时的仿真结果
=5时的仿真结果
根据副回路对快速性的要求可知,副回路参数可取值5,即=5.
再整定主环。将副控制器的参数设置为=5,利用衰减曲线法整定主回路参数。利用MATLAB建立模型,如下图所示:
调整主控制器的参数,找出主变量出现4:1衰减震荡过程时的比例度及振荡周期。利用Simulink仿真的结果如下所示:
放大图:
仿真结果显示,当=:1.
依据前面两步所得的参数,结合主、副控制器的选型,按单回路控制系统的整定方法计算出主、副控制器的参数、及.
由副控制器是P控制器可知,其比例度.
由主控制器是PI控制器及设计要求给出的传递函数知,其比例度,其积分常数,微分时间常数。
主控制器传递函数:,副控制器的传递函数:。
Simulink建模与仿真
单回路控制系统仿真
为了使结果更具一般性,增加了正、负两个幅值皆为1的方波,其作用时刻分别为50和80