加熱爐前饋--串級控制系統(tǒng)

1、第1章 課程設計的方案1.1 概述在產(chǎn)品的工藝加工過程中，溫度有時對產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，溫度檢測和控制是十分重要的。例如在砂漿工藝中，使?jié){液的溫度保持恒定值，對保持漿液粘度和濃度不變，進行均勻上漿是十分重要的，這就需要對加熱介質(zhì)的溫度進行連續(xù)的測量和控制；另外，由于砂漿機中蒸氣壓力和卷繞速度的變化使烘干溫度變化很大，因此，測量和控制烘筒的溫度非常重要。加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一，它的任務是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行。在冶金工業(yè)中，加熱爐內(nèi)的溫度控制直接關系到所冶煉金屬的產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，溫度控制不好，將給企業(yè)帶來不可彌補的損失。為此，可靠的溫度的監(jiān)控在工業(yè)中是十

2、分必要的。加熱爐是鋼鐵企業(yè)熱軋生產(chǎn)過程的關鍵設備之一，其性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產(chǎn)品質(zhì)量鋼坯成材率、軋機設備壽命以及整個主軋線的有效作業(yè)率加熱爐控制系統(tǒng)對加熱爐的控制系統(tǒng)來講占有很重要的地位，它對于坯料加熱溫度的均勻，溫度控制的準確，合理進行燃燒，節(jié)約燃料，減少有害氣體對環(huán)境的污染都有重要意義單回路控制系統(tǒng)解決了大量的定值控制問題。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高，產(chǎn)品質(zhì)量要求也越來越高，簡單控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這些要求。前饋串級控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中很常見的一種系統(tǒng)，它將前饋控制和反饋控制結合起來，組成前饋反饋復合控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋控制即使克服主要干擾被控參數(shù)

3、影響的優(yōu)點，又保持了反饋控制能抑制各種干擾的優(yōu)勢，同時也降低了對前饋控制器的要求，便于工程上的實現(xiàn)。 第2章 課程設計方案論證2.1方案選定2.1.1 簡單控制系統(tǒng)加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一，它的任務是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行。因此，常選原料油出口溫度為被控參數(shù)、燃料流量為控制變量，構成如圖2.1所示的溫度控制系統(tǒng)。影響原料油出口溫度的干擾有原料油流量、原料油入口溫度、燃料壓力、燃料壓力等。該系統(tǒng)根據(jù)原料油出口溫度變化來控制燃料閥門開度，通過改變?nèi)剂狭髁繉⒃统隹跍囟瓤刂圃谝?guī)定的數(shù)值上，是一個簡單控制系統(tǒng)。圖2.1 加熱爐出口單回路溫度控制系統(tǒng)由圖2.1可知

4、，當燃料壓力或燃料熱值變化時，先影響爐膛溫度，然后通過傳熱過程逐漸影響原料油的出口溫度。從燃料流量變化經(jīng)過三個容量后，才引起原料油出口溫度變化，這個通道時間常數(shù)很大，約有15min，反應緩慢。而溫度控制器是根據(jù)原料油的出口溫度與設定值的偏差進行控制。當燃料部分出現(xiàn)干擾后，圖2.1所示的控制系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)的影響，控制質(zhì)量差。當生產(chǎn)工藝對原料油出口溫度要求嚴格時，上述簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求。燃料在爐膛燃燒后，首先引起爐膛溫度變化，再通過爐膛與原料油的溫差將熱量傳給原料油，中間還要經(jīng)過原料油管道管壁。顯然，燃料量變化或燃料熱值變化，首先使爐膛溫度發(fā)生改變。如果以爐膛

5、溫度作為被控參數(shù)組成單回路控制系統(tǒng)，會使控制通道容量滯后減少，時間常數(shù)約為3min，對來自燃料的干擾、的控制作用比較及時，對應的控制系統(tǒng)如圖2.2所示。但問題是爐膛溫度畢竟不能真正代表原料油出口溫度，即使爐膛溫度恒定，原料油本身的流量或入口溫度變化仍會影響原料油出口溫度，這是因為來自原料油的干擾、并沒有包含控制系統(tǒng)（反饋回路）之內(nèi)，控制系統(tǒng)不能克服、對原料油出口溫度的影響，控制效果仍達不到生產(chǎn)工藝要求。圖2.2 加熱爐爐膛溫度控制系統(tǒng)2.1.2 前饋-串級控制系統(tǒng)如果將上面兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點溫度控制器對被控參數(shù)的精確控制、溫度控制器對來自燃料的干擾、的及時控制結合起來，先根據(jù)爐膛溫度的變化，改

6、變?nèi)剂狭?，快速消除來自燃料的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度與設定值的偏差，改變爐膛溫度控制器的設定值，進一步控制燃料量，以保持原料油出口溫度恒定，這樣就構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)的串級控制系統(tǒng)。在以這個串級控制系統(tǒng)作為反饋回路，將前饋和反饋相加的信號作為爐膛溫度控制器的設定值，組成相加型前饋和串級反饋的控制系統(tǒng)。這樣干擾、對原油出口溫度的影響主要由爐膛溫度控制器（構成的控制回路進行校正；由原料油出口溫度控制器）構成的控制回路克服干擾、對原料油出口溫度的影響，并對其他干擾所引起的的偏差進行校正。綜上所述，由于加熱爐動態(tài)性復雜，存在多種擾動，簡

7、單控制系統(tǒng)難以滿足控制要求，所以采用前饋-串級控制系統(tǒng)。第3章 加熱爐前饋-串級控制系統(tǒng)的設計和器件選擇前饋-串級控制系統(tǒng)的串級系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個控制器，前一個控制器的輸出作為后一個控制器的設定，后一個控制器的輸出送往控制閥。前一個控制器稱為主控制器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個控制器稱為副控制器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。串級部分包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副控制器、控制閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主控制器、副控制器、控制閥、副過程和主過程構成。前饋串

8、級控制系統(tǒng)的前饋系統(tǒng)采用一個控制器和一個變送器，當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。圖3.1加熱爐出口溫度前饋-串級控制系統(tǒng)主控制器副控制器器控制閥爐膛壁管原料油溫度變送器2溫度變送器1f3,f4f1,f2前饋控制器溫度變送器圖3.2加熱爐出口溫度前饋-串級控制系統(tǒng)結構框圖3.1前饋-串級控制系統(tǒng)的串級系統(tǒng)一、 主回路設計 主回路設計就是確定被控參數(shù)，根據(jù)被控參數(shù)與生產(chǎn)過程的關系，被控參數(shù)的選擇通常有兩種方法。一種是選擇能直接返應生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，易于測量的參數(shù)作為被控參數(shù)，稱為直接參數(shù)法。但有時由于缺乏檢測直接

9、反映產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的有效手段，無法對產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)進行直接檢測，這時可以選擇與質(zhì)量指標有單值對應關系、易于測量的變量作為被控參數(shù)，間接反映產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)過程的實際情況。二、 副回路的設計與副參數(shù)的選擇副回路的選擇是確定副回路的被控參數(shù)，串級系統(tǒng)的特點主要來源于它的副回路，副回路的參數(shù)選擇一般應遵行下面幾個原則：（1）主、副參數(shù)有對應關系。即通過調(diào)整副參數(shù)能有效地影響主參數(shù)，副參數(shù)的變化應反映主參數(shù)的變化趨勢、并在很大程度上影響主參數(shù)；其次，選擇的副參數(shù)必須是物理上可測的；另外，由副參數(shù)所構成的副回路，控制通道盡可能短，控制過程時間常數(shù)不能太大，時間滯后小，以便使等效過程時間常數(shù)顯著減小，提高整個系

10、統(tǒng)的工作頻率，加快控制過程反應速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。（2）副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾。 在選擇副參數(shù)時一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中，但也不是副回路包含的干擾越多越好，因為副回路包含的干擾越多，其控制通道時間常數(shù)必然越大，響應速度變慢，副回路快速克服干擾的能力將受到影響。所以在選擇副參數(shù)時，應在副回路反應靈敏與包含較多干擾之間進行合理的平衡。（3）副參數(shù)的選擇應考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生。在串級控制系統(tǒng)中，主、副回路中控制過程的時間常數(shù)不能太接近，一方面是為了保證副回路具有較快的反

11、應能力，另一方面由于在串級控制系統(tǒng)中，主、副會理密切相關，如果主、副回路中的時間常數(shù)比較接近，系統(tǒng)一旦受到干擾，就有可能產(chǎn)生“共振”，使控制質(zhì)量下降，甚至使系統(tǒng)因震蕩而無法工作。在選擇副參數(shù)時，應注意使主、副回路中控制過程的時間常數(shù)之比為310，以減少主、副回路的動態(tài)聯(lián)系、避免“共振”。（4）應注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性。三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起隨動控制作用，這是選擇控制器規(guī)律的基本出發(fā)點。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般要求無靜差，因此，主控制器應選PI或PID控制規(guī)律。副被控參數(shù)的設

12、置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，因而可以允許在一定范圍的變化，并允許有靜差。為此，副控制器選擇P控制規(guī)律。四、主、副控制器正、反作用方式的確定在串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器正、反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構成負反饋。串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器的正反作用的選擇方法是：首先根據(jù)工藝要求決定控制閥的氣開、氣關形式，并決定副控制器的正反作用;然后再依據(jù)主、副過程的正、反形式最終確定主控制器的正、反作用方式。由圖3.2可以得到，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油控制閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，控制閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。對于副控制器，當爐膛溫度升高時，測量信號增大

13、、為保證副回路為負反饋，此時控制閥應關小，要求副控制器輸出信號減小。按照測量信號增大，輸出信號減小的原則要求，副控制器應為反作用方式。對于主控制器，當副參數(shù)升高時，主參數(shù)也升高，故主控制器應為反作用方式。五、前饋-串級控制系統(tǒng)的串級系統(tǒng)的控制過程 1、主被控變量：加熱爐出口溫度 2、副被控變量：爐膛溫度 3、控制閥：從安全角度考慮，選擇氣開控制閥，0。 4、副被控對象：控制閥打開，燃料油流量增加，爐膛溫度升高，因此，0。 5、副控制器：為保證負反饋，應滿足0。因0,應選0,即選擇反作用控制器。 6、主被控對象：當爐膛溫度升高時，出口溫度升高，因此，0。 7、主控制器：為保證負反饋，應滿足0。因

14、0,應選0。即選用反作用控制器。 8、主控方式更換：由于副控制器是反作用控制器，因此，主控制器從串級切換到主控制時，主控制器的作用方式不更換，保持原來的反作用方式。該串級控制系統(tǒng)的控制過程如下： 當擾動或負荷變化使爐膛溫度升高時，因副控制器是反作用，因此，控制器輸出減小，控制閥是氣開型，從而控制閥開度減小，燃料量減小，使爐膛溫度下降；同時，爐膛溫度升高，使出口溫度升高，通過反作用的主控制器，使副控制器的設定降低，通過副控制回路的控制，減小燃料量，減低爐膛溫度，進而降低出口溫度，以保持出口溫度恒定。3.2 前饋-串級控制系統(tǒng)的前饋系統(tǒng)一、前饋控制系統(tǒng)的原理加入前饋控制器后，從干擾F(s)到被控參

15、數(shù)Y(s)之間存在兩個通道：一個是通過干擾通道傳遞函數(shù)為去影響被控參數(shù)Y(s)，另一個是經(jīng)過測量環(huán)節(jié)FT,傳遞函數(shù)為, 和前饋控制器FC,傳遞函數(shù)為及控制閥傳遞函數(shù)為，產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過控制通道傳遞函數(shù)為去影響輸出量Y(s)。干擾F(s)對被控參數(shù)Y(s)影響：如果要F(s)對被控參數(shù)Y(s)沒有影響，可以得到完全抵消的條件為：即：二、前饋控制系統(tǒng)的通用模型按照不變性條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)表達式，即： （1）實踐證明，很多工業(yè)過程都有過阻尼特性，因此，常常將被控過程的控制通道和擾動通道用一階或二階的容量滯后模型來近似，必要時串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)，即： （2） （3）將式（2）和式（3）

16、代入（1）得到：參數(shù)取不同值時，可獲得不同特性的前饋控制器。3.3 主、副控制器選用以單片機89C51為控制器，將溫度傳感器得到的微弱電信號，經(jīng)儀表放大器放大后，送入轉換器，轉化結束后，89C51讀取轉換結果，當爐溫低于設定溫度時，啟動加熱控制部件，使爐溫升高，以滿足現(xiàn)場要求當爐溫高于設定溫度時，實時地切斷加熱源采用單片機來對爐溫實時控制不僅具有控制方便簡單和靈活性大的特點，而且提高了爐溫控制精度的技術要求，從而大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量DDZ-III型儀表采用了集成電路和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型儀表具有以下主要特點：（1）

17、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DC420mA，控制室聯(lián)絡信號為DC15V，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，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。DDZ-III型PID控制器的結構框圖如圖3.3。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。 控制器接收變送器送來的測量信號(DC420mA或DC15V），在輸

18、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420mA直流電流輸出。內(nèi)給定電路給定值指示輸入電路PD電路內(nèi)給定測量值指示軟手動電路PI電路輸出電路輸出指示硬手動電路圖3.3 DDZ-III型控制器結構框圖3.4 主、副電路檢測器和變送器的確定一、溫度檢測器熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號轉換成電動勢（mV）信號，配以測量毫伏的指示儀表或變送器可以實現(xiàn)溫度的測量指示或溫度信號的轉換。具有穩(wěn)定、復現(xiàn)性好、體積小、響應時間較小等優(yōu)點、熱電偶一般用于500C以上的高溫，可以在1600C高溫下長期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數(shù)電阻的

19、阻值隨溫度變化而變化，如果某材料具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的關系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數(shù)半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。副回路中的溫度變送器2檢測的是爐膛的溫度，一般較高，故選擇熱電偶；主電路的溫度變送器1則檢測的是原料油的出口溫度，溫度較低，選擇熱電阻即可。在使用熱電偶時，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動的影響，且距熱源較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導

20、線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠、溫度較穩(wěn)定的地方。用補償導線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒有完全解決冷端溫度補償問題，為此還要采取進一步的補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調(diào)整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體PN結補償法。采用熱電阻法測量溫度時，一般將電阻測溫信號通過電橋轉換成電壓，當熱電阻的連接導線很長時，導線電阻對電橋的影響不容忽視。為了消除導線電阻帶來的測量誤差，不管熱電阻和測量一邊之間的距離遠近，必須使導線電阻的阻值符合規(guī)定的數(shù)值，如果不足，用錳銅電阻絲湊足。同時，熱電阻必須用三線接法，熱電阻用三根導線引出，一根連接電源，不影響橋路的平衡，另外兩根被

21、分別置于電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵消。二、 溫度變送器檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號標準。變送器的任務就是將檢測信號轉換成標準信號輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號必須經(jīng)溫度變送器轉換成標準信號后，才能進入控制系統(tǒng)，與控制器等其他儀表配合工作。圖3.4給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結構基本相同。傳感元件輸入電路放大電路反饋電路+電量輸出電流圖3.4 溫度變送器原理框圖 MAT-TT系列一體化溫度變送器是熱電阻、熱電偶與變送器的完美結合，以十分簡捷的方式把-2001300的溫

22、度信號轉換為標準420mA電流信號實現(xiàn)對溫度精確測量與控制。 MAT-TT系列溫度變送器可與顯示儀、控制系統(tǒng)、記錄儀等調(diào)節(jié)器配套使用，并被廣泛應用于石油、化工、發(fā)電醫(yī)藥、紡織、鍋爐等工業(yè)領域。 儀表主要特點： 溫度模塊內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂澆注工藝，適應于各種惡劣和危險場所使用。冷端、溫漂、非線形自動補償。液晶、數(shù)碼管、指針等多種指示功能方便現(xiàn)場適時監(jiān)控。技術指標： (1)基本誤差：1.0%、0.5%、0.25% 二線制輸出、無需補償導線。 (2)輸出信號：420mA 抗干擾能力強、遠傳性能好。 (3)負載電阻：250允許范圍為0500 結構簡單、合理安裝方便。 (4)供電電源：24V DC 允許范

23、圍為1830VDC 小型化、安全可靠、使用壽命長。 (5)溫度漂移：0.015%/ 三線制、二線制輸入方法通用。(6)環(huán)境溫度：-2560、相對濕度：95% 液晶顯示現(xiàn)場溫度，清晰度高，無視覺誤差。3.5 控制閥的確定 由前文得，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油控制閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，控制閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全為了保證。控制閥按其工作能源形式可分為氣動、電動和液動三類。氣動控制閥用壓縮空氣作為工作能源，主要特點是能在易燃易爆環(huán)境中工作，廣泛地應用于化工、煉油等生產(chǎn)過程中；電動控制閥用電源工作，其特點是能源取用方便，信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環(huán)境中工作

24、；液動控制閥用液壓推動，推力很大，一般生產(chǎn)過程中很少使用。故本設計采用了氣動控制閥，且為氣開形式。HY系列氣動閥采用國產(chǎn)或進口精小型氣缸或氣動執(zhí)行器與國產(chǎn)或臺灣產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蝶閥或球閥組合而成，其以壓縮空氣為動力，帶動閥芯旋轉90以實現(xiàn)快速啟閉目的，可廣泛應用于石油、化工、制藥、污水處理等行業(yè)中的自動控制系統(tǒng)。 HYQQF-L系列特別適用于防爆危險場所及現(xiàn)場工況需要啟閉頻繁速度快，密封要求高的自控制場所，其作用形式可分為單作用和雙作用兩種控制方式。單作用式的獨特優(yōu)點是一旦動力源發(fā)生故障，球閥將控制系統(tǒng)的要求自動處于關閉或開啟位置。 3.6 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從整體上來看是定值控制系統(tǒng)，

25、要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準確、快速地跟隨主控制器輸出地變化。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數(shù)的要求也不同，通過正確的參數(shù)整定，可取得理想的控制效果。串級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。這里采用兩步整定法。兩步整定法就是讓系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系統(tǒng)整定副控制器參數(shù)，第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為串級控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主控制器進行一次參數(shù)整定。一個設計合理的串級控制系統(tǒng)，其主、副回路中被控過程的時間常數(shù)應有適當?shù)钠ヅ潢P系，一般為。主回路的工作周期遠大于副回路的工作周期，主、副回路間的動態(tài)

26、關聯(lián)較小。兩步整定法的整定步驟如下：（1）在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，系統(tǒng)處于串級運行狀態(tài)，主、副控制器均為比例作用的條件下，先將主控制器的比例度置于100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副控制器的比例度，直到得到副回路過渡過程衰減比為4：1的比例度，過渡過程的振蕩周期為。（2）在副控制器的比例度的條件下，逐步降低主控制器的比例度，直到同樣得到主回路過渡過程衰減比為4：1的比例度，過渡過程的振蕩周期為。（3）按以求得的、和、的值，結合已選定的控制規(guī)律，按表2-1衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗公式，計算出主、副控制器的整定參數(shù)值。（4）按照“先副回路，后主回路”的順序，將計算出的參數(shù)值設置到控制器上，做一些擾動實驗

27、，觀察過渡過程曲線，作適當?shù)膮?shù)調(diào)整，直到控制品質(zhì)最佳為止。表3.1 衰減曲線法整定參數(shù)計算表 整定參數(shù)控制規(guī)律P（%）TiTdPPsPI1.2Ps0.5TsPID0.8Ps0.3Ts0.1Ts3.7 串級控制系統(tǒng)的控制算法：一、 模擬PID控制規(guī)律的離散化表3.2 模擬PID控制規(guī)律的離散化形式模擬形式離散化形式二、 數(shù)字P、PID控制器的差分方程PID控制： 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項P控制 三、 PID控制器的類型1、選用位置型控制 2、 PID位置型控制示意圖PID位置算法調(diào)節(jié)閥 被控對象r（t）c（t）圖3.5 PID位置型控制示意圖3、位置型PID算法的程序流程 1、位置型

28、的遞推形式 2、位置型PID算法的程序流程只需在增量型PID算法的程序流程基礎上增加一次加運算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。 計算e(n)計算計算計算+計算計算計算+u（n-1）e(n-1)到e(n-2)e(n)到e(n-1)u(n)到u(n-1)返回 圖3.5 PID位置型控制流程圖第3章 硬件設計3.1 系統(tǒng)組成該加熱爐系統(tǒng)采用煤氣加熱，如果煤氣流量頻繁變化，加熱爐的溫度也隨之不斷變化。從而影響加熱爐的出口溫度。又似此看來，影響加熱爐出口溫度的主要因素是爐溫的變化。為使出口溫度恒定，采用前饋-串級控制系統(tǒng)，設置三個控制器，控制爐溫和出口溫度，以及其他擾動。系統(tǒng)原理

29、圖見圖3.1所示。圖3.1 加熱爐系統(tǒng)原理圖其中出口溫度環(huán)是主環(huán)，爐溫溫度環(huán)是副環(huán)。外加一個前饋環(huán)。加熱爐的主控制器是出口溫度，由熱電偶測得溫度信號，經(jīng)溫度變送器、運算放大器、A/D轉換得到出口溫度數(shù)字量，該數(shù)字量與給定量比較得到主偏差，經(jīng)控制器1運算后得到主環(huán)輸出數(shù)字量。加熱爐的爐溫溫度作為副環(huán)控制量，經(jīng)溫度變送器、運算放大器、A/D轉換得到爐溫溫度數(shù)字量，該數(shù)字量與主環(huán)輸出量比較得到副偏差，經(jīng)控制器2運算后得到控制量，作為計算機輸出送至D/A轉換器，轉換后的模擬信號通過溫度控制閥對爐溫溫度進行控制，是出口溫度穩(wěn)定在給定值上。在本系統(tǒng)中為了保證系統(tǒng)動態(tài)時無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)時無靜差，主、副環(huán)控制器均采用積分分離的PID算法。3.2 硬件系統(tǒng)整體組成根據(jù)加熱爐系統(tǒng)的技術要求及經(jīng)濟方面的考慮，我們選用8031單片機為控制器，組成加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有8031單片機、ROM、RAM、A/D轉換器、DA轉換器、鍵盤掃描電路、顯示電路、傳感器、放大電路、鎖存器、譯碼器、I/O擴展芯片、與非門、或非門、反相器及D觸發(fā)器等組成。硬件系統(tǒng)組成框架圖如圖3.2所示。圖3.2 硬件系統(tǒng)組成框架圖 熱電偶產(chǎn)生一電信號，信號的強弱隨溫度的高低而變。該信號經(jīng)放大電路放大后，送入A/D轉換芯片進行模數(shù)轉換，轉換后的數(shù)字量與溫度成正比，再進入8031單片機，8031單片機作為控制器，對數(shù)據(jù)進