過程控制燃油加熱爐

1、目 錄 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求-3二、 被控對數(shù)學(xué)模型建模及對象特性分析-32.1對象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證-32.2對象特性分析-7三、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-73.1 基本控制方案-73.2 控制儀表選型-83.3 參數(shù)整定計(jì)算-123.4 控制系統(tǒng)MATLAB仿真-133.5 仿真結(jié)果分析-133.6 控制系統(tǒng)組態(tài)四、設(shè)計(jì)總結(jié)-14一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求對一個(gè)燃油加熱爐做如下實(shí)驗(yàn)，在溫度控制穩(wěn)定時(shí)，開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入信號增加，持續(xù)后結(jié)束，若爐溫度控制系統(tǒng)的正常工作點(diǎn)為200，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)量的無差溫度控制系統(tǒng)。 表1t(min)024681012141

2、61820001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70t(min)22241628303234363840422.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10具體設(shè)計(jì)要求如下:1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對象的模型；2.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）；3.根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表（DDZ-），繪制原理接線圖；4.對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，首先按對象特性法求出整定參數(shù)，然后按4:1衰減曲線法整定運(yùn)行參數(shù)。5.用MCGS進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。二、被控對數(shù)學(xué)

3、模型建模及對象特性分析2.1對象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證根據(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： 表2t(min)02468101214161820001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70y001.255.0012.5023.0032.2039.4545.4550.2553.95y*000.0190.0760.1890.3480.4880.5970.6880.7610.817t(min)22241628303234363840422.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10y56.85

4、59.1060.9562.4563.6064.4565.0565.4565.7565.9566.05y*0.8610.8950.9230.9450.9630.9760.9850.9910.9950.9981則y（）=66.15。Ir=3.2mAK= y（）/Ir=21Matlab畫出曲線%根據(jù)矩形脈沖響應(yīng)求階躍響應(yīng)clear;t=0:2:42%時(shí)間向量yi=0 0 1.25 3.75 7.50 10.50 9.20 7.25 6.004.80 3.70 2.90 2.251.85 1.50 1.15 0.85 0.60 0.40 0.30 0.200.10;%脈沖響應(yīng)輸出序列y(1)=0;y_

5、1=0;%初值for k=1:22%根據(jù)矩形脈沖響應(yīng)值求階躍響應(yīng)輸出值y(k)=yi(k)+y_1;y_1=y(k);endxs=(0:0.1:42);ys=interp1(t,y,xs,'spline');%一維內(nèi)插得到平滑曲線plot(xs,ys)%繪制階躍響應(yīng)曲線hold onplot(t,yi)%繪制脈沖響應(yīng)曲線hold onyim=interp1(t,yi,xs,'spline');%一維內(nèi)插得到平滑曲線plot(xs,yim)%繪制矩形脈沖響應(yīng)曲線grid 圖1歸一化后數(shù)據(jù)曲線: clear;t=0:120:2520；yi=0 00.019 0.07

6、60.189 0.3480.488 0.5970.688 0.7610.817 0.8610.895 0.9230.945 0.9630.976 0.9850.991 0.9950.998 1;y(1)=0;y_1=0;for k=1:22y(k)=yi(k)+y_1;y_1=y(k);endxs=(0:0.1:2580);ys=interp1(t,y,xs,'spline');plot(t,yi)hold ongrid 圖2=120s，從圖中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得：t1=525s,t2=1044s。因?yàn)閠1/t2=0.503>0.46,故選擇高

7、階傳函且n=3由nT=(t1+t2)/2.16得T=242s。所以。仿真得：圖3 圖4變送器傳函：調(diào)節(jié)閥傳函：對象增益：得廣義對象傳函：根據(jù)廣義對象畫出輸出曲線見圖5，程序：K0=1.344;T0=242;num=K0;den=conv(242,1,conv(242,1,242,1);G0=tf(num,den,ioDelay,120);step(G0);圖5=300s.T=1100-300=800s.2.2對象特性分析是自衡的非振蕩過程，=120,T=242,具有較大的延遲和周期，/T=0.5，對象易受干擾，采用復(fù)雜控制系統(tǒng)。三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 基本控制方案（1）對象的T大、較長，引入D

8、調(diào)節(jié)，要求誤差控制系統(tǒng)，故采用PID規(guī)律。（2）串級控制擾動(dòng)分析：燃料：壓力、流量、成分和熱值等 原料：進(jìn)料量、進(jìn)料溫度 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。 串級控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)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)、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)，對副回路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。（3）在串級控制系統(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

9、控制系統(tǒng)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串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)作為住調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。（4）調(diào)節(jié)閥：從安全考慮，選氣開，Kv為正副對象：調(diào)節(jié)閥開，爐膛溫度升高，Kp2為正副調(diào)節(jié)器：Kc2為正，即反作用調(diào)節(jié)器主對象：爐溫升高，出口溫度升高，Kp1為正主調(diào)節(jié)器：Kc1為正，即反作用調(diào)節(jié)器 Kc2為正，切主調(diào)時(shí)主調(diào)不改變作用方式（5）控制流程圖圖6控制系統(tǒng)原理圖 圖73.2 控制儀表選型（1）溫度變送器MCT80X顯示變送一體化溫度變送器山東淄博西創(chuàng)測控技術(shù)開發(fā)有限公司MCT80X顯示變送一體化溫度變送器具有普

10、通MCT一體化溫度變送器的基本功能，它將溫度傳感元件（熱電阻或熱電偶）與信號轉(zhuǎn)換放大單元有機(jī)集成在一起，除輸出與溫度成線性的4-20mA信號之外，同時(shí)具有現(xiàn)場指示或顯示功能。特點(diǎn)：信號準(zhǔn)確、可遠(yuǎn)傳（最大1000米）；精度高、抗干擾、長期穩(wěn)定性好、免維護(hù)；變送器可以現(xiàn)場顯示；測量量程：-2001200；常規(guī)精度：± 0.25%工作原理：溫度傳感器受溫度影響產(chǎn)生電阻或電勢效應(yīng)，經(jīng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)電壓信號。此信號經(jīng)放大器放大，再經(jīng)電壓、電流變換，送出與量程相對應(yīng)的4-20mA電流信號。技術(shù)指標(biāo)：項(xiàng)目  技術(shù)指標(biāo)  熱電阻測溫范圍<Pt100>-200450&

11、#160; <Cu50>-50150熱電偶測溫范圍<K>  0-1200； <E>  0-800；<S>  0-1600  <B>  0-1800測量精度<熱電阻> ± 0.25%； ± 0.5%； <熱電偶> ± 0.75%輸出信號溫  漂4-20mA± 0.025%/時(shí)  漂每年小于± 0.5%環(huán)境溫度-1085供電電壓24V DC

12、0;   ± 10%負(fù)載能力0-500  圖68顯示范圍-19991999防護(hù)等級IP65隔爆等級dII BT6保護(hù)管材質(zhì)1Cr18Ni9Ti或陶瓷或鋼玉管使用與校準(zhǔn)：DC24V電源通過屏蔽電纜給變送器供電，“V+”接24VDC的正極，“V-”接負(fù)極，這兩根線同時(shí)輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，用來串接負(fù)載?！癦”為零點(diǎn)調(diào)整電位器，“S”為滿度調(diào)整電位器。所有電位器在出廠以前按用戶要求已經(jīng)校好。使用中，因線阻、環(huán)境溫度等因素影響而產(chǎn)生誤差時(shí)，只需微調(diào)零點(diǎn)電位器“Z”即可校正。選用Pt100測溫范圍為0250和200450。（2）調(diào)節(jié)器廣州鑫恒瑞自動(dòng)化

13、設(shè)備有限公司CH402FK02-MAN設(shè)定范圍a）設(shè)定值（SV）：同等溫度范圍值b）加熱側(cè)比例帶（P）：1-量程或01-量程（溫度輸入）*1 圖9c）制冷側(cè)比例帶（PC）：加熱側(cè)比例帶1-1000d）積分時(shí)間（I）：1-3600sec2e）微分時(shí)間（D）：1-3600sec3f）限制積分動(dòng)作生效范圍（ARW）：比例帶的1-1004g）加熱側(cè)比例周期1-100sec5h）制冷側(cè)比例周期1-100sec61、如果比例帶設(shè)定為oCF即成ONOFF動(dòng)作2、如果積分時(shí)間設(shè)定為0sec，即成PD動(dòng)作3、如果微分時(shí)間設(shè)定為0sec，即成PI動(dòng)作4、如果限制積分動(dòng)作生效范圍設(shè)定為0，D動(dòng)作則成OFF5、電流輸

14、出時(shí)不需設(shè)定周期6、電流輸出時(shí)不需設(shè)定周期7、如果不感帶設(shè)定為負(fù)，則成重疊 控制動(dòng)作PID控制（ONOFFPPIPD控制）報(bào)警種類：偏差報(bào)警（上限，下限，上下限，范圍內(nèi)）過程值輸入報(bào)警（上限，下限）設(shè)定值輸入報(bào)警（上限，下限） 輸入：電流檢出器輸出適用范圍：CTL-6-P-N0-30A，CTL-12-S56-10L-N0-100A通斷50000次以上。控制環(huán)斷線報(bào)警輸出需在ALM1或ALM2中選擇其一 當(dāng)控制環(huán)斷線報(bào)警被選定時(shí)，另一報(bào)警不能被設(shè)定為LBA通訊功能（SCI）接口標(biāo)準(zhǔn)：EIARS-485通訊協(xié)定：ANSIX328（1976）25A4通訊方法：2線半雙向多站聯(lián)接同步方法：起始停止同步

15、通訊速度：24004800960019200BPS起始位數(shù)：1數(shù)據(jù)數(shù)位：7或8斷電影響：斷電20ms或以下無影響斷電20ms以下，返回初始狀態(tài)斷電的數(shù)據(jù)保護(hù)：不消失性記憶素子支持?jǐn)?shù)據(jù)周圍溫度：0-50oC32-122F周圍濕度：45-85RH安裝：嵌入盤面安裝重量：170g。（3）氣動(dòng)閥ZMAN 型雙座氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥雙座氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥具有額定流量系數(shù)大，不平衡力小等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用。產(chǎn)品型號：ZMAP、ZMAN公稱口徑：DN25300(mm)公稱壓力：PN1.66.3(MPa)環(huán)境溫度：-3060氣源最大壓力：0.25(MPa)產(chǎn)品性能參數(shù)：ZMAP 型單座氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、ZMAN 型雙座

16、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥主要性能參數(shù) 表3DN/mmPN環(huán)境溫度/固有流量特性氣源最大壓力/MPa2530016, 40, 63-3060直線、等百分比0.25DNmm流通能力 C行程mm配用執(zhí)行 器型號  灰鑄鐵閥鑄鋼和鑄不銹鋼閥單座雙座PN工作壓力Mpa介質(zhì)溫度PN工作壓力Mpa介質(zhì)溫度2581016ZMA-2161620040402503212166363(普通上閥蓋)40202525ZMA-3450503240(帶散熱片上閥蓋)65506340ZMA-4808010010012016012520025060ZMA-51502804002004506302501000100ZMA-630

17、01600（4）電氣轉(zhuǎn)換器珠海賽斯特儀表設(shè)備有限公司ST-500 電氣轉(zhuǎn)換器ST-500 系列電/氣轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)從 4-20mA 輸入信號到 0-100%供氣壓力輸出的比例轉(zhuǎn)換，而不必更換轉(zhuǎn)換器。該系列裝置可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中，控制系統(tǒng)與氣動(dòng)執(zhí)行器之間的界面連接。具有適用性強(qiáng)，最優(yōu)化動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，可以改善控制系統(tǒng)的工作性能。該系列是低能量消耗、可連接標(biāo)準(zhǔn)二線制電路的電/ 氣轉(zhuǎn)換器。無需額外電源、設(shè)計(jì)簡潔、高效。主要特點(diǎn)：內(nèi)置 PI 調(diào)節(jié)功能，大大提高了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和高度的靈活性能通過采用硅壓力傳感器獲得反饋，實(shí)現(xiàn)對電輸入信號的精確轉(zhuǎn)換簡潔的模塊化設(shè)計(jì) 采用穩(wěn)壓器，消除供氣壓力波動(dòng)干擾創(chuàng)新性的、

18、精確可靠的傳感器技術(shù)（壓力微型控制閥）輸入信號：4-20mA 可以分程式控制：從4mA 或 12mA 起始抗振動(dòng)能力強(qiáng)二線制接線方式，輸入和供電合一模塊化設(shè)計(jì)，易于維護(hù)工作原理 圖10 ST-500 電氣轉(zhuǎn)換器，它主要由三部分組成 ： 1.電子控制模塊2.壓電閥及氣動(dòng)功率放大器3.精確的反饋壓力傳感器完整的控制電路是由一個(gè)二線制的的控制信號供電。模擬控制信號傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧诖伺c轉(zhuǎn)換的輸出壓力進(jìn)行比較。電子控制單元中的控制運(yùn)算法則開始執(zhí)行控制計(jì)算，生成的控制指令被傳輸?shù)綁弘婇y，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)放大器。氣動(dòng)放大器的輸出壓力經(jīng)過測量后，反饋到內(nèi)部控制電路。這種控制方式更迅速，控制更精確。當(dāng)測得壓力與控制信號相等時(shí)，壓電閥的輸出值不再變化，氣動(dòng)放大器的輸出穩(wěn)定在相應(yīng)的壓力。 3.3 參數(shù)整定計(jì)算1、副回路整定：將主調(diào)節(jié)器置于純比例環(huán)節(jié)下=1，副調(diào)器，逐步調(diào)整Kp2和TD2對，使輸出衰減比為4:1時(shí)，TS =1689