加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、二0（九二C一O學(xué)年第一學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程名稱：過程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 班級：自動(dòng)化2006級（2）班學(xué)號：200604134045姓名：張 力指導(dǎo)教師： 黃衛(wèi)華二0（九年十一月加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) -張力 加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目圖1所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐，其任務(wù)是將被加熱物料加熱到一定溫度，然 后送到下道工序進(jìn)行加工。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的 管道后，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào) 節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制出口溫度的目的。被加熱物料圖1加熱爐出口溫度系

2、統(tǒng)但是，由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿 足工藝對加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運(yùn)用 副回路的快速作用，有效地提高控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求。設(shè)計(jì)要求1、繪制加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。2、以加熱爐出口溫度為主變量，選擇滯后較小的爐膛溫度為副變量，構(gòu)成爐出 口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)，要求繪制該串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。G01(s)=1(5s+1)(Xs+1)，其中1(s+1),主、副控制3、假設(shè)主對象的傳遞函數(shù)為 X=10+0.1(學(xué)號后三位-8)0*,副對 象的傳遞函數(shù)為G02(s)=Gc1(s)=Kc1(1 +器的傳遞函

3、數(shù)分別為 1)Tls, Gc2(s)=Kc2, Gv(s)=Kv,Gm1(s)=Gm2(s)=1，請確定 主、副控制器的參數(shù)(要求寫出詳細(xì)的參數(shù)估算過程)。第1頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) -張力4、利用simulink實(shí)現(xiàn)單回路系統(tǒng)仿真和串級系統(tǒng)仿真，分別給出系統(tǒng)輸出響應(yīng) 曲線。5、根據(jù)兩種系統(tǒng)仿真結(jié)果分析串級控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)方案一、加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、串級控制系統(tǒng)加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐出口工藝 所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料

4、油流 量，以達(dá)到控制出口溫度的目的。由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多， 比如原料側(cè)的擾動(dòng)及負(fù)荷擾動(dòng)；燃燒側(cè)的擾動(dòng)等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足 工藝對加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運(yùn)用副 回路的快速作用，以加熱爐出口溫度為主變量，選擇滯后較小的爐膛溫度為副變 量，構(gòu)成爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿足工 業(yè)生產(chǎn)的要求。串級控制系統(tǒng)的工作過程，就是指在擾動(dòng)作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值， 由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過 程。由加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可繪制出其結(jié)構(gòu)方框圖，如圖4溫世刖嘉 f

5、* ti'ir-. 一*qhi(L . 偶趣辭厲，任迖快為'第2頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-張力所示。閘捽制善對集壓力液悅20613U7040802i>SUm 嗆 Kc2155.01,3JJ1.252.51,23亠工0圖4加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖三、主、副控制器參數(shù)整定及Simulink仿真主控制器的選擇：主被控變量是工藝操作的主要指標(biāo)(溫度)，允許波動(dòng)的范圍 很小，一般要求無余差，主控制器應(yīng)選 PI控制規(guī)律。副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提 高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副控

6、制器只要選P控制規(guī)律就可以了。在工程實(shí)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。兩步整定法雖然 比逐步逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次4: 1衰減曲線法的實(shí)測。對兩步整定法進(jìn)行簡化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一步整定法。為了簡便起 見，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回 路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的 整定步驟為：(1) 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù) K02/ 3 20.5這一關(guān)系式， 通過副過程放大

7、系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù) S或按經(jīng)驗(yàn)選取，并 將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。(2) 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。(3) 改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1和副調(diào) 節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。(4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度S或增大積分時(shí)間 常數(shù)TI，即可得到改善。對于該溫度串級控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，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 Kc2及比例帶。第3頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) -張力根據(jù)本設(shè)計(jì)，適當(dāng)選取

8、Kc2=3.5 (整定時(shí)可以根據(jù)具體情況再做適當(dāng)調(diào)整)。然 后在副回路已經(jīng)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)。一般地取Kv=1,將X=45 （學(xué)號最后三位）帶入可計(jì)算出主對象的傳遞函數(shù)。衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐 漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至10： 1衰減過程為止。這時(shí)的比例度稱為10: 1衰減比例度，用SS表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為10: 1 衰減周期TS。根據(jù)SS口 TS,運(yùn)用表2所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出

9、調(diào)節(jié)器預(yù)整 定的參數(shù)值。9TiTd0.75pIpi1.25$OSTsP1D11,8610.3 T1OJTft0,9PHL2& s2T1PID1血iL2T sa,4Tt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。在Simulink中，如圖5,把積分輸出線斷開，Kc1的值從大到小進(jìn)行試驗(yàn)，觀察示 波器的輸出，直到輸出10: 1衰減振蕩曲線為止。圖6即為系統(tǒng)10: 1衰減曲 線。圖5串級系統(tǒng)Simulink模型（未連積分輸出線時(shí)） 第4頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) -張力當(dāng)Kc1=7.7時(shí)，在t1=8.1時(shí)出現(xiàn)第一峰值，為1.15;在t2=23.8

10、時(shí)出現(xiàn)第二峰 值，為0.89,曲線穩(wěn)定值為0.86，可計(jì)算出衰減度為(1.15-0.86):( 0.890.86) =10： 1。因此，當(dāng)Kc1=7.7時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)10： 1衰減振蕩，且Ts=t2- t1=23.8-8.仁15.7根據(jù)表2可知，積分時(shí)間常數(shù) Ti=2Ts=31.4。圖6串級系統(tǒng)10： 1衰減振蕩曲線將Kc1的值設(shè)置為7.7，1/Ti的值設(shè)置為1/31.4=0.032,將積分器的輸出連線連 上，如圖7所示，運(yùn)行仿真后，得到如圖8所示的結(jié)果，它即為PI控制時(shí)系統(tǒng)的 單位階躍響應(yīng)。根據(jù)結(jié)果可知，參數(shù)整定后系統(tǒng)達(dá)到比較理想的效果。第5頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-張

11、力圖7系統(tǒng)Simulink模型（積分輸出線連上時(shí)）圖8系統(tǒng)PI參數(shù)整定后的單位階躍響應(yīng)曲線綜上可知，主、副控制器參數(shù)整定結(jié)果為：Kc1=7.7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1第6頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-張力四、單回路系統(tǒng)和串級系統(tǒng)仿真輸出響應(yīng)曲線對比圖9單回路控制系統(tǒng)Simulink模型圖10單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線圖8與圖10即分別為串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線五、串級控制系統(tǒng)性能分析圖8與圖10比較可知，串級系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯比單回路系統(tǒng) 更早，縮短了上升時(shí)間，減小了對象時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)。串級系統(tǒng)輸?shù)?頁共8頁

12、加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) -張力出曲線的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，使系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改 善，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線對比可知，串級控制系統(tǒng)由 于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性能、動(dòng)態(tài)性能、工作頻率及自適 應(yīng)能力都得到明顯改善。其性能可歸納為：1、可以顯著提高系統(tǒng)對二次擾動(dòng)的抑制能力，甚至是二次干擾在對主被控量尚 未產(chǎn)生明顯影響時(shí)就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個(gè)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)作用也加快，對一次擾動(dòng)的抑制能力也得到提高。2提高了系統(tǒng)的工作頻率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可 以更窄，從而提

13、高了系統(tǒng)工作頻率。3、提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內(nèi)的副對象的 特性，減少了時(shí)間常數(shù)和相位滯后，使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善。4、對負(fù)荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。包括控制閥在內(nèi)的副對 象在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，其特性變化對系統(tǒng)的影響顯著地削弱。但串級控制系統(tǒng)也存在一些不足：只有當(dāng)中間變量能夠檢測出來時(shí)，才可能采用 串級控制系統(tǒng)，但許多過程在結(jié)構(gòu)上是不容易以這種方式加以分割的；串級控制 系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀表，串級控制系統(tǒng)的投放和整定也比單回路 控制系統(tǒng)復(fù)雜些。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果是單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問題，就不 一定非要采用串級控制系

14、統(tǒng)方案，一般當(dāng)單回路控制方案質(zhì)量達(dá)不到實(shí)際要求 時(shí)，才考慮米用串級控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)心得此次課程設(shè)計(jì)-加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用到了過程控 制系統(tǒng)很多方面的知識，包括串級控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級控制系統(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，考慮到主被控變量是加熱爐溫度，允許 波動(dòng)的范圍很小，要求無余差，主控制器選了PI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便，而且也可以