過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)解析

1、過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)題燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：同組人員：任課教師：張虹完成時(shí)間：2013年10月30日目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求3二、被控對(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析32.1對(duì)象數(shù)學(xué)模型的計(jì)算及仿真驗(yàn)證32.2對(duì)象特性分析5三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.1基本控制方案53.2控制儀表選型93.3參數(shù)整定計(jì)算 103.4控制系統(tǒng)MATLAB仿真103.5仿真結(jié)果分析11四、設(shè)計(jì)總結(jié)12一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.在模殼澆鑄、焙燒時(shí)常用燃油爐，燒制過(guò)程中需要對(duì)溫度加以控制，對(duì)一個(gè) 燃油爐裝置進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在溫度控制穩(wěn)定到5oo°c時(shí)，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下將執(zhí) 行器的輸入燃油流量增加大約25% ,即A/

2、q = 1.2T/h ,持續(xù)Ar = 100$后結(jié)束， 等間隔4 = 100$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)量叭W 20%的無(wú)差溫度控制系統(tǒng)。K點(diǎn)）0123456789108 °C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54"點(diǎn)）11121314151617181920210(0)0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00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(duì)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

3、理圖等，選擇控制規(guī)律）；畫(huà)出控制系統(tǒng)SAMA圖；（3）根據(jù)設(shè)訃方案選擇相應(yīng)的控制儀表（DDZTII）,繪制原理接線圖；（4）對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，首先按對(duì)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(duì)數(shù)學(xué)模型建模及對(duì)象特性分析2.1對(duì)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(s)010020030040050060070080090010000(1.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y01.944.015.6778&359.3410

4、.1510.811135y*00. 0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)110012001300140015001600170018001900200021000.45().390330.270.21050.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.8840. 9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991則 y ( 8 ) =13.34K=y(8)/Au=0.5336(&

5、#176;C/%)Mat lab畫(huà)出圖像： 程序如下：clear;t=0:100:2100;yi=O 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.450.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00;ys=0 0.5 1.94 4.01 5.69 7.18 8.35 9.34 10.15 10.81 11.35 11.812.19 12.52 12.79 13 13.15 13.24 13.3 13.33 13.34 13.34;ym=0 0.037 0.145 0.300 0.425

6、0.538 0.626 0.700 0.761 0.8100.851 0.884 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.9991 1plot (tzyi) ; $畫(huà)出脈沖響應(yīng)曲線hold on;plot (t, ys) ; $畫(huà)出單位階躍響應(yīng)曲線hold on;grid on;figure;plot (t, ym);令畫(huà)出歸一化階躍響應(yīng)輸出曲線grid on;脈沖響應(yīng)及階躍響應(yīng)輸岀曲線歸一化輸出曲線從圖中取 y*(t 1 )=0.4,y*(t2)=0.8,得： tl=382s,t2=882s因?yàn)閠l/t2=0.433<0.46,所以選用2

7、階傳函。又因?yàn)?為"叫 0.55), 7+S九(0)。求得 Tl=166s, T2=419s得到對(duì)象傳遞函數(shù)為:0.5334(419s + l)(166s+l)對(duì)象仿真圖如下:A0.533-4413a*1Trorc-for FenScooeStepTrorefer Fcn-12.2對(duì)象特性分析0.5334(419s + l)(166s + 1)為二階自衡對(duì)象，沒(méi)有純延遲環(huán)節(jié)。自衡率丄=1.88,響應(yīng)速度£= - =0.002bKT三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1基本控制方案從設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)約性和實(shí)用性考慮，首先考慮單回路的控制方法，山于對(duì)象的容 量較大，而爐內(nèi)溫度的測(cè)量較難，所以單回路的控

8、制方法難以得到較好的效果， 所以經(jīng)過(guò)仔細(xì)比較，最終決定釆用雖然復(fù)朵一些，但是控制效果更好的吊級(jí)控制 方法。為了更好的反應(yīng)串級(jí)方式相對(duì)于單回路的優(yōu)點(diǎn)，小組決定用兩種控制方法都 試驗(yàn)一下，用事實(shí)說(shuō)話。(1)首先采用單回路控制方法，考慮到系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性的要求，選用PID控制規(guī)律。單回路系統(tǒng)控制原理圖如下：根據(jù)對(duì)象特性整定參數(shù)(采用齊勒格尼克爾整定方法)變送器增益：Gm =總氏=0.048(mA/°C)100%-0%20-4= 6.25(%/ mA)得廣義對(duì)象傳函:0.16(419s + l)(166s+l)根據(jù)廣義對(duì)象畫(huà)岀輸岀曲線見(jiàn)圖5,程序: clc;K0=0.16;num=K0;d

9、en=conv(419,1 , 166,1);G0=tf(num,den);step(GO);k=dcgain(GO);0.16Step Response1412110806a a o a aapnuEV0.040.0250010001500Time (sec)20C025003000讀圖可知：T =60 ,T=700最終整定參數(shù)如下：5 =0.85 £ T =0.112;kc=2=896； Ti=2 t =120;Td=0.5 tD=30;參數(shù)帶入PID控制器之后震蕩劇烈，穩(wěn)定性差，所以kc減小，適當(dāng)增加Td,經(jīng) 過(guò)多次調(diào)節(jié)之后取kc=3, Ti=120, Td=200：SEVIU

10、LINK仿真圖（帶擾動(dòng)）如下：ZCW他0很明顯，調(diào)節(jié)速度慢，而且超調(diào)過(guò)大，所以舍棄這種方法。（2）串級(jí)控制方式：1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(jí)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(duì)副回路沒(méi)有完全克服干擾 的影響能徹底加以消除。2. 在串級(jí)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

11、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)。在燃油爐溫度吊級(jí)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)， 選擇爐壁溫度為副調(diào)參數(shù)。山于原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格, 乂因?yàn)榧訜釥t宙級(jí)控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，主回路選擇PID調(diào)節(jié)作為主 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律，而副回路由于考慮穩(wěn)定性的原因，考慮用P控制規(guī)律。3. 調(diào)節(jié)閥：從安全考慮，選氣開(kāi)，為正副對(duì)象：調(diào)節(jié)閥開(kāi)，爐膛溫度升高，心為正副調(diào)節(jié)器：心為正，即反作用調(diào)節(jié)器主對(duì)象：爐溫升高，出口溫度升高，心為正主調(diào)節(jié)器：仏為正，即反作用調(diào)節(jié)器 血為正，切主調(diào)時(shí)主調(diào)不改變作用方式4. 控制流程圖控制系統(tǒng)原理圖:燃油澆注液出1控制系統(tǒng)SAMA

12、圖:1 溫度變送器變送器選用DDZ-III控制儀表。在主回路的對(duì)象為原料油岀口溫度，約為500 度，故所設(shè)計(jì)的的范圍為420度到750度。副對(duì)象為爐膛溫度比較高，故 所選的變化的范圉600度到1000c主回路的變送器傳函：= = 0.048 mA/%副回路的變送器傳函:Gm2 =歸歸=0.04 mA/%根據(jù)設(shè)訃要求變送器檢測(cè)溫度范圍較大，選擇NHR-M32智能溫度變送器, 測(cè)量范圍為01300 °C o單畫(huà)道X雙通道O熱電阻、熱電偶臺(tái)伏輸入o-模擬里s RS-485 s纟佳電器接點(diǎn)信號(hào)輸岀。"輸入/輸岀/電涼三R鬲離Qo傳輸精度±0. 1%。O模塊化設(shè)計(jì)，體枳小巧

13、耗低。"全蟄能數(shù)學(xué)化，可編程Q、各湍子可帶電話拔，便于安裝、維護(hù)?？刂乞囈缶哂蠵ID調(diào)節(jié)功能,原理接線圖o標(biāo)準(zhǔn)的35jtotiDIN導(dǎo)軌卡式安裝o選擇HR-WP模糊PID自整定調(diào)節(jié)器2.閥門(mén)的選擇山于燃油具有較強(qiáng)的腐蝕性，里面的殘?jiān)容^多，而且山于安全性的要 求，所以，經(jīng)過(guò)比較最終決定選擇氣動(dòng)蝶閥，最大流量大于4.8t每小時(shí)。3.3參數(shù)整定由上面討論可知主回路選用PID控制，副回路選用P控制，所以參數(shù) 整定如下：1. 副回路參數(shù)整定調(diào)節(jié)副環(huán)。將主調(diào)節(jié)器Kh設(shè)為1, Kn和K®設(shè)為0,副調(diào)器也2設(shè)為1逐步調(diào)節(jié)副回路的kc。.此時(shí)經(jīng)過(guò)微小調(diào)整得到副回路P控制器心=6.2、主回

14、路整定：將副調(diào)節(jié)器Kd 主回路加入PID,逐步調(diào)節(jié)Kc、7/1 > 的值，使輸岀符合要求，記下此時(shí)的Kcl = 6,珀= 200, Tdl = 80 3.4 Siinuliiik仿真圖（帶擾動(dòng)）如下：將兩者比較如下:分析:經(jīng)過(guò)改進(jìn)，串級(jí)控制系統(tǒng)的超調(diào)量只有約為3%,符合控制要求，并且調(diào)節(jié) 時(shí)間也有很大程度上改善，通過(guò)與單回路PED控制對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特 有很大改善。擾動(dòng)分析：從圖中可以看出，在2500s時(shí)分別加入幅值為2的干擾信號(hào)，串級(jí)控 制對(duì)擾動(dòng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。相比較上圖的單回路抗擾動(dòng)輸出，乂可以看出的 串級(jí)控制的優(yōu)越性。3.5仿真結(jié)果分析通過(guò)仿真結(jié)果可以看到，串級(jí)控制系統(tǒng)可

15、以跟好的實(shí)現(xiàn)工程要求，有效克服 擾動(dòng)，很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的 副回路，使系統(tǒng)改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對(duì)二次擾 動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力：提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng) 能力。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇串級(jí)控制系統(tǒng)。四：設(shè)計(jì)總結(jié)此次課程設(shè)訃加熱爐出口溫度與爐膛溫度吊級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)訃，使用到了過(guò)程控 制系統(tǒng)很多方面的知識(shí)，包括串級(jí)控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，吊級(jí)控制系統(tǒng)整 定方法，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定，吊級(jí)控制系統(tǒng)的性能分析等。剛開(kāi)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(wú)余差，主控制器選了 PID控制。副控制器直接釆用了 P控制考 慮到