完整版過程控制課程設(shè)計燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、過程限制?課程設(shè)計題目:燃油加熱爐溫度限制系統(tǒng)班學 姓級：號：名：同組人員：任課教帥：張虹完成時間：2021年10月30日一、設(shè)計任務(wù)及要求 3二、被控對數(shù)學模型建模及對象特性分析 32.1對象數(shù)學模型的計算及仿真驗證 32.2對象特性分析5三、限制系統(tǒng)設(shè)計53.1根本限制方案53.2限制儀表選型93.3參數(shù)整定計算103.4限制系統(tǒng) MATLAB仿真 103.5仿真結(jié)果分析 11四、設(shè)計總結(jié)12一、設(shè)計任務(wù)及要求1.在模殼澆鑄、焙燒時常用燃油爐,燒制過程中需要對溫度加以限制,對一個 燃油爐裝置進行如下實驗,在溫度限制穩(wěn)定到500 C時,在開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入燃油流量增加大約25%,即Iq

2、 1.2T/h,持續(xù)t 100s后結(jié)束, 等間隔t 100s記錄爐內(nèi)溫度變化數(shù)據(jù)如下表,試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超 調(diào)量p 20%的無差溫度限制系統(tǒng).t(點)012345678910C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t (點)1112131415161718192021(C)0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00具體設(shè)計要求如下:(1) 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的模型；(2) 根據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計符合要求的限制系統(tǒng)(給出帶限制點的限制流程圖,限制系統(tǒng)原理圖等,選擇限制規(guī)律)；畫出限制系統(tǒng)S

3、AMA圖；(3) 根據(jù)設(shè)計方案選擇相應(yīng)的限制儀表(DDZ-川),繪制原理接線圖；(4) 對設(shè)計系統(tǒng)進行仿真設(shè)計,首先按對象特性法求出整定參數(shù),然后按4:1衰減曲線法整定運行參數(shù).(5) 用MCGS進行組態(tài)設(shè)計.二、被控對數(shù)學模型建模及對象特性分析2.1對象數(shù)學模型的計算及仿真驗證根據(jù)矩形脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù),得到階躍響應(yīng)數(shù)據(jù),并進行相應(yīng)的歸一化處理,得:表2t(s)01002003004005006007008009001000C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.015.677.188.359.3410.1510.8111.35y*0

4、0. 0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)11001200130014001500160017001800190020002100c0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.8840. 9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991那么 y (Q =13.34K= y(8)/ u=0.5336(C / %)Matlab畫出

5、圖像：程序如下：clear;t=0:100:2100;yi=0 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 0.538 0.626 0.700 0

6、.761 0.810 0.851 0.884 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.9991 1plot(t,yi);%ffl出脈沖響應(yīng)曲線hold on;plot(t,ys);%ffl出單位階躍響應(yīng)曲線hold on;grid on;figure;plot(t,ym);%ffl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)輸出曲線11X:9000.81Y 1X400Y :0.425/0.90.80.70.60.50.40.30.20.15001000150020002500歸一化輸出曲線從圖中取 y*(t1)=0.4,y*(t2)

7、=0.8 ,得： t1=382s,t2=882s由于t1/t2=0.433<0.46,所以選用2階傳函.乂由于:TT2(T T2)2(1.740.55) , T1 T2 (t1 t2).t22.16求得 T1=166s, T2=419s0.5334得到對象傳遞函數(shù)為:(419s+1 )(166s+1)對象仿真圖如下:2.2對象特性分析0.5334(419s + 1)(166s + 1)1. 、 K為二階自衡對象,沒有純延退環(huán)下.自衡率 =K 1.88,響網(wǎng)速度 =T =0.0021,三、限制系統(tǒng)設(shè)計3.1根本限制方案從設(shè)計的簡約性和實用性考慮,首先考慮單回路的限制方法,由丁對象的容 量較

8、大,而爐內(nèi)溫度的測量較難,所以單回路的限制方法難以得到較好的效果, 所以經(jīng)過仔細比較,最終決定采用雖然復雜一些,但是限制效果更好的申級限制 方法.為了更好的反響申級方式相對丁單回路的優(yōu)點,小組決定用兩種限制方法都 試驗一下,用事實說話.(1)首先采用單回路限制方法,考慮到系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性的要求,選用PID限制規(guī)律.單回路系統(tǒng)限制原理圖如下根據(jù)對象特性整定參數(shù)(采用齊勒格-尼克爾整定方法)變送器增益：G?=0.048(mA/ C)750-420調(diào)節(jié)閥增益：Gv 100% °% 6.25(%/mA) 20 4得廣義對象傳函:(419S+1)(166s+1 )0.16根據(jù)廣義對象畫出輸出

9、曲線見圖5,程序:clc;K0=0.16;num=K0;den=conv(419,1,166,1);G0=tf(num,den);step(G0);k=dcgain(G0);500Step Response10001500200025003000Time (sec)讀圖可知：r =60,T=700 最終整定參數(shù)如下：a =0.85 £ T =0.112; kc=!= 8.96; Ti=2 r =120;Td=0.5 r =30;參數(shù)帶入PID限制器之后震蕩劇烈,穩(wěn)定性差,所以 kc減小,適當增加Td,經(jīng) 過屢次調(diào)節(jié)之后取 kc=3, Ti=120, Td=200;SIMULINK 仿

10、真圖帶擾動如下:很明顯,調(diào)節(jié)速度慢,而且超調(diào)過大,所以舍棄這種方法.(2)申級限制方式：1. 擾動分析：燃料：壓力、流量、成分和熱值等原料：進料量、進料溫度假設(shè)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 屆擾動包含了較多擾動,即可能多的擾動可進入副回路.申級限制系統(tǒng)中,由丁引進了副回路,不僅能迅速克服作用丁副回路 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；主回路具有后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)的特點,對副回路沒有完全克服干擾 的影響能徹底加以消除.2. 在申級限制系統(tǒng)中,主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同.主調(diào)節(jié)器起定值限制作用, 副調(diào)節(jié)器起隨動限制作用,這是選

11、擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的根本出發(fā)點.在燃油爐溫度申級限制系統(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).由丁原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量,工藝要求嚴格, 乂由于加熱爐申級限制系統(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)器的限制規(guī)律,而副回路由丁考慮穩(wěn)定性的原因,考慮用P限制規(guī)律.3. 調(diào)節(jié)閥：從平安考慮,選氣開,&為正副對象：調(diào)節(jié)閥開,爐膛溫度升高,K>2為正副調(diào)節(jié)器：&2為正,即反作用調(diào)節(jié)器主對象：爐溫升高,出口溫度升高, 隱為正主調(diào)節(jié)器：Ki為正,即反作用調(diào)節(jié)器K2為正,切主調(diào)時主調(diào)不改變作用方式4. 限制流程圖限制系統(tǒng)原理圖:V I li

12、/刊點,士叩J|將卻榭,于-函卻說限蝸r F0H的！心/住L-卻吊邛電討fin忱*E)iK f TT ,3.2限制儀表選型1. 溫度變送器變送器選用DDZ-川限制儀表.在主回路的對象為原料油出口溫度,約為500度,故所設(shè)計的的范圍為420度到750度.副對象為爐膛溫度比較高,故所選的變化的范圍 600度到100020-4王回路的變送器傳函：仁755-42 = °.048 mA/% 副回路的變送器傳函：?N 204 = 0.04 mA/%1000-600根據(jù)設(shè)計要求變送器檢測溫度范圍較大,選擇NHR-M32智能溫度變送器,測量范圍為01300 C.,畢通道、烈通道G.熱電明、熱電偶走伏

13、輸入.模擬重、RS-485、紙電巖槨點怯號輸出尊.輜入/輸出/電源三隔離o傳輛精溟士0. 1%-奠塊化設(shè)訐*體和小,功耗低.全蜜能,效字化,可NS猩*.留孺子可帶電插拔,便于安裝、笛護.限制器要求具有PID調(diào)節(jié)功能,選擇HR-WP模糊PID自整定調(diào)節(jié)器原理接線圖.標準的35jtukDIN軌卡才黃裝o2. 閥門的選擇由丁燃油具有較強的腐蝕性,里面的殘渣比較多,而且由丁平安性的要求,所以,經(jīng)過比較最終決定選擇氣動蝶閥,最大流量大丁 4.8t每小時.3.3參數(shù)整定由上面討論可知主回路選用PID限制,副回路選用P限制,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 Kp1設(shè)為1, Ki1和

14、Kd 1設(shè)為0,副調(diào)器Kp2設(shè)為1逐步調(diào)節(jié)副回路的kc.此時經(jīng)過微小調(diào)整得到副回路 P限制器2=6.2、主回路整定：將副調(diào)節(jié)器Kc2 =6,主回路參加PID,逐步調(diào)節(jié)Kc1、T11、Td 1的值,使輸出符合要求,記下此時的Kc1 = 6, Ti1 = 200 , Td1 = 803.4 Simulink仿真圖帶擾動如下:將兩者比較如下:分析:經(jīng)過改進,申級限制系統(tǒng)的超調(diào)量只有約為 3%,符合限制要求,并且調(diào)節(jié) 時間也有很大程度上改善,通過與單回路 PID限制比照可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)特 有很大改善.擾動分析：從圖中可以看出,在2500s時分別參加幅值為2的干擾信號,申級控制對擾動有很強的抗十擾水平

15、 申級限制的優(yōu)越性.相比較上圖的單回路抗擾動輸出, 乂可以看出的3.5仿真結(jié)果分析通過仿真結(jié)果可以看到,申級限制系統(tǒng)可以跟好的實現(xiàn)工程要求,有效克服 擾動,很好的實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.申級限制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的 副回路,使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性, 提升了系統(tǒng)的工作頻率； 對二次擾 動有很強的克服水平；提升了對一次擾動的克服水平和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng) 水平.綜上所述,本設(shè)計選擇申級限制系統(tǒng).四：設(shè)計總結(jié)此次課程設(shè)計-加熱爐出口溫度與爐膛溫度申級限制系統(tǒng)設(shè)計,使用到了過程控 制系統(tǒng)很多方面的知識,包括申級限制系統(tǒng)分析、建模與仿真,申級限制系統(tǒng)整 定方法,PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定,申級限制系統(tǒng)的性能分析等.剛開始設(shè)計時,在主、副限制器選擇上,考慮到主被控變量是加熱爐溫度,允許波動的范 圍很小,要求無余差,主限制器選了 PID限制.副限制器直接采用了 P限制