SIMULINK加熱爐非線性控制

1、 基于Simulink的加熱爐溫度非線性控制系統(tǒng)設(shè)計摘要當(dāng)前工業(yè)用加熱爐的控制系統(tǒng)多采用PID控制，但是這種基礎(chǔ)的控制算法并不能夠適應(yīng)現(xiàn)場的非線性的控制任務(wù)，因此對于非線性的控制，本文提出利用雙曲余弦函數(shù)對傳統(tǒng)的PI控制算法進行改進，讓其能夠?qū)Ψ蔷€性控制系統(tǒng)進行更合理高效的控制，提高控制系統(tǒng)的各項指標(biāo)。本文首先對加熱爐測溫適用的傳感器進行了介紹，之后進行了控制器的設(shè)計，參數(shù)優(yōu)化以及仿真實驗。關(guān)鍵詞：非線性控制系統(tǒng) 雙曲余弦 加熱爐 控制系統(tǒng)仿真AbstractCurrent industrial heating furnace control system with PID control,

2、but the foundation of the control algorithm can not adapt to the field of non-linear control tasks, so for nonlinear control is proposed in this paper by using hyperbolic cosine function of the traditional PI control algorithm was improved, allowing it to the nonlinear control system for a more rati

3、onal and efficient control, improve the control system of indicators. This paper firstly introduces the application of furnace temperature sensor, then the controller design, parameter optimization and simulation experience.Key Words:Simulation of control system of hyperbolic cosine heating furnace

4、for nonlinear control system 第一章 溫度傳感器測量原理1.1溫度傳感器介紹1.1.1溫度傳感器溫度傳感器是通過檢測外界溫度來轉(zhuǎn)化成溫度數(shù)值的儀器，在溫度測量中，溫度傳感器是最重要的器件，一般的溫度傳感器是通過將溫度的高低轉(zhuǎn)化為電阻大小或熱電勢大小，進而轉(zhuǎn)化為溫度信號，通過AD轉(zhuǎn)換得到溫度數(shù)值。以上兩種原理分別稱為熱電阻溫度器和熱電偶溫度器。同時，溫度測量器還按照測量方式分為接觸式和非接觸式兩種。1.1.2溫度傳感器分類 1）接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器多數(shù)通過溫度的傳導(dǎo)，讓測量溫度和溫度傳感器的溫度一樣，從而獲得溫度的數(shù)值。接觸式溫度計明顯具有測量精度高的優(yōu)點

5、。圖1-1 接觸式溫度傳感器溫度傳感器主要分為雙金屬溫度計，壓力溫度計，熱敏電阻式溫度計，玻璃液體溫度計等。不同的形式用于不同的溫度場合，比如農(nóng)業(yè)，工業(yè)，商業(yè)等部門，具體行業(yè)包括國防，冶金，石油化工，電子，醫(yī)藥，食品等。這說明溫度傳感器的應(yīng)用范圍廣，不僅測量物體內(nèi)部的溫度分布，甚至低溫環(huán)境下也出現(xiàn)了溫度傳感器的應(yīng)用。低溫氣體溫度計，蒸氣壓溫度計，量子溫度計，低溫?zé)犭娮铚囟扔嫷?，這些溫度計的要求更高，具體表現(xiàn)在準(zhǔn)確性高，器件體積小等。當(dāng)然，在部分使用條件下測量誤差較大，比如較小的，運動的測量目標(biāo)。2）非接觸式溫度傳感器非接觸式的儀表，顧名思義，是測量元件與被測的目標(biāo)不接觸，它的應(yīng)用主要集中在運動

6、的物體，測量目標(biāo)小，溫度變化快，熱容量小的情形。比如輻射測溫儀表，利用的測量原理是利用黑體的輻射定律進行溫度的測量。非接觸式測溫儀表的優(yōu)點主要是耐溫范圍大，可在高溫環(huán)境下測量，同時當(dāng)前溫度儀表出現(xiàn)基于紅外技術(shù)測溫原理的儀表，提高分辨率，提高使用范圍，測量精度也得到改善。圖1-2 非接觸式溫度傳感器輻射測溫法可以測量光度溫度，輻射溫度和閉塞溫度，而其中想要測量真實溫度就需要獲得黑體溫度，也就是吸收全部輻射而不反光的物體所測得溫度。但是，這種測量方法精度不高。由于受到表面狀態(tài)的影響，材料表面發(fā)射率的修正難以準(zhǔn)確獲得。輻射測溫法是工業(yè)生產(chǎn)中常用的溫度測量方法，應(yīng)用于各種工業(yè)場合，比如用于金屬加工，冶

7、煉時的溫度測量。其中，測量物體的表面發(fā)射率是該測量過程中的主要待解決問題。常見的方法是利用光的反射進行有效輻射的提高，比如增加反射鏡，讓被測的表面形成一種空腔的結(jié)構(gòu)，輻射次數(shù)的增加，能夠提高有效的發(fā)射系數(shù)，這樣利用該系數(shù)修正測得的溫度，對獲得溫度進行修正，提高獲得溫度的精度。目前最常見的附加反射鏡是半球式。通過半球表面的漫反射又重新通過鏡反射到半球鏡表面，經(jīng)過多次輻射，獲得有效發(fā)射系數(shù)高的反射結(jié)果。對于測量氣體和液體，我們可以加入一些介質(zhì)來改變有效發(fā)射系數(shù)，比如一些管狀的耐高溫材料，形成空腔結(jié)構(gòu)。該空腔的溫度值對空腔底部介質(zhì)的溫度進行修正即得到真實的溫度。1.2溫度傳感器熱電阻的應(yīng)用原理

8、60;    熱電阻溫度傳感器是測量精度較高，測量范圍較廣的一種測溫手段，廣泛制成標(biāo)準(zhǔn)儀表用于校對測溫儀表，并大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。其中鉑元素制成的熱電阻綜合性能最好。1.2.1溫度傳感器熱電阻測溫原理及材料     溫度傳感器熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造溫度傳感器熱電阻。溫度傳感器熱電阻的分類 1）精通型溫度傳感器熱電阻 這種溫度傳感

9、器熱電阻的適用范圍最廣，通過熱電阻的阻值變化來得到溫度變化，這是一種簡單實用的直接測量方法，由于沒有較多的中間轉(zhuǎn)換，因此精確度也較高。這種熱電阻可能會由于導(dǎo)線上電阻的變化而出現(xiàn)測量誤差，因此測量的時候多考慮補償導(dǎo)線的方式減小誤差，同時采用三線制進行傳感器和變送器的連接。2）鎧裝溫度傳感器熱電阻 鎧型熱電阻溫度傳感器是對熱電阻部分增加了保護措施，具體表現(xiàn)為在熱電阻外圍包裹上一層不銹鋼套管材料，大約直徑在2-8毫米，這種結(jié)構(gòu)的好處是減小熱慣性引發(fā)的測量誤差，同時可以抗氧化，抗外部力的破壞，抗震，耐沖擊。此外安裝方便和壽命長也是這種器件的優(yōu)勢。3）端面溫度傳感器熱電阻 端面溫度傳

10、感器熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，其結(jié)構(gòu)如圖2-1-8所示。它與一般軸向溫度傳感器熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。  端面型溫度傳感器熱電阻主要測量端面的溫度，外部結(jié)構(gòu)是通過電阻絲纏繞成感溫元件，貼在測量元件的端面4）隔爆型溫度傳感器熱電阻 溫度傳感器為適應(yīng)不同使用場景，會對原有裝置進行改造，比如隔爆型熱電阻是用來防止爆炸性混合氣體在傳感器變送端因為電子器件產(chǎn)生電弧而引起爆炸。它的原理是將熱電阻的接線部分隔離，放在接線盒內(nèi)，防止出現(xiàn)爆炸時引發(fā)工業(yè)現(xiàn)場的爆炸。隔爆型熱電阻可以在B1a

11、B3a級區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)場所使用。  溫度傳感器熱電阻測溫系統(tǒng)的組成    整套測溫裝置由感溫元件，變送器，導(dǎo)線，顯示裝置組成，連接時采用三線制或四線制居多，通過變送器將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)化成4-20mA電流信號。1.3溫度傳感器測量原理分類1）雙金屬片式傳感器金屬材料的傳感器的原理是金屬在溫度變化時，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生一個伸展的變化，通過檢測這一變化換算成電流信號。雙金屬片傳感器是通過金屬片在溫度變化下彎曲而進行溫度檢測的，它的原理類似于應(yīng)變片的壓力傳感器，由兩片金屬片片合在一起，但兩種金屬的材料不同，受熱膨脹的程度也不同。溫度變化時金屬片的

12、兩部分膨脹有差別，導(dǎo)致金屬片發(fā)生彎曲，將彎曲程度轉(zhuǎn)化為輸出的電信號。2）雙金屬桿和金屬管傳感器這種傳感器的原理與金屬片類似，溫度變化時金屬桿（管）的膨脹系數(shù)不同，因此長度增加的程度不同，將長度的增加轉(zhuǎn)化成電信號即可進行溫度的測量。3）液體和氣體的變形曲線設(shè)計的傳感器液體和氣體隨著溫度的變化，許多指數(shù)如氣體膨脹，液體的流動性，感應(yīng)偏差，擋流板等，也會隨之變化，其中主要是體積變化。例如氣體隨著溫度升高而膨脹，發(fā)生位移變化，將這一變化轉(zhuǎn)化成溫度指示。從原理上我們可以推測這些傳感器在溫度變化不大的時候測量精度并不夠高。4）熱電阻傳感器金屬隨著溫度變化，其電阻值也發(fā)生變化。對于不同金屬來說，溫度每變化一

13、度，電阻值變化是不同的，而電阻值又可以直接作為輸出信號。電阻共有兩種變化類型：正溫度系數(shù)：溫度升高 = 阻值增加 溫度降低 = 阻值減少負(fù)溫度系數(shù)：溫度升高 = 阻值減少 溫度降低 = 阻值增加5）熱電偶傳感器熱電偶溫度傳感器由不同的金屬導(dǎo)體線組成，由于不同材料的傳熱系數(shù)不同，金屬加熱導(dǎo)體后在兩個不同的導(dǎo)體上產(chǎn)生熱電勢，一端焊接在一起放入測量的溫度環(huán)境中，另一端放在常溫環(huán)境中，通過檢測熱電勢的不同，根據(jù)熱電偶分度表來獲得對應(yīng)的溫度。熱電偶的優(yōu)勢在于測量較為精準(zhǔn)，因為溫度變化與熱電勢的變化對應(yīng)，靈敏度高。此外因為這種傳感器的材質(zhì)問題，可以有較好的延伸，因此在溫度變化過快的環(huán)境中也能測量到對應(yīng)的溫

14、度。一般熱電偶的電勢值在0-20mV左右變化，在溫度變化1的時候大概能夠變化20uV左右。第二章 K型熱電偶特性測試2.1 K型熱電偶簡介金屬熱電偶傳感器根據(jù)材質(zhì)不同可分為S,T,K,N等十余種型號，其中K型熱電偶是比較主流的一種，他的元素組成是鎳鉻正極-鎳硅負(fù)極。當(dāng)然目前國內(nèi)還出現(xiàn)了鎳-鎳硅組成的新型熱電偶。而國外多數(shù)是鎳-鎳鋁型的熱電偶。但是這些材質(zhì)都屬于K型熱電偶，測量時都可以使用這種型號熱電偶的分度表。使用時，K型熱電偶兩導(dǎo)體接觸的一段放入被測量的溫度環(huán)境下，另一端則放置于常溫環(huán)境下，由于溫度不同，導(dǎo)體間產(chǎn)生熱電勢差，因此通過電位計測量電壓值，再對照分度表就可以得到當(dāng)前測量的溫度。2.

15、2 K型熱電偶特點和適用范圍K型熱電偶的特點如下：1) 適用溫度范圍廣，一般能耐1000-1200度的高溫。2) 抗氧化性強，多數(shù)在工業(yè)現(xiàn)場中氧化性強的場合中使用，有時還在電極上附著Mg元素的抗氧化添加劑，提高抗氧化能力。3) 抗還原性差，在有還原性的環(huán)境下只能測量幾百度的介質(zhì)，否則會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。如果在這種環(huán)境下使用需增加保護裝置改裝成鎧型傳感器。4) 價格較低，性價比高。為了提高精度甚至可以考慮多組熱電偶同時使用，得到數(shù)據(jù)進行處理在獲得溫度值，更加精準(zhǔn)。5) 測量時具有良好的線性特性。6) 當(dāng)溫度變化時，同一溫度先后兩次測量的值不同，這說明在溫度變化過程中雖然靈敏度高，但是穩(wěn)定性較差。2.

16、3 K型熱電偶在階躍溫度變化條件下的時間響應(yīng)特性K型熱電偶具有許多特性，比如具有良好的線性特性，對K型熱電偶有許多實驗進行了特性的研究，如階躍溫度下熱電偶的時間特性。投入法是溫度傳感器實驗的常見手法，其方法是將溫度傳感器快速放入一個介質(zhì)中，相當(dāng)于給溫度傳感器一個階躍的溫度信號變化，通過觀察傳感器的輸出值，來獲得整個過程的變化曲線，稱之為動態(tài)特性。該實驗依據(jù)二階閉環(huán)控制系統(tǒng)的階躍特性數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了變量來進行對比研究，如是否增加電極表面的抗氧化性，是否進行等階躍變化，是否增加外部的套管等。在不同的方式下獲得了較好的實驗結(jié)果，記錄了不同條件下響應(yīng)特性的變化。3.鉑熱電阻特性測試熱電阻的原理：鉑絲電

17、阻值會隨著溫度的變化而展現(xiàn)不同的阻值。如果按照0攝氏度時阻值的大小可以有多種型號，Pt100阻值100歐，Pt10阻值10歐等，Pt100測量范圍比較大，一般在-200850攝氏度。而Pt10熱電阻的感溫元件是采用比較粗的鉑絲電阻經(jīng)過繞制而制作成的，所以他的耐溫性能明顯比PT100好得多，主要適用于在650度的環(huán)境下使用，同樣的PT100能夠在這樣的環(huán)境下使用，但是不能夠產(chǎn)生A級錯誤?？v觀熱電阻的原理以及使用途徑，熱電阻就是把實際環(huán)境的溫度轉(zhuǎn)化成一種數(shù)字型號可以用來監(jiān)控或者測量某種物體的溫度的原件，一般工業(yè)過程中就需要把熱電阻與計算機控制系統(tǒng)通過引線連接起來，或者也可以連接在一般的儀表之上，那

18、么在實際工業(yè)現(xiàn)場，熱電阻就必須能夠?qū)嵤┑膫鬏敩F(xiàn)場的溫度，就是安裝在現(xiàn)場或是在高溫度鍋爐中也或是在液體中，一般都會與計算機或者控制室有一定的距離，這也成為影響熱電阻測量精度的主要因素之一。熱電阻的引線模式有三種：1） 二線制：在熱電阻的兩端各自連接一根導(dǎo)線用來引出信號。這雖然這種方法很是簡單，但有一個問題，這么長的導(dǎo)線必然會有引線電阻R，那么導(dǎo)線電阻R就和長度以及材料有關(guān)，所以此種方法只能是用于測量精度要求精度較低的場合。2） 三線制：除了像上文那樣兩節(jié)連根導(dǎo)線以外，還要在熱電阻的底部連接一根引線，它的作用就是這樣的模式一旦與電橋巧妙的結(jié)合，就能達到較好的引線電阻影響，這也是工業(yè)現(xiàn)場大多數(shù)應(yīng)用這

19、種線制的原因。3） 四線制：就是在三限制的基礎(chǔ)上，又在底部加裝一根引線，在低端的兩邊，這樣構(gòu)成的四線制，一種有兩根是為熱電阻提供電流，完成R到電壓的轉(zhuǎn)換，另外的兩根導(dǎo)線就可以吧U引出來引導(dǎo)上級儀表，由此可以看到，不斷的增加引線就是為了消除熱電阻傳輸過程中帶來的誤差影響，這種四線制熱電阻主要適用于更高精度的測量。本次設(shè)計中，我們采用了三線制，原因就是為了消除而限制過程中引導(dǎo)線過長而引起的電阻方面的誤差。那么就要結(jié)合電橋電路來消除三線制方面帶來的誤差了，我們把三線制熱電阻作為了電橋的一個橋臂，成為橋臂電阻的一部分，導(dǎo)線部分會隨著外界不斷不變化的溫度，造成測量誤差。采用三線制以后，其中一根導(dǎo)線與電橋

20、的電源連接，其余的兩根與電橋的橋臂連接，這樣就是為了消除到現(xiàn)代的誤差。從電路的原理上來看，兩邊的電橋橋臂是對稱的，所以他們在電路上的特性就是相反的，運用這個原理就可以在很大程度上消除誤差。熱電阻分類以及特點：（1） 熱電阻的測溫系統(tǒng)一那么就是有熱電阻，導(dǎo)線還有對應(yīng)的顯示儀表組成。同時應(yīng)該值得注意的是：1. 熱電阻與儀表必須保持一致的分度號；2. 為了消除連接導(dǎo)線的誤差，即導(dǎo)線隨溫度電阻變化，必須采用三線制測溫。（2） 鎧裝熱電阻：它是由感溫元件，導(dǎo)線，絕緣材料以及不銹鋼的套管組合成的堅固的實體，一般尺寸為外徑18mm，最小的有1mm，相對于普通的熱電阻，他有很多優(yōu)點，比如說：1. 體積較小，所

21、以內(nèi)部構(gòu)造沒有空氣的影響，而且測量反應(yīng)速度快沒有滯后；2. 機械性能好。兼顧能夠抵御足夠的沖擊力；3. 靈活性高，可以彎曲適合不同形狀的現(xiàn)場；4. 壽命長，可以長期使用。（3） 端面熱電阻。這個元件是由經(jīng)過特殊處理的電阻絲繞制而成，他的電阻絲緊緊地貼在溫度計的表面。星隊以一般的軸向熱電阻，它能夠更加快速的反映當(dāng)時的溫度，這樣的熱電阻適用于測量軸瓦以及其他機件的端面溫度，這樣的環(huán)境要求較高。（4） 隔爆型熱電阻。之所以叫做隔爆型，是因為有一個特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，它能夠使內(nèi)部與外部完全的隔絕。因為外界火花或者其他因素，所以電阻的斷路修理一定會改變電阻的阻值使測量不夠準(zhǔn)確，因此應(yīng)該更換新的電阻，如果硬

22、是要修理的化就應(yīng)該先檢測合格之后再使用。4.了解采用雙曲余弦增益的非線性PI的理論和應(yīng)用PID 控制器由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。然而，對具有顯著的非線性、大慣性、大滯后等特點的蒸汽溫度進行有效控制一直是國內(nèi)外研究的一個難題。為解決傳統(tǒng)PID 對控制性能方面被控量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動、調(diào)節(jié)時間增大、速度趨緩的制約，多年來眾多學(xué)者紛紛提出各種方法提高控制系統(tǒng)的性能。文獻1提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的模糊神經(jīng)控制實現(xiàn)過熱汽溫的控制。文獻2提出一種通過在線調(diào)解可調(diào)因子的PID 型自適應(yīng)模糊控制。文獻3根據(jù)被控對象模型的參數(shù)攝動范圍及概率密度分布，結(jié)合遺傳算法設(shè)計

23、優(yōu)化串級PID 控制器。文獻4 引入增益自適應(yīng)Smith預(yù)估控制設(shè)計汽溫控制器。文獻5 引入二次型性能指標(biāo)，設(shè)計大滯后系統(tǒng)的基于改進灰色預(yù)測模型的自適應(yīng)PID 控制。文獻6將雙曲余弦函數(shù)增益這一非線性函數(shù)引入PID 控制，通過系統(tǒng)偏差的大小對PI 參數(shù)進行調(diào)整，在無延遲的一階、二階對象的控制中取得了較好的效果。本文基于一種雙曲余弦增益的非線性PI 控制器，設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)的蒸汽溫度的棒控制器。仿真結(jié)果表明引入雙曲余弦增益的非線性PI 控制器對蒸汽溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能得到顯著改善，具有良好的抵抗干擾能力和魯棒性。5.在MATLAB/SIMULINK下設(shè)計采用雙曲余弦增益的非線性PI控制器

24、；當(dāng)前工業(yè)對加熱爐控制多數(shù)使用PI控制算法或者PID控制算法，但是基礎(chǔ)的PI算法針對線性系統(tǒng)，而實際運用中多數(shù)要面臨非線性系統(tǒng)，也就是在整個閉環(huán)傳遞函數(shù)中加入非線性的函數(shù)環(huán)節(jié)，達到對非線性系統(tǒng)的控制。這也是對傳統(tǒng)的比例積分控制的一種改進，能夠提高控制精度，獲得更好的控制效果，如減少控制時間和超調(diào)量等。雙曲余弦增益是一種適用于非線性PI控制的非線性函數(shù)，能夠達到非線性控制。雙曲余弦增益主要利用了誤差e對系統(tǒng)的影響，具體表達式如下：k( e1) = ch( k0 × e1)= exp( k0 × e1) + exp( k0 × e1)/2e1 = e( t) ， |

25、e( t) | emaxemaxsgn( t) ， | e( t) | emax( 1)u( t) = k( e1) Kpe( t) dt + Kit0e( t) dt +Kdde( t)dt ( 2)在上述公式中：k0是非線性的增益參數(shù)，然后kp以及ki分別是比例積分的系數(shù)。我們根據(jù)這個控制方程在MATLAB的simulink上搭建如下圖所示的控制器模型以便對模型進行進一步的模擬以及調(diào)整。其中Kp和Ki是比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的系數(shù)?；诖撕瘮?shù)我們構(gòu)建閉環(huán)系統(tǒng)非線性控制器，利用simulink進行搭建仿真控制模型，觀測該控制器的實際效果，模型結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示。圖5-1 仿真模型圖其中應(yīng)該注意

26、的一點是：非線性部分如果不對誤差e加以控制，就可能會導(dǎo)致整個控制回路的不穩(wěn)定性，如因為非線性增益補償過大，導(dǎo)致線性部分變?yōu)椴荒芸夭糠帧Ｒ虼送ㄟ^限制k（e）的大小來避免這個問題。其中當(dāng)k0=0.125的時候，emax=5時，k（e）會隨著誤差的變化而變化。如圖5-2所示。圖5-2 函數(shù)曲線圖 6.加熱爐溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計6.1設(shè)計的目的及意義加熱爐被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。由于這類對象使用方便，可以通過調(diào)節(jié)輸出功率來控制溫度，進而得到較好的控制性能，故在冶金、機械、化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 在一些工業(yè)過程控制中,工業(yè)加熱爐是關(guān)鍵部件,爐溫控制精度及其工作穩(wěn)定性已成為產(chǎn)品質(zhì)量的決定

27、性因素。對于工業(yè)控制過程,PID 調(diào)節(jié)器具有原理簡單、使用方便、穩(wěn)定可靠、無靜差等優(yōu)點,因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天,它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強大的生命力。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，這就需要對加熱介質(zhì)的溫度進行連續(xù)的測量和控制。在冶金工業(yè)中，加熱爐內(nèi)的溫度控制直接關(guān)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)中是十分必要的。6.2 控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求6.2.1 生產(chǎn)工藝介紹加熱爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程必不可少的重要動力設(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動透平的動力源

28、，又可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，作為動力和熱源的過濾，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。加熱爐設(shè)備根據(jù)用途、燃料性質(zhì)、壓力高低等有多種類型和稱呼，工藝流程多種多樣，常用的加熱爐設(shè)備的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成。本加熱爐環(huán)節(jié)中，燃料與空氣按照一定比例送入加熱爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給物料。物料被加熱后，溫度達到生產(chǎn)要求后，進入下一個工藝環(huán)節(jié)。用泵將從初餾塔底得到的拔頂油送入加熱爐中加熱到360 370 后，再送入常壓分餾塔中。經(jīng)分餾，在塔頂可得到低沸點汽油餾分，經(jīng)冷凝和冷卻到30 40 時，一部分作為塔頂回流

29、液，另一部分作為汽油產(chǎn)品。此外，還設(shè)有12個中段回流。在常壓塔中一般有34個側(cè)線，分別餾出煤油、輕柴油。側(cè)線產(chǎn)品是按人們的不同需要而取的不同沸點范圍的產(chǎn)品，在不同的流程中并不相同。有的側(cè)線產(chǎn)品僅為煤油和輕柴油，而重油為塔底產(chǎn)品；有的側(cè)線為煤油、輕柴油和重柴油，而塔底產(chǎn)品為常壓渣油。 初底油用泵加壓后與高溫位的中段回流、產(chǎn)品、減渣進行換熱，一般換后溫度能達到260°C以上，如果換熱流程優(yōu)化的好，換熱溫度可達到310°C左右。初底油在進入常壓爐進一步加熱至365°C（ 各裝置設(shè)定的爐出口溫度隨所煉不同原油的組成性質(zhì)而差異，一般都在360°C至370°

30、;C之間）。最后初底油進入常壓塔進行分離。 加熱爐設(shè)備主要工藝流程圖如圖2-1所示。圖2-1 加熱爐設(shè)備主要工藝流程圖控制要求 加熱爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，供應(yīng)熱量，同時要使加熱爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。按照這些控制要求，加熱爐設(shè)備將有主要的控制要求：加熱爐燃燒系統(tǒng)的控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)物料負(fù)荷的需要，保證燃燒的經(jīng)濟型和加熱爐的安全運行，使物料溫度與燃料流量相適應(yīng)，保持物料出口溫度在一定范圍內(nèi)。6.3 總體設(shè)計方案6.3.1系統(tǒng)控制方案隨著控制理論的發(fā)展，越來越多的智能控制技術(shù)，如自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到加熱爐溫度控制中，改善和提

31、高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 本加熱爐溫度控制系統(tǒng)較為簡單，故采用數(shù)字PID算法作為系統(tǒng)的控制算法。采用PID調(diào)節(jié)器組成的PID自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)爐溫。PID調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié), 可產(chǎn)生強大的穩(wěn)定作用; 積分調(diào)節(jié)可消除靜差; 微分調(diào)節(jié)可加速過濾過程, 克服因積分作用而引起的滯后。控制系統(tǒng)通過溫度檢測元件不斷的讀取物料出口溫度，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換后接入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將給定溫度與測得的溫度進行比較得出偏差值，然后經(jīng)PID算法給出輸出信號，執(zhí)行器接收調(diào)節(jié)器發(fā)來的信號后，根據(jù)信號調(diào)節(jié)閥門開度，進而控制燃料流量，改變物料出口溫度，實現(xiàn)對物料出口溫度的控制。 本加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用單回路控制方案，即可實現(xiàn)控制要求

32、。在運行過程中，當(dāng)物料出口溫度受干擾影響改變時，溫度檢測元件測得的模擬信號也會發(fā)生對應(yīng)的改變，該信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換后變成調(diào)節(jié)器可分析的數(shù)字信號，進入調(diào)節(jié)器，將變動后的信號再與給定相比較，得出對應(yīng)偏差信號，經(jīng)PID算法計算后輸出，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)燃料流量，不斷重復(fù)以上過程，直至物料出口溫度接近給定，處于允許范圍內(nèi)，且達到穩(wěn)定。由此消除干擾的影響，實現(xiàn)溫度的控制要求。6.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程圖根據(jù)控制要求和控制方案設(shè)計的加熱爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示, 該系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)對象(加熱爐)、檢測元件(測溫儀表)、變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器等5個部分組成, 構(gòu)成單回路負(fù)反饋溫度系統(tǒng)。其中顯示器是可選接

33、次要器件，故用虛線表示；為物料出口溫度，Qg為燃料流量。箭頭方向為信號流動方向，溫度信號由檢測元件進入控制系統(tǒng)，經(jīng)過一系列器件和運算后，由執(zhí)行器改變?nèi)剂狭髁?，進而實現(xiàn)溫度控制。圖3-1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3-2 加熱爐溫度控制系統(tǒng)整體控制流程圖Qg為燃料流量，為物料出口溫度，加熱爐作為控制對象。7.控制器參數(shù)優(yōu)化我們上述講的非線性PI控制器還缺乏一個較好的參數(shù)整定方案。由于許多不確定因素還有一些外部擾動的影響。導(dǎo)致我們想要找到最合適的方法是比較困難的。所以我們準(zhǔn)備利用Simulink 下的NCD 模塊對我們所需要的參數(shù)進行優(yōu)化和整定。我們具體準(zhǔn)備實施的計劃如下：第一步，我們準(zhǔn)備先設(shè)計

34、仿真過程所需要的框圖。第二步，我們準(zhǔn)備嘗試整定出最優(yōu)的控制器參數(shù)，而且還要對系統(tǒng)初始化。第三步，我們要在時域內(nèi)，給定其系統(tǒng)性能參數(shù)，如，調(diào)節(jié)、上升時間，還有超調(diào)量一些要求。我們根據(jù)這些要求，將問題轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化方面的問題，從而進行參數(shù)的優(yōu)化計算。第四步，我們就要設(shè)置好允許誤差還有當(dāng)我們超出約束時，要停止優(yōu)化。第五步，我們要對程序進行優(yōu)化，得到一些關(guān)于控制器的參數(shù)。第六步，我們要不斷的縮小要求，重復(fù)之前的操作過程。第七步，反復(fù)進行改善，直到無法優(yōu)化為止。8.設(shè)計加熱爐分?jǐn)?shù)階模型和整數(shù)階模型非線性控制仿真試驗；我們將具有不確定性、強非線性而且還是純滯后的蒸汽溫度作為被控對象，我們?nèi)绻褂贸Ｒ?guī)的調(diào)節(jié)方法

35、，它的效果一定不好，下面我們就分別用對于不確定性、強非線性、純滯后的蒸汽溫度控制對象，采用常規(guī)方法進行調(diào)節(jié)，其效果很不理想。以下分別采用上單回路和串級系統(tǒng)中雙曲余弦增益的非線性PI 控制器來分別進行控制，看是否能夠到達我們所預(yù)期的效果。8.1 單回路控制系統(tǒng)仿真TNN 200 型直流鍋爐的低溫再熱器在85%負(fù)荷下，煙氣旁路擋板擾動時汽溫傳遞函數(shù)8為:G( s) = 0 51e96s( 37s + 1) ( 270s + 1)( 3)我們以在狀態(tài)是85%負(fù)荷的對象下，選取超調(diào)量 和調(diào)節(jié)時間ts作為系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)，通過NCD 模塊優(yōu)化控制器參數(shù)，得到非線性PI 控制器優(yōu)化后的參數(shù)為kp = 1.

36、 0136，ki = 0. 0035，k0 = 0. 002; 線性PI 控制器優(yōu)化后的參數(shù)為kp = 2. 2514，ki =0. 0072 圖4 和圖5 分別給出了設(shè)定值單位階躍擾動下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線和系統(tǒng)階躍響應(yīng)的控制作用曲線。我們從圖4就能看出來，雙曲余弦增益的非線性PI的響應(yīng)速度是有多快，而且它到達穩(wěn)態(tài)的時候，花的時間也較短。波動過程也很短暫。我們從圖5能夠看出來，非線性的PI調(diào)節(jié)的效果就很好，并沒有過調(diào)的現(xiàn)象。8.2 串級控制系統(tǒng)仿真電廠鍋爐要想安全的而且經(jīng)濟有效的運轉(zhuǎn)，再熱蒸汽是一個重要的參數(shù)，我們必須了解。對于某個工廠在18萬比較平穩(wěn)負(fù)荷下進行了20% 的噴水。階躍擾動實驗9。1

37、) 噴水導(dǎo)前汽溫對象:G( s) = 0 28( 60s + 1)( 4)2) 惰性汽溫對象G( s) = 0 10( 120s + 1) 3( 5)8.2.1 給定值階躍下系統(tǒng)仿真對串級系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化，得到非線性PI 控制器的最優(yōu)參數(shù): k0 = 2. 5050; kp = 3. 6323; ki =0. 0148; 線性PI 控制器的最優(yōu)參數(shù)為: kp =71. 8091; ki = 0. 2032 內(nèi)回路都為P 控制器，其參數(shù)為0. 6424 圖6 給出了串級汽溫控制系統(tǒng)設(shè)定值單位階躍擾動下的響應(yīng)曲線。從這個圖，我們能夠明顯看到所用的時間減短了，包括峰值時間和調(diào)節(jié)時間，它的超調(diào)量也較小

38、，和單回路系統(tǒng)比起來，串級系統(tǒng)的非線性PI控制起來，效果更好。8.2.2 擾動下系統(tǒng)的仿真我們?yōu)榱四軌驅(qū)υ跍y量蒸汽溫度時雙曲余弦函數(shù)的增益構(gòu)成的非線性PI控制器的適應(yīng)能力，我們特意在2500秒的時候，給一個階躍信號，這個信號作為擾動信號。d1 = + 0. 8 mA，那么，它的響應(yīng)曲線如圖7。我們于實驗中看出來，在我們給擾動信號是，最先有反應(yīng)的是雙曲余弦函數(shù)增益的非線性PI控制器。而且是十分穩(wěn)定的調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)。沒有過多的振蕩過程。但是線性的PI控制就不是這樣了，它的調(diào)節(jié)時間長，振蕩比較激烈。超調(diào)量也是十分大。9.分析實驗數(shù)據(jù)和圖表，并得出結(jié)論。我們對以下四個指標(biāo)進行相互比較和分析：上升、峰值、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。我們在表1中，就給出了在不同的控制作用下單回路系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的一些指標(biāo)；表2中，我們就給出了在不同的控制作用下，串級系統(tǒng)的階躍響應(yīng)一些指標(biāo)。我們從表1里的這些數(shù)據(jù)就能看出，在階躍響應(yīng)的時候，單回路系統(tǒng)的非線性PI的曲線上升時間明顯比單回路系統(tǒng)的線性PI快了將近107秒，不僅如此，曲線到達峰值的時間也相應(yīng)的比線性PI曲線到