計(jì)控第二次大作業(yè)~氧化爐

1、 8/8 某大學(xué)答題紙（20 12 20 13 學(xué)年第 1 學(xué)期）課號(hào)： 103Z01A07 課程名稱(chēng)： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 改卷教師： 學(xué)號(hào)： 姓 名： 得 分： 大作業(yè)（二） 下圖為氧化爐對(duì)象，工藝要求氧化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度恒定，一般通過(guò)氧化爐的氨氣和氧氣比恒定來(lái)實(shí)現(xiàn)，但氨管壓力波動(dòng)會(huì)影響氨氣流量變化，空氣含氧量會(huì)隨環(huán)境發(fā)生變化。被控量為氧化爐溫度，調(diào)節(jié)量為氨氣管道閥門(mén)。緒論在硝酸銨生產(chǎn)過(guò)程中，氨氧化爐是關(guān)鍵設(shè)備。其工藝流程：氨氣和空氣混合氣體進(jìn)入氧化爐，在鉑金觸煤的作用下進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成所需要的一氧化氮，這是一個(gè)多種參數(shù)相互制約的復(fù)雜過(guò)程，工藝控制指標(biāo)的好壞關(guān)系到生產(chǎn)能否穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)效益以及

2、設(shè)備安全問(wèn)題。 氨氧化法制硝酸是硝酸生產(chǎn)中比較普遍的方法，氨氣和空氣混合氣體經(jīng)靜化后，進(jìn)入氧化爐，在鉑金網(wǎng)的作用下，在絕壓045 MPa，溫度850的條件下，將氨氧化成一氧化氮?dú)怏w，影響氧化反應(yīng)過(guò)程的因素有氨的體積分?jǐn)?shù)，壓力，氧化率，反應(yīng)溫度，混合氣流量，鉑網(wǎng)活性等，氧化率是氧化反應(yīng)的指標(biāo)，但目前沒(méi)有有效的檢測(cè)手段。在一定條件下，氧化率正比于反應(yīng)溫度，而氨氣是氧化反應(yīng)的主要成分，反應(yīng)的溫度取決于氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)，而氨的體積分?jǐn)?shù)又無(wú)法測(cè)量，只有氧化爐溫度能間接反應(yīng)出氧化率。為了獲得更高的氧化率，氧化爐溫度與氨的體積分?jǐn)?shù)均控制在極值，而爐溫超到1100會(huì)燒毀價(jià)值昂貴的鉑金網(wǎng)，氨的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)14

3、會(huì)引起惡性爆炸事故毀壞生產(chǎn)設(shè)備，必需加設(shè)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，氧化爐溫度及氨空比是最關(guān)鍵的控制參數(shù)，對(duì)儀表精度要求極高。因此氨氧化反應(yīng)對(duì)氧化爐內(nèi)的氨空流量比和爐溫的要求非常嚴(yán)格，所以，氨空比與爐溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)與穩(wěn)定控制是氧化爐控制的關(guān)鍵。1、確定被控對(duì)象，輸出量和控制參數(shù)分析：由緒論可知氨空比與爐溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)與穩(wěn)定控制是氧化爐控制的關(guān)鍵。以爐溫為主調(diào)節(jié)回路，氨空比值為副調(diào)節(jié)回路，構(gòu)成變比值控制系統(tǒng)。串級(jí)比值調(diào)節(jié)回路中，當(dāng)出現(xiàn)直接引起氨氣，空氣流量變化的干擾時(shí)，通過(guò)比值系統(tǒng)，可以得到及時(shí)克服，以保持爐溫不變，對(duì)于其他干擾如氨氣、溫度壓力變化，觸媒活性變化等引起的爐溫變化，可通過(guò)主調(diào)節(jié)器對(duì)氨空比值進(jìn)行修正，

4、以保證爐溫恒定。串級(jí)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 快速而有效地克服各種干擾，可使溫度控制精度達(dá)到恒定。由圖可知被控對(duì)象：氨氣調(diào)節(jié)閥 輸出量：溫度 控制參數(shù)：氧化爐溫度和氨空比控制系統(tǒng)方框圖如圖所示： 主控制器副控制器調(diào)節(jié)閥副對(duì)象主對(duì)象除法器氨流量測(cè)量變送空氣測(cè)量變送溫度變送2、給出對(duì)象模型的建立方法分析：就工業(yè)過(guò)程或裝置而言,所謂系統(tǒng)就是由元件、部件相互聯(lián)系而組成的具有某種特定功能的整體。不同的系統(tǒng)對(duì)應(yīng)著不同的學(xué)科領(lǐng)域。每個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都要研究這一領(lǐng)域所包含的所有系統(tǒng)內(nèi)部的以及與之相聯(lián)系的外部因素之間比較精確的定量關(guān)系,即數(shù)學(xué)模型。所謂系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,就是利用數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)(表格、圖形以及各種數(shù)學(xué)方程:代數(shù)方程、積分

5、方程、微分方程、它們的方程組、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程、差分方程等)來(lái)反映系統(tǒng)內(nèi)部之間、內(nèi)部與某些外部因素之間的精確的定量關(guān)系。建立數(shù)學(xué)模型有兩種方法:一種是從基本物理定律,即利用各個(gè)專(zhuān)門(mén)學(xué)科領(lǐng)域提出來(lái)的物質(zhì)和能量的守恒性和連續(xù)性原理,以及系統(tǒng)(設(shè)備)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出模型。種方法得出的數(shù)學(xué)模型稱(chēng)之為機(jī)理模型或解析模型,這種建立模型的方法,稱(chēng)之為解析法;另一種方法是從系統(tǒng)的運(yùn)行和試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型(模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)),這種方法稱(chēng)之為系統(tǒng)辨識(shí)。由實(shí)驗(yàn)法建立的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù),來(lái)描述單輸入單輸出線性系統(tǒng)的方法,可以為更復(fù)雜的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)作預(yù)備性試驗(yàn),它是系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)。（1）階躍響應(yīng)法系統(tǒng)辨識(shí)在被辨

6、識(shí)對(duì)象上施加一個(gè)階躍信號(hào)，然后測(cè)定出對(duì)象的響應(yīng)隨時(shí)間變化的曲線，再根據(jù)該響應(yīng)曲線，通過(guò)圖解法而不是通過(guò)尋求其解析公式的方法來(lái)求解被辨識(shí)對(duì)象的傳遞函數(shù)。通過(guò)操作器的操作使系統(tǒng)的工作在所需測(cè)試的負(fù)荷下，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，快速改變系統(tǒng)的輸出量，并用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)記錄下系統(tǒng)的輸入、輸出變化曲線，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，系統(tǒng)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，實(shí)驗(yàn)就可結(jié)束，得到的記錄曲線就是系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。在測(cè)定出階躍響應(yīng)曲線以后，可以根據(jù)階躍響應(yīng)曲線推出典型對(duì)象的傳遞函數(shù)。估算傳遞函數(shù)的方法有很多，常用的有近司法、切線法、兩點(diǎn)法和面積法等，但幾乎所有的方法都是在假定傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)已知的情況下，通過(guò)圖解法和計(jì)算的方法，利用響應(yīng)曲

7、線上少量特征參數(shù)則可推出傳遞函數(shù)的參數(shù)。（2）頻率響應(yīng)法系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)地頻率響應(yīng)解析式往往很難找到，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程來(lái)說(shuō)，通?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可推算出它的頻率響應(yīng)曲線。工程上常采用的最簡(jiǎn)單的方法是是直線曲線記錄法：在對(duì)象的輸入端施加一個(gè)正弦波激勵(lì)信號(hào)，然后用記錄設(shè)備同時(shí)記錄對(duì)象的輸入輸出，每次用以不同的頻率的正弦波測(cè)試，重復(fù)多次。隨后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將每個(gè)頻率下的輸出輸入的振幅計(jì)算出來(lái)，并求出比值，這就是頻率特性上在該頻率下相位差。最后，將其幅值及頻率按所需的坐標(biāo)繪制成圖，即為該對(duì)象的頻率特性。（3）相關(guān)分析法系統(tǒng)辨識(shí)采用相關(guān)分析法獲得的北邊是系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)是在線辯是非參數(shù)模型的一種有效

8、方法。 在對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能了解較少的情況下，采用階躍響應(yīng)法建模，是一種較好的快速而簡(jiǎn)潔的建模方法，同時(shí)輸入信號(hào)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，從而在工程實(shí)踐中被廣泛使用。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況及數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的觀察分析，確定實(shí)際階躍信號(hào)。通過(guò)圖解法和計(jì)算的方法，利用響應(yīng)曲線上少量特征參數(shù)則可推出傳遞函數(shù)的參數(shù)。3、如對(duì)象具有一階慣性和純滯后，給出合適的控制方案針對(duì)一個(gè)具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)方案分析與選擇： 控制算法效果模擬化數(shù)字PID控制控制復(fù)雜且效果不一定好，當(dāng)/Tm（最大時(shí)間常數(shù)）0.5時(shí)，采用常規(guī)PID控制難以得到良好的控制Smith純滯后補(bǔ)償控制將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了的被控量

9、，無(wú)延遲部分反映到調(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而可明顯地減少超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過(guò)程。但是該方式對(duì)系統(tǒng)受到的負(fù)荷干擾無(wú)補(bǔ)償作用，且控制效果嚴(yán)重依賴(lài)于對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型精度，特別是純滯后時(shí)間達(dá)林算法針對(duì)多數(shù)工業(yè)過(guò)程具有純滯后特性，解決/Tm0.5時(shí)常規(guī)PID控制的難題，能使被控對(duì)象輸出沒(méi)有超調(diào)量或超調(diào)量很小 由于被控對(duì)象具有純延時(shí)特性，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過(guò)渡過(guò)程變壞，且此對(duì)象的純延時(shí)時(shí)間與對(duì)象慣性時(shí)間常數(shù)T之比為0.5，采用常規(guī)PID算法難以獲得良好的系統(tǒng)性能，因此使用達(dá)林算法。當(dāng)使用達(dá)林算法求取字調(diào)節(jié)器時(shí)，必須求得系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。而達(dá)林算法目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器，使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

10、為具有純時(shí)延特性的一階慣性環(huán)節(jié)，其中，純時(shí)延時(shí)間等于工業(yè)對(duì)象的純時(shí)延時(shí)間，因此，我們可以設(shè)，其中為系統(tǒng)的期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)。因達(dá)林算法也是一種零、極點(diǎn)配置的設(shè)計(jì)方法，它適用于廣義對(duì)象含有時(shí)延環(huán)節(jié)、且要求系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量或超調(diào)量很小的應(yīng)用場(chǎng)合，適當(dāng)放寬采樣周期T和的取值X圍或取值為同一數(shù)量級(jí)時(shí)，有利于消除或削弱振鈴現(xiàn)象。則可取=0.8。 達(dá)林算法下調(diào)節(jié)器函數(shù)由以上分析知，帶純時(shí)延特性的一階慣性環(huán)節(jié)如下：其中，0.374，0.7479，K=122.88 所設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)如下：，式中，0.8。系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù) 式中，為采樣周期，取L=2，可得。為期望閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。則 廣義工業(yè)對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為： 則所設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器形式為： 因此可求得在單位階躍輸入下，系統(tǒng)期望輸出序列： 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：由以上傳遞函數(shù)，通過(guò)MATLAB求其伯德圖，程序如下：給出MATLAB下 的最少拍和PID控制的對(duì)比效果假設(shè)已測(cè)得對(duì)象的模型為，采樣時(shí)間為15sPID控制Simulink仿真Kp=0.11Ki=0.001Kd=0輸出響應(yīng)：（2）最小拍控制所謂最少拍系統(tǒng)或最少調(diào)整時(shí)間系統(tǒng)，是指對(duì)下圖所示的隨動(dòng)系統(tǒng)，在給定某種典型輸入條件下，設(shè)計(jì)一個(gè)控制規(guī)律D（z），使閉環(huán)系統(tǒng)具有最快的響應(yīng)速度