管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告書管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

任務(wù)分配過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計——管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

目錄任務(wù)分配 2過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計——管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 21摘要 32模型簡介 3背景 3模型假設(shè) 3系統(tǒng)擾動因素 33控制方案 3傳統(tǒng)PID控制方法 3串級控制系統(tǒng) 33.3方案選擇 34串級控制器的設(shè)計 3主副控制器設(shè)計 3主、副回路的設(shè)計原則 3主、副調(diào)節(jié)器的選型 3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇作用 3串級控制器的參數(shù)整定 35系統(tǒng)的仿真和改進(jìn) 3串級控制系統(tǒng)仿真 3基于Smith預(yù)估計補(bǔ)償器的串級控制系統(tǒng) 3六．總結(jié) 3七．參考文獻(xiàn) 31摘要當(dāng)今世界，隨著市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，作為工業(yè)自動化重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈重，無論是在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起十分重要的作用。為了能將課程所學(xué)理論知識初步嘗試應(yīng)用于實踐。本設(shè)計針對管式加熱爐系統(tǒng)的控制問題展開了研究。通過將實際加熱爐模型化，通過實驗法建立鍋爐的數(shù)學(xué)模型。針對物料溫度控制問題，在對比了簡單的單回路PID控制方法、串級控制兩種方法的優(yōu)劣性后，選擇了串級控制的方法控制物料溫度。綜合應(yīng)用過程控制理論以及MATLAB仿真技術(shù)，通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ图皡?shù)整定，得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線。通過反復(fù)實驗，調(diào)整參數(shù)，使控制效果比較理想。關(guān)鍵詞：管式加熱爐系統(tǒng)、串級控制、MATLAB仿真2模型簡介背景管式加熱爐是石油工業(yè)中重要裝置之一，加熱爐控制的主要任務(wù)就是保證工藝介質(zhì)最終溫度達(dá)到并維持在工藝要求范圍內(nèi)，由于其具有強(qiáng)耦合、大滯后等特性，控制起來非常復(fù)雜。同時，近年來能源的節(jié)約、回收和合理利用日益受到關(guān)注。加熱爐是冶金、煉油等生產(chǎn)部門的典型熱工設(shè)備，能耗很大。因此，在設(shè)計加熱爐控制系統(tǒng)時，在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能也是一個重要質(zhì)量指標(biāo)，要保證加熱爐的熱效率最高，經(jīng)濟(jì)效益最大。另外，為了更好地保護(hù)環(huán)境，在設(shè)計加熱爐控制系統(tǒng)時，還要保證燃料充分燃燒，使燃燒產(chǎn)生的有害氣體最少，達(dá)到減排的目的。模型假設(shè)管式加熱爐的主要任務(wù)是把原質(zhì)油或重油加熱到一定的溫度，保證下一道工序正常進(jìn)行。假設(shè)有一個加熱爐系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定為：1.物料以恒定速度進(jìn)入管道，流速為10L/s，管道直徑為10cm，不考慮物料濃度變化、壓力變化等其他條件。2.物料在加熱爐內(nèi)的長度為L=5m,假定物料受熱均勻，并在t=10s后上升至指定溫度。3.假定燃?xì)饣旌蠞舛炔蛔?，物料溫度上升只受燃料流量影響?.不考慮環(huán)境溫度、燃料值等影響，主要考慮燃料流量的擾動。5.設(shè)定加熱爐的出口溫度T=702℃。系統(tǒng)擾動因素管式加熱爐的主要任務(wù)是把原質(zhì)油或重油加熱到一定的溫度。引起溫度改變的擾動因素有很多，主要有：1.燃油方面（他的組分和調(diào)節(jié)閥前的油壓以及燃料油流量）的擾動；2.噴油用的過熱蒸汽壓力波動；3.被加熱油料方面（它的流量和入口溫度）的擾動；4.配風(fēng)、爐膛漏風(fēng)和大氣溫度方面的擾動；本設(shè)計主要考慮的是被加熱油料流量的擾動的影響，忽略其他的擾動因素。3控制方案傳統(tǒng)PID控制方法管式加熱爐的任務(wù)是把原料加熱到一定溫度，以保證下道工藝順利進(jìn)行，因此若采用傳統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)，常選原料油出口溫度為被控參數(shù)、燃料油流量為控制變量，如圖3-1所示，其控制系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。影響原料油出口溫度的干擾有原料油流量原料油入口溫度、燃料壓力、燃料熱值、燃料流量等，該系統(tǒng)根據(jù)原料油出口溫度來控制燃料閥門的開度，通過改變?nèi)剂狭髁繉⒃统隹跍囟瓤刂圃谝?guī)定值上，但由其系統(tǒng)圖可知當(dāng)燃料壓力、流量、熱值發(fā)生變化，產(chǎn)生擾動時，最先影響爐膛溫度，然后通過傳熱過程逐漸影響原料油出口溫度，從燃料流量變化經(jīng)過三個容量后，才引起原料油出口溫度的變化，這個通道時間常數(shù)很大，約15min,反應(yīng)緩慢。而溫度調(diào)節(jié)器是根據(jù)原料油的出口溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制，當(dāng)燃料部分出現(xiàn)干擾后，系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)的影響，控制質(zhì)量差，當(dāng)生產(chǎn)工藝對原料油出口溫度要求嚴(yán)格時，傳統(tǒng)的簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求。圖3.1管式加熱爐簡單溫度控制系統(tǒng)圖管式加熱爐簡單溫度控制系統(tǒng)框圖串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)是在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，當(dāng)被控過程的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，采用簡單控制系統(tǒng)控制品質(zhì)較差，滿足不了工藝控制精度，在這種情況下可考慮采用串級控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。針對管式加熱爐設(shè)計的溫度-流量串級控制系統(tǒng)3-3所示，其系統(tǒng)框圖3-4所示。圖管式加熱爐溫度-流量串級控制系統(tǒng)圖3.4管式加熱爐溫度-流量串級控制系統(tǒng)框圖3.3方案選擇方案一的簡單控制系統(tǒng)有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進(jìn)而改變?nèi)剂狭髁?，在爐膛中燃燒后，爐膛溫度改變，改過程時間常數(shù)大，可達(dá)到15min。因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，動作不及時，偏差在較長時間內(nèi)不能被消除。方案二的串級控制系統(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；主回路具有后調(diào)、細(xì)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。由于主副回路相互配合，使控制質(zhì)量顯著提高。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器（調(diào)節(jié)器），增加的投資并不多（對計算機(jī)控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)完善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對二次擾動有很強(qiáng)的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。綜上所述，本設(shè)計選擇串級控制系統(tǒng)。4串級控制器的設(shè)計為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點，在設(shè)計實施控制系統(tǒng)時，還應(yīng)適當(dāng)合理的設(shè)計主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。主副控制器設(shè)計主、副回路的設(shè)計原則1）副參數(shù)的選擇，應(yīng)使副回路的時間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏。2）副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾。3）主、副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。主、副調(diào)節(jié)器的選型1）副調(diào)節(jié)器的選型:副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選P調(diào)節(jié)器，也可采用PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，在一般情況下，采用P調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可以考慮采用PI調(diào)節(jié)器。本次設(shè)計采用P調(diào)節(jié)器。2）主調(diào)節(jié)器的選型:主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需采用串級控制的生產(chǎn)過程，對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用PI調(diào)節(jié)器。如果控制對象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時又有主要擾動落在副回路以外的話，就可以考慮采用PID調(diào)節(jié)器。本次設(shè)計采用PID調(diào)節(jié)器。主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇作用1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調(diào)節(jié)器均可以采用比例控制。2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差，此時副調(diào)節(jié)器可以采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求這時主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。串級控制器的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)中，兩個控制器串聯(lián)一起控制調(diào)節(jié)閥，因此兩個控制器是相互關(guān)聯(lián)的，不可避免會產(chǎn)生相互影響。所以兩個控制器的參數(shù)整定也是相互關(guān)聯(lián)的，需要相互協(xié)調(diào)，反復(fù)整定才能達(dá)到最佳效果。另外，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，主回路和副回路的工作頻率是不同的，一般副回路的工作頻率較高，主回路的頻率較低。工作頻率的高低主要取決于被控過程的動態(tài)特性，但也與主、副回路的參數(shù)整定有關(guān)。在整定時應(yīng)盡量加大副控制器的增益以提高副回路的工作頻率，目的是師主、副回路的工作頻率盡可能錯開，以減少相互作用的影響。在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩部整定法，一步整定法等。本設(shè)計采用兩步整定法，先整定副控制器，后整定主控制器。圖4.1串級控制系統(tǒng)方框圖1）先整定副調(diào)節(jié)器:當(dāng)副回路受到階躍擾動時，在較短時間內(nèi)副回路控制過程就告結(jié)束。在此期間，主回路基本上不參加動作，由圖得整定副回路時的方框圖，如圖4.4（a）所示?？砂磫位芈废到y(tǒng)的整定方法整定副調(diào)節(jié)器。2）整定主調(diào)節(jié)器:當(dāng)主回路進(jìn)行控制時，副回路幾乎起理想隨動作用，由圖可得（）從而求得副回路的閉和傳遞函數(shù)（）即在主回路中副回路可看作一個比例環(huán)節(jié)，由此畫出整定主回路時的方框圖，如圖（b）所示?？砂磫位芈废到y(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在此方法下主副控制器參數(shù)的工程整定如下：a.在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，然后逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比(如4：1)過渡過程下的副控制器比例度δ2S和操作周期T2S。b.在副控制器比例度等于δ2S，的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度δ1S。和操作周期T1S。c.根據(jù)上面得到的δ1S、、T1S、δ2S、、T2S計算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。d.按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定方法，將計算出的控制器參數(shù)加到控制器上。e.觀察控制過程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過渡過程。按上述步驟整定系統(tǒng)后，通常應(yīng)滿足（、分別為主、副回路主導(dǎo)衰減振蕩成分的頻率）。通過整定可知主、副控制器的參數(shù)為圖4.2主(a)副(b)調(diào)節(jié)器分別獨(dú)立整定時的方框圖5系統(tǒng)的仿真和改進(jìn)串級控制系統(tǒng)仿真通過查閱相關(guān)資料可知導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)為（）惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為:（）其調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器，即：（）用衰減曲線法整定參數(shù)得，用MATLAB的Simulink進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖所示，其仿真曲線如圖所示；對系統(tǒng)施加一個給定值階躍擾動（r=1）時響應(yīng)曲線如下圖所示。圖5.1串級控制的simulink結(jié)構(gòu)圖圖5.2串級PID控制的simulink仿真圖圖5.3給定值階躍擾動響應(yīng)曲線給系統(tǒng)施加一個外部階躍擾動時的仿真如圖所示，當(dāng)惰性區(qū)純滯后時間變?yōu)?0，慣性時間常數(shù)變?yōu)?00時，其仿真如圖所示。圖5.4系統(tǒng)外部階躍擾動仿真圖圖5.5變?yōu)?0，Td變?yōu)?00時的仿真圖當(dāng)變?yōu)楫?dāng)純滯后時間變?yōu)?0，慣性時間常數(shù)變?yōu)?20時如圖所示圖變?yōu)?0，Td變?yōu)?20的仿真圖由圖可以看到在鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)中，串級PID控制能取得比較令人滿意的效果。由圖、可以看到串級系統(tǒng)對抑制回路內(nèi)部干擾效果不錯，對外部干擾效果不是太好，因此要盡可能把主要的干擾放在內(nèi)回路解決。但是隨著控制理論的發(fā)展和過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)PID控制器仍然存在較大的不足，比如其響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大、過渡時間長。造成這問題的主要原因是，常規(guī)PID控制器的參數(shù)是固定不變的，對參數(shù)的整定只能大致按照整個控制過程的要求進(jìn)行，而系統(tǒng)在控制過程的各個階段對參數(shù)卻有不同的要求。另外，過熱汽溫控制系統(tǒng)屬于大慣性、大延遲的系統(tǒng)，由于串級PID的參數(shù)是固定的，很難在工況發(fā)生變化時取得令人滿意的效果。由圖5.5、圖5.6可知，為取得較好的控制效果，對于大時延、大慣性的系統(tǒng)，單單的串級控制系統(tǒng)是不夠的，因此需要改進(jìn)其算法。下面就來介紹Smith預(yù)估補(bǔ)償器的作用?；赟mith預(yù)估計補(bǔ)償器的串級控制系統(tǒng)對于有純遲延過程的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用PID控制規(guī)律時，系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標(biāo)下降的愈大。Smith針對具有純遲延的過程，提出在PID反饋控制的基礎(chǔ)上引入一個預(yù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。下面就對Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)脑磉M(jìn)行更詳細(xì)地介紹。當(dāng)采用簡單回路控制時，如圖所示圖5.7單回路控制系統(tǒng)控制器的傳遞函數(shù)為，對象的傳遞函數(shù)為時，從設(shè)定值作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：（5.4）擾動作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：（5.5）如果分母中的項可以除去，情況就大有改善，遲延對閉環(huán)極點的不利影響將不復(fù)存在。Smith預(yù)估補(bǔ)償方案主題思想就是消去分母中的項，實現(xiàn)的方法是把對象的數(shù)字模型引入到控制回路之內(nèi)，設(shè)法取得更為及時的反饋信息，以改進(jìn)控制品質(zhì)，這種方案可按不同的角度進(jìn)行解釋說明，下面從內(nèi)模（模型置于回路之內(nèi)）的角度來介紹。Smith預(yù)估器補(bǔ)償原理圖如圖所示。圖5.8Smith預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖在圖中是對象除去純遲延環(huán)節(jié)以后的傳遞函數(shù)，是Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)，假若系統(tǒng)中無此補(bǔ)償器，則由調(diào)節(jié)器輸出到被調(diào)量之間的傳遞函數(shù)為：（）上式表明，受到控制作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過純遲延之后才能返回到調(diào)節(jié)器。若系統(tǒng)采用預(yù)估補(bǔ)償器，則調(diào)節(jié)器與反饋到調(diào)節(jié)器的之間傳遞函數(shù)是兩個并聯(lián)通道之和，即（5.7）為使調(diào)節(jié)器采集的信號不至遲延，則要求式（）為（5.8）從上式便可得到預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：（5.9）一般稱式（）表示的預(yù)估器為Smith預(yù)估器。其實施框圖如圖所示，只要一個與對象除去純遲延環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)相同的環(huán)節(jié)和一個遲延時間等于的純遲延環(huán)節(jié)就可以組成Smith預(yù)估模型，它將消除大遲延對系統(tǒng)過度過程的影響，使調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)與過程無遲延環(huán)節(jié)時的情況一樣，只是在時間坐標(biāo)上向后推遲的一個時間。圖補(bǔ)償控制系統(tǒng)方框圖從圖可以推出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為=（）式中為無延遲環(huán)節(jié)時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。（5.11）由式（）可見，對于隨動控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中已消去了項，即消除了純遲延對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。至于分子之中的僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲了一個，所以預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對過程的不利影響?？刂破焚|(zhì)與被控過程無純遲延完全相同。對于定值控制，由式（）可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項組成。第一項為擾動對象只有時才產(chǎn)生控制作用，當(dāng)時無控制作用。所以Smith預(yù)估補(bǔ)償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動控制。不過，從系統(tǒng)特征方程看，預(yù)估補(bǔ)償方案對定值控制系統(tǒng)品質(zhì)的改善還是有好處的。通過對Smith預(yù)估計的分析，可以推出串級汽溫控制系統(tǒng)的原理圖，并用simulink對其仿真可以得到其仿真圖，如下所示；