某加熱爐溫度控制系統(tǒng)-過程控制系統(tǒng)

學號城建大學過程控制課程設計設計說明書某加熱爐溫度控制起止日期：2014年6月23日至2014年6月27日學生班級成績指導教師(簽字)控制與機械工程學院2014年6月27日城建大學課程設計任務書2013-2014學年第2學期控制與機械工程學院電氣工程及其自動化專業(yè)班級13電氣11班學號課程設計名稱：過程控制設計題目：某加熱爐溫度控制完成期限：自2014年6月23日至2014年6月27日共1周設計依據(jù)、要求及主要容：一、設計任務

某溫度過程在階躍擾動作用下，其溫度變化的數(shù)據(jù)如下：t/s010203040506070809010015020000.160.6511.51.61.81.91.951.981.992.02.02.0試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設計一個超調(diào)量的無差控制系統(tǒng)。具體要求如下：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的數(shù)學模型；根據(jù)辨識結(jié)果設計符合要求的控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)原理圖、控制規(guī)律選擇等）；根據(jù)設計方案選擇相應的控制儀表；對設計的控制系統(tǒng)進行仿真，整定運行參數(shù)。二、設計要求

采用MATLAB仿真；需要做出以下結(jié)果：超調(diào)量峰值時間過渡過程時間余差第一個波峰值第二個波峰值衰減比衰減率振蕩頻率全部P、I、D的參數(shù)PID的模型設計思路三、設計報告課程設計報告要做到層次清晰，論述清楚，圖表正確，書寫工整；詳見“課程設計報告寫作要求”。四、參考資料[1]何衍慶．工業(yè)生產(chǎn)過程控制（1版）．：化學工業(yè)，2004[2]邵裕森．過程控制工程．：機械工業(yè)2000[3]過程控制教材指導教師（簽字）：教研室主任（簽字）：批準日期：年月日摘要在工業(yè)生產(chǎn)中必然地要求對加熱爐的溫度進行有效的控制，使之保持在某一特定的圍。而溫度的維持又要求燃料在爐穩(wěn)定地燃燒。加熱爐燃燒過程是受隨機因素干擾的，具有大慣性、純滯后的非線性過程。本設計針對加熱爐燃燒控制系統(tǒng)，主要介紹的控制方案有單回路控制系統(tǒng)、串級比值控制系統(tǒng)、單交叉限幅控制系統(tǒng)、雙交叉限幅控制系統(tǒng)，并對每一種控制方案進行了理論分析。運用MATLAB軟件對溫度控制系統(tǒng)進行了較為全面的仿真和性能分析。通過分析比較可以得出結(jié)論，雙交叉限幅對加熱爐溫度的控制優(yōu)于其它的控制方案。雙交叉限幅的爐溫控制系統(tǒng)使煤氣流量和空氣流量相互限制，既防止了燃燒中冒黑煙，也防止了空氣過剩，達到控制加熱爐溫度，提高煤氣燃燒率，避免環(huán)境污染等目的。關鍵詞：加熱爐；單交叉限幅控制；雙交叉限幅控制；MATLAB仿真目錄緒論 ④從介質(zhì)的特點考慮。綜合以上各種因素，在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器的調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥：執(zhí)行機構采用正作用方式，調(diào)節(jié)機構正裝以實現(xiàn)氣開的氣動薄膜調(diào)節(jié)蝶閥。圖2-3電/氣閥門定位器和氣動調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)閥的流量特性：調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性、拋物線特性和快開特性四種，在本系統(tǒng)中執(zhí)行器的調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇等百分比特性。調(diào)節(jié)閥的口徑：調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比例。本系統(tǒng)選用電/氣閥門定位器ZPD-01和薄膜氣動調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K。其主要技術參數(shù)見下表：表2-3ZPD-01參數(shù)表名稱性能輸入信號4-20mA·DC輸出信號0-0.14MPa2.4變送器變送器在自動檢測和控制系統(tǒng)中的作用，是對各種工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量進行檢測，以供顯示、記錄或控制之用。無論是由模擬儀表構成的系統(tǒng)，還是由計算機控制裝置構成的系統(tǒng)，變送器都是不可缺少的環(huán)節(jié)，獲取精確和可靠的過程參數(shù)值是進行控制的基礎。本系統(tǒng)中的變送器用于溫度信號變送，故選擇溫度變送器。其中較為常用的有模擬式溫度變送器、一體化溫度變送器和智能式溫度變送器三種，本系統(tǒng)采用典型模擬式溫度變送器中的DDZ-III型熱電偶溫度變送器，屬安全火花型防暴儀表，還可以與作為檢測元件的熱電偶相配合，將溫度信號線性的轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準信號。DDZ-Ⅲ類儀表相對于DDZ-Ⅱ類儀表的一個優(yōu)點是電流圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認為是輸出為零，所以應選擇DDZ-Ⅲ型K型熱電偶溫度變送器。本系統(tǒng)選擇型號為HR-WP-20-1TC20K-W的單輸入單輸出熱電偶溫度變送器。主要特點有：全智能、數(shù)字化、可編程；環(huán)境溫度、零點、滿幅自動補償；符合國際電工委員會IEC61000相關抗電磁干擾標準。其主要技術參數(shù)見下表：表2-4熱電偶溫度變送器參數(shù)表名稱性能系統(tǒng)傳輸準確度±0.5%×F.S（可訂制±0.2%）冷端溫度補償準確度±1℃（預熱時間30分鐘）輸入阻抗電流—100Ω；電壓—500KΩ電流輸出允許外接的負載阻抗4～20mA≤350Ω；0～10mA≤700Ω溫度漂移＜0.005％F.S/℃工作環(huán)境溫度-10—+55℃供電電源直流，DC24V±10%；交流，AC95～265V2.5檢測元件溫度的測量方式有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。本系統(tǒng)選擇接觸式測溫元件。其中較為常用的有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器三種，由于系統(tǒng)對溫度的要求不是很高，一般的測溫元件即可滿足要求，故選擇K型熱電偶作為測溫元件，其電路原理圖如下圖所示：、圖2-5熱電偶電路原理圖三控制系統(tǒng)儀表配接圖及說明3.1控制系統(tǒng)儀表配接說明接線圖主要由接線板W、溫度變送器K（HR-WP-20-1TC20K-W）、電動III型調(diào)節(jié)器T（TDM-400）、電/氣閥門定位器Z（ZPD-01）和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥S（ZMBS-16K）五個部分組成。K型熱電偶的輸出接入溫度變送器HR-WP-20-1TC20K-W的輸入信號端K1(-），K2(+)；變送器輸出信號由K9(+)，K10(-)端子接至電動III型調(diào)節(jié)器TDM-400的輸入信號端T1(+)，T2(-)；調(diào)節(jié)器的輸出信號由T13(+)，T14(-)端子接至電/氣閥門定位器ZPD-01的輸入信號端子Z1(+)，Z2(-)；閥門定位器的輸出信號由Z3(+)，Z4(-)端子接至氣動薄膜調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K的輸入信號端子S1(+)，S2(-)。表3-1接線圖元器件編號名稱個數(shù)型號1電/氣閥門定位器1ZPD-012氣動薄膜角型調(diào)節(jié)閥1ZMBS-16K3熱電偶溫度變送器1HR-WP-20-1TC20K-W4電動III型調(diào)節(jié)器1TDM-400四加熱爐爐溫控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析基于各種控制方案的討論，在仿真環(huán)節(jié)對各種控制方案進行了仿真。4.1根據(jù)已知數(shù)據(jù)畫出單位階躍曲線圖4-1數(shù)據(jù)畫出單位階躍曲線4.2爐溫單回路控制仿真(3-1)圖4-2PID控制仿真原理圖當KP=1.2TI=0.24TD=1.5時，階躍響應結(jié)果如圖4-3所示：由傳遞函數(shù)畫出系統(tǒng)的階躍響應曲線圖4-3調(diào)節(jié)前的階躍響應曲線當KP=0.9TI=0.2TD=1.2時，階躍響應結(jié)果如圖4-4所示圖4-4調(diào)節(jié)后的階躍響應曲線超調(diào)量=(1.65-1.5)/1.5*100%=10%峰值時間=25s過渡過程時間=125s余差=0第一個波峰值=25s第二個波峰值=76s衰減比=1.06衰減率=0.06振蕩頻率=0.0314五參考文獻[1]金以慧主編.過程控制.：清華大學2010年[2]樂嘉謙主編.儀表工手冊.：