隧道窯串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2014課件

1、隧道窯串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整定部分1 前言 . 22 方案分析 . 2 2.1 控制方案的選擇 . 2 2.2 系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇 . 4 2.2.1主變量的選擇 . 4 2.2.2副變量的選擇 . 4 2.2.3操縱變量的選擇 . 4 2.3 調(diào)節(jié)閥的選擇 . 4 2.4 傳感器、變送器的選擇 . 5 2.5 控制器的選擇 . 6 2.5.1 控制器控制規(guī)律的選擇 . 62.5.2 控制器正、反作用選擇 . 6 2.5.3 控制器選型 . 7 3 參數(shù)整定 . 84 仿真分析 . 11 5心得體會(huì) .15參考文獻(xiàn) .161 前言 過(guò)程控制是指在生產(chǎn)過(guò)程中，運(yùn)用合適的控制策略，采用自動(dòng)化儀表及

2、系統(tǒng)來(lái)代替操作人員的部分或全部直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)過(guò)程在不同程度上自動(dòng)地運(yùn)行，所以過(guò)程控制又被稱為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等領(lǐng)域。過(guò)程控制系統(tǒng)是指自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度以及PH值等這樣一些過(guò)程變量的控制系統(tǒng)。過(guò)程控制是提高社會(huì)生產(chǎn)力的有力工具之一。它在確保生產(chǎn)正常運(yùn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，降低生產(chǎn)成本，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有巨大的作用。 隧道窯是對(duì)陶瓷制品進(jìn)行預(yù)熱、燒成、冷卻的裝置。因?yàn)閹讉€(gè)環(huán)節(jié)都涉及到溫度的控制，因此隧道窯的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)，溫度控制的好壞將直接影響產(chǎn)品的

3、質(zhì)量。另外隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)工藝操作條件的要求更嚴(yán)格，對(duì)安全運(yùn)行及對(duì)控制質(zhì)量的要求也更高。而因?yàn)樗淼栏G溫度的變化比較慢，所以滯后比較大。綜上所述，須設(shè)計(jì)一套以溫度為控制變量的控制系統(tǒng)。 該控制系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要求： (1)以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)隧道窯的工藝流程的控制。 (2)能夠克服較大的滯后。 (3)夠自動(dòng)控制窯內(nèi)溫度，并達(dá)到所需精度。 2 方案分析 2.1 控制方案的選擇 制品在窯道的燒成帶內(nèi)按工藝規(guī)定的溫度進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般為1300，偏差不得超過(guò)5C。所以燒成帶的燒結(jié)溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要控制指標(biāo)之一，因此將窯道燒成帶的溫度作為被控變量，將燃料的流量作為操縱變量。如果火焰直接在窯

4、道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質(zhì)將會(huì)影響產(chǎn)品的光澤和顏色，所以就出現(xiàn)了隔焰式隧道窯?；鹧嬖谌紵抑腥紵?，熱量經(jīng)過(guò)隔焰板輻射加熱燒成帶。 若采用隔焰隧道窯溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，由于從控制閥到窯道燒成帶滯后時(shí)間太大，如果燃料的壓力發(fā)生波動(dòng)，盡管控制閥門開(kāi)度沒(méi)變，但燃料流量將發(fā)生變化，必將引起燃燒室溫度的波動(dòng)，再經(jīng)過(guò)隔焰板的傳熱、輻射，引起燒成帶溫度的變化。因?yàn)橹挥袩蓭囟瘸霈F(xiàn)偏差時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在，所以對(duì)于燃料壓力的干擾不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制器根據(jù)偏差的性質(zhì)立即改變控制閥的開(kāi)度，改變?nèi)剂狭髁?，?duì)燒成帶溫度加以調(diào)節(jié)?？墒沁@個(gè)調(diào)節(jié)作用同樣要經(jīng)歷燃燒室的燃燒、隔焰板的傳熱以及燒成

5、帶溫度的變化這個(gè)時(shí)間滯后很長(zhǎng)的通道，當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)程起作用時(shí)，燒成帶的溫度已偏離設(shè)定值很遠(yuǎn)了。也就是說(shuō)，即使發(fā)現(xiàn)了偏差，也得不到及時(shí)調(diào)節(jié)，造成超調(diào)量增大，穩(wěn)定性下降。如果燃料壓力干擾頻繁出現(xiàn)，對(duì)于單回路控制系統(tǒng)，不論控制器采用PID的什么控制作用，還是參數(shù)如何整定，都得不到滿意的控制效果。為了克服較大的滯后，抑制較大的干擾以及使控制更加的準(zhǔn)確，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足條件，故可選擇串級(jí)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。圖1隔焰隧道窯溫度溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2.2系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇2.2.1主變量的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)選擇主變量時(shí)要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的

6、的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的有某種單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。由于陶瓷制品的燒成主要是在燒成帶，故在本系統(tǒng)中選擇燒成帶溫度作為主變量。2.2.2副變量的選擇 副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原則： 應(yīng)使主要干擾和更多的干擾落入副回路； 應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配； 應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)型 另外考慮到燃料壓力變化的干擾對(duì)系統(tǒng)溫度影響較大，選擇燃燒室溫度作為副變量。 2.2.3操縱變量的選擇 工業(yè)過(guò)程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動(dòng)變量。其中，干擾時(shí)客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變

7、量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。操縱變量的基本原則為： 選擇對(duì)所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量； 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制； 在的基礎(chǔ)上選擇對(duì)被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)響應(yīng)較快； 燃料流量方便控制，且對(duì)溫度的影響較大，故選擇燃料流量作為操縱變量。 2.3 調(diào)節(jié)閥的選擇 調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素： 生產(chǎn)安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無(wú)輸出等情況下，應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故； 保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無(wú)源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降

8、低； 盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動(dòng)力損耗； 當(dāng)隔焰隧道窯發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥停止燃料的送入，避免窯內(nèi)溫度過(guò)高及燃料不必要的浪費(fèi)。所以調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)閥。 調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實(shí)際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對(duì)數(shù)特性和快開(kāi)特性三種，在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。 2.4 傳感器、變送器的選擇 由于窯內(nèi)燒結(jié)溫度一般為1300，故應(yīng)選擇熱電偶溫度傳感器。一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測(cè)溫度元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)，變送器模塊和測(cè)溫元件形成一個(gè)整體，可直接安裝在被測(cè)設(shè)備上，輸出為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，4mA20mA。這種變送器具有體積小、質(zhì)量輕、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中

9、 得到廣泛應(yīng)用。 所以本設(shè)計(jì)選擇一體化化熱電偶溫度變送器。根據(jù)表1所示，其材質(zhì)可選則鉑銠30-鉑銠6熱電偶。 表1 不同材質(zhì)熱電偶測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)表整個(gè)溫度變送器的電路原理圖如圖2所示，由熱電偶、輸入電路和 AD693等組成。輸入電路是一個(gè)冷端補(bǔ)償電橋， Rcu為銅補(bǔ)償電阻，通過(guò)改變電位器W1的阻值可以調(diào)整變送器的零點(diǎn)。W2和W3的作用是調(diào)整量程。圖2 一體化熱電偶溫度變送器原理圖2.5 控制器的選擇 2.5.1 控制器控制規(guī)律的選擇 在串級(jí)控制中，主變量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)的安全，所以主變量一般要求不得有余差，而對(duì)副變量的要求一般都不很嚴(yán)格，允許有一定波動(dòng)和余差。從串級(jí)控制的結(jié)構(gòu)上看，主環(huán)

10、是一個(gè)定值系統(tǒng)，副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于本系統(tǒng)由于溫度變化緩慢造成的滯后較大，為克服較大滯后，選用PID控制器作為主控制器。副控制器只選比例控制器。2.5.2控制器正、反作用選擇因?yàn)楫?dāng)閥開(kāi)大使燃料流量增加時(shí)，燃燒室溫度升高，故副對(duì)象為正作用。燃燒室溫度增加使燒成帶溫度也增加，即主對(duì)象為正作用。調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)式為正作用。溫度傳感器均為正作用。要滿足主回路和副回路為負(fù)反饋，則副控制器為反作用，主控制器為反作用。2.5.3控制器選型通過(guò)前面的分析，主調(diào)節(jié)器要用到PID調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器要用到P調(diào)節(jié)，所以對(duì)于主副調(diào)節(jié)器我們用兩個(gè)DDZ-III型控制器即可。DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)

11、構(gòu)，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應(yīng)了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有特點(diǎn)：1）采用國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦的統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為DC4-20mA，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為DC1-5V，信號(hào)電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250W；2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少；3）整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國(guó)家防爆規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且增加了安全柵，實(shí)現(xiàn)了控制室與危險(xiǎn)場(chǎng)所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險(xiǎn)的場(chǎng)所中使用。圖3DDZ-III型調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖6。主要由輸入電路、給

12、定電路、PID運(yùn)算電路、手動(dòng)與自動(dòng)切換電路、輸出電路和指示電路組成。調(diào)節(jié)器接收變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)(DC4-20mA或DC1-5V），在輸入電路中與給定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)，然后在PD與PI電路中進(jìn)行PID運(yùn)算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為4-20mA直流電流輸出。對(duì)于控制器的正反作用、PID或P調(diào)節(jié)以及參數(shù)的設(shè)定都可以通過(guò)調(diào)節(jié)器面板上的操作鍵來(lái)完成。對(duì)于主控制器的DDZ-III型調(diào)節(jié)器，我們將其右側(cè)面板上設(shè)有正反作用切換按鈕切到反作用上，并在P、TI、TD參數(shù)設(shè)定輪上使P、TI、TD均不為0構(gòu)成PID調(diào)節(jié)；對(duì)于副控制器的DDZ-III型調(diào)節(jié)器，我們將其右側(cè)面板上設(shè)有正反作用切換按鈕切到反作用上

13、，并在P、TI、TD參數(shù)設(shè)定輪上將TD設(shè)定為零，TI設(shè)定為無(wú)窮大，構(gòu)成P調(diào)節(jié)。綜上所述，可畫出隔焰隧道窯溫度溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖，如圖2。圖4隔焰隧道窯溫度溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖3參數(shù)整定由上所知，主控制器為PID控制器，副控制器為P控制器?？稍O(shè)定控制系統(tǒng)所用主、副控制器的傳遞函數(shù)分別為:Gc1s=Kc11+1Tis+Tds Gc2s=Kc2，假設(shè)主對(duì)象的傳遞函數(shù)為:Go1s=130s+1(3s+1)，副對(duì)象的傳遞函數(shù)為:Go2s=110s+1(s+1)2，Gvs=1，Gm1s=Gm2s=1。在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：逐步逼近法；兩步整定法；一步整定法。

14、逐步逼近法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步逼近法簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程，但還是要做兩次4：1衰減曲線法的實(shí)測(cè)。對(duì)兩步整定法進(jìn)行簡(jiǎn)化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一步整定法。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在在Simulink中建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。圖5在Simulink中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖對(duì)于該溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配。根據(jù)表1，可以大致確定副控制器的增益及比例帶。表2常見(jiàn)對(duì)象的副控制器比例帶的經(jīng)驗(yàn)法根據(jù)本設(shè)

15、計(jì)，為了使系統(tǒng)的快速性更好一些，適當(dāng)選取32=cK（整定時(shí)可以根據(jù)具體情況再做適當(dāng)調(diào)整）。然后在副回路已經(jīng)閉合的情況下按單回路控制器參數(shù)整定方法整定主控制器，本方案采用衰減曲線法整定，考慮到4：1衰減太慢，因此采用10：1衰減曲線法整定主控制器參數(shù)。衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程，直至10：1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例度稱為10：1衰減比例度，用sd表示之。由于當(dāng)衰減比為10：1時(shí)。要推測(cè)3y的時(shí)間不容易，因此當(dāng)過(guò)渡過(guò)程曲線上只看到第一個(gè)波峰而第二個(gè)看不出來(lái)時(shí)就認(rèn)為是衰減比為10：1的振蕩過(guò)程。此時(shí)被控參數(shù)上升時(shí)間

16、為rT。根據(jù)rT和sd，運(yùn)用表2所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。表3衰減曲線法整定計(jì)算公式衰減曲線法的第一步就是獲取系統(tǒng)的衰減曲線，采用10：1衰減曲線法。取T1=，Td=0，可直接將圖5中的積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)都斷開(kāi)，讓s的值從大到小進(jìn)行試驗(yàn).，觀察示波器的輸出，直到只看到第一個(gè)波峰而第二個(gè)看不出來(lái)時(shí)就認(rèn)為是衰減比為10：1的振蕩過(guò)程。此結(jié)構(gòu)模型仿真出來(lái)得到系統(tǒng)10：1衰減曲線如圖6所示。此時(shí)s=14，由圖可知，Ty=20s，根據(jù)表2計(jì)算得Kc1=5，Ti=24s，Td=8s。即主控制器傳遞函數(shù)為Gc1s=51+124s+8s，副控制器傳遞函數(shù)為Gc2（s）=3圖6系統(tǒng)10：1

17、衰減曲線圖4仿真分析根據(jù)衰減曲線法求出來(lái)的主副控制器的各項(xiàng)參數(shù)，可以在Simulink中進(jìn)行仿真。為了使仿真結(jié)果更直觀更具比較性，讓經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的輸出與給定進(jìn)行比較，可以在如圖5所示的結(jié)構(gòu)圖中增加一條由階躍信號(hào)直接到示波器的線。將所整定出來(lái)的主副調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)參數(shù)代入圖5中，得到如圖7所示，即為整定好時(shí)Simulink中系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖。圖7整定好時(shí)Simulink中系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖。點(diǎn)擊Startsimulation,在示波器里面雙擊進(jìn)行查看，可以得到如圖8所示的仿真圖形。圖8整定好后Simulink系統(tǒng)仿真圖由圖8可以看出，經(jīng)過(guò)串級(jí)控制系統(tǒng)主副控制器的調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)可以達(dá)到無(wú)靜差，且%=

18、1.14-11=14%，超調(diào)量較小。系統(tǒng)在110s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)考慮到主回路里加入干擾時(shí)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行到大約130s時(shí)，加入一個(gè)幅值為設(shè)定值40%的階躍擾動(dòng)信號(hào)，如圖所示。圖9主回路加入干擾時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖對(duì)其進(jìn)行仿真后如圖10所示，可以看出干擾很快被抑制，由主回路所加干擾引起的系統(tǒng)的超調(diào)量為，%=1.06-11=6%，在220s時(shí)系統(tǒng)很快重新達(dá)到穩(wěn)定。且達(dá)到穩(wěn)定后系統(tǒng)無(wú)靜差。圖10主回路加入干擾后Simulink系統(tǒng)仿真圖當(dāng)考慮到副回路里加入干擾時(shí)，如在系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行到大約130s時(shí)，加入一個(gè)幅值為設(shè)定值40%的階躍擾動(dòng)信號(hào)，如圖11所示。圖11副回路加入干擾時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真

19、后如圖12所示，可以看出干擾很快被抑制，而且由干擾引起的超調(diào)量為%=1.013-111.3%，明顯比主回路加入干擾時(shí)超調(diào)量要小，表明串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)加在副回路里的干擾的抑制作用更強(qiáng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將主要的干擾包含在副回路中。系統(tǒng)在220s時(shí)重新達(dá)到穩(wěn)定。且達(dá)到穩(wěn)定后系統(tǒng)無(wú)靜差。圖12副回路加入干擾后Simulink系統(tǒng)仿真圖再來(lái)分析若主回路和副回路同時(shí)加入干擾時(shí)系統(tǒng)的抗擾性能，如在系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行到大約130s時(shí)，主回路和副回路中均加入一個(gè)幅值為設(shè)定值40%的階躍擾動(dòng)信號(hào)，如圖13所示。圖13主副回路同時(shí)加入干擾后Simulink系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖圖14主副回路同時(shí)加入干擾后Simulink系統(tǒng)仿真圖對(duì)其進(jìn)行仿真后如圖14所示，可以看出干擾很快被抑制，由主回路所加干擾引起的系統(tǒng)的超調(diào)量為%=1.075-117.5%，在220s時(shí)系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。從以上三種情況時(shí)的抗