加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計

1、二0（九二C一O學年第一學期信息科學與工程學院課程設計報告書課程名稱：過程控制與集散系統(tǒng)課程設計 班級：自動化2006級（2）班學號：200604134045姓名：張 力指導教師： 黃衛(wèi)華二0（九年十一月加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計 -張力 加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計設計題目圖1所示為某工業(yè)生產中的加熱爐，其任務是將被加熱物料加熱到一定溫度，然 后送到下道工序進行加工。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的 管道后，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調 節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達到控制出口溫度的目的。被加熱物料圖1加熱爐出口溫度系

2、統(tǒng)但是，由于加熱爐時間常數(shù)大，而且擾動的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿 足工藝對加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質量，采用串級控制系統(tǒng)，運用 副回路的快速作用，有效地提高控制質量，滿足生產要求。設計要求1、繪制加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結構框圖。2、以加熱爐出口溫度為主變量，選擇滯后較小的爐膛溫度為副變量，構成爐出 口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)，要求繪制該串級控制系統(tǒng)結構圖。G01(s)=1(5s+1)(Xs+1)，其中1(s+1),主、副控制3、假設主對象的傳遞函數(shù)為 X=10+0.1(學號后三位-8)0*,副對 象的傳遞函數(shù)為G02(s)=Gc1(s)=Kc1(1 +器的傳遞函

3、數(shù)分別為 1)Tls, Gc2(s)=Kc2, Gv(s)=Kv,Gm1(s)=Gm2(s)=1，請確定 主、副控制器的參數(shù)(要求寫出詳細的參數(shù)估算過程)。第1頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計 -張力4、利用simulink實現(xiàn)單回路系統(tǒng)仿真和串級系統(tǒng)仿真，分別給出系統(tǒng)輸出響應 曲線。5、根據(jù)兩種系統(tǒng)仿真結果分析串級控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點設計方案一、加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結構框圖 圖2加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結構框圖二、串級控制系統(tǒng)加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐出口工藝 所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調節(jié)閥，用以控制燃料

4、油流 量，以達到控制出口溫度的目的。由于加熱爐時間常數(shù)大，而且擾動的因素多， 比如原料側的擾動及負荷擾動；燃燒側的擾動等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足 工藝對加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質量，采用串級控制系統(tǒng)，運用副 回路的快速作用，以加熱爐出口溫度為主變量，選擇滯后較小的爐膛溫度為副變 量，構成爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)有效地提高控制質量，以滿足工 業(yè)生產的要求。串級控制系統(tǒng)的工作過程，就是指在擾動作用下，引起主、副變量偏離設定值， 由主、副調節(jié)器通過控制作用克服擾動，使系統(tǒng)恢復到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過 程。由加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)結構圖可繪制出其結構方框圖，如圖4溫世刖嘉 f

5、* ti'ir-. 一*qhi(L . 偶趣辭厲，任迖快為'第2頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計-張力所示。閘捽制善對集壓力液悅20613U7040802i>SUm 嗆 Kc2155.01,3JJ1.252.51,23亠工0圖4加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)結構方框圖三、主、副控制器參數(shù)整定及Simulink仿真主控制器的選擇：主被控變量是工藝操作的主要指標(溫度)，允許波動的范圍 很小，一般要求無余差，主控制器應選 PI控制規(guī)律。副被控變量的設置是為了保證主被控變量的控制質量，提高系統(tǒng)的反應速度，提 高控制質量，可以允許在一定范圍內變化，允許有余差，因此副控

6、制器只要選P控制規(guī)律就可以了。在工程實踐中，串級控制系統(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。逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。兩步整定法雖然 比逐步逼近法簡化了調試過程，但還是要做兩次4: 1衰減曲線法的實測。對兩步整定法進行簡化，在總結實踐經驗的基礎上提出了一步整定法。為了簡便起 見，本設計采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經驗先確定副調節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回 路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調節(jié)器的參數(shù)。具體的 整定步驟為：(1) 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù) K02/ 3 20.5這一關系式， 通過副過程放大

7、系數(shù)K02，求取副調節(jié)器的比例放大系數(shù) S或按經驗選取，并 將其設置在副調節(jié)器上。(2) 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調節(jié)器的參數(shù)。(3) 改變給定值，觀察被控制量的響應曲線。根據(jù)主調節(jié)器放大系數(shù)K1和副調 節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當調整調節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質最佳。(4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調節(jié)器的比例度S或增大積分時間 常數(shù)TI，即可得到改善。對于該溫度串級控制系統(tǒng)，在一定范圍內，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 Kc2及比例帶。第3頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計 -張力根據(jù)本設計，適當選取

8、Kc2=3.5 (整定時可以根據(jù)具體情況再做適當調整)。然 后在副回路已經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)。一般地取Kv=1,將X=45 （學號最后三位）帶入可計算出主對象的傳遞函數(shù)。衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調節(jié)器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐 漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程，直至10： 1衰減過程為止。這時的比例度稱為10: 1衰減比例度，用SS表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為10: 1 衰減周期TS。根據(jù)SS口 TS,運用表2所示的經驗公式，就可計算出

9、調節(jié)器預整 定的參數(shù)值。9TiTd0.75pIpi1.25$OSTsP1D11,8610.3 T1OJTft0,9PHL2& s2T1PID1血iL2T sa,4Tt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。在Simulink中，如圖5,把積分輸出線斷開，Kc1的值從大到小進行試驗，觀察示 波器的輸出，直到輸出10: 1衰減振蕩曲線為止。圖6即為系統(tǒng)10: 1衰減曲 線。圖5串級系統(tǒng)Simulink模型（未連積分輸出線時） 第4頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計 -張力當Kc1=7.7時，在t1=8.1時出現(xiàn)第一峰值，為1.15;在t2=23.8

10、時出現(xiàn)第二峰 值，為0.89,曲線穩(wěn)定值為0.86，可計算出衰減度為(1.15-0.86):( 0.890.86) =10： 1。因此，當Kc1=7.7時，系統(tǒng)出現(xiàn)10： 1衰減振蕩，且Ts=t2- t1=23.8-8.仁15.7根據(jù)表2可知，積分時間常數(shù) Ti=2Ts=31.4。圖6串級系統(tǒng)10： 1衰減振蕩曲線將Kc1的值設置為7.7，1/Ti的值設置為1/31.4=0.032,將積分器的輸出連線連 上，如圖7所示，運行仿真后，得到如圖8所示的結果，它即為PI控制時系統(tǒng)的 單位階躍響應。根據(jù)結果可知，參數(shù)整定后系統(tǒng)達到比較理想的效果。第5頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計-張

11、力圖7系統(tǒng)Simulink模型（積分輸出線連上時）圖8系統(tǒng)PI參數(shù)整定后的單位階躍響應曲線綜上可知，主、副控制器參數(shù)整定結果為：Kc1=7.7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1第6頁共8頁加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計-張力四、單回路系統(tǒng)和串級系統(tǒng)仿真輸出響應曲線對比圖9單回路控制系統(tǒng)Simulink模型圖10單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線圖8與圖10即分別為串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線五、串級控制系統(tǒng)性能分析圖8與圖10比較可知，串級系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時間明顯比單回路系統(tǒng) 更早，縮短了上升時間，減小了對象時間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強。串級系統(tǒng)輸?shù)?頁共8頁

12、加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計 -張力出曲線的調節(jié)時間縮短，使系統(tǒng)更早進入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改 善，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線對比可知，串級控制系統(tǒng)由 于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性能、動態(tài)性能、工作頻率及自適 應能力都得到明顯改善。其性能可歸納為：1、可以顯著提高系統(tǒng)對二次擾動的抑制能力，甚至是二次干擾在對主被控量尚 未產生明顯影響時就被副回路克服了。由于副回路調節(jié)作用的加快，整個系統(tǒng)的 調節(jié)作用也加快，對一次擾動的抑制能力也得到提高。2提高了系統(tǒng)的工作頻率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可 以更窄，從而提

13、高了系統(tǒng)工作頻率。3、提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內的副對象的 特性，減少了時間常數(shù)和相位滯后，使得整個系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。4、對負荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應能力。包括控制閥在內的副對 象在操作條件和負荷變化時，其特性變化對系統(tǒng)的影響顯著地削弱。但串級控制系統(tǒng)也存在一些不足：只有當中間變量能夠檢測出來時，才可能采用 串級控制系統(tǒng)，但許多過程在結構上是不容易以這種方式加以分割的；串級控制 系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀表，串級控制系統(tǒng)的投放和整定也比單回路 控制系統(tǒng)復雜些。在實際生產中，如果是單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問題，就不 一定非要采用串級控制系

14、統(tǒng)方案，一般當單回路控制方案質量達不到實際要求 時，才考慮米用串級控制系統(tǒng)。設計心得此次課程設計-加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)設計，使用到了過程控 制系統(tǒng)很多方面的知識，包括串級控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級控制系統(tǒng)整 定方法，PID調節(jié)器的參數(shù)工程整定，串級控制系統(tǒng)的性能分析等。剛開始設計時，在主、副控制器選擇上，考慮到主被控變量是加熱爐溫度，允許 波動的范圍很小，要求無余差，主控制器選了PI控制。副控制器直接采用了 P控制，考慮到如果引入積分控制可能反而會降低副回路的快速性，降低控制效果。在串級系統(tǒng)整定時，開始準備用逐步逼近法，以為這種方法可以將系統(tǒng)調試到接 近最優(yōu)狀態(tài)，但經過實際操作，發(fā)現(xiàn)這種方法很繁瑣，費時費力，就考慮使用實 踐中常用的一步整定法，操作后感覺不僅操作簡便，而且也可以