某加熱爐溫度控制系統(tǒng)-過(guò)程控制系統(tǒng)

學(xué)號(hào)城建大學(xué)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(xué)生班級(jí)成績(jī)指導(dǎo)教師(簽字)控制與機(jī)械工程學(xué)院2014年6月27日城建大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2013-2014學(xué)年第2學(xué)期控制與機(jī)械工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)班級(jí)13電氣11班學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)：過(guò)程控制設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要容：一、設(shè)計(jì)任務(wù)

某溫度過(guò)程在階躍擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)超調(diào)量的無(wú)差控制系統(tǒng)。具體要求如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)辨識(shí)結(jié)果設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表；對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，整定運(yùn)行參數(shù)。二、設(shè)計(jì)要求

采用MATLAB仿真；需要做出以下結(jié)果：超調(diào)量峰值時(shí)間過(guò)渡過(guò)程時(shí)間余差第一個(gè)波峰值第二個(gè)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(shè)計(jì)思路三、設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告要做到層次清晰，論述清楚，圖表正確，書(shū)寫(xiě)工整；詳見(jiàn)“課程設(shè)計(jì)報(bào)告寫(xiě)作要求”。四、參考資料[1]何衍慶．工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制（1版）．：化學(xué)工業(yè)，2004[2]邵裕森．過(guò)程控制工程．：機(jī)械工業(yè)2000[3]過(guò)程控制教材指導(dǎo)教師（簽字）：教研室主任（簽字）：批準(zhǔn)日期：年月日摘要在工業(yè)生產(chǎn)中必然地要求對(duì)加熱爐的溫度進(jìn)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(guò)程是受隨機(jī)因素干擾的，具有大慣性、純滯后的非線(xiàn)性過(guò)程。本設(shè)計(jì)針對(duì)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(jí)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(duì)每一種控制方案進(jìn)行了理論分析。運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的仿真和性能分析。通過(guò)分析比較可以得出結(jié)論，雙交叉限幅對(duì)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(guò)剩，達(dá)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(guān)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(diǎn)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(kāi)閥：執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用正作用方式，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正裝以實(shí)現(xiàn)氣開(kāi)的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)蝶閥。圖2-3電/氣閥門(mén)定位器和氣動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線(xiàn)性特性、對(duì)數(shù)特性、拋物線(xiàn)特性和快開(kāi)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(guò)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(gè)管線(xiàn)的總壓降中占有較大的比例。本系統(tǒng)選用電/氣閥門(mén)定位器ZPD-01和薄膜氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表：表2-3ZPD-01參數(shù)表名稱(chēng)性能輸入信號(hào)4-20mA·DC輸出信號(hào)0-0.14MPa2.4變送器變送器在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的作用，是對(duì)各種工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量進(jìn)行檢測(cè)，以供顯示、記錄或控制之用。無(wú)論是由模擬儀表構(gòu)成的系統(tǒng)，還是由計(jì)算機(jī)控制裝置構(gòu)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(guò)程參數(shù)值是進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中的變送器用于溫度信號(hào)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(cè)元件的熱電偶相配合，將溫度信號(hào)線(xiàn)性的轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。DDZ-Ⅲ類(lèi)儀表相對(duì)于DDZ-Ⅱ類(lèi)儀表的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電流圍不是從零開(kāi)始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認(rèn)為是輸出為零，所以應(yīng)選擇DDZ-Ⅲ型K型熱電偶溫度變送器。本系統(tǒng)選擇型號(hào)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(diǎn)有：全智能、數(shù)字化、可編程；環(huán)境溫度、零點(diǎn)、滿(mǎn)幅自動(dòng)補(bǔ)償；符合國(guó)際電工委員會(huì)IEC61000相關(guān)抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表：表2-4熱電偶溫度變送器參數(shù)表名稱(chēng)性能系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確度±0.5%×F.S（可訂制±0.2%）冷端溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確度±1℃（預(yù)熱時(shí)間30分鐘）輸入阻抗電流—100Ω；電壓—500KΩ電流輸出允許外接的負(fù)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(cè)元件溫度的測(cè)量方式有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類(lèi)。本系統(tǒng)選擇接觸式測(cè)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(duì)溫度的要求不是很高，一般的測(cè)溫元件即可滿(mǎn)足要求，故選擇K型熱電偶作為測(cè)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(shuō)明3.1控制系統(tǒng)儀表配接說(shuō)明接線(xiàn)圖主要由接線(xiàn)板W、溫度變送器K（HR-WP-20-1TC20K-W）、電動(dòng)III型調(diào)節(jié)器T（TDM-400）、電/氣閥門(mén)定位器Z（ZPD-01）和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥S（ZMBS-16K）五個(gè)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(hào)端K1(-），K2(+)；變送器輸出信號(hào)由K9(+)，K10(-)端子接至電動(dòng)III型調(diào)節(jié)器TDM-400的輸入信號(hào)端T1(+)，T2(-)；調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)由T13(+)，T14(-)端子接至電/氣閥門(mén)定位器ZPD-01的輸入信號(hào)端子Z1(+)，Z2(-)；閥門(mén)定位器的輸出信號(hào)由Z3(+)，Z4(-)端子接至氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K的輸入信號(hào)端子S1(+)，S2(-)。表3-1接線(xiàn)圖元器件編號(hào)名稱(chēng)個(gè)數(shù)型號(hào)1電/氣閥門(mén)定位器1ZPD-012氣動(dòng)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(dòng)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(duì)各種控制方案進(jìn)行了仿真。4.1根據(jù)已知數(shù)據(jù)畫(huà)出單位階躍曲線(xiàn)圖4-1數(shù)據(jù)畫(huà)出單位階躍曲線(xiàn)4.2爐溫單回路控制仿真(3-1)圖4-2PID控制仿真原理圖當(dāng)KP=1.2TI=0.24TD=1.5時(shí)，階躍響應(yīng)結(jié)果如圖4-3所示：由傳遞函數(shù)畫(huà)出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)圖4-3調(diào)節(jié)前的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)當(dāng)KP=0.9TI=0.2TD=1.2時(shí)，階躍響應(yīng)結(jié)果如圖4-4所示圖4-4調(diào)節(jié)后的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)超調(diào)量=(1.65-1.5)/1.5*100%=10%峰值時(shí)間=25s過(guò)渡過(guò)程時(shí)間=125s余差=0第一個(gè)波峰值=25s第二個(gè)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(xiàn)[1]金以慧主編.過(guò)程控制.：清華大學(xué)2010年[2]樂(lè)嘉謙主編.儀表工手冊(cè).：