加热炉温度串级控制系统(设计部分)

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1、加热炉温度串级控制系统设计摘 要：生产自动控制过程中 ,随着工艺要求 ,安全、经济生产不断提高的情况下 ,简单、常规的控制已不能适应现代化生产。传统的单回路控制系统很难使系统完全抗干扰。串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性关键词： 串级控制 干扰 主回路 副回路Abstract: Automatic contro

2、l of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern production. The traditional single-loop control system is difficult to make the system completely anti-interference. Cascade control system with

3、good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade control system of the characteristics and the main and sub-loop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLAB-based inc

4、remental PID algorithm is applied in the control system. Combination of computer-based control method to achieve PID parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control accuracy and stabilityKeywords: Cascade control, interference, the main circuit, the Deput

5、y loop 目 录1.前言12、整体方案设计22.1方案比较22.2方案论证42.3方案选择43、串级控制系统的特点54. 温度控制系统的分析与设计64.1控制对象的特性64.2主回路的设计74.3副回路的选择74.4主、副调节器规律的选择74.5主、副调节器正反作用方式的确定75、控制器参数的工程整定96 、MATLAB系统仿真96.1系统仿真图106.2副回路的整定106.3主回路的整定117.设计总结13【参考文献】141.前言加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一。它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用，直接关系到产量、能源

6、、污染、工人的劳动强度等等。目前而言，国内加热炉控制多数仍旧采用老式的人工控制。需操作人员完全手动控制燃料、原料阀的开度，进行烧炉。这样一来，流量控制的精度将极差，操作的及时性也将大大降低。同时，由于大多数加热炉的燃料是利用高炉煤气，而高炉煤气是多用户煤气管网，煤气压力波动极大，煤气流量也将严重不稳定，对人工操作难度也进一步加大。为此我们设计一套以串级控制为基础的加热炉串级控制系统，这对提高工业产能具有相当积极的意义。2、整体方案设计本设计的整体思路是：利用对燃料量的控制最终来实现对原油温度的控制。该控制分为主回路控制与副回路控制两部分。在原油出口处设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制

7、器从而进行对燃料阀的流量控制，此控制为主回路被控参数控制。在炉膛设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。这样，便构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。2.1方案比较方案一、简单控制系统温度调节器是根据原料油的出口温度与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度要求很严格时，简单控制系统很难满足要求 被控变量：原料出口温度；操纵变量：燃料流量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。 图2.1 加热炉温度控制系统 -调节器1

8、调节阀炉膛管壁原料油温度变送器1+-+调节器1调节阀炉膛管壁原料油温度变送器1+-+ 图2.2 加热炉出口温度单回路控制系统框图方案二、串级控制系统 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TSC可以及时动作，克服干扰。 图2.3 加热炉温度串级控制系统图2.4 加热炉出口温度串级控制系统框图2.2方案论证方案一：简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，传给，最终改变原料温度。该过程时间常数大，可达到15

9、min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，制不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二：串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点：主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。2.3方案选择 由于加热炉的温度对于保证产品的指标是非常重要的.控制效果好,即能保证产品质量又能提高产量。某些加热炉炉出口温度控制非常困难,波动幅度大.控制不理想的原因在于被控对象十分复杂:1、原料油的流量变化照成温度波动很大;2、处理量频繁提

10、降也造成出口温度的波动;3、油品不断切换也使炉口的温度产生较大的波动;4、加热炉的温度存在较大的时滞.可以看出, 加热炉系统是一个时变,大时滞,多干扰的复杂系统。从加热炉工作特性可以看出,燃料量的多少是加热炉温度变化的决定因素。但其变化过程是:燃料量的变化首先引起炉膛温度的变化,由于炉膛温度产生变化,进而引起炉出口温度的改变.由此可见,对炉出口温度的控制采用炉膛温度与炉出口温度进行串级控制的控制方案是合理而且可行的,这种方案也有助于对一系列干扰的克服。3、串级控制系统的特点 在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；住调节器输出作副负调节器设定值，系统通过

11、副调节器输出控制执行器动作，实现对参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点：主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。4.串级控制系统的分析与设计 4.1控制对象的特性假设副回路中各环节传递函数分别为： = = =将副回路反馈信号相加点由副调剂器前向后移至副对象之前，经简化，可得出其等效副对象

12、为： = =因：= =0 。然后确定副被控过程的，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器大于0 ，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的确定： 炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数 K 1 0，主调节器作用方式为反作用方式。例如图2.3所示加热炉温度串级控制系统示意图，从加热炉安全角度考虑，调节阀应选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用方

13、式。反之，为负作用方式。副对象的输入信号是燃料流量，输出信号是阀后燃料压力，流量上升，压力亦增加是正作用方式。测量变送单元作用方式均为正。 5、控制器参数的工程整定串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种。两步整定法、逐步逼近法和一步整定法。1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。我们是用两步整定法来整定串级控制系统的参数。6

14、、MATLAB系统仿真已知副对象传递函数为 主对象的传递函数为 我们采用临界比例度法来整定控制器参数。临界比例度法又称稳定边界条件法，它是先让控制器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程，记下此时的比例度和等幅振荡周期，再通过简单的计算，求出衰减振荡时控制器的参数。6.1系统仿真图 图6.1 系统仿真框图此时P为10.4，I为0.1，D为1.26，此时的波形如图6.2 图6.2 系统仿真波形对设定值施加干扰信号： 图6.3施加干扰时的波形串级控制系统对干扰串级控制系统的副回路的存在，能够迅速克服进入副回路的干扰，从而极大的减小副回路干扰对住被控参数的影响；副回路的存在提高了系统住调

15、节器对进入主回路干扰控制的快速性；由于副回路的存在，总放大系数提高了，抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有明显提高。6.2副回路的整定将主环路断开，副环路为比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。 图6.4 副回路整定仿真图副回路参数设定：图6.5 副回路参数先对副回路进行整定，按要求，此时控制器为纯比例作用，在Simulink环境中建立系统模型。 图6.6 副回路仿真波形当P值为9时，衰减比基本可达到4：1，此时比例度为9，振荡周期为8.8。6.3主回路的整定连接好主回路，保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1。 图6.7 主回路整定仿真图用临界比例度法对主回路进

16、行整定，其纯比例条件下的系统图主回路参数设定： 图6.8 主回路参数 图6.9 主回路仿真波形衰减比为4：1时的P值为13，此时比例度为13，振荡周期为14.1。7.设计总结通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在设计过程中，从方案设计到方案确定，都经过了严谨的思考，主、副回路的设计，主、副调节器的正反调节作用的确定，被控参数和控制参数的选择，再用MATLAB仿真、调试，使自己设计的 系统能够正常运行，并且得到正确的结果。在设计中，遇到了许多困难，但是，在同组成员及老师的团结努力下，完成这个课程设计。通过这次设计，我学到了控

17、制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中，控制系统起到的巨大作用。【参考文献】1 邹伯敏自动控制理论北京：机械工业出版社20052 李宜达控制系统设计与仿真北京：清华大学出版社20043 施仁过程控制系统与装置北京机械工业出版社20034 王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.5 张广溢，等.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.6 王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.7 周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中国电力出版社，2004.8 王再英.过程控制系统与仪表.北京： 机械工业出版社. 20069 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京： 机械工业出版社. 2005