管式加热炉串级系统控制过控课设解析
管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计
过程控制系统课程设计题目:管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
为了能将课程中所学理论知识初步尝试应用于实践，本次设计将采用过程控制系统原理来实现工业生产控制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级控制系统来实现对管式炉加热原料油的温度控制。
管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。
加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。
本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，控制器，调节阀，联锁保护等环节的具体选择与设计，最终形成一个可行可靠的完整串级过程控制系统方案，力图通过具体应用获得理论知识的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。
关键字：流量温度串级控制目录1.管式加热炉温度控制系统的设计意义 01.1管式加热炉简介 01.2温度控制系统设计意义 02.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (1)3.总体方案设计 (2)3.1传统简单控制系统 (2)3.2串级控制系统 (3)3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程 (4)4.系统的设计与参数整定 (6)4.1主回路设计 (6)4.2副回路设计 (6)4.3主副调节器调节规律的选择 (6)4.4主副调节器正反作用方式的确定 (7)4.5控制系统的参数整定 (7)5.所需检测元件、执行元件及调节仪表技术参数 (8)5.1温度变送器 (8)5.2温度检测元件 (9)5.3流量检测及变送 (9)5.4调节阀 (10)5.5联锁保护 (10)6. 组态软件设计 (11)6.1 新建工程 (11)6.2 连接设备及设备测试 (12)6.3 数据词典 (12)6.4 建立画面 (13)6.5 调试,执行 (13)6.6PID控制算法设计 (14)心得体会 (16)参考文献 (17)附录A 系统脚本程序 (18)1.管式加热炉温度控制系统的设计意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。
管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计
第1章绪论1.1 设计要求综合运用过程控制系统及自动控制原理课中所学到的理论知识，联系工程实际，选择合理的主变量、副变量，选择合理的控制方式，设计一个符合要求的串级控制系统。
1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统技术指标：1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
求出比例度与衰减振荡周期；4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5．求出系统的阶跃响应曲线；6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲线；7．分析系统特点。
8．撰写设计说明书及注意事项。
1.1.2 设计功能主要功能：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统。
第2章系统总体设计方案2.1工艺流程图管式加热炉是工业生产中的常用设备之一，其工艺流程图如图2-1所示：图2-1 管式加热炉工艺流程图2.2方框图和工艺流程的介绍此次管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的设计采用主副回路的串级控制方案，即选取炉口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。
其系统框图如图2-2所示：图2-2 管式加热炉出口温度串级控制系统框图管式加热炉简介：管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器管式加热炉示意图如图2-3所示：图2-3 管式加热炉 通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
主调节器 管壁 调节阀 副测量变送器物料主测量变送器炉膛 副调节器对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。
辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。
这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。
燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。
原油厂管式加热炉温度串级控制系统设计
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四、管式加热炉出口温控仪表的选型
(四) 主、副调节器正反作用方式确定
由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时 调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全。主调节器作用方式 确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1﹥0。为保证主回 路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器的放大系数 K1﹥0， 主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必 须为正，所以负调节器大于 0，负调节器作用方式为反作用方式。
图 4 给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格， 以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。
本设计பைடு நூலகம்用 DDZ-III 型热电偶温度变送器。
图 4 DDZ-III 型调节器结果框图
(四) 调节器的汽开汽关特性及安全防爆设计 气动调节阀气开、气关方式的选择主要是从生产安全角度出发来考虑的。当
综上选择 ZMAS 型气动薄膜角形单座调节阀，阀体为直角形，阀芯不单导 向结构，阀的流路简单，便于自净和清洗。阻力小，适用于高粘度，含有悬浮物
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四、管式加热炉出口温控仪表的选型
和颗粒状物质的流体的调节，可避免结焦、粘结、堵塞。 由 ZMAS 型气动薄膜角型调节阀型号编制说明知，选择 ZMAS-320K 型的调
管式加热炉温度温度串级控制系统的设计说明
管式加热炉温度温度串级控制系统的设计说明一、引言二、系统结构温度串级控制系统主要由上位机、温度传感器、控制器、执行机构等组成。
1.上位机：负责启动和监控系统运行，提供温度设定值和参考模型，按照系统控制算法生成控制指令发送给下位控制器。
2.温度传感器：负责实时采集管式加热炉内的温度数据，并将其传输给控制器进行处理。
3.控制器：根据上位机提供的设定值和参考模型，根据传感器采集到的温度数据进行处理，生成控制指令并发送给执行机构。
4.执行机构：根据控制器发送的控制指令，调节管式加热炉内的加热功率或其他参数，以实现温度控制。
三、温度控制策略1.温度设定值的调整：上位机会根据需要设定管式加热炉内的目标温度，并将其发送给控制器。
控制器会根据设定值和参考模型，生成合适的控制指令来调节温度。
2.温度比例控制：控制器会根据当前温度和设定值之间的差异，生成一个控制量来调节加热功率，使加热炉内的温度趋近于设定值。
3.温度积分控制：为了消除静态误差，控制器会根据温度偏差的积分值生成一定的控制量，以提高系统的稳定性。
4.温度微分控制：为了快速响应温度变化，控制器还会根据温度变化的速率生成相应的控制量。
四、系统性能指标1.温度响应时间：系统需要具备较快的响应时间，即加热炉内的温度能够尽快达到设定值。
2.温度稳定度：系统应当保持较好的温度稳定度，即经过一定时间后，温度偏差应尽可能小。
3.抗干扰能力：系统需要具备较好的抗干扰能力，对于外界干扰因素的影响应尽可能小。
五、系统设计优化1.选择合适的温度传感器：合适的温度传感器能够提供准确的温度数据，为控制系统提供可靠的输入信号。
2.高性能控制器的选择：通过选用性能较好的控制器，能够提高控制系统的稳定性和响应速度。
3.优化控制策略：通过合理选择温度比例、积分和微分参数，能够提高控制系统的性能。
4.加入滤波器和抗干扰装置：通过加入合适的滤波器和抗干扰装置，能够降低系统对外界干扰的敏感度，提高系统的抗干扰能力。
课程设计--加热炉温度串级控制系统（设计部分）
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 control 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 good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade co ntrol system of the characteristics and the main and sub-loop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLA B-based incremental 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 Deputy loop目录1.前言 (2)2、整体方案设计 (3)2.1方案比较 (3)2.2方案论证 (5)2.3方案选择 (5)3、串级控制系统的特点 (6)4. 温度控制系统的分析与设计 (7)4.1控制对象的特性 (7)4.2主回路的设计 (8)4.3副回路的选择 (8)4.4主、副调节器规律的选择 (8)4.5主、副调节器正反作用方式的确定 (8)5、控制器参数的工程整定 (10)6 、MATLAB系统仿真 (10)6.1系统仿真图 (11)6.2副回路的整定 (12)6.3主回路的整定 (14)7.设计总结 (16)【参考文献】 (16)1.前言加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一。
管式加热炉出口温度与炉膛的温度串级控制
设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计系别：电子通讯与应用技术系班级：学生姓名：指导教师：成绩：________________________2012年 6 月29 日课程设计任务书课程设计题目管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计功能技术指标1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
求出比例度与衰减振荡周期；4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5．求出系统的阶跃响应曲线；6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶扰动信号，系统的输出曲线；7．分析系统特点。
工作量两周工作计划1 设计前准备1天2 总体设计1天3 检测变送器的选用0.5天4 控制器的选择0.5天5 执行器件的选择0.5天6 控制器算法确定及参数整定 1.5天7 过程控制系统整体构成2天8 编写课程设计报告1天指导教师评语2012年6月29日目录第１章绪论.................................................................................................. - 2 -1.1 设计要求...................................................................................... - 2 -1.1.1 设计题目和设计指标...................................................... - 2 -1.1.2 设计功能.......................................................................... - 2 -第２章系统总体设计方案........................................................................ - 3 -2.1. 工艺流程图.................................................................................. - 3 -2.2. 方框图工艺流程介绍.................................................................. - 3 -第3章硬件设计和器件的选择................................................................ - 4 -3.1. 系统电气接线图.......................................................................... - 4 -3.2. 器件选择...................................................................................... - 4 -3.3. 译码电路设计.............................................................................. - 4 -第4章控制算法选择及参数整定............................................................ - 5 -第5章系统软件设计................................................................................ - 6 -结论................................................................................................................ - 8 -心得和体会.................................................................................................... - 9 -致谢.............................................................................................................. - 10 -参考文献...................................................................................................... - 10 -第１章绪论1.1 设计要求设计要求：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计设计指标：1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计解析
过程控制系统课程设计题目:管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
为了能将课程中所学理论知识初步尝试应用于实践，本次设计将采用过程控制系统原理来实现工业生产控制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级控制系统来实现对管式炉加热原料油的温度控制。
管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。
加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。
本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，控制器，调节阀，联锁保护等环节的具体选择与设计，最终形成一个可行可靠的完整串级过程控制系统方案，力图通过具体应用获得理论知识的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。
关键字：流量温度串级控制目录1.管式加热炉温度控制系统的设计意义 (1)1.1管式加热炉简介 (1)1.2温度控制系统设计意义 (1)2.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (2)3.总体方案设计 (3)3.1传统简单控制系统 (3)3.2串级控制系统 (4)3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程 (5)4.系统的设计与参数整定 (7)4.1主回路设计 (7)4.2副回路设计 (7)4.3主副调节器调节规律的选择 (7)4.4主副调节器正反作用方式的确定 (8)4.5控制系统的参数整定 (8)5.所需检测元件、执行元件及调节仪表技术参数 (9)5.1温度变送器 (9)5.2温度检测元件 (10)5.3流量检测及变送 (10)5.4调节阀 (11)5.5联锁保护 (11)6.组态软件设计 (12)6.1 新建工程 (12)6.2 连接设备及设备测试 (13)6.3 数据词典 (13)6.4 建立画面 (14)6.5 调试执行 (14)心得体会 (16)参考文献 (17)1.管式加热炉温度控制系统的设计意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。
管式加热炉出口温度串级控制系统设计说明
课程设计任务书1. 设计目的：L・・・・ VV・・■・R ■・・・ VV・・BTe ■・W ■・・・ VV・・■・R ■・・・ VT・・■・STB・・・ VT・・■・W ■・STB・・・・ VT・・■・R ■・STB・・・・ VT・・■・R ■・STB・・・・ VT・・■・VT ■・STB・・・・ VT・・■・VV ■・STB・・ n ・・ VT・（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。
（2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。
（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。
2. 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：* ■・・■・・・■■■・・■*・■・!■■■■・・P ■・・■・・・■*■!・・■«■・■-■!■・・2・・・*・・・■■■・・■ n ■・■■■!■・・*■・・ H ・・■*■■ ・・■*・■・■■■!■・・*■・・*・・・・^|・・■ W ■・■■■!■・・*■・・ H ・・・^|・・■ W ■・■■■!■・・*■・・■■・・・―^ ・・■ n ■・■■■!■・・0T・・・ H ・・・^!・・■■・■■■!■・・*■・・ H ・・・^!・・■ n ■・■*■!■・・H ・I 经过《过程检测仪表与控制》课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。
在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。
加热炉温度串级控制系统设计
加热炉温度串级控制系统设计引言：加热炉是工业生产中常用的设备之一，用于加热物体到目标温度。
为了确保加热炉的温度能够稳定地达到所需温度并且尽量减小温度误差，本文将就一种串级控制系统的设计进行阐述。
串式控制系统使用了两组控制器，一个主控制器 (Master Controller) 和一个从控制器 (Slave Controller)，通过对系统的不同层次进行控制，实现了温度的快速、准确地调节。
本文将针对主控制器和从控制器的设计进行详细说明。
一、主控制器设计：主控制器的作用是通过对从控制器的输出进行调节，以实现加热炉温度的稳定。
主控制器采用PID控制算法，其中P代表比例控制，I代表积分控制，D代表微分控制。
PID控制算法充分考虑了温度调节系统的动态和静态特性，并能够在不同的工作条件下自动调整参数，以保证系统的稳定性和快速响应。
在主控制器设计中，首先需要确定温度传感器的位置，将温度传感器安装在加热炉的合适位置，以获取准确的温度信息。
接下来，需要对主控制器的参数进行设置。
主控制器的参数设置对系统的稳定性和响应时间有着重要影响。
在设置主控制器的参数时，可以采用经验法或者试探法。
经验法是根据历史数据和经验对主控制器参数进行初始化，然后通过不断实际运行和调节参数，直到系统达到理想状态。
试探法则是在实际运行过程中，逐步调节参数，观察系统响应并作出相应调整。
两种方法都可以达到主控制器参数的最优化，但试探法的调试过程可能会相对较长。
二、从控制器设计：从控制器的作用是根据主控制器的输出对加热炉的加热功率进行调节。
从控制器也采用PID控制算法来实现。
从控制器的设计需要考虑如下因素：1.从控制器对主控制器的输出进行调节，以实现稳定的加热功率控制。
根据实际需要和经验，设置从控制器的参数，使得从控制器能够快速、准确地响应主控制器的输出。
2. 考虑到加热炉的动态特性，可以利用先进的控制算法，如模型预测控制 (Model Predictive Control)等，将从控制器的参数调整为非线性和时变的。
管式加热炉出口温度串级控制系统设计报告
管式加热炉出口温度串级控制系统设计报告本文将详细介绍管式加热炉出口温度串级控制系统的设计方案。
1.系统结构管式加热炉出口温度串级控制系统的结构由两个级联的控制回路组成。
第一个回路为内环控制回路，负责控制燃烧系统的燃气量和进气量，以达到对加热炉温度的快速调节。
第二个回路为外环控制回路，负责控制进料速度和加热炉的出口温度。
2.内环控制回路设计内环控制回路采用比例-积分（PI）控制器。
控制器的输入信号为加热炉温度偏差，输出信号为燃气量和进气量的调节量。
采用PI控制的主要原因是为了避免过度调节，保证系统的稳定性。
3.外环控制回路设计外环控制回路以内环控制回路的调节量作为输入信号，输出信号为进料速度的调节量。
为了达到出口温度的稳定性，可以采用模糊控制器。
模糊控制器的输入信号为加热炉温度偏差和燃气量的调节量，输出信号为进料速度的调节量。
4.控制算法设计内环控制回路采用PI控制算法。
PI控制器的参数调节可以根据系统的响应速度和稳定性进行优化。
外环控制回路采用模糊控制算法。
模糊控制器的参数调节可以通过模糊化和解模糊化的方式进行，以适应不同的工况。
5.控制器实现控制器可以采用嵌入式系统实现。
嵌入式控制器可以根据实时的温度和燃气量数据进行计算和控制，以实现对加热炉温度的稳定控制。
6.系统优化系统的优化可以通过参数调节和控制策略的优化来实现。
参数调节可以通过系统的建模和仿真分析来进行，以找到最优的控制参数。
控制策略的优化可以通过实时监测和调整来实现，以适应不同的工况和控制要求。
总结：通过设计一个管式加热炉出口温度串级控制系统，可以实现对加热炉温度的稳定控制。
内环控制回路负责快速调节温度，外环控制回路负责稳定控制温度。
通过控制算法的设计和优化，可以实现系统的稳定性和响应速度的改善。
通过嵌入式控制器的实现，可以实时计算和控制温度的调节量。
最后，通过参数调节和控制策略的优化，可以进一步提高系统的效果。
管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计解析
第1章绪论1.1 设计要求综合运用过程控制系统及自动控制原理课中所学到的理论知识，联系工程实际，选择合理的主变量、副变量，选择合理的控制方式，设计一个符合要求的串级控制系统。
1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统技术指标：1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
求出比例度与衰减振荡周期；4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5．求出系统的阶跃响应曲线；6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲线；7．分析系统特点。
8．撰写设计说明书及注意事项。
1.1.2 设计功能主要功能：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统。
第2章系统总体设计方案2.1工艺流程图管式加热炉是工业生产中的常用设备之一，其工艺流程图如图2-1所示：图2-1 管式加热炉工艺流程图2.2方框图和工艺流程的介绍此次管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的设计采用主副回路的串级控制方案，即选取炉口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。
其系统框图如图2-2所示：图2-2 管式加热炉出口温度串级控制系统框图管式加热炉简介：管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器管式加热炉示意图如图2-3所示：图2-3 管式加热炉 通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
主调节器 管壁 调节阀 副测量变送器物料主测量变送器炉膛 副调节器对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。
辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。
这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。
燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。
加热炉串级控制系统课程设计
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。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
关键词：串级控制主调节器 PID控制反馈1 串级控制系统的优点及如何设计 (1)1.1 串级控制系统原理图、结构框图 (1)1.2 串级控制系统的工作过程 (2)2 管式加热炉的设计 (3)2.1 系统设计与对比 (3)2.1.1 两种单回路控制系统 (3)2.1.2 串级控制管式加热炉整体设计 (4)2.1.3 管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图 (5)2.2 副回路的设计与副参数的选择 (5)2.3 主、副调节器调节规律的选择 (5)2.4 主、副调节器正反作用方式选择 (6)2.4主、副调节器选用 (6)2.5 主、副电路检测变送器的确定 (7)2.5.1 温度检测元件 (7)2.5.2 温度变送器 (8)2.6 调节阀的确定 (9)3 系统参数整定 (9)4 串级控制系统的控制效果 (10)4.1 迅速克服进入副回路的二次干扰 (10)4.2 提高了系统的工作频率 (11)4.3 对负荷剧烈变化的适应能力 (12)小结与体会 (13)参考文献 (14)管式加热炉温度串级控制系统设计1 串级控制系统的优点及如何设计1.1 串级控制系统原理图、结构框图图1-1系统原理图串级控制系统与简单控制系统的主要区别是，串级控制系统在结构上增加了一个测量变速器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。
串级控制过程控制课程设计
设计内容与设计要求设计内容：某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数分别为：G01(s)=1/(30s+1)(3s+1);g02(s)=1/((10s+1)(s+1)^2);主控制器采用比例积分控制，副控制器采用比例控制。
设计要求：试分别采用单回路控制和串级控制设计主、副PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。
目录第1章概述 (1)第2章系统总体方案 (2)2.1 隧道窑的结构 (2)2.2 方案比较 (2)2.3 方案选择 (4)第3章系统控制参数的选择 (5)3.1串级控制系统选择 (5)3.1.1 主变量的选择 (5)3.1.2 副变量的选择 (5)3.1.3 操纵变量的选择 (5)3.2 调节阀开关形式的选择 (6)3.3 传感器、变送器的选择 (6)3.4 控制器的选择 (7)3.4.1 控制器控制规律的选择 (7)3.4.2 控制器正、反作用选择 (7)3.4.3 控制器选型 (8)第4章系统调试 (10)4.1系统参数的整定 (10)4.2 系统仿真 (10)第5章心得体会 (14)参考文献 (15)第1章概述随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。
在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。
在本世纪30 年代就已有应用。
过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。
几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
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学号1422060213天津城建大学过程控制课程设计设计说明书串级温度控制系统设计起止日期：2017 年7 月 3 日至2017 年7 月7 日学生姓名侯亚东班级14自动化2班成绩指导教师(签字)控制与机械工程学院2017年7月7日天津城建大学课程设计任务书2016 -2017学年第 2学期控制与机械工程 学院 自动化专业 班级 14自动化2班 姓名 侯亚东 学号 1422060213课程设计名称： 过程控制设计题目： 串级温度控制系统设计完成期限：自 2017 年 7 月 3 日至 2017 年 7 月 7 日共 1 周设计依据、要求及主要内容：一、设计任务管式加热炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度作为主变量，主、副对象的传递函数分别为：2017()81s G s e s -=+，021()(101)(201)G s s s =++ 试采用串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：1) 进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；2) 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能；3）说明不同控制方案对系统的影响。
二、设计要求采用MATLAB 仿真；需要做出以下结果：（1） 超调量（2） 峰值时间（3） 过渡过程时间（4） 余差（5） 第一个波峰值（6） 第二个波峰值（7） 衰减比（8） 衰减率（9） 振荡频率（10）全部P 、I 、D 的参数（11）PID 的模型（12）设计思路三、设计报告课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。
四、参考资料[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000[3] 过程控制教材指导教师（签字）：教研室主任（签字）：批准日期：年月日目录绪论 (1)一、设计的目的意义 (1)1.1管式加热炉简介 (2)1.2 设计目的及意义 (1)1.3管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求 (2)二、设计方案 (2)2.1简单控制系统 (2)2.2 串级控制系统 (3)2.3 方案选择 (4)三、串级控制系统分析 (4)3.1 主回路设计 (4)3.2 副回路选择 (4)3.3 主、副调节器规律选择 (4)3.4 主、副调节器正反作用方式确定 (4)3.5 控制器参数工程整定 (4)四、各仪表的选取及元器件 (5)4.1 温度变送器 (5)4.2 温度检测元件 (6)4.3 调节阀 (7)4.4 联锁保护 (7)五、 MATLAB仿真实验 (7)5.1 副回路的整定 (8)5.2主回路的整定 (8)5.3整体参数整定 (8)心得体会 (10)参考文献 (10)绪论过程控制课程是自动化专业最主要的一门课程，它是在自动控制理论的基础上发展起来的应用课程，既有理论又有工程实践。
以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。
这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。
例如，锅炉中蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。
表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。
通过对过程参数的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少同时本次课程设计还综合应用了多款软件如MATLAB,VISIO绘图软件。
管式加热炉的特点有下面几个：1)可以智能AI控温，拥有50段程序编排功能，同时发出节能而且有较高的效益;2)将高纯度晶体纤维作为炉膛保温的材料，这样温度能够均匀分布，而且保温性能非常优异;3)高温热处理范围比较广：100～1600℃;4)可以进行抽真空和双路供气，也能作气氛保护或反应气体使用;5)自带循环水来进行冷却，保证真空密封;6)机体是组合式的结构，更加具有个性化;管式加热炉主要是用在冶金，玻璃，热处理，锂电正负极材料，新能源，磨具等行业测定材料在一定气氛条件下的专业设备。
一、设计的目的意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是炼油、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，常选原料油出口温度1tθ（）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所示的温度控制系统，控制系统框图如图1-2所示。
影响原料油出口温度1tθ（）的干扰有原料油流量1()f t、原料油入口温度2()f t、燃料压力3()f t、燃料压力4()f t等。
该系统根据原料油出口温度1tθ（）变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。
管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1-1所示：图1-1 管式加热炉通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。
辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。
这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。
燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。
1.2 设计目的及意义管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。
同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。
加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。
因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。
另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。
1.3管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。
燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度θ1。
在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度θ1的目的。
引起温度θ1改变的扰动因素很多，主要有：（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动D2；（2）喷油用的过热蒸汽压力波动D4；（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动D1；（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。
从调节阀动作到温度θ1改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。
工艺上对出口温度θ1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。
二、设计方案2.1简单控制系统当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度。
从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。
温度调节器TC是根据原料油的出口温度θ1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θ1的影响控制质量差。
当生产工艺对原料油出口温度θ1要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。
被控变量：原料油出口温度；操控变量：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 管式加热炉温度控制系统图2-2 管式加热炉出口温度单回路控制系统框图2.2 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，TC可以及时动作，克服干扰。
图2-3 管式加热炉温度串级控制系统图2-4 管式加热炉出口温度串级控制系统框图2.3 方案选择方案一的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，改过程时间常数大，可达到15min。
因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。
方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，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、初调、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干扰的影响能彻底加以消除。
由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。
与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。
其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。
综上所述，本设计选择串级控制系统。
三、串级控制系统分析3.1 主回路设计加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。
其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。
温度调节器对被控参数θ1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。
3.2 副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。
燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。
所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。
串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的控制效果。
3.3 主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。
主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。
在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。
控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。
3.4 主、副调节器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。