某加热炉温度控制 过程控制

学号天津城建大学过程控制课程设计设计说明书某加热炉温度控制起止日期：2014 年6 月23 日至2014 年6 月27 日学生姓名班级成绩指导教师(签字)控制与机械工程学院2014年6月27 日天津城建大学课程设计任务书2013 -2014学年第2学期控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级13电气11班姓名学号课程设计名称：过程控制设计题目：某加热炉温度控制完成期限：自2014 年6 月23 日至2014 年 6 月27 日共1 周设计依据、要求及主要内容：一、设计任务某温度过程在阶跃扰动1/∆=作用下，其温度变化的数据如下：q t h试根据实验数据设计一个超调量25%δ≤的无差控制系统。

具体要求如下：p（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；（4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

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：年月日摘要在工业生产中必然地要求对加热炉内的温度进行有效的控制，使之保持在某一特定的范围内。

而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。

加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性过程。

本设计针对加热炉燃烧控制系统，主要介绍的控制方案有单回路控制系统、串级比值控制系统、单交叉限幅控制系统、双交叉限幅控制系统，并对每一种控制方案进行了理论分析。

运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。

通过分析比较可以得出结论，双交叉限幅对加热炉温度的控制优于其它的控制方案。

双交叉限幅的炉温控制系统使煤气流量和空气流量相互限制，既防止了燃烧中冒黑烟，也防止了空气过剩，达到控制加热炉温度，提高煤气燃烧率，避免环境污染等目的。

关键词：加热炉；单交叉限幅控制；双交叉限幅控制；MATLAB仿真目录绪论 (1)一对象模型的建立 (2)1.1数学模型概念 (2)1.2系统各装置数学模型的建立 (3)二仪表选型 (4)2.1 单回路系统选择原则 (4)2.2 调节器 (5)2.3 执行器 (7)2.4 变送器 (8)2.5 检测元件 (9)三控制系统仪表配接图及说明 (9)3.1控制系统仪表配接说明 (9)四加热炉炉温控制系统仿真结果分析 (10)4.1根据已知数据画出单位阶跃曲线 (10)4.2炉温单回路控制仿真 (10)五参考文献 (13)绪论温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。

随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。

传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。

温度是工业对象中的一个重要的被控参数。

然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。

因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。

传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。

近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。

这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

本系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为2s，开环增益k=10，温度控制范围为50～150℃。

一对象模型的建立1.1数学模型概念控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的地位，要对系统进行仿真处理，首先需要知道系统的数学模型，而后才有可能对系统进行仿真。

同样，只有知道系统模型，才有可能在此基础上设计一个合适的控制器，使系统响应达到预期效果，满足实际的工程需要。

在线性系统理论中，常用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。

这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。

微分方程是控制系统模型的基础，一般来讲，利用机械学、电学、力学等物理规律便可以得到控制系统的动态方程，这些方程对于线性定常连续系统而言是一种常系数的微分方程。

控制系统动态微分方程的建立基于以下两个条件：（1）在给定量产生变化或扰动出现之前，被控量的各阶导数都为零，即系统是处于平衡状态的，因此，在任一瞬间，由各种不同环节组成的自动控制系统用几个独立变量就可以完全确定系统的状态。

（2）建立的动态微分方程式是以微小增量为基础的增量方程，而不是其绝对值的方程，因此，当出现扰动和给定量产生变化时，被控量和各独立变量在其平衡点附近将产生微小的增量，微分方程式描述的是微小偏差下系统运动状态的增量方程，不是运动状态变量的绝对值方程，也不是大偏差范围内的增量方程。

动态微分方程描述的是被控制量与给定量或扰动量之间的函数关系，给定量和扰动量可以看成系统的输入量，被控制量看成输出量。

建立微分方程时，一般从系统的环节着手，先确定各环节的输入量和输出量，以确定其工作状态，并建立各环节的微分方程，而后消去中间变量，最后得到系统的动态微分方程。

动态系统数学模型有多种表达形式，可以是微分方程、差分方程，也可以是传递函数、状态方程。

微分方程描述的系统模型，通过求解微分方程，可以得到系统随时间变化的规律，比较直观。

但是，当微分方程阶次较高时，微分方程的求解变得十分困难，不易实现，而采用拉氏变换就能把问题的求解从原来的时域变换到复频域，把微分方程变为代数方程，而代数方程的求解通常是比较简单的，求解代数方程后，再通过拉式反变换得到微分方程的解。

传递函数是在拉式变换的基础上，以系统本身的参数所描述的线性定常系统输入量和输出量的关系式，它表达了系统内在的固有特性，而与输入量或驱动函数无关。

它可以是有量纲的，也可以是无量纲的，视系统的输入量、输出量而定，它包含着联系输入量与输出量所需要的量纲。

它通常不能表明系统的物理特性和物理结构，许多物理性质不同的系统却有着相同的传递函数，正如一些不同的物理现象可以用相同的微分方程描述一样。

加热炉具有大滞后、大惯性的特点，将加热炉简化为一个带有纯滞后的一阶惯性环节，则温度对象传递函数为：()1Ke G S TS =+-τs（1-1） 此外，燃料流量对象和空气流量对象本设计将把它们近似看成一阶惯性环节，相应的传递函数如下：燃料流量对象传递函数：()1K G S TS =+ （1-2） 空气流量对象传递函数：()1K G S TS =+ （1-3） 1.2系统各装置数学模型的建立1.PID 调节器数学模型的建立在温度PID 调节器中，有比例、积分、微分三个环节，比例、积分、微分在PID 调节器中的作用如下：P 调节器的输出与输入成比例关系，只要有偏差存在，调节器的输出立刻与偏差成比例的变化，因此比例调节作用及时迅速，这是它的一个显著特点。

但是这种调节器用在控制系统中，将会使系统出现余差。

也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，调节器的输出不会发生变化，系统也就无法保持平衡。

为了减小余差，可增大Kp 。

Kp 越大，余差也越小。

但是Kp 增大将使系统的稳定性变差，容易产生振荡。

P 调节器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。

具有比例积分运算规律的调节器为PI 调节器。

对PID 调节器而言，当微分时间T D =0时，调节器呈PI 调节特性。

只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，调节器的输出才稳定下来。

这就是积分作用能消除余差的原因。

T I 越短，积分速度越快，积分作用就越强。

由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，故积分动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。

因此积分作用一般不单独使用，而是与比例作用组合起来构成PI 调节器，用于控制系统中。

微分作用是根据偏差变化速度进行调节。

即使偏差很小，只要出现变化趋势，就有调节作用输出，故有超前调节之称。

在温度、成分等控制系统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性，不过在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，故微分作用也不能单独使用。

比例调节作用及时迅速，积分的作用是为了消除静态误差和稳定控制对象的作用，微分的作用是为了克服加热炉的大惯性。

则温度PID 调节器的传递函数表示如下：1)(+++=TS K S K K S G d i p （1-4） 空气和燃料流量PID 调节器设为纯比例，即（Kp ）。

如果系统接受一个阶跃信号，此时执行器由一个开度变化成另一开度，那么中间就有一个过渡过程，但过渡过程时间通常比较短。

所以，可以将其传递函数近似为一阶惯性环节，如下：()1K G S TS =+ （1-5）因为时间常数比较小，在要求不是很精确的场合也可以近似为比例。

检测和变送装置把输入信号和输出信号看成线性化，在此作为一个比例环节来对待。

由于加热炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，被控对象传递函数可表示为：1f sc f K G T se τ-=+ （1-6） 式中Kf —被控对象的放大系数;Tf —被控对象的时间常数;τ—纯滞后时间。

考虑被控对象为加热炉炉温，因此取K f = 1: T f =3 , τ=3所以加热炉的传递函数为：二 仪表选型2.1 单回路系统选择原则单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。