加热炉温度控制系统

目录

一、工艺介绍 (2)

二、功能的设计 (4)

三、实现的情况以及效果 (6)

一、工艺介绍

在钢厂中轧钢车间在对工件进行轧制前需要将工件加热到一定的温度，如图1表示其中一个加热段的温度控制系统。在图中采用了6台设有断偶报警的温度变送器、3台高值选择器、1台加法器、1台PID调节器和1台电器转换器组成系统。

利用阶跃响应便识的，以控制电流为输入、加热炉温度为输出的系统的传递函数为：

温度测量与变送器的传递函数为：

由于，因此，上式中可简化为：

在实际的设计控制系统时，首先采用了常规PID控制系统，但控制响应超调量较大，不能满足控制要求。

图1

对如图1所示的加热炉多点平均温度系统采用可变增益自适应纯滞后补偿进行仿真。

加入补偿环节后，PID调节器所控制的对象包括原来的对象和补偿环节两部分，于是等效对象的特性G（s）可以写成：

即补偿后的广义被控对象不在含有纯延迟环节，所以，采用纯滞后的对象特性比原来的对象容易控制的多。

但实际应用中发现，加热锅炉由于使用时间长短不同及处理工件数量不同，会引起特性变化，导致补偿模型精度降低，从而使纯滞后补偿特性变差，很难满足实际生产的稳定控制要求。

为改善调节效果，在控制线路中加入两个非线性单元——除法器与乘法器，构成如图所示的加热炉多点温度控制纯滞后自适应控制系统。

二、功能的设计

1、系统辨识

经辨识的被控对象模型为：

所以，带可变增益的自适应补偿控制结构框图如图

图2

加热炉多点温度控制纯滞后自适应补偿系统控制框图2、无调节器的开环系统稳定性分析

理想情况下，无调节器的开环传递函数为：

上式中所示广义被控对象的Bode图如下图所示。

图3

>> g=tf([1.06],[120 1]);

>> bode(g)

可见、广义被控对象开环稳定幅值裕量为无穷大，相位裕度为161°。

三、实现的情况以及效果

1、系统控制参数的整定

由图3所知系统采用比例控制时，取任何值构成的闭环系统均稳定。所以，本被控对象不能采用稳定边界法整定系统参数。为了使系统无静差，选择PI控制方式，采用试误法整定参数。系统按照图4所示进行，其中的PI模块如图5所示。

图3 系统整定Simulink框图

图4 PI模块框图

在图5中当Kp=300，Ki=3时系统响应如图7所示。

2、系统仿真

根据参数整定结果对图1控制系统进行仿真。实际系统的模型增益在（0.795,1.272）之间变化，控制量为10。系统控制过程Simulink 仿真如图7所示。图6中被控对象模块如图6所示。图8为图7中利用双斜坡函数构造的变化比例因子。系统仿真结果如图9所示。

图5

图6 系统仿真Simulink框图

图7被控对象模块

图8 用双斜坡函数构造的比例因子（即示波器的显示）由图9可知，尽管被识别对象的幅值有较大的变化（最小0.795，最大1.272），并有较大的滞后，系统在评估模型我精确的情况下，采用带可变增益的自适应性补偿控制方式，系统输出并没有太大的波动。

图9系统仿真结果