过程控制课程设计 加热炉出口温度控制系统的设计解析

二○一三～二○一四学年第一学期信息科学与工程学院
课程设计报告书
课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：自动化2010级4班
学号：201004134140
姓名：肖翔
指导教师：万恒
二○一三年十一月
一．设计题目和设计要求；
设计题目：加热炉出口温度控制系统的设计
图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。

加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。

在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。

被加热物料
图1 加热炉出口温度系统
但是，由于炉子时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对炉出口温度的要求。

为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。

设计要求：
1.绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。

2.以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。

3.假设主对象的传递函数为0140()(1)(2)
G s s s =++，副对象的传递函数为02()(1)
G s s =+40，主、副控制器的传递函数分别为s K s G c c 21)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ，
请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。

4.利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出 响应曲线。

二．设计任务分析（包括系统建模、控制方案）；
单回路反馈控制系统（温度）：
单回路反馈控制系统结构框图
管式加热炉的控制目标是保证原料的出口温度达到设定值并维持在工艺要求范围内。

在加热炉工作的过程中，原料出口温度To受进入管式加热炉原料的初始温度和进入流量，燃料的流量和燃烧值的影响。

其中，原料的流量和燃料的流量是影响原料出口温度的主要因素。

在原料流量一定的情况下，在燃料的入口处安装一个调节阀，控制进入管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉出口温度单回路反馈控制系统。

该控制方案简单，实现方便，但是在实际应用过程中，控制效果很差，达不到工艺要求。

主要原因是加热炉内管有数百米长，离出口较远，且热容较大，是一个典型的一阶加纯滞后过程。

单回路反馈控制系统（流量）：
针对上述问题，为了及时检测到燃料流量的变化，采用管式加热炉出口温度间接控制方案，选择燃料流量作为副被控量，通过操纵燃料流量控制出口温度。

但是，控制系统对温度不能控制，当负荷发生自扰时，进料出口温度将发生变化，流量单回路控制系统无法保证温度恒定。

串级控制系统：
通过以上分析，上述两种单回路控制系统的控制效果较差，很难达到满意的效果。

因此采用串级控制系统，加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统。

串级控制系统结构框图
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减少了对象的时间常数，提高了系统的响应速度；④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。

故而本次设计采用出口温度对炉膛温度的串级控制系统。

三．设计步骤如下
在串级控制系统中，主副调节器所起的作用是不同的。

主调节器起定值控制作用，而副调节器起随动控制作用。

主参数不允许有余差，同时又由于要控制的工业过程有较大的容量滞后，所以主调节器通常选择PI型调节器以实现主参数的无差控制。

而在串级控制系统中，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没有像主参数那样的严格，可以在一定的范围内变化，允许有余差。

因此，副调节器一般选P调节器。

为了能够快速的跟踪主调节器的输出，一般不引入积分环节，因为积分环节会延长调节过程，减弱副回路的快速
特性。

副调节器一般也不引入微分环节，因为当调节器有微分环节时，主调节器输出稍有变化，就容易引起调节阀有较大的开度变化，对系统的稳定性能不利。

综上所述，主调节器应选用PI型调节器，副调节器选用P型调节器。

Go1(s)=40/(S+1)(S+2) Go2(s)=40/(S+1)
Gc1(s)=Kc1+1/2S Gc2(s)=Kc2
Gm1(s)=1 Gm2(s)=1
串级控制系统的参数整定原则是：先副回路，后主回路。

一般而言，副回路的控制要求不高，可以参照经验法一次整定，主回路的控制器参数整定与单回路整定方法类似，主要有以下三种方法：
1.逐次逼近法：
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整定方法繁琐，很少使用。

2.两步整定法：
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。

比逐次逼近法简单，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。

3.一步法：
根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按照一般单回路孔控制系统的整定方法直接整定主控制器。

所以，本次设计采用一步整定法。

具体步骤如下：
1.根据副对象的特性或经验整定副控制器的比例带，使副回路按纯比例控
制运行，常见副控制器比例带取值如下表所示：
2.将系统投入串级控制状态运行，按照单回路控制系统的参数整定方法对
主控制器进行参数整定，使主变量的控制品质最佳。

选取Kc2=4（整定时可以再做适当调整）。

然后在副回路已经闭合的情况下
按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，
步骤如下：
1.置调节器积分时间Ti到最大值，微分时间Td为0，比例带为较大值，并将系统
投入运行
2.待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应，若系统响应衰减太
快，则减少比例带，反之，增大比例带。

如此反复，直到系统出现4：1衰减振荡过程，记下此时的比例带和振荡周期的数值。

3.
四．Simulink建模与仿真；
1.单回路控制系统阶跃响应
框图和simulink仿真结果如下：
根据以上所示仿真结果，该系统的单回路系统阶跃响应发散，即系统是不稳定的。

而对于特征方程D(s)=S^3+4S^2+5S+1600=0,用劳斯判据,这是不稳定的，与所得仿真结果是一致的。

2.串级控制系统阶跃响应：
由于该题中积分环节参数已经设定好，为0.5，故只需整定Kc1
取Kc2=4,如下图当Kc1=0.55时,在t1=1.68s,出现第一个峰值，为1.5，在t2=3.07s，出现第二个峰值为1.13，最后曲线稳定在1
0.52/0.13≈4:1 符合4:1衰减曲线
所以ts=3.07-1.5=1.57s
Ti=2ts=3.14s
方块图如下：
输出响应下：
3.单回路系统与串级回路的比较
比较上述两种系统的阶跃响应可很看出，当单回路系统不稳定时，若采用串级控制系统，可以改善系统的稳定性，还可改善系统的动态性能。

所以，可看出串级控制系统可改善系统的控制质量；同时由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统的响应速度。

实验小结
通过本次试验，对过程控制系统中的建模方法及控制系统参数的的选择有了一定了解，特别是对于串级控制系统的应用范围，以及串级控制系统对于改善系统稳态与动态性能的影响有了较深刻的认识，我也更加清楚通过串级控制可以将一个不稳定的单闭环回路改善为一个动态性能与稳态性能良好的双闭环系统。

同时，对PID参数整定有了更好的了解，也了解到在进行PID参数整定，尤其是利用4:1衰减振荡法进行整定时的整定步骤，以及对于调节PID过程中根据其响应曲线确定其参数趋势的变化。

最后，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了更加深刻的认识，使我明白，串级控制系统在实际应用中是很有应用价值的。