过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统

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《过程控制》课程设计

题目: 燃油加热炉温度控制系统

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学号：

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1.

，

具体设计要求如下:

（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；画出控制系统SAMA图；

（3）根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图；

（4）对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:1衰减曲线法整定运行参数。

（5）★用MCGS进行组态设计。

二、被控对数学模型建模及对象特性分析

2.1对象数学模型的计算及仿真验证

根据矩形脉冲响应数据，得到阶跃响应数据，并进行相应的归一化处理，得：

plot(t,ys); %画出单位阶跃响应曲线

hold on;

grid on;

figure;

plot(t,ym); %画出归一化阶跃响应输出曲线

grid on;

脉冲响应及阶跃响应输出曲线

归一化输出曲线

从图中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得： t1=382s,t2=882s

因为t1/t2=0.433<0.46,所以选用2阶传函。 又因为：

12

12

122(1.740.55)()TT t T T t ≈-+，12121()2.16

T T t t +≈+。 求得T1=166s ，T2=419s 得到对象传递函数为：

对象仿真图如下：

2.2对象特性分析

为二阶自衡对象，没有纯延迟环节。自衡率ρ=

=K

1

1.88，响应速度ε=

T

K

=0.0021， 三、控制系统设计

3.1 基本控制方案

从设计的简约性和实用性考虑，首先考虑单回路的控制方法，由于对象的容量较大，而炉内温度的测量较难，所以单回路的控制方法难以得到较好的效果，所以经过仔细比较，最终决定采用虽然复杂一些，但是控制效果更好的串级控制方法。

为了更好的反应串级方式相对于单回路的优点，小组决定用两种控制方法都试验一下，用事实说话。

（1） 首先采用单回路控制方法，考虑到系统的速度和稳定性的要求，选用PID 控制规律。 单回路系统控制原理图如下:

根据对象特性整定参数（采用齐勒格-尼克尔整定方法） 变送器增益：

调节阀增益：100%0%

6.25(%/)204

v G mA -=

=-

得广义对象传函：

根据广义对象画出输出曲线见图5，程序： clc;

K0=0.16; num=K0;

den=conv([419,1],[166,1]); G0=tf(num,den);

step(G0);

k=dcgain(G0);

读图可知：τ=60,T=700

最终整定参数如下：δ=0.85ετ=0.112; kc=；Ti=2τ=120;Td=0.5τ=30;

参数带入PID控制器之后震荡剧烈，稳定性差，所以kc减小，适当增加Td，经过多次调节之后取kc=3，Ti=120，Td=200；

SIMULINK仿真图(带扰动)如下:

很明显，调节速度慢，而且超调过大，所以舍弃这种方法。

（2）串级控制方式：

1.扰动分析：

燃料：压力、流量、成分和热值等

原料：进料量、进料温度

若炉内温度作为副被调量，拥有客服克燃料油影响，如温度、成分等，其所属扰动包含了较多扰动，即可能多的扰动可进入副回路。

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。

2.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。

在燃油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，选择炉壁温度为副调参数。由于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，主回路选择PID调节作为主调节器的控制规律，而副回路由于考虑稳定性的原因，考虑用P控制规律。

3.调节阀：从安全考虑，选气开，K v为正

副对象：调节阀开，炉膛温度升高，K p2为正

副调节器：K c2为正，即反作用调节器

主对象：炉温升高，出口温度升高，K p1为正

主调节器：K c1为正，即反作用调节器

K

为正，切主调时主调不改变作用方式

c2

4.控制流程图

控制系统原理图：

控制系统SAMA图：

3.2..................................................................................................................... 控制仪表选型

1.温度变送器

变送器选用DDZ-Ⅲ控制仪表。在主回路的对象为原料油出口温度，约为500度，故所设计的的范围为420度到750度。副对象为炉膛温度比较高，故所选的变化的范围600度到1000。主回路的变送器传函：

副回路的变送器传函:

根据设计要求变送器检测温度范围较大，选择NHR-M32智能温度变送器，测量范围为0—1300 C°。

控制器要求具有PID调节功能，选择HR-WP模糊PID自整定调节器

原理接线图

2.阀门的选择

由于燃油具有较强的腐蚀性，里面的残渣比较多，而且由于安全性的要求，所以，经过比较最终决定选择气动蝶阀，最大流量大于4.8t每小时。

3.3参数整定

由上面讨论可知主回路选用PID控制，副回路选用P控制，所以参数整定如下：

1.副回路参数整定

调节副环。将主调节器1p K设为1，1I K和1D

K设为0，副调器2p K设为1

逐步调节副回路的kc。.此时经过微小调整得到副回路P控制器2c K=6.

2、主回路整定：

将副调节器2c K=6，主回路加入PID，逐步调节1c K、1I T、1D T的值，使输出符合要求，记下此时的

3.4Simulink仿真图(带扰动)如下:

将两者比较如下：

分析:经过改进，串级控制系统的超调量只有约为3%，符合控制要求，并且调节时间也有很大程度上改善，通过与单回路PID控制对比可以发现系统的动态特有很大改善。

扰动分析：从图中可以看出，在2500s时分别加入幅值为2的干扰信号，串级控制对扰动有很强的抗干扰能力。相比较上图的单回路抗扰动输出，又可以看出的串级控制的优越性。

3.5仿真结果分析

通过仿真结果可以看到，串级控制系统可以跟好的实现工程要求，有效克服扰动，很好的实现了系统的稳定性。串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次扰动有很强的克服能力；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。