熔炉温度控制系统过程控制课程设计

辽宁工程技术大学

过程控制与自动化仪表课程设计

设计题目熔炉温度控制系统

指导教师李楠

专业班级自动化12级3班

学号1205010303

姓名代奎

日期2015/6/10

过程控制与自动化仪表课程设计任务书

目录

1. 绪论 (1)

2. 铝锭生产工艺描述 (2)

3. 熔炉建模 (4)

4. 控制系统设计 (6)

4.1单回路PID调节 (6)

4.2串级控制调节 (8)

5. 控制系统仿真 (11)

5.1单回路PID系统仿真 (11)

5.2串级控制系统仿真 (12)

6. 参考文献 (15)

1.绪论

过程控制是应用性和实践性较强的一门课，许多的重要概念和方法需要通过实验才能更好掌握。

通过仿真研究各种控制系统和复杂控制算法，简单快捷。

过程控制系统仿真就是以过程数学模型为基础，对过程控制系统进行实验、分析、评估和预测研究的一种技术和方法。

Matlab的控制系统相关工具箱及Simulink的问世，给控制系统的分析和设计带来了极大地方便，已成为风行国际的、有力的控制系统计算机辅助分析、设计工具。

Simulink是一个交互式动态系统建模、仿真和分析图形环境，提供一个建立控制系统方框图，并对系统进行仿真的环境。

此次设计将以“熔炉温度控制系统”为例，完成在Simulink基础上的仿真。

2.铝锭生产工艺描述

一、铝锭一般生产过程：

先采出铝土矿，经水洗、磨细等流程生产出铝矿粉，再经焙烧等四道复杂工艺得到氧化铝，生产氧化铝的铝土矿主要有三种类型：三水铝石、一水硬铝石、一水软铝石。

由于三种铝土矿的特点不同，各氧化铝生产企业在生产上采取了不同的生产工艺，主要有拜耳法、碱石灰烧结法和拜尔－烧结联合法三种。通常高品位铝土矿采用拜耳法生产，中低品位铝土矿采用联合法或烧结法生产。拜尔法由于其流程简单，能耗低，已成为了当前氧化铝生产中应用最为主要的一种方法，产量约占全球氧化铝生产总量的95%左右。

氧化铝在强电流的作用下，电解出铝金属，这道流程就叫电解铝；

铝锭铸造工艺均采用铝液注入模具中，待冷却成铸坯后取出，注入过程是产品好坏的关键步骤。铸造过程也即为由液态铝结晶成固态铝的物理过程。铸造铝锭工艺流程大致如下：

出铝—扒渣—检斤—配料—装炉—精练—浇铸—重熔用铝锭—成品检查—成品检斤—入库

出铝—扒渣—检斤—配料—装炉—精练—浇铸—合金锭—铸造合金锭—成品检查—成品检斤—入库

常用的浇铸方式分为连续浇铸和竖式半连续浇铸

二、铝锭常见的缺陷：

气孔。主要是由于浇铸温度过高，铝液中含气较多，铝锭表面气孔(针孔)多，表面发暗，严重时产生热裂纹。

夹渣。主要是由于一是打渣不净，造成表面夹渣；二是铝液温度过低，造成内部夹渣。

裂纹。冷裂纹主要是浇铸温度过低，致使铝锭结晶不致密，造成疏松甚而裂纹。热裂纹则由浇铸温度偏高引起。

冷隔。形成冷隔主要是由于结晶器内铝液水平波动过大，浇铸温度偏低，铸

锭速度过慢或铸造机震动、下降不均而引起的

表面粗糙。由于结晶器内壁不光滑，润滑效果不好，严重时形成晶体 成分偏析。主要是铸造合金时搅拌不均匀引起的。

波纹和飞边。主要是操作不精细，铝锭做的太大，或者是浇铸机运行不平稳造成。

表面的铝瘤。或由于铁硅比太大，冷却不均产生的偏析现象。 漏铝和重析。主要是操作问题，严重的也造成瘤晶。

本课题研究熔炉熔化氧化铝用于浇铸的熔化过程，为保证产品质量，需对炉温加以控制。若炉温过高，将会使铝锭产生气孔、热裂纹等缺陷。若炉温过低也会产生内部夹渣、冷裂纹、冷隔等缺陷。

因此对炉温控制，使其10%%≤δ，0

e =∞）（即可基本满足生产要求。

3.熔炉建模

一、对一个铝锭生产熔炉进行如下实验：在温度控制稳定到630C︒时，在开

环状态下将执行器的输入燃料油增加大约20%，每2min记录一次炉温直到其达

到新的稳定温度。所得熔炉阶跃响应如下：

表3-1 熔炉建模阶跃响应

t/min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

∆y/C︒0 0.52 1.96 4.23 5.50 7.30 8.42 9.28 10.06 10.78 t/min 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

∆y/C︒11.25 11.73 12.10 12.45 12.74 12.95 13.08 13.15 13.18 13.18

二、在Matlab中绘制熔炉阶跃响应曲线：

>> t=[0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38];

>> y=[0 0.52 1.96 4.23 5.50 7.30 8.42 9.28 10.06 10.78 11.25 11.73

12.10 12.45 12.74 12.95 13.08 13.15 13.18 13.18];

>> plot(t,y);

>>

得熔炉阶跃响应图：

图3-1 熔炉建模阶跃响应曲线

三、用>> cftool;指令对其进行光滑曲线拟合:

图3-2 熔炉建模阶跃响应拟合曲线

取()544.100.8y t y 272.50.4y t y 21=∞==∞=）（）（，）

（。

图3-3 熔炉建模阶跃响应拟合曲线取点1t

得1.45160518.7t 1=⨯=s 。

图3-4 熔炉建模阶跃响应拟合曲线取点2t

得4.10406034.17t 2=⨯=s 。

由46.043.0t /t 0.3221<=<知对象为二阶，

根据公式：%)

/(659.0%

2018.130C C y K ︒=︒=∆=∞μ

16

.22121t

t T T +=+

55.074.12

12121-=+t t

T T T T

得s T s T K 21.0,3.690,659.021===,即对象传函：

1)

1)(0.21s 690.3s (0.659

s G p

++=）（(%/C ︒)