加热器温度控制

学号11750112

天津城建大学

过程控制课程设计

设计说明书

加热器温度控制

起止日期：2014 年6月30日至2014年7月4日

学生姓名王玮泽

班级2011电气1

成绩

指导教师(签字)

控制与机械工程学院

2014年7月4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 1 姓名王玮泽学号 11750112 课程设计名称：过程控制

设计题目：加热器温度控制

完成期限：自 2014 年 6 月 30 日至 2014 年 7 月 4 日共 1 周

设计依据、要求及主要内容：

一、设计任务

加热器出口温度在阶跃扰动DC作用下，其输出响应数据如下：

δ≤的无差控制系统。具体要求如下：

试根据实验数据设计一个超调量25%

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)

第一章测试法建模 (2)

第二章控制系统选型 (3)

2.1串级控制系统 (3)

2.2干扰同时作用于副回路和主回路 (4)

2.3控制仪表 (5)

2.4温度传感器 (5)

2.5温度变送器 (6)

第三章控制系统进行仿真 (10)

3.1MATLAB/SIMULINK软件简介 (10)

小结 (12)

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℃。

第一章 测试法建模

对于某些生产过程的机理，人们往往还未充分掌握，有时也会出现模型中有些参数难以确定的情况。这时就需要用实验测试方法把数学模型估计出来。 对象特性的实验测定方法许多工业对象内部的工艺过程复杂，使得按对象内部的物理、化学过程寻求对象的微分方程很困难。工业对象通常是由高阶非线性微分方程描述的复杂对象，因此对这些方程式也较难求解。

根据加入的激励信号和结果的分析方法不同，测试对象动态特性的实验方法也不同，主要有以

下几种：

（一）一阶惯性加纯迟延传递函数的确定

如果对象阶跃响应是一条如图1-1所示的起始速度较慢，显 S 形的单调曲线，就可以用式(2-1)

所示的一阶惯性加纯迟延的传函去拟合。

1) 计算增益K

设阶跃输入u(t)的变化幅值为u ∆（t ），如输出y(t)的起始值和稳态值分别为 和 ，则增益K 可根据下式计算，即

（1-1） 图1-1

2) 利用作图确定T 和τ

在阶跃响应曲线的拐点p 处作一切线，它与时间轴交于A 点，与曲线的稳态渐近线交于 B 点，这样就可以根据A ，B 两点处的时间值确定参数τ和 T ，它们的具体数值如图所示。

显然，这种作图法的拟合程度一般是很差的。首先，与式（1-1）所对应的阶跃响应是一条向后

平移了τ时刻的指数曲线，它不可能完美地拟合一条 S 形曲线。其次，在作图中，切线的画法也有较大的随意性，这直接关系到τ和 T 的取值。然而，作图法十分简单，而且实践证明它可以成功地应用于 PID 控制器的参数整定。

（二）根据已知数据画出单位阶跃曲线

()(0)

()y y K u t ∞-=

∆(0)y ()y ∞