过程控制课程设计-串级温度控制系统.pdf

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1、二○一二～二○一三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2009级（2）班学号：___200904134064姓名：指导教师：二○一二年十一月加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计一、设计任务图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。T1出口支路1炉膛支路2燃料被加热物料图1加热炉出口温度

2、系统但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。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。二、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为副变量，构成炉出口温度与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。13)假设主对象的传递函数为??1(?)=，其中?=10+(学号后三(5?+1)(??+1)1位−80)∗0.1，副对象的传递函数为??2(?)=，主、副控制器的传递函数分别?

3、+11为??1(?)=??1(1+??)，??2(?)=??2，??(?)=??，??1(?)=??2(?)=1，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????????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。5)根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点。三、设计任务分析1.单回路控制在这里先可以尝试采用使用单闭环实现。加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图如下：扰动扰动给定温度控制器控制阀炉膛出口温度-温度变送器图2单回路控制系统框图控制器使用PI控制规则，使用衰减曲线法对控制器参数进行整定。2.串级控制系

4、统由于主对象时间常数较大，直接采用串级控制。在这里选择滞后较小的炉膛温度为副变量，炉出口温度为主变量。则该系统的结构图如下：温度给定TC1TT1出口TC2TT2炉膛支路1燃料支路2被加热物料图3串级控制系统图因此，可以得到系统的方框图，如下所示。扰动扰动给定主温度控制器副温度控制器控制阀炉膛出口--副温度变送器主温度变送器图4串级控制系统框图主控制器采用PI控制规则，副控制器直接采用P控制规则。使用一步法直接确定副控制器的放大倍数。再使用单回路控制系统的整定方法来整定主控制器的参数。再根据K值匹配原理，适当调整主控制器的参数，使主变量的品质达到规定质量要求。四

5、、详细设计学号尾数为064，故有?=10+(64−80)∗0.1=8.4。即1??1(?)=(5?+1)(8.4?+1)另外设调节阀的传递函数为??=??=5。1.单回路控制整定使用衰减曲线法来整定??调节器，将积分时间??设为最大值，比例增益??1设为一个较小值。给系统输入阶跃信号，调整??1使系统的响应出现4:1的衰减过程。并记录下此时的比例环节增益??1和振荡周期??。????????仿真环节如下：11P(s)5s+142s+13.4s+12StepGc1GuGo2Go1Scope图5单回路?控制????????图经过尝试，当??1=1.254时，此时?

6、?=16.6?正好是4:1衰减。如下图所示：StepResponse1.41.210.8Amplitude0.60.40.200102030405060708090100Time(sec)图6单回路线?控制4:1响应曲线由图6可以明显看出系统存在一定的余差，需要在控制器中加入积分来消除系统的稳态偏差。按表1的经验公式进行调整。表1衰减曲线法整定计算公式调节规律?/(%)??/?????/?????(?)??1.2?(?)0.5?????0.8?(?)0.3??0.1??由得到PI调节器的整定参数：??1=1.254/1.2=1.045，??=16.6×0.5=

7、8.30?。加入??环节后系统????????如下所示。11PI(s)5s+142s+13.4s+12StepGc1GuGo2Go1Scope图7单闭环??控制????????仿真图经过略微调整??1和??使系统满足4:1的衰减变化。最终使??1=0.909，??=13.65?时于是得到如下图的仿真曲线：StepResponse1.51Amplitude0.500102030405060708090100Time(sec)图8单闭环??控制4:1响应曲线曲线较好的呈现4:1的衰减比，经过两个振荡周期便进入了稳态。由于积分的作用，系统已消除了静差。2.串级控制参

8、数整定由一步法参照副控制器参数经验设置