过程控制与集散系统课程设计加热炉出口温度控制系统的设计

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1、二○一六～二○一七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1304班学号：4姓名：仲承勇（）指导教师：周红军二○一六年十月一、设计题目、任务及要求1.设计题目加热炉出口温度控制系统的设计2.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。图1加热炉出口温度系统但是，由于炉子时间常数大，

2、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。3.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，副对象的传递函数为，主、副控制器的传递函数分别为，，，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

3、统输出响应曲线。二、设计任务分析1、系统建模1）主副变量的选择主控制变量：出口原料温度副控制变量：炉膛温度2）主副回路设计副回路是随动系统，因此将炉膛温度对燃料油管道上调节阀的控制设计为副回路。主回路是定值控制系统，要求控制变量跟随给定值，因此将原料出口温度对燃料油管道上调节阀的控制设计为主回路。2、控制方案的选择根据设计要求可知，主控制采用PI控制器，副控制器采用P控制器。主回路的任务是满足主变量的定值控制要求，主控制器必须加入较强的积分作用。当主变量的滞后较大且主变量变化较为平缓时，可以加入微分作用。由主变量的特性知，主回路应该选择PI控制器。副回路

4、是随动系统，其设定值变化频繁，要求控制的快速性，而微分作用对于频繁变化的控制变量会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制，因此不宜加D控制。副回路的主要目的是快速客服副回路中的各种扰动，为了加大副回路的调节能力，因此不加入I控制。因为积分作用会使得副对象响应速度变慢，延长了控制过程，所以本系统副回路采用P控制。三、详细设计1、加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图2、串级控制系统结构框图3、参数整定（1）、理论依据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，因此可以参照经验法一次整定；主回路控制器参数整定与单回路

5、整定的方法类似。串级控制系统参数整定主要有三种方法：逐次逼近法、两步整定法、一步法。在本次课程设计中我采用的是两步整定法。两步整定法的理论依据是，由于主、副对象的时间常数相差很大，则主、副回路的工作频率差别很大，当串级系统中副回路的控制过程比主回路快得多时，可以按先副控制器、再主控制器的整定过程分别独立的整定主、副控制器参数。当副回路整定好以后，将副回路视作主回路的一个环节来整定主回路时，可认定对副回路的影响很小，甚至可以忽略。当副控制器整定好以后，再去整定主控制器时，虽然会影响副变量的控制品质，但只要保证主变量的控制品质，副变量的控制品质就允许有一定的

6、偏差。（2）两步法整定参数详细步骤1）先整定副环。在主、副环路都闭合的情况下，整定副环参数。利用MATLAB建立模型，如下图所示：参照经验法尝试取的值为【1.735】，利用Simulink仿真的结果如下：=1.7时的仿真结果=3时的仿真结果=5时的仿真结果根据副回路对快速性的要求可知，副回路参数可取值5，即=5.1）再整定主环。将副控制器的参数设置为=5，利用衰减曲线法整定主回路参数。利用MATLAB建立模型，如下图所示：调整主控制器的参数，找出主变量出现4：1衰减震荡过程时的比例度及振荡周期。利用Simulink仿真的结果如下所示：放大图：仿真结果显示

7、，当=17.5时恰好主变量衰减振荡接近4：1.1）依据前面两步所得的参数，结合主、副控制器的选型，按单回路控制系统的整定方法计算出主、副控制器的参数、及.由副控制器是P控制器可知，其比例度.由主控制器是PI控制器及设计要求给出的传递函数知，其比例度，其积分常数，微分时间常数。主控制器传递函数：，副控制器的传递函数：。四、Simulink建模与仿真1、单回路控制系统仿真为了使结果更具一般性，增加了正、负两个幅值皆为1的方波，其作用时刻分别为50和80。利用MATLAB建立的单回路控制模型如下图所示：利用Simulink仿真所得响应曲线：2串级控制系统仿真为

8、了使结果更具一般性，增加了正、负两个幅值皆为1的方波，其作用时刻分别为10和20