加热炉温度串级控制系统设计

加热炉温度串级控制系统设计摘 要：温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电 厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多 领域中得到广泛的应用。生产自动控制过程中，随着工艺要求，安全、经济生 产不断提高的情况下，简单、常规的控制已不能适应现代化生产。传统的单回 路控制系统很难使系统完全抗干扰。串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快 速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用.对 串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统， 并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中。结合基于计算机控制的 PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳 定性。关键词：干扰 串级控制主回路副回路Abstract： Automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern product io n. The traditional single-loop control system is difficult to make the system completely ant i-interfere nee. Cascade control system with good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade control system of the characteristics and the main and sub-loop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLAB-based incremental PID algorithm is applied in the control system Combination of computer-based control method to achieve PID parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control accuracy and stabi1ityKeywords: Cascade control, interferenee. the main circuit, the Deputy loop1、前言错误!未定义书签。2、整体方案设计错误!未定义书签。方案比较错误!未定义书签。方案论证错误!未定义书签。方案选择错误!未定义书签。3、串级控制系统的特点错误!未定义书签。4、温度控制系统的分析与设计错误!未定义书签。控制对象的特性错误!未定义书签。主回路的设计错误!未定义书签。副回路的选择错误!未定义书签。主、副调节器规律的选择错误!未定义书签。主、副调节器正反作用方式的确定错误!未定义书签。5、控制器参数的工程整定错误!未定义书签。6、MATLAB系统仿真 错误!未定义书签。系统仿真图错误!未定义书签。副回路的整定错误!未定义书签。主回路的整定错误!未定义书签。7、设计总结错误!未定义书签。【参考文献】 错误!未定义书签。1 前言随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。而加热炉温度控制 是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着 产品的质量和产量。现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为加热炉的自 动化提供了有利条件。加热炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，加 热炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。 实现加热炉自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件, 减少运行人员。加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加 热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面 处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。在生产过程控制中，一 些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定 值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作 为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制动作”。控制系统的这种串级 形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时 滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时，每个控制器克服时 滞的负担相对减小，这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。2、整体方案设计本设计的整体思路是：利用对燃料量的控制最终来实现对原油温度的控制。该控制 分为主回路控制与副回路控制两部分。在原油出口处设置主回路温度传送器，由其带动 主回路温度控制器从而进行对燃料阀的流量控制，此控制为主回路被控参数控制。在炉 膛设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。这样，便构 成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。方案比较方案一、简单控制系统温度调节器T1C是根据原料油的出口温度i(t)与设定值的偏差进行控制。当燃料部 分出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响 控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度要求很严格时，简单控制系统很难满 足要求。被控变量：原料出口温度；操纵变量：燃料流量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。图加热炉温度控制系统图加热炉出口温度单回路控制系统框图方案二、串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的 设定，后一个调节器的输出送往调节阀。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TsC可以及时动作，克服干扰。燃料油图加热炉温度串级控制系统图加热炉出口温度串级控制系统框图方案三、前馈一串级控制系统如果将上面两种控制系统的优点一一温度控制器7；c对被控参数q(/)的精确控制、 温度控制器对来自燃料的干扰厶、厶(/)的及时控制结合起来，先根据炉膛温度 4(/)的变化，改变燃料量，改变炉膛温度控制器AC的设定值，进一步控制燃料量，以 保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温 度为辅助被控参数的串级控制系统。油K7图加热炉出口温度前馈一串级控制系统温度变送器温度变送器1图加热炉岀口温度前馈一串级控制系统框图方案论证方案一：简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉 膛中燃烧后，炉膛温度改变，传给，最终改变原料温度。该过程时间常数大，可达到15mino 因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，制不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二：串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。由于主 副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。方案三：加入前馈控制器后，从干扰F(s)到被控参数Y(s)之间存在两个通道：一 个是通过干扰通道传递函数为Gf(s)去影响被控参数Y(s),另一个是经过测量环节FT, 传递函数为G,”(s),和前馈控制器FC,传递函数为6,(5)及控制阀传递函数为 G(s),产生控制作用，再经过控制通道传递函数为G0(s)去影响输出量Y(s)0方案选择由于加热炉的温度对于保证产品的指标是非常重要的.控制效果好，即能保证产品 质量又能提高产量。某些加热炉炉出口温度控制非常困难，波动幅度大.控制不理想的原 因在于被控对象十分复杂：1、原料油的流量变化照成温度波动很大；2、处理量频繁提降也造成出口温度的波动；3、油品不断切换也使炉口的温度产生较大的波动；4、加热炉的温度存在较大的时滞.可以看出，加热炉系统是一个时变，大时滞，多干扰的复杂系统。从加热炉工作特性 可以看岀，燃料量的多少是加热炉温度变化的决定因素。但其变化过程是：燃料量的变化 首先引起炉膛温度的变化，由于炉膛温度产生变化，进而引起炉岀口温度的改变.由此可 见，对炉出口温度的控制采用炉膛温度与炉出口温度进行串级控制的控制方案是合理而 且可行的，这种方案也有助于对一系列干扰的克服。3、串级控制系统的特点在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串 联工作；住调节器输出作副负调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作， 实现对参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系 统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相 互配合、相互补充，使控制质量显著提高。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 温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰 动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的要求。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，以加热炉温度为主变量，选 择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控 制质量，以满足工业生产的要求。4 串级控制系统的分析与设计控制对象的特性假设副回路中各环节传递函数分别为：Gc2（S）-氐2Gy（s）二KyGo2（S）Ko2将副回路反馈信号相加点由副调剂器前向后移至副对象之前，经简化，可得出其等 效副对象为：Gc2（S）二Gq2（5）_1 + Go2（5）GW2（5）Gc2（S）GC2（5）Ko2_ Ki）21 + Ko2&2Kc2 + Tq2s 1 + Tq2s因：Ko2（s）=i + Xkc2Ko2Ko2（s）=TT10 o最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大 系数乘积必须为正，所以副调节器大于0 ,副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程K oi 0o为保证主回路为 负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数K 1 0,主调 节器作用方式为反作用方式。例如图所示加热炉温度串级控制系统示意图，从加热炉安全角度考虑，调节 阀应选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号 上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用方式。反之，为负作用方式。副对象 的输入信号是燃料流量，输出信号是阀后燃料压力，流量上升，压力亦增加是正 作用方式。测量变送单元作用方式均为正。5、控制器参数的工程整定串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种。两步整定法、逐步逼近法 和一步整定法。1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方 法叫做两步整定法。2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单 回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副 回路最佳整定的一种方法。我们是用两步整定法来整定串级控制系统的参数。6、MATLAB系统仿真已知副对象传递函数为（10s 十 l）（s 十 1）主对象的传递函数为Goi（s）二（30$ 十 l）（3s 十 1）我们采用临界比例度法来整定控制器参数。临界比例度法又称稳定边界条件 法，它是先让控制器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程，记下此 时的比例度和等幅振荡周期人，再通过简单的计算，求出衰减振荡时控制器的参数。系统仿真图图系统仿真框图此时P为，I为，D为，此时的波形如图图系统仿真波形对设定值施加干扰信号:图施加干扰时的波形串级控制系统对干扰串级控制系统的副回路的存在，能够迅速克服进入副回路的干 扰，从而极大的减小副回路干扰对住被控参数的影响；副回路的存在提高了系统住调节器对进入主回路干扰控制的快速性；由于副回路的存在，总放大系数提高了，抗干扰能力和 控制性能都比单回路控制系统有明显提高。副回路的整定将主环路断开，副环路为比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。Scop (n)1图副回路整定仿真图副回路参数设定:图副回路参数先对副回路进行整定，按要求，此时控制器为纯比例作用，在Simulink环境中建 立系统模型。图副回路仿真波形当P值为9时，衰减比基本可达到4： 1,此时比例度&为9,振荡周期：为。主回路的整定连接好主回路，保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1。Wcopo何4图主回路整定仿真图用临界比例度法对主回路进行整定，其纯比例条件下的系统图主回路参数设定:图主回路参数图主回路仿真波形衰减比为4： 1时的P值为13,此时比例度匕为13,振荡周期兀为。7.设计总结通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统 设计步骤、思路、有一定的了解与认识。回顾起此次加热炉出口温度前馈一一串级控制系统设计，我仍感慨颇多，的确，从 选题到定稿，从理论到实践，在接近一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可 以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在 书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要 的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中 得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在 设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在 设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不 够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师和同学 的帮助下，终于游逆而解。同时通过加热炉出口温度前馈一一串级控制系统设计我学得 到很多实用的知识，我对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！【参考文献】1 邹伯敏.自动控制理论.北京：机械工业出版社.20052 李宜达.控制系统设计与仿真.北京：清华大学出版社.20043 何离庆.过程控制系统与装置.重庆：重庆大学出版社.20034 施仁.过程控制系统与装置.北京机械工业出版社.20035 王再英.过程控制系统与仪表.北京：机械工作出版社.20066 潘立登.过程控制技术原理及应用.北京：中国电力出版社.20077 金以慧.过程控制.北京：清华大学出版社.19918 俞金寿.过程自动化及仪表.北京：化学工业出版社.20029 王军.自动控制原理.重庆：重庆大学出版社.200810 黄道平.MATLAB与控制系统的数字仿真及CAD.北京：化学工业出版社.200411 翁维琴.过程控制系统及工程.北京：化学工业出版社.200312 陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社.2005