加热炉出口温度控制系统设计

吉林建筑大学城建学院课程设计报告题目名称加热炉出口温度控制系统设计院（系）电气工程及其自动化课程名称过程控制工程课程设计班级电气13-1学号学生姓名指导教师起止日期2016.6.20-2016.7.1成绩吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计目录摘要…………………………………………………………………………………ⅠABSTRACT……………………………………………………………………………Ⅱ第1章绪论…………………………………………………………………………11.1设计目的……………………………………………………………………11.2设计任务……………………………………………………………………11.3加热炉温度控制系统简介………………………………………………11.4加热炉温度控制系统的发展………………………………………………2第2章对象模型建立………………………………………………………………42．1建立数学模型………………………………………………………………42．2控制系统分析………………………………………………………………5第3章系统设备选型………………………………………………………………63.1测量变送器和传感器的选择………………………………………………63.2执行器的选择……………………………………………………………63.3控制器的选择………………………………………………………………6第4章控制器参数整定及Simulink仿真…………………………………………94.1控制器参数整定…………………………………………………………94.2Simulink仿真……………………………………………………………11结论…………………………………………………………………………………12致谢………………………………………………………………………………13参考文献…………………………………………………………………………14吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第Ⅰ页共Ⅱ页摘要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。随着网络技术的发展和整个工厂完全实现两级自动化管理，在过程级上通过相应的终端了解任何一个设备或任何一个装置的控制情况以及生产情况。过程控制系统在加热炉系统中得到广泛的应用，它是加热炉控制系统的重要部分，是对以及控制系统的一个总领和扩充。现代加热炉的生产过程可以实现高度的过程控制，以保证在加热过程中温度的准确控制，这就为工业生产提供了有利条件。加热炉是工业生产中的一个重要装置，它的任务是把原料加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用。关键词：加热炉；过程控制系统；温度控制吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第Ⅱ页共Ⅱ页ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofChina'snationaleconomy,theuseofheatingfurnaceismoreandmoreextensive.Withthedevelopmentofnetworktechnologyandthewholefactorytoachievetwolevelofautomationmanagement,intheprocesslevelthroughthecorrespondingterminaltounderstandanyequipmentoranyoneofthecontrolofthedeviceandtheproductionsituation.Processcontrolsystemhasbeenwidelyusedintheheatingfurnacesystem,itisheatingfurnacecontrolsystemisanimportantpartof,andthecontrolsystemofaconsulgeneralandexpand.Theproductionprocessofmodernheatingfurnacecanrealizehighprocesscontrol,soastoensuretheaccuratetemperaturecontrolduringtheheatingprocess,whichprovidesfavorableconditionsforindustrialproduction.Heatingfurnaceisanimportantdeviceinindustrialproduction,itisthetaskofheatingrawmaterialstoacertaintemperature,inordertoensurethesmoothprogressofthenextprocess.Sothetemperaturecontroloftheheatingfurnaceplaysanimportantrole.Keywords：Reheatingfurnace;processcontrolsystem;temperaturecontrol吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1页共14页第1章绪论1.1设计目的通过过程控制工程课程设计能从中学会从工程角度思考问题，熟悉本专业领域的过程控制仪表系统设计，学会过程控制系统各环节额的组合作用，学会对温度控制仪表的正确接口、温度信号调理、线性化、校准及常用的控制方法。1.2设计任务在工业生产中经常要对加热炉出口温度进行控制，为了能够精确控制温度，保证正常生产，要求设计温度闭环反馈控制系统，能抑制波动，且系统无余差。要求设计一个加热炉出口温度闭环反馈控制系统，采用适合的控制算法，输入设定温度值，并实时显示当前温度值。1.3加热炉温度控制系统简介随着节能技术不断发展，加热炉节能控制系统正日趋完善。以燃烧过程数学模型为依据建立的最佳燃烧过程计算机控制方案已进入实用阶段。例如，按燃烧过程稳态数学模型组成的微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。有时利用计算机实现约束控制，使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作，以保证最佳燃烧。随着建立燃烧模型工作的进展和计算机技术的应用，加热炉燃烧过程控制系统将得到进一步的完善。影响加热炉出口温度的干扰因素很多，炉子的动态响应一般都比较迟缓，因此加热炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案。根据干扰施加点位置的不同，可组成多参数的串级控制。使用气体燃料时，可以采用浮动阀代替串级控制中的副调节器，还可以预先克服燃料气的压力波动对出口温度的影响。这种方案比较简单，在炼油厂中应用广泛。随着科学技术的进步，自动控制技术在各个应用领域中的应用已日渐广泛，不但使得生产设备或生产过程实现自动化，大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要的作用。自动控制（automaticcontrol）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第2页共14页程自动地按预定规律运行。1.4加热炉温度控制系统的发展自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常系统的分析和设计问题。自动控制理论的发展历程如下：1．40年代--60年代初需求动力：市场竞争,资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。主要特点：此阶段主要为单机自动化阶段，主要特点是:各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。2．60年代中--70年代初期需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以自动生产线为标志，其主要特点是：在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。3．70年代中期--至今需求动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。主要特点：自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点是：CIM已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受；CIM也是一种实现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是:数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。同时，并行工程作吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第3页共14页为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品：CIMS工厂，柔性制造系统(FMS)。随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应自动控制、宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。主要研究具有高性能，高精度的多变量多参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第4页共14页第2章对象模型建立2.1建立数学模型我们用系统辨识法—响应曲线法对加热炉出口温度控制系统建立数学模型。根据表2-1确定响应曲线，并计算出被控对象的传递函数。表2-1由输出温度变化图2-1响应曲线t/min024681012/oC270.0270.0267.0264.7262.7261.0259.5t/min14161820222426/oC258.4257.8257.0256.5256.0255.7255.4t/min28303234363840/oC255.2255.1255.0255.0255.0255.0255.0吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第5页共14页由阶跃响应曲线确定控制系统为一阶，则加热炉出口温度控制系统为单回路控制系统，并由此确定一阶纯滞后惯性环节的参数：滞后常数：2；时间常数：120T；放大系数：1)0()(00xyyK；被控过程数学模型：ssesesTKsW2000