管式加热炉温度控制系统设计

过程控制系统课程设计报告书管式加热炉温度控制系统设计学院：自动化班级：15级自动化4班指导老师：陈刚组员：重庆大学自动化学院2019年1月过程控制课程设计报告2任务分配过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计过程控制课程设计报告3目录任务分配...........................................................................................................................................2过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计...........................................21摘要...............................................................................................................................................42模型简介........................................................................................................................................42.1背景....................................................................................................................................42.2模型假设............................................................................................................................42.3系统扰动因素....................................................................................................................53控制方案........................................................................................................................................53.1传统PID控制方法............................................................................................................53.2串级控制系统....................................................................................................................63.3方案选择...........................................................................................................................74串级控制器的设计........................................................................................................................74.1主副控制器设计................................................................................................................74.1.1主、副回路的设计原则........................................................................................74.1.2主、副调节器的选型............................................................................................74.1.3主、副调节器调节规律的选择作用....................................................................84.2串级控制器的参数整定....................................................................................................85系统的仿真和改进........................................................................................................................95.1串级控制系统仿真............................................................................................................95.2基于Smith预估计补偿器的串级控制系统..................................................................11六．总结.........................................................................................................................................14七．参考文献.................................................................................................................................15过程控制课程设计报告41摘要当今世界，随着市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，作为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈重，无论是在大规模的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起十分重要的作用。为了能将课程所学理论知识初步尝试应用于实践。本设计针对管式加热炉系统的控制问题展开了研究。通过将实际加热炉模型化，通过实验法建立锅炉的数学模型。针对物料温度控制问题，在对比了简单的单回路PID控制方法、串级控制两种方法的优劣性后，选择了串级控制的方法控制物料温度。综合应用过程控制理论以及MATLAB仿真技术，通过经验模型及参数整定，得到系统响应曲线。通过反复实验，调整参数，使控制效果比较理想。关键词：管式加热炉系统、串级控制、MATLAB仿真2模型简介2.1背景管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。2.2模型假设管式加热炉的主要任务是把原质油或重油加热到一定的温度，保证下一道工序正常进行。假设有一个加热炉系统，系统参数设定为：1.物料以恒定速度进入管道，流速为10L/s，管道直径为10cm，不考虑物料浓度变化、压力变化等其他条件。2.物料在加热炉内的长度为L=5m,假定物料受热均匀，并在t=10s后上升至指定温度。3.假定燃气混合浓度不变，物料温度上升只受燃料流量影响。4.不考虑环境温度、燃料值等影响，主要考虑燃料流量的扰动。过程控制课程设计报告55.设定加热炉的出口温度T=702℃。2.3系统扰动因素管式加热炉的主要任务是把原质油或重油加热到一定的温度。引起温度改变的扰动因素有很多，主要有：1.燃油方面（他的组分和调节阀前的油压以及燃料油流量）的扰动；2.喷油用的过热蒸汽压力波动；3.被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动；4.配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动；本设计主要考虑的是被加热油料流量的扰动的影响，忽略其他的扰动因素。3控制方案3.1传统PID控制方法管式加热炉的任务是把原料加热到一定温度，以保证下道工艺顺利进行，因此若采用传统简单控制系统，常选原料油出口温度为被控参数、燃料油流量为控制变量，如图3-1所示，其控制系统框图如图3-2所示。影响原料油出口温度的干扰有原料油流量原料油入口温度、燃料压力、燃料热值、燃料流量等，该系统根据原料油出口温度来控制燃料阀门的开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定值上，但由其系统图可知当燃料压力、流量、热值发生变化，产生扰动时，最先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油出口温度，从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度的变化，这个通道时间常数很大，约15min,反应缓慢。而温度调节器是根据原料油的出口温度与设定值的偏差进行控制，当燃料部分出现干扰后，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严格时，传统的简单控制系统很难满足要求。图3.1管式加热炉简单温度控制系统)(1t)(1t)(1tf)(2tf)(3tf)(4tf)(5tf)(1tCT1)(1t)(1t)(1t过程控制课程设计报告6图3.2管式加热炉简单温度控制系统框图3.2串级控制系统串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度，在这种情况下可考虑采用串级控制系统，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。针对管式加热炉设计的温度-流量串级控制系统3-3所示，其系统框图3-4所示。图3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统图3.4管式加热炉温度-流量串级控制系统框图过程控制课程设计报告73.3方案选择方案一的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，改过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，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、初调、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干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却