隔焰隧道窑温度-温度串级控制系统

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书摘要隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C。本文设计的隔焰式隧道窑烧成带系统是以窑道烧成带的温度作为被控变量，燃料的流量作为操纵变量的温度—温度串级控制系统。在设计中具体分析了系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定及其系统的工作过程。本系统的硬件设计核心为单片机的和温度的检测变送两部分，同时给出了整体的软件设计流程。在本文的最后详细的叙述了参数整定的几种方法，各有优点。关键字：串级控制温度控制单片机参数整定控制器武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书目录1隔焰式隧道窑系统的分析及设计要求..........................................11.1隔焰式隧道窑系统概述................................................11.2隔焰式隧道窑系统设计要求............................................12隔焰式隧道窑串级控制系统设计..............................................22.1隔焰式隧道窑控制系统方案设计........................................22.2系统控制量和被控量的选择............................................42.3系统主副控制器的选择................................................42.4系统各部分正反作用方式的确定........................................42.5隔焰式隧道窑系统的调节过程..........................................53系统硬件电路设计..........................................................83.1硬件设计总体思路....................................................83.2单片机系统的设计....................................................83.3传感器和变送器的选择................................................93.4外围电路结构.......................................................104系统软件设计.............................................................114.1软件设计流程图......................................................115控制器控制规律的实现以及参数整定.........................................125.1控制规律的实现......................................................125.2控制规律参数的整定.................................................126心得体会.................................................................14参考文献...................................................................15武汉理工大学《过程控制系统》课程设计说明书1隔焰式隧道窑温度－温度串级控制系统1隔焰式隧道窑系统的分析及设计要求1.1隔焰式隧道窑系统概述隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰式板辐射加热烧成带。1.2隔焰式隧道窑系统设计要求1）分析被控对象特性，设计一种串级控制系统，绘制系统的结构示意图和原理方框图，说明其工作原理和工艺流程。2）系统调节过程，控制量和被控量的选择3）系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定。4）系统硬件电路与软件设计5）控制器控制规律的实现以及参数整定武汉理工大学《过程控制系统》课程设计说明书22隔焰式隧道窑串级控制系统设计2.1隔焰式隧道窑控制系统方案设计（1）隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统工艺流程图如图1所示，原理方框图如图2所示。按照简单控制系统，影响烧成带温度θ1的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成θ1偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的θ1重新调回到设定值。图1隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统工艺流程图图2隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统原理方框图但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将使图2隔焰式隧道窑温度简单控制系统方框图生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰式板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰式板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏控制器烧成带燃烧室控制阀检测、变送D2D1设定值+-θ1武汉理工大学《过程控制系统》课程设计说明书3离设定值很远了。也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。（2）隔焰式隧道窑串级控制系统控制燃烧室的温度θ2并不是目的，真正的目的是烧成带θ1的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰D2的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了图3所示的串级控制系统。图3隔焰式隧道窑温度-温度串联控制工艺流程图所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果，这样的控制系统被称为串级控制系统，隔焰式隧道窑温度-温度串联控制原理方框图如图4所示。图4隔焰式隧道窑温度-温度串联控制原理方框图串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称主控制器副检测变送烧成带燃烧室控制阀副控制器主检测变送设定值+-+-D2D1θ2θ1武汉理工大学《过程控制系统》课程设计说明书4为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。2.2系统控制量和被控量的选择制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。2.3系统主副控制器的选择在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即调节动作规律的选择也有不同考虑。副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，面且副参数则并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可以采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，而效果并不很大。在一般情况下，采用P调节器就足够了。如主、副环的频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。隔焰式隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集，所以主、副环的频率相差不大，副调节器选用P调节器即可达到设计要求。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器都必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果副环外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的话，就可以考虑采用PID调节器。隔焰式隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C，为了达到精准的控制，所以在系统本设计中主调节器选用PID调节器。2.4系统各部分正反作用方式的确定与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。(1)副控制器正、反作用的选择串级控制系统中，副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则来确定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控武汉理工大学《过程控制系统》课程设计说明书5制器正、反作用方式的选择方法相同。这时可不考虑主控制器的作用方式，只是将主控制器的输出作为副控制器的设定值即可。在假定副测量变送装置的增益为正的情况下，副控制器正反作用选择的判别式为（副控制器±）×（调节阀±）×（副对象±）=（-）其中，调节阀的“±”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气开”为“+”，“气关”为“-”；而副对象的“±”取决于控制变量和副被控变量的关系，控制变量增大，副被控变量也增大时称其为“+”，否则称其为“-”。(2)主控制器正、反作用的选择串级控制系统中，主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定，而与调节阀的气开、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。由于副回路是一个随动控制系统，在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号是主控制器的输出信号（即副回路的设定值），而输出信号就是副变量，其副回路的输入信号与输出信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。因此，整个副回路可看成为一个增益为正的环节。这样，在假定主测量变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号，主控制器正反作用方式选择的判别式为（主控制器±）×(主对象±）=（-）由这个判别式也可看出，主控制器的作用方向与主对象的特性相反。即当主对象为正作用时，主控制器选反作用；而当主对象为负作用时，主控制器选正作用。在隔焰式隧道窑串级控制系统中，考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式，根据主、副控制器的正反选择规律分析，两个控制器都选择“反”作用方式。2.5隔焰式隧道窑系统的调节过程（1)只存在二次干扰假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所以属于二次干扰D2。例如整个系统处于稳定状态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度θ2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度θ1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态