串级控制过程控制课程设计

1设计内容与设计要求设计内容：某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数分别为：G01(s)=1/(30s+1)(3s+1);g02(s)=1/((10s+1)(s+1)^2);主控制器采用比例积分控制，副控制器采用比例控制。设计要求：试分别采用单回路控制和串级控制设计主、副PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。2目录第1章概述.........................................................1第2章系统总体方案.................................................22.1隧道窑的结构................................................22.2方案比较....................................................22.3方案选择...................................................4第3章系统控制参数的选择...........................................53.1串级控制系统选择.............................................53.1.1主变量的选择...........................................53.1.2副变量的选择...........................................53.1.3操纵变量的选择.........................................53.2调节阀开关形式的选择........................................63.3传感器、变送器的选择........................................63.4控制器的选择................................................73.4.1控制器控制规律的选择...................................73.4.2控制器正、反作用选择...................................73.4.3控制器选型.............................................8第4章系统调试....................................................104.1系统参数的整定..............................................104.2系统仿真...................................................10第5章心得体会....................................................14参考文献...........................................................151第1章概述随着人们物质生活水平的提高以及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，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，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着十分重要的作用。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。本次课程设计是隧道窑的温度课程系统，而隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。因为几个环节都涉及到温度的控制，因此隔焰隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。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隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。另外随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高。而因为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比较大。综上所述，须设计一套以温度为控制变量的控制系统。该控制系统的生产工艺要求：⑴可以实现对整个隧道窑的工艺流程的控制。⑵能够克服较大的滞后。⑶能够自动控制窑内温度，并达到所需精度。2第2章系统总体方案2.1隧道窑的结构隧道窑的整个窑炉主要包括窑炉主体结构、窑头封闭气幕及排烟系统、搅拌风系统、燃烧系统、窑尾冷却系统、车下冷却风系统、余热利用系统、窑车、自动控制系统等。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℃，偏差不得超过5C。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。因此，我选用了隔焰式隧道窑，让火焰只在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。2.2方案比较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℃，偏差不得超过5C。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隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。若采用隔焰隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间3太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、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。为了克服较大的滞后，抑制较大的干扰以及使控制更加的准确，简单控制系统已不能满足条件，故可选择串级控制系统。简单控制系统和串级控制系统的结构图如下图所示。)(1SG)(2SG+)(2SV++-)(SR)(SY)(2SY)(2SGv)(SD图2.1单回路控制系统结构图)(2SD)(1SG)(1SD)(2SG-+++)(1SV)(2SV+++-)(SR)(SY图2.2串级控制系统的结构图42.3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），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。5第3章系统控制参数的选择3.1串级控制系统选择3.1.1主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。由于陶瓷制品的烧成主要是在烧成带，故在本系统中选择烧成带温度作为主变量。3.1.2副变量的选择副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：①应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；②应使主、副对象的时间常数匹配；③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型另外考虑到燃料压力变化的干扰对系统温度影响较大，选择燃烧室温度作为副变量。3.1.3操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；燃料流量方便控制，且对温度的影响较大，故选择燃料流量作为操纵变量。63.2调节阀开关形式的选择调节阀的气开、气关形式需要考虑到以下几种因素：①生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；②保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；当隔焰隧道窑发生故障时，应关闭调节阀停止燃料的送入，避免窑内温度过高及燃料不必要的浪费。所以调节阀选择气开阀。调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。3.3传感器、变送器的选择由于窑内烧结温度一般为1300℃，故应选择热电偶温度传感器。一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温度元件接线盒或专用接线盒内，变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号，4mA～20mA。这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。所以本设计选择一体化化热电偶温度变送器。根据表1所示，其材质可选则铂铑30-铂铑6热电偶。表1不同材质热电偶测量范围对应表类别材质分度号测量范围热电偶镍铬-康铜E0-1000℃范围内任选镍铬-镍硅K0-1300℃范围内任选铂铑10-铂S0-1600℃范围内任选铂铑30-铂铑6B0-1800℃范围内任选铜-康铜T0-400℃范围内任选铁-康铜J0-1200℃范围内任选整个温度变送器的电路原理图如图所示，由热电偶、输入电路和7AD693等组成。输入电路是一个冷端补偿电桥，cuR为铜补偿电阻，通过改变电位器1W的阻值可以调整变送器的零点。