过程控制课程设计--加热器温度控制

课程设计任务书设计依据、要求及主要内容：一、设计任务加热器出口温度在阶跃扰动DC作用下，其输出响应数据如下：t/s012345678y4.04.04.24.54.85.15.45.75.8t/s91011y5.855.96.06.0试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；（4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。二、设计要求采用MATLAB仿真；需要做出以下结果：（1）超调量（2）峰值时间（3）过渡过程时间（4）余差（5）第一个波峰值（6）第二个波峰值（7）衰减比（8）衰减率（9）振荡频率（10）全部P、I、D的参数（11）PID的模型（12）设计思路三、设计报告课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。四、参考资料[1]何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004[2]邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000[3]过程控制教材目录一设计内容1.1总体思路1.2.设计要求二数学模型的建立2.1PID参数K、T、Τ的确定2.2传递函数的确定三控制系统的设计3.1原系统方框图3.2PID温度控制器原理3.3控制规律与控制变量的确定3.4过程控制系统设备的选择四系统仿真及其分析4.1仿真波形图4.2系统的性能指标五课程设计心得体会六参考文献一设计内容1.1总体思路在课程设计过程中，可初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。同时也使学生加深理解所学的理解知识，提供运用所学知识的能力，按照给定的设计资料和设计要求，使学生掌握电气控制系统设计的基本技能，增强独立分析与解决问题的能力。根据任务书中要求，对表格中数据进行分析计算，得到相应的传递函数，用MATLAN进行仿真实验，最后得到相应的符合要求的PID参数。对修正后的波形进行仿真，得到任务书中要求的未知量。1.2.设计要求试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下：1、根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；2、根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；3、根据设计方案选择相应的控制仪表；4、对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。二数学模型的建立2.1PID参数K、T、τ的确定静态放大系数t=[01234567891011];h=[4.04.04.24.54.85.15.45.75.85.855.96.0];plot(t,h);图1传递函数响应曲线图2取y（t）=0.39是的响应曲线图3取y（t）=0.63时的响应曲线取t1=3.9，t2=6.3故Y1=4.77，Y2=5.49由MATLAB仿真可得t1=3.9，t2=6.3T=2(t2-t1)=4.8=2t1-t2=1.5（0.20.311）=4.17=2.12.2传递函数的确定其中所以该系统的数学模型为：三控制系统的设计3.1原系统方框图图4系统方框图3.2PID温度控制器原理电脑控制温度控制器：采用PID模糊控制技术，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。采用了PID模糊控制技术，较好地解决了惯性温度误差的问题。传统的温度控制器，是利用热电偶线在温度化变化的情况下，产生变化的电流作为控制信号，对电器元件作定点的开关控制器。PID模糊控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问题。然而，在很多情况下，由于传统的温度控制器温控方式存在较大的惯性温度误差，往往在要求精确的温控时，很多人会放弃自动控制而采用调压器来代替温度控制器。当然，在电压稳定工作的速度不变、外界气温不变和空气流动速度不变的情况下，这样做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的环境因素是不断改变的，同时，用调压器来代替温度控制器时，必须在很大程度上靠人力调节，随着工作环境的变化而用人手调好所需温度的度数，然后靠相对稳定的电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温。当需要控温的关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压器就派不上用场，因为靠人手不能同时调节那么多需要温控的关键，只有采用PID模糊控制技术，才能解决这个问题，使操作得心应手，运行畅顺。图5加热器控制系统方框图图6PID系统控制方框图3.3控制规律与控制变量的确定在此可根据的值来选择控制规律，当a=0.2时应选用比例或比例积分控制规律；当0.2a1时，应选用比例-积分-微分控制规律；当a1时应采用串级控制或前馈控制。而该系统的a属于第二种情况，所以应当选用比例-积分-微分控制规律。具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为：相应的传递函数是：在现实情况下，可直接选择测量的参数作为被控参数，这里选择出口处的水温作为被控变量。同时可以选择燃料的多少作为控制出口温度的控制变量。3.4过程控制系统设备的选择测量与变送是控制系统设计中的一个重要组成部分，是系统产生控制作用的依据，要使系统良好运行，测量值必须迅速可靠地反映被控变量的真是变化情况，测量与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。本处选择热网加热器，热网加热器其结构采用：卧式、固定管板式结构。依据其介质特性，采用二管程、单壳程。加热蒸汽走壳程，循环水走管程。管板与壳体、管箱均采用焊接结构，管箱上设有人孔，便于换热管的维护清理和更换。热网加热器有以下性能特点：由于本热网特殊结构和加工工艺，同时强化汽水两侧，传热系数高。（凝结水导流装置、管内增加水流速形成紊流）、水侧阻力小、耐高压、高温、不易泄露、较宽的负荷范围热工性能变化不大等特点其中优化的结构设计应该如下：（1）为减小热应力，换热器壳体采用大筒体间和小筒体用两个半波膨胀节相连，这样既满足了蒸汽进口的流通面积要求同时也消除了管束与壳体的膨胀差应力。（2）在蒸汽进口设置蒸汽分散组件，在特大蒸汽流量状态下，具有蒸汽分散作用，使进入管束的蒸汽流速迅速降低到10m/s以下，大大缓解了特大流量对管束的冲刷；该组件在蒸汽进口处设置较大的弧形有锈钢防冲板，对开车阶段开启蒸汽阀门瞬间对管束的冲击或正常操作阶段进入壳程的蒸汽流对管束的冲击具有阻挡和分流的作用，延长了管束使用寿命。（3）为了减小热网加热器在运行中管束的震动，采取减小管束无撑跨距。管板与换热管采用强度焊加贴胀的方式以消除间隙并防止间隙腐蚀。（4）为防止蒸汽冷凝液在换热管外表面形成大量水膜及底部换热管被上部换热管冷凝液所浇淋，特设置蒸汽分区导流装置，减少了冷凝水大量的附着在换热管表面。（5）由于本热网加热器直径较大，按常规的布管方式则管束心部的换热管对于蒸汽凝结换热来讲，将很难参与换热，这样就影响了换热效果。为此本热网加热器在布管上均匀地增设了蒸汽通道，使加热蒸汽能顺利地进入到管束心部，使所有的换热管都充分地参与换热。（6）为保证较低的疏水温度，避免蒸汽进入凝结水管道，确保水泵不发生气蚀现象，使疏水更加稳定、可靠，特设置疏水井，便于水位调节。（7）为防止管程循环水由于误关阀门，而蒸汽继续通入使循环水受热膨胀，造成设备损坏，管侧设置安全阀，使循环水受热膨胀时通过安全阀释放压力，保护设备。为防止由于换热管的破裂而使循环水进入壳程蒸汽侧,使壳程水位急剧升高,当水位高于设定水位时,平衡容器会与紧急疏水阀一起将过量的水泄掉,保护设备。当出现特别情况时，壳程会灌满水，相应压力会高到危及设备的安全，此时安全阀自动打开，与紧急疏水阀一起泄水，确保热网加热器的安全。四系统仿真及其分析4.1仿真波形图图7原系统的仿真图图8校正后的仿真图4.2系统的性能指标超调量：=峰值时间：=16s过度过程时间：=30s余差p=1.5012-1.50=0.0012第一个波峰值：1.75，第二个波峰值：1.52衰减比：75:52衰减率：0.04振荡频率：5.8调节后全部PID参数：=1PID的模型：此设计采用比例-积分控制规律五课程设计心得体会在设计的过程中，我遇到一些麻烦，比如说怎样来实现电动机回路的自动通断调节、怎样来实现时钟的调整等等，这些问题都令我十分棘手。通过去图书馆查阅相关资料和上网搜索各硬件的原理以及应用，我最终都一一解决了这些问题。由于我们是三个同学做同一个题目，在设计过程中，我们遇到困难的时候也经常相互讨论，相互请教，最终一起解决问题，在此也感谢我的“战友”们。总的来说，此次课程设计的过程比较轻松，从拿到问题到彻底解决问题，这是一个令人振奋并享受的过程。经过去图书馆大量的查阅书籍，我也学到了很多在课本上没有的知识，收获颇丰。这段过程让我懂得了一个道理，那就是学生要学的绝对不该仅仅是课本上的东西，有些东西只有走进图书馆，你才可能学习到。也只有这样，我们才能成为一个见多识广、渊博的人。六参考文献[1]何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004[2]邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000[3]于海生．微型计算机控制技术．清华大学出版社，2004[4]戴焯.传感与检测技术.武汉理工大学出版社，2006