加热炉温度串级控制系统(设计部分)

西华大学课程设计说明书说明书加热炉温度串级控制系统设计摘要：生产自动控制过程中,随着工艺要求,安全、经济生产不断提高的情况下,简单、常规的控制已不能适应现代化生产。传统的单回路控制系统很难使系统完全抗干扰。串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用．对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中．结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性．关键词：串级控制干扰主回路副回路Abstract:Automaticcontrolofproductionprocess,withthetechnicalrequirements,security,economicproductionrisingcases,simple,conventionalcontrolcannotmeetthemodernproduction.Thetraditionalsingle-loopcontrolsystemisdifficulttomakethesystemcompletelyanti-interference.Cascadecontrolsystemwithgoodanti-jammingcapability,rapidity,flexibilityandqualitycontrol,andthereforeacomplexprocesscontrolindustryhasbeenwidelyused.Cascadecontrolsystemofthecharacteristicsandthemainandsub-loopdesignwaselaborate,designedcascadecontrolsystem,furnace,andMATLAB-basedincrementalPIDalgorithmisappliedinthecontrolsystem.Combinationofcomputer-basedcontrolmethodtoachievePIDparametertuningcascadecontrol,controlresultsshowthatthesystemhasexcellentcontrolaccuracyandstabilityKeywords:Cascadecontrol,interference,themaincircuit,theDeputyloop西华大学课程设计说明书说明书目录1.前言...................................................................22、整体方案设计..........................................................32.1方案比较..........................................................32.2方案论证..........................................................52.3方案选择..........................................................53、串级控制系统的特点....................................................64.温度控制系统的分析与设计..............................................74.1控制对象的特性....................................................74.2主回路的设计......................................................84.3副回路的选择......................................................84.4主、副调节器规律的选择............................................84.5主、副调节器正反作用方式的确定....................................95、控制器参数的工程整定.................................................106、MATLAB系统仿真......................................................106.1系统仿真图.......................................................116.2副回路的整定.....................................................126.3主回路的整定.....................................................147.设计总结..............................................................16【参考文献】............................................................17西华大学课程设计说明书说明书1.前言加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一。它的任务是把原料油加热到一定温度，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，直接关系到产量、能源、污染、工人的劳动强度等等。目前而言，国内加热炉控制多数仍旧采用老式的人工控制。需操作人员完全手动控制燃料、原料阀的开度，进行烧炉。这样一来，流量控制的精度将极差，操作的及时性也将大大降低。同时，由于大多数加热炉的燃料是利用高炉煤气，而高炉煤气是多用户煤气管网，煤气压力波动极大，煤气流量也将严重不稳定，对人工操作难度也进一步加大。为此我们设计一套以串级控制为基础的加热炉串级控制系统，这对提高工业产能具有相当积极的意义。西华大学课程设计说明书说明书2、整体方案设计本设计的整体思路是：利用对燃料量的控制最终来实现对原油温度的控制。该控制分为主回路控制与副回路控制两部分。在原油出口处设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器从而进行对燃料阀的流量控制，此控制为主回路被控参数控制。在炉膛设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。这样，便构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。2.1方案比较方案一、简单控制系统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，控制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很严格时，简单控制系统很难满足要求被控变量：原料出口温度；操纵变量：燃料流量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。图2.1加热炉温度控制系统西华大学课程设计说明书说明书图2.2加热炉出口温度单回路控制系统框图方案二、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。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TSC可以及时动作，克服干扰。图2.3加热炉温度串级控制系统12,ff34,ff-调节器1调节阀炉膛管壁原料油温度变送器11()t+-+++调节器1调节阀炉膛管壁原料油温度变送器11()t+-+++西华大学课程设计说明书说明书图2.4加热炉出口温度串级控制系统框图2.2方案论证方案一：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，传给，最终改变原料温度。该过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，制不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二：串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。2.3方案选择由于加热炉的温度对于保证产品的指标是非常重要的.控制效果好,即能保证产品质量又能提高产量。某些加热炉炉出口温度控制非常困难,波动幅度大.控制不理想的原因在于被控对象十分复杂:1、原料油的流量变化照成温度波动很大;2、处理量频繁提降也造成出口温度的波动;3、油品不断切换也使炉口的温度产生较大的波动;4、加热炉的温度存在较大的时滞.西华大学课程设计说明书说明书可以看出,加热炉系统是一个时变,大时滞,多干扰的复杂系统。从加热炉工作特性可以看出,燃料量的多少是加热炉温度变化的决定因素。但其变化过程是:燃料量的变化首先引起炉膛温度的变化,由于炉膛温度产生变化,进而引起炉出口温度的改变.由此可见,对炉出口温度的控制采用炉膛温度与炉出口温度进行串级控制的控制方案是合理而且可行的,这种方案也有助于对一系列干扰的克服。3、串级控制系统的特点在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；住调节器输出作副负调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。西华大学课程设计说明书说明书4.串级控制系统的分析与设计4.1控制对象的特性假设副回路中各环节传递函数分别为：===将副回路反馈信号相加点由副调剂器前向后移至副对象之前，经简化，可得出其等效副对象为：===因：==西华大学课程设计说明书说明书因此，在此控制系统中，等效副对象的时间常数和放大倍数都缩小了，而且随着副控放大倍数Kc2整定得越大，等效副对象的放大倍数和时间常数缩小得越显著。这相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节，这会使系统的响应速度加快，控制更为及时，有利于提高控制品质和系统可控性。4.2主回路的设计加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。其它被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调节器对被控参数θ1（t）精确控制与温度调节器对来自燃料干扰、的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2（t）的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1（t）与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。4.3副回路的选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2（t）能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1（t），提高了主参数的控制效果。4.4主、副调节器规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在加热炉温度串级控制中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规