过程控制燃油加热炉

1目录一、设计任务及要求----------------------------------------------------------------------3二、被控对数学模型建模及对象特性分析------------------------------------------32.1对象数学模型的计算及仿真验证--------------------------------------------32.2对象特性分析--------------------------------------------------------------------7三、控制系统设计-------------------------------------------------------------------------73.1基本控制方案--------------------------------------------------------------------73.2控制仪表选型--------------------------------------------------------------------83.3参数整定计算-------------------------------------------------------------------123.4控制系统MATLAB仿真-----------------------------------------------------133.5仿真结果分析-------------------------------------------------------------------133.6★控制系统组态四、设计总结------------------------------------------------------------------------------142一、设计任务及要求对一个燃油加热炉做如下实验，在温度控制稳定时，开环状态下将执行器的输入信号增加mA2.3rI，持续min2t后结束，若炉温度控制系统的正常工作点为200℃，记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量%25p的无差温度控制系统。表1t(min)02468101214161820℃001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70t(min)2224162830323436384042℃2.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10具体设计要求如下:1.根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；2.根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；3.根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图；4.对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:1衰减曲线法整定运行参数。5.★用MCGS进行组态设计。二、被控对数学模型建模及对象特性分析2.1对象数学模型的计算及仿真验证根据矩形脉冲响应数据，得到阶跃响应数据，并进行相应的归一化处理，得：表2t(min)02468101214161820℃001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70y001.255.0012.5023.0032.2039.4545.4550.2553.95y*000.0190.0760.1890.3480.4880.5970.6880.7610.817t(min)2224162830323436384042℃2.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10y56.8559.1060.9562.4563.6064.4565.0565.4565.7565.9566.05y*0.8610.8950.9230.9450.9630.9760.9850.9910.9950.9981则y（∞）=66.15。ΔIr=3.2mAK=y（∞）/ΔIr=213Matlab画出曲线%根据矩形脉冲响应求阶跃响应clear;t=0:2:42%时间向量yi=[001.253.757.5010.509.207.256.004.803.702.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10];%脉冲响应输出序列y(1)=0;y_1=0;%初值fork=1:22%根据矩形脉冲响应值求阶跃响应输出值y(k)=yi(k)+y_1;y_1=y(k);endxs=(0:0.1:42);ys=interp1(t,y,xs,'spline');%一维内插得到平滑曲线plot(xs,ys)%绘制阶跃响应曲线holdonplot(t,yi)%绘制脉冲响应曲线holdonyim=interp1(t,yi,xs,'spline');%一维内插得到平滑曲线plot(xs,yim)%绘制矩形脉冲响应曲线grid图1归一化后数据曲线:clear;t=0:120:2520；4yi=[000.0190.0760.1890.3480.4880.5970.6880.7610.8170.8610.8950.9230.9450.9630.9760.9850.9910.9950.9981];y(1)=0;y_1=0;fork=1:22y(k)=yi(k)+y_1;y_1=y(k);endxs=(0:0.1:2580);ys=interp1(t,y,xs,'spline');plot(t,yi)holdongrid图2=120s，从图中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8，得：t1=525s,t2=1044s。因为t1/t2=0.5030.46,故选择高阶传函且n=3由nT=(t1+t2)/2.16得T=242s。所以120321(s)=sGe（242s+1）。5仿真得：图3图4变送器传函：204()0.064(/)400-150mGsmAC调节阀传函：100%0%6.25(%/)204vGmA对象增益：213.36(/%)6.25pvKKCK得广义对象传函：12012003321*0.0641.344()(2421)(2421)ssGseess根据广义对象画出输出曲线见图5，程序：K0=1.344;T0=242;num=K0;den=conv([242,1],conv([242,1],[242,1]));G0=tf(num,den,’ioDelay’,120);step(G0);6图5=300s.T=1100-300=800s.2.2对象特性分析120321(s)=sGe（242s+1）是自衡的非振荡过程，=120,T=242,具有较大的延迟和周期，/T=0.5，对象易受干扰，采用复杂控制系统。三、控制系统设计3.1基本控制方案（1）对象的T大、较长，引入D调节，要求误差控制系统，故采用PID规律。（2）串级控制扰动分析：燃料：压力、流量、成分和热值等原料：进料量、进料温度若炉内温度作为副被调量，拥有客服克燃料油影响，如温度、成分等，其所属扰动包含了较多扰动，即可能多的扰动可进入副回路。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。（3）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系统中，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7大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。（4）调节阀：从安全考虑，选气开，Kv为正副对象：调节阀开，炉膛温度升高，Kp2为正副调节器：Kc2为正，即反作用调节器主对象：炉温升高，出口温度升高，Kp1为正主调节器：Kc1为正，即反作用调节器Kc2为正，切主调时主调不改变作用方式（5）控制流程图图6控制系统原理图图73.2控制仪表选型（1）温度变送器MCT80X显示变送一体化温度变送器8山东淄博西创测控技术开发有限公司MCT80X显示变送一体化温度变送器具有普通MCT一体化温度变送器的基本功能，它将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，除输出与温度成线性的4-20mA信号之外，同时具有现场指示或显示功能。特点：信号准确、可远传（最大1000米）；精度高、抗干扰、长期稳定性好、免维护；变送器可以现场显示；测量量程：-200℃～1200℃；常规精度：±0.25%工作原理：温度传感器受温度影响产生电阻或电势效应，经转换产生一个差动电压信号。此信号经放大器放大，再经电压、电流变换，送出与量程相对应的4-20mA电流信号。技术指标：项目技术指标热电阻测温范围Pt100-200～450℃Cu50-50～150℃热电偶测温范围K0℃-1200℃；E0℃-800℃；S0℃-1600℃B0℃-1800℃测量精度热电阻±0.25%；±0.5%；热电偶±0.75%输出信号温漂4-20mA±0.025%/℃时漂每年小于±0.5%环境温度-10～85℃供电电压24VDC±10%负载能力0-500Ω图68显示范围-1999～1999防护等级IP65隔爆等级dIIBT6保护管材质1Cr18Ni9Ti或陶瓷或钢玉管使用与校准：DC24V电源通过屏蔽电缆给变送器供电，“V+”接24VDC的正极，“V-”接负极，这两根线同时输出4-20mA标准信号，用来串接负载。“Z”为零点调整电位器，“S”为满度调整电位器。所有电位器在出厂以前按用户要求已经校好。使用中，因线阻、环境温度等因素影响而产生误差时，只需微调零点电位器“Z”即可校正。选用Pt100测温范围为0～250℃和200～450℃。（2）调节器广州鑫恒瑞自动化设备有限公司CH402FK02-M＊AN设定范围a）设定值（SV）：同等温度范围值b）加热侧比例带（P）：1-量程或0．1-量程（温度输入）*1图9c）制冷侧比例带（PC）：加热侧比例带1-1000％d）积分时间（I）：1-3600sec＊29e）微分时间（D）：1-3600sec＊3f）限制积分动作生效范围（ARW）：比例带的1-100％＊4g）加热侧比例周期1-100sec＊5h）制冷侧比例周期1-100sec＊6＊1、如果比例带设定为oC［﹡F］即成ON—OFF动作＊2、如果积分时间设定为0sec，即成PD动作＊3、如果微分时间设定为0sec，即成PI动作＊4、如果限制积分动作生效范围设定为0％，D动作则成OFF＊5、电流输出时不需设定周期＊6、电流输出时不需设定周期＊7、如果不感带设定为负，则成重叠控制动作PID控制（ON—OFF．P．PI．PD控制）报警种类：偏差报警（上限，下限，上下限，范围内）过程值输入报警（上限，下限）设定值输入报警（上限，下限）输入：电流检出器输出适用范围：CTL-6-P-N0-30A，CTL-12-S56-10L-N0-100A通断50000次以上。控制环断线报警输出需在ALM1或ALM2中选择其一当控制环断线报警被选定时，另一报警不能被设定为LBA通讯功能（SCI）接口标准：EIARS-485通讯协定：ANSIX3．28（1976）2．5A4通讯方法：2线半双向多站联接同步方法：起始／停止同步通讯速度：2400．4800．9600．19200BPS起始位数：1数据数位：7或8断电影响：断电20ms或以下无影响断电20ms以下，返回初始状态断电的数据保护：不消失性记忆素子支持数据周围温度：0-50oC［32-122F］周围湿度：45-85％RH安装：嵌入盘面