燃油炉温度控制系统设计过程控制课程设计

目录一、设计任务及要求二、被控对象数学模型建模及对象特性分析1.1对象数学模型的计算及仿真验证……………………………………31.2对.象特性分析…………………………………………………………5三、控制系统设计3.1基本控制方案…………………………………………………………63.2控制仪表选型…………………………………………………………73.3参数整定计算…………………………………………………………73.4控制系统MATLAB仿真……………………………………………83.5仿真结果分析…………………………………………………………103.6★控制系统组态四、设计总结一、设计任务及要求对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到600℃时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约%30，即在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加h/T5.1q，持续min1t后结束，等间隔min1t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%20p的无差温度控制系统。t(min)012345678910℃07.210.358.47.055.854.954.053.32.72.25t(点)1112131415161718192021(℃)1.951.651.351.050.750.450.360.200.100.040.00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）；画出控制系统SAMA图；（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、被控对象数学模型建模及对象特性分析1、对象数学模型的计算及仿真验证根据题目表格数据计算出阶跃响应输出值程序为：Dt=1t=0:Dt:21;ts=0:0.001:21;a=[07.210.358.47.055.854.954.053.32.72.251.951.651.351.050.750.450.360.200.100.040.00]%给定脉冲响应数据y(1)=0fori=2:1:22y(i)=y(i-1)+a(i);%计算阶跃响应数据endplot(t,y,'r');holdonplot(t,a);holdon计算出阶跃响应输出值见下表：t(min)012345678910℃07.210.358.47.055.854.954.053.32.72.25y07.200017.550025.950033.000038.850043.800047.850051.150053.850056.1000yg00.11250.27420.40550.51560.60700.68440.74770.79920.84140.8766t(min)1112131415161718192021(℃)1.951.651.351.050.750.450.360.200.100.040.00y58.050059.700061.050062.100062.850063.300063.660063.860063.960064.000064.0000Yg0.90700.93280.95390.97030.98200.98910.99470.99780.99941.00001.0000由计算可得：稳态值y（）=64.0000；作出脉冲响应曲线和阶跃响应曲线如图1所示：使用matlab编辑.m文件，通过给定的矩形脉冲响应求对象的阶跃响应并用插值方法画出曲线如下图：0510152025010203040506070将阶跃函数曲线归一化，得到单位阶跃响应程序为：yw=max(y)yg(1)=0fori=1:1:22yg(i)=y(i)/yw;endys=interp1(t,yg,ts,'spline');%线性插值plot(ts,ys);grid;归一化阶跃响应曲线如下图：051015202500.20.40.60.811.21.4X:2.954Y:0.4X:8.016Y:0.8从图中取ys（1t）=0.4，ys（2t）=0.8则1t=2.954min，2t=8.016min。求被控对象传函：对象增益为064.0000()K2.133()%30%yCC由图可知122.9540.3698.016tt,小于0.460，而大于0.317因此使用二阶系统近似。由两点法可以求得：121212122121()2.161.740.55TTttTTttTT得T1=4.565min=274sT2=0.515min=31s由于纯延迟为零，则对象传递函数为：()2.133()()%(311)274s1()pYSCGssUS（）对所求的对象传函验证程序为：Dt=1t=0:Dt:21;%单位分钟ts=0:1:21;a=[07.210.358.47.055.854.954.053.32.72.251.951.651.351.050.750.450.360.200.100.040.00]y(1)=0fori=2:1:22y(i)=y(i-1)+a(i);endplot(t,y,'r');holdonGp=tf(63.99,conv([0.5167,1],[4.567,1]));%把单位全都化为分钟step(Gp);grid;验证如下图所示：051015202530010203040506070StepResponseTime(sec)Amplitude离散点绘图传函绘图由上图可以看出，求出的数学模型的阶跃响应和由给定数据求得得阶跃响应基本吻合，验证了数学模型建立的正确性。2、对象特性分析被控对象传函为()2.133()()%(311)274s1()pYSCGssUS（）做被控对象单位阶跃响应程序为：Gp=tf(2.133,conv([31,1],[274,1]));step(Gp);grid;单位阶跃响应如下图所示：05001000150000.511.522.5System:GpTime(sec):413Amplitude:1.6System:GpTime(sec):26.7Amplitude:0.0661StepResponseTime(sec)Amplitude由图可知：26.7,386.3T这是一个二阶自衡的非振荡过程，静态增益为KP=2.133,T=386.3s。对象无延迟，自衡率=1Kp0.469，响应速度=KpT=35.7910。根据对象阶跃响应得知，对象达到稳定时约1500秒，调整时间过长。三、控制系统设计1、基本控制方案方案1——采用单回路系统控制：设计一个单回路的控制系统。要求实现超调量%20p的无差温度控制系统，因此采用PID控制器。采用单回路系统控制原理图如图所示PID广义对象PID广义对象单回路系统控制原理图采用单回路控制系统，而单回路系统是由一个被调量，一个调节量，一个调节阀和一个调节器组成只有一个单回路的控制系统，当对象的干扰变化比较剧烈、比较频繁或是工艺对产品质量提出的要求较高时，采用单回路控制的方法不再有效，并且单回路PID控制系统调节时间较长。单回路控制系统带控制点的流程图如下图所示：方案2——采用串级系统控制控制系统对动态特性提出了要求，而串级控制系统可以有效地克服二次扰动，改善对象的动态特性，所以有必要考虑在PID无法满足动态特性要求的情况下采用串级控制系统。采用串级系统控制原理图如图所示：燃油炉炉温控制系统带控制点的流程图如下图：控制系统SAMA图如下图：2、控制仪表选型（1）温度变送器：被控对象输出稳态值要求为600C，因此仪表量程选择270C~750C，选择SBWR-2160DE0~800℃小型导规式热电偶温度变送器，其测量范围是0~800℃，输出信号：4-20mA，精度0.2%FS；则变送器传函增益：20-4mm0.0333()(750270)AAKmCC（）。（2）调节阀：由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。电/气阀门定位器ZPD-01ZPD-01参数表名称性能输入信号4-20mA·DC输出信号0-0.14MPa调节阀的输入信号为4到20mA，开度相应输出为0到100%，调节阀传函增益：100%%6.25()m20-4mKvAA（）（3）被控对象的增益由（1）可求出为pK=64.0002.133()%30%CC由上可得广义被控对象增益为0.444ovpmKKKK；广义被控对象传函：0.444()(311)274s1Goss（）；（4）确定调节器以及调节阀的正反作用方式：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。3、控制器参数整定计算（1）单回路PID控制系统的对象特性法整定。①将二阶广义对象用一阶传函等效代替，求出K，T，τ；②广义传函0.444()(311)274s1Goss（）的阶跃响应曲线如下图所示：0200400600800100012001400160000.050.10.150.20.250.30.350.40.45System:G0Time(sec):373Amplitude:0.316System:G0Time(sec):26.7Amplitude:0.0138StepResponseTime(sec)Amplitude③切线法求得K=0.444，τ=26.7s，T=346.3s；/0.077T,因此选用单回路PID控制系统。④经过对象特性法整定（工程整定）：由科恩—库恩PID整定公式得4()39.733TKcKT326/()63.7138/TTiT4()9.57112/TdT（2）串级控制系统的衰减曲线法整定①副回路的整定：断开主回路，只保留副回路，在不加比例控制器时，调节时间约为400多秒，而当加入比例控制器并调节比例大小为4时，此时调节时间约为200秒，调节时间大幅度提升，因此选择此比例Ks=4；②主回路的整定：使主调节器为纯比例规律，且比例带较大；使系统闭环，待系统稳定后，逐步减小比例带，当系统出现4:1的衰减震荡时，记下δs和Ts；记录此时的δs=0.008333（Ks=120）Ts=39.64带入公式可整定得：30.86.6710s0.311.892TiTs（s）0.13.964TdTs(s)4、控制系统的Matlab仿真：在Matlab/simulink中仿真：对单回路控制系统进行仿真：仿真一：单回路控制系统的仿真：仿真波形图见下图：01002003004005006007008009001000600602604606608610612614616618620单回路控制系统仿真结果仿真结果：超调为33%，调节时间为380s，不能够满足超调量%20p的控制要求。仿真二：串级控制器的仿真：仿真波形图见下图：01002003004005006007008009001000600605610615620625仿真结果：超调不满足%20p，调节时间为200，不能够满足超调量%20p的控制要求。进行PID参数调整：56Kc15Ti15Td改进仿真波形图见下图：01002003004005006007008009001000600602604606608610612614616618仿真结果：超调%20p，调节时间为280，基本能够满足超调量%20p的控制要求。两种控制系统仿真的比较：01002003