《过程控制》课程设计.doc

哈工大（威海）测控三班 孙洪伟过程控制课程设计题 目：燃油炉温度控制系统 班 级：测控三班 学 号：110220317 姓 名：孙洪伟 同组人员：王梦宇、田阳、王家豪 任课教师：张虹 完成时间：2014/11/21 目录1、 绪论-03二、工艺流程及控制要求-03三、对象的动态特性分析-04四、方案设计-08五、控制系统的工作原理-105.1 单回路控制系统-115.2 串级控制系统-13六、控制系统仿真-136.1 单回路控制系统的仿真-146.2 串级控制系统的仿真-156.3 单回路控制系统与串级控制系统的比较仿真-15七、结论-15八、设计心得-16九、参考文献-17第 2 页 共 17 页过程控制课程设计 110220320 王梦宇一 绪论现代工业控制系统中，自动化仪表检测技术和仪表控制系统是实现自动控制的基础。 随着新技术的不断涌现，特别是先进检测技术、现代传感器技术、计算机技术、网络技术 和多媒体技术的出现，给传统的自动控制系统带来了新的挑战，并由此引出许多新的发展， 如虚拟仪器、软测量技术、数据融合理论与方法以及最新发展的传感器网络技术等。20世纪40年代，凭经验人工控制。20世纪50年代，过程控制以频率法和根轨迹法为基础解决SISO问题。20世纪60年代，现代控制理论逐渐完善，并在各个领域取得卓越成就。20世纪70年代，建模理论、辨识技术、最优控制等方面的工程化研究。过程控制系统仿真集成了计算机、网络、图形、图像、软件工程、信息处理技术和自动控制理论等多个领域的知识，以数学、相似原理、信息技术、系统技术及相应应用领域有关的专业技术为基础，以各种计算机和物理设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合技术。过程控制系统的组成：1被控对象、调节对象（process, plant, object）2被控变量、被调量(controlled variable) 3给定值(set point)4操纵变量、调节量(manipulated variable)5扰动、噪声、干扰(disturbance, noise)6检测变送(sensor, transmitter)7控制器、调节器(controller, regulator )8执行器(control valve, actuator, control element)二 工艺流程及设计要求对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到500时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约，即在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加，持续后结束，等间隔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的无差温度控制系统。t(点)012345678910003.759.009.157.656.455.404.503.63.00t (点)1112131415161718192021()2.402.101.801.501.200.900.600.420.300.150.08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-），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。三 对象的动态设计分析3.1对象模型建立.t(s)090180270360450540630720810900003.75 9.009.157.656.455.404.503.63.00y003.7512.75 219029.5536.0041.4045.9049.5052.50y*000.0590.1990.3420.4620.5630.6470.7180.7740.821t(s)99010801170126013501440153016201710180018902.402.101.801.501.200.900.600.420.300.150.08y54.9057.0058.8060.3061.5062.4063.0063.4263.7263.8763.95y*0.8580.8910.9190.9430.9620.9760.9850.9920.9960.9991在MATLAB中运行如下程序：%-过程控制课程设计 题目5-x=0 0 3.75 9.00 9.15 7.65 6.45 5.40 4.50 3.6 3 2.40 2.10 1.80 1.50 1.20 0.90 0.60 0.42 0.30 0.15 0.08y(1)=0y(2)=0for i=3:22 y(i)=x(i)+y(i-1) %由被控对象的单位脉冲响应曲线求单位阶跃响应曲线并且归一化endsubplot(211)t=0:1:21plot(t,x,r)hold onplot(t,y,g)title(阶跃响应和脉冲响应曲线)xlabel(时间t/180s)ylabel(/)grid onlegend(脉冲响应曲线,阶跃相应曲线)subplot(212)Y=y/63.95plot(t,Y,g)title(归一化的阶跃响应曲线)xlabel(时间t/180s)ylabel(Y*)grid onaxis(0,25,0,1.25)ti=0:0.1:21 %使用线性内插法得到更多的离散点，求得Y*=0.4和0.8时的时间t1 t2Yi=interp1(t,Y,ti,linear)t1n=find(Yi0.4)t1=t1n(1)/10 %求得t1的值t2n=find(Yi0.8)t2=t2n(1)/10 %求得t2的值%-以下为分析过程-%-根据0.32t1/t2=0.410.46，所建模型为2阶%根据2方程求得T1和T2的值，Kp=63.95/20=3.2 单位(/%) 延迟为exp(-180*s)%可得到被控对象Gp=(3.2*exp(-180*s)/(1+100*s)(1+400*s)，广义对象为Go=Gp*kv*km%稳定温度为350 取变送器量程370-570 全部仪表选用DDZ-型，4-20mA所以km=(20-4)/200=0.08单位（mA/）%阀选择耐腐蚀，允许介质（燃油）中含有漂浮杂质的球阀，出现故障时要求阀关闭，故为气开阀，kv0反作用，%kv=100/(20-4)=6.25单位(%/mA)%由于要求回路开环总增益为正，,且km0,kp0所以有%1.在单回路系统中,kc0 kv0 km0 kp0%2.在串级系统中kp1 kp2 kc1 kc2 km1 km2 kv均0%-建模部分到此结束，之后为单回路系统和串级系统的整定过程（单回路整定有程序，串级整定使用了衰减曲线法，没有程序）-yw=63.950有一个180s的延迟从图中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8t1=708，t2=1676去除延迟时间t1=648，t2=1556求被控对象传函：y()=63.95K=y()/u=63.95/30=2.132(/)可知t1/t2=648/1556=0.416大于0.32,小于0.46因此使用二阶系统近似。由两点法可以求得： 得T1=355s T2=690s纯延迟=180s则对象的传递函数：对数学模型进行验证：程序如下：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。3.2 对象特性分析被控对象传函为 做被控对象单位阶跃响应matlab程序为：%-part2 求等效广义对象，进行单回路PID整定-建立单回路sinmulink模型-微调-做微调后的单位阶跃响应图-%-已知广义对象，求出广义对象的阶跃响应-num=64.03/20*6.25*0.08 %Ko=kp*kv*kmden=conv(335,1,690,1)Go=tf(num,den)figures=tf(s)step(Go*exp(-180*s)k=dcgain(Go)title(广义对象Go的单位阶跃响应曲线)xlabel(时间)ylabel(幅值)%得到广义对象的单位阶跃响应曲线，将其等效为一阶并取数据%求出稳态值k%在图上找拐点画切线求等效的tao和T，将2阶系统近似等效为1阶系统 G=exp(-133*s)*1.05/(1+680*s)%-单回路时的PID整定-绘制图形如下：此时，对于由于其值小于0.5，因而不将其视作大延迟系统，采用串级控制回路。为一个自衡对象，自衡率，响应速度。四 方案设计4.1 单回路控制系统由于需要设计一个超调量的无差温度控制系统。因而，采用PID控制器。单回路系统框图如下：带控制点的工艺流程图：4.2串级控制系统该系统要求无差控制，因此要选择PI控制，又由于是温度控制，为慢对象，因此要加入D控制，最后内回路选择P控制，外回路选择PID控制。其控制原理图如下：带控制点的工艺流程图：SAMA图：五 控制系统的工作原理5.1 单回路控制系统对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到350时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约30%。需要温度稳定在350，则变送器的取值范围大约为200-400变送器增益：调节阀增益： 则整个广义对象的增益：得广义对象传函：根据对象特性整定参数（采用4：1衰减整定方法）此时，仅添加比例环节，使其震荡为4：1：程序代码如下：clear;s=tf(s); Gp=1.6*exp(-180*s)/(355*s+1)*(690*s+1)%非归一化的计算出的传递函数G0=tf(Gp);kp=3.33Gc=kpG=feedback(Gc*G0,1);step(G)此时，系统的 1150-428=722, 1/3.33=0.30根据4:1衰减比例带法，采用PID算法，则测试整定参数为：解得：用该控制器对系统进行调节，程序代码如下：clear;s=tf(s); Gp=1.066*exp(-180*s)/(355*s+1)*(690*s+1)%非归一化的计算出的传递函数G0=tf(Gp);kp=1/0.24Ti=240Td=60Gc=kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);G=feedback(Gc*G0,1);step(G)此时，整个闭环系统的输出特性如下：5.2 串级控制系统1.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。2.调节器选用分析：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。在燃油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，选择炉壁温度为副调参数。由于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，主回路选择PID调节作为主调节器的控制规律，而副回路由于使用温度作为控制对象，考虑用P控制规律。3.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。4.仪器仪表的选择：主变送器的测温范围为：200-400由于膛炉内部的温度较高，因而，副变送器的测温范围为；400-600由于，副回路要求快速调节，则选择P调节，且副回路对象的传函为：主回路需要准确且稳定的对被控对象进行调节，因而，主回路采用PID进行调节，且主控对象传函为：六 控制系统仿真6.1 单回路控制系统的仿真输出模型为：在不断调节PID的参数时，可以发现，无论如何调节，均不能达到完全满意的状态。此图中，超调等均满足要求，但是调节时间过长。6.2 串级控制系统的仿真此时，副回路的参数为：Kc=1.1 主回路的参数为：Kc=4.7 Ti=450 Td=40由仿真图像可以看出，此时的系统稳定时间约为800s，且超调不足10%，符合题目的要求。串级控制和单回路相比，具有更快的响应和更小的超调，而且副回路能很好地消除二次扰动。但单回路实现比串级简单方便。6.3 单回路控制系统与串级控制系统的比较仿真上升10：由比较图可以清楚的看出，串级控制系统大大缩短了控制时间，减小了系统的超调量，且可以克服二次扰动，使系统能够有快又稳的达到所需要的状态。串级控制系统可以更好的实现工程要求，有效克服扰动，保证了系统的稳定性和快速性。串级控制系统，包含二次扰动的副回路改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次扰动有很强的克服能力，对回路参数变化的自适应能力强。综上所述，本设计选择串级控制系统。对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到500时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约，即在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加，持续后结束，等间隔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的无差温度控制系统。七 结论单回路控制系统有干扰时，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3000s。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。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；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，增加的投资并不多，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，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次扰动有很强的克服能力；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。因为被控对象的时间常数较大，所以虽用串级控制系统，但调节时间依然相对较大，不过选择串级控制系统可减小对其影响的程度。并且与单回路相比系统的工作效率要更高。从整体上看，串级控制系统在结构上增加