过程控制方案大学课程设计说明书

目录1概述12被控对象特性的研究121被控变量的选择222操纵变量的选择323被控对象的数学描述33燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立44执行器的数学模型55检测变送器的数学模型66过程检测仪表的选用761测温元件及温度变送器762执行器763调节器77参数整定与实验仿真88课程设计总结119参考文献121概述燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，一般大型窑炉燃料多为重油，轻柴油或煤气、天然气。窑炉通常由窑室、燃烧设备、通风设备，输送设备等四部分组成。窑炉大致分为箱式、井式、梭式、网带式、回转式、窑车式、推板式隧道电阻炉、真空炉、气体保护炉、超高温管式推板炉（碳管炉）、钨钼粉焙烧炉、还原炉等各种高、中、低温工业窑炉，工作温度2002500。可用于ZNO压敏电阻器、避雷器阀片、结构陶瓷、纺织陶瓷、PTCNTC热敏电阻器、电子陶瓷滤波器、片式电容、瓷介电容、厚膜电路、片式电阻、磁性材料、粉末冶金、电子粉体、稀土化工、聚焦电位器、陶瓷基板、高铝陶瓷及其金属化，触头材料、硬质合金材料、钨钼材料等的烧成。本次课程设计是要完成燃烧式工业窑炉温度定值控制系统的设计，采用的是单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统的有如下特点系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛的应用。但单回路控制系统也有一些缺点，如系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意控制质量。在本次课程设计中，为了简化系统模型、便于分析，采用如下假设1、燃料为甲烷最大流量为，被加热的介质为砖，砖的厚度为7厘米。380DM2、窑炉为绝热炉与外界没有热交换，废渣不带走热量。3、空气供应充足，燃料在炉内能够充分燃烧。4、忽略燃气温度变化对窑内温度的影响。5、单位时间废气流量恒定。6、窑容量为30立方米,砖块烧制温度为9002被控对象特性的研究燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，其工作原理为燃料进入炉内燃烧，其发出的热量一部分被被加热介质所吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。为了满足工艺的需要，必须使炉内温度维持在一定的范围内。影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。21被控变量的选择被控变量是生产过程中希望保持在定值获按一定规律变化的过程参数。在燃烧式工业窑炉温度控制系统中，我们希望炉内的温度保持在一定的范围内，因此可以把炉内的温度作为被控变量。22操纵变量的选择在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。对于燃烧式工业窑炉，燃料的流量对炉内温度的影响最大，因此可以把燃料的流量作为操纵变量。23被控对象的数学描述对于燃烧式工业窑炉，其控制原理为通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。图1燃烧式工业窑炉温度控制示意图现假设空气充足，燃料能够充分燃烧，且窑炉是绝热的，没有热量损失，则燃料燃烧的热量一部分被被加热的介质所吸收，另一部分用于维持窑炉整个环境在一定的温度范围内，现假设窑炉内整个空气环境所拥有的热量为Q,燃料的体积流量为V，燃料的燃烧值为,空RCTC燃料空气热电偶废气废渣气的质量为，空气的比热容为，被加热介质的传热系数为H,传热面积为A，炉内温KMKC度为，被加热物质和空气的原始温度为单位时间废气带走的热量为，其中00C，M为单位时间排出的废气质量，C为废气比热容2。C0根据热量关系有0HAVDRTQ0其中Q，则KCM0DTCMTKQ0将上式带入（1）式，得到1DTTKQ00HAVRTCK0CR对上式进行增量化，则，得到0HAVDTMRKRVCC对上式进行拉普拉斯变换，得到RSSKAS0则（2）0CHAMVGKSS现假设燃料为甲烷，被加热的物质为砖，砖的厚度为007M，长为02M，宽为01M甲烷的燃烧值为3622KJ/，RC3DM空气的质量1205KG/303615KGK空气的比热容为,0717KJ/KKG砖的传热系数为1433KW/210M2假设废气热量损失速度所有砖的传热面积为A00702020100701212307012033M将以上数据带入（2）式，得到14762SVGSS由此计算出系统的传递函数为14762S假定温度测量环节可用以下的一阶环节来近似1STKGM设，则1MIN1/1TKTM，1STM3燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立燃烧式工业炉的工作方式为燃料进入炉内燃烧，其热量主要用于两部分，一部分用于被加热介质的吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。控制方案采用单回路定值控制系统，其方框图如下图2单回路定值控制系统方框图从控制任务要求可知，燃烧式工业窑炉温度单回路控制系统是单点、恒值控制，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID控制即可3。4执行器的数学分析对于电动执行器，由于选用的是直线型流量调节阀，输入与输出成线性关系，其增益为/MA3325680DMAKV5检测变送器的数学分析选用热电偶温度检测变送器，对于热电偶温度一体化变送器，由于其输入与输出成线性关系，所以其增益为00133MA/1206MAKT136过程控制仪表的选用61测温元件及变送器根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点测温精度高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；测温范围广，可达2002000；形式多样，适用于多种测温条件；在此，我们选用一体化温度变送器，SURE301系列热电偶、热电阻一体化温度变送器（以下简称温度变送器）是由温度传感器与信号转换器组成。本产品经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站测试合格，防爆合格证为GYB97142、GYB97143、GYB97144、GYB97145。广泛用于石油、化工、冶金、机械、煤炭、电站、船泊、国防等部门用来测量液体、气体和蒸汽等介质的温度4。热电偶温度检测变送器如图（3）（1）热电偶测量范围01200。图3电动执行器图4热电偶温度计（2）测量精度热电阻为02；热电偶为12；冷端补偿为2/60。（3）温度漂移0025，年漂移05。（4）供电电压24VDC10（420MA电流型模块最低工作电压需要10V余下供负载）。（5）负载能力0600欧姆（24V电压时）电压变化影响0015V。（6）环境湿度85，且无腐蚀性。62执行器执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。根据实际情况和介质特性，我选用直行程（DKZ型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。标准技术参数阀体型式直通铸造球形阀阀尺寸DN20200额定压力PN16，PN40，PN63，PN100连接形式法兰（标准型）法兰标准钢制法兰按GB91132000，JB|T94密封面型式PN16为突面材料阀体，阀内组件材料配套和工作温度范围参照ZMA|BM压盖形式压板式填料V型聚四氟乙烯填料，柔性石墨填料垫片型式，齿型和平型材料，F4|改性F4，不锈钢石墨结构形式压力平衡型式阀芯柱塞型套筒金属密封，线性特性（LG）执行机构型式电动（电子）式执行机构381LSA|XA08，381LSA|XA20阀作用正在用控制动作比例控制输入信号420MADC（负载电阻500以下）功耗A型|50VA，B型|150VA，C型|220VA保护等级IP55出线连接普通S型G1|2，防爆X型G3|4环境温度无空间加热器1060有空间加热器3560防爆X型1040环境温度普通S型95以下防爆X型4585防爆等级EXDLLBT4过载保护A、B型任选，C型必配手动装置带手柄63调节器调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。目前在中国工业上广泛应用的DDZ型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。我选用DTZ2100型全刻度指示调节器。表1DTZ2100型全刻度指示调节器相关参数输入信号15VDC内给定信号15VDC外给定信号420MADC比例带2500积分时间00125分调节作用（比例积分微分）微分时间00410分（可切除）输入、给定指示表指示范围0100，误差1输出指示表指示范围0100，误差25输出信号420MADC负载电阻250750环境温度045工作条件工作振动频率25HZ7参数整定与实验仿真图5实验连接图表2调节器参数经验数据参数系统/T1/MINTD/MIN温度流量压力液位206040100307020100310011043053对于PID调节器，运用经验试凑法对其进行参数整定，根据调节器参数经验数据表，由于本次设计控制的是窑炉内的温度，所以初步选择，KP0007；TI006；TD0经过实验仿真，得到如下响应曲线图6KP0007；TI006；TD0，此时出现衰退现象图7KP05；TI004；TD0，此时出现衰减的情况；图8KP1；TI01；TD0由于选择的比例度偏大，导致图像出现发散现象图9KP005；TI004；TD0由上图PID各参数在不同设定值下的响应曲线结果分析可得，比较理想控制的参数整定结果可参考KP005；TI004；TD08课程设计总结本次课程设计通过对燃烧式工业窑炉工作原理的分析，结合题目的要求，即采用单回路控制系统对炉内的温度进行定制控制，决定选用炉内的温度作为被控变量，选用燃料的进料流量作为操作变量，通过对系统的分析，建立了被控对象的数学模型，然后选用合适的检测变送器和执行器、调节器，调节规律采用PID调节，其参数通过经验试凑法来进行整定，然后运用MATLAB软件进行仿真，再修改调节器的参数，得到理想的响应曲线。通过本次课程设计，我对单回路控制系统有了进一步的了解，学会了如何选择被控变量、如何选择操纵变量，能够对简单的被控对象建立相应的数学模型，加深了对PID调节规律的理解，学会了如何整定PID调节参数，能够初步对检测变