过程控制课设-燃油加热炉温度控制系统

1、过程控制课程设计 题 目:燃油加热炉温度控制系统班 级：0902201 学 号：090220108姓 名：何宁任课教师：张虹完成时间：2012.10.24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5三、 控制系统设计3.1 基本控制方案63.2 控制仪表选型93.3 参数整定计算103.4 控制系统MATLAB仿真123.5 仿真结果分析13四、 设计总结13一、 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，持续后结束，若炉温度控制系统的正常工作点为300，等

2、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)012345678910001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70t (点)11121314151617181920212.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10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）；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；

3、（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。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表格计算出阶跃响应输出值，并作出脉冲响应曲线与阶跃响应曲线clear all; close all;t=0:1.5:21*1.5;yi=0 0 1.25 3.75 7.50 10.50 9.20 7.25 6.00 4.80 3.70 2.90 2.25 1.85 1.50 1.15 0.85 0.60 0.40 0.30 0.20 0.10;y(1)=0;y_1=0;for k=1:22 y(k)=yi(k)+y_1;

4、y_1=y(k);endxs=(0:0.1:21*1.5);ys=interp1(t,y,xs,spline);plot(xs,ys)hold onplot(t,yi)hold onyim=interp1(t,yi,xs,spline);plot(xs,yim)xlabel(time); ylabel(output);gtext(阶跃响应)gtext(脉冲响应)title(被控对象输出曲线);grid on从图上可以读出延迟时间为1.5min，即90s，画出归一化后输出曲线figure(2)for k=1:22 yn(k)=y(k)/max(y)-min(y)+0.1;endyn_2=inte

5、rp1(t,yn,xs,spline);plot(xs-1.5,yn_2)xlabel(time);ylabel(output);title(归一化输出曲线);grid onnt1/t210.31720.46030.53440.58450.61860.64070.666从上图可以读出t1=6.5min，t2=13min，则t1/t2=0.50.46，为高阶对象，根据下表选择n=3由nT=(t1+t2)/2.16得T=(t1+t2)*60/(n*2.16)=180.56稳态输出 y()=66.5+0.1=66.15()对象增益 K0= y()/=66.15/4.2=15.75(/mA)得对象传递

6、函数 GS(S)=验证传递函数：clear all;num=15.75;den=conv(180.56,1,conv(180.56,1,180.56,1);g0=tf(num,den,inputdelay,90);step(g0);grid onk=dcgain(g0)2.2对象特性分析变送器传递函数：Gm(s)=0.04(mA/)调节阀传递函数：Gv=6.25(%/mA)对象增益：Kp=K/Kv=15.75/6.25=2.52(/%)得出广义对象传递函数：G0(s)=Gs(s)*Gm(s)=而K0=0.63 T0=180.56(s) 0=90(s)故根据广义对象得输出曲线：k0=0.84;t

7、o=180.56;tao0=90;num=k0;den=conv(180.56,1,conv(180.56,1,180.56,1);g0=tf(num,den);step(g0);grid onhold onk=dcgain(g0)tao=133t=834-133三、 控制系统设计3.1 基本控制方案（1）单回路方案运用工程整定法整定参数，运用科恩-库恩法整定编程计算得Kp=4.5，TI=400，TD=160经仿真整定的Kp=3.6，TI=600，TD=186.5，结果如下可以看出超调与调节时间均不理想（2）串级方案该系统开环存在时间滞后，控制不及时，超调大而系统不稳定。0/T0=90/180

8、.560.3得可以选择串级控制。并且按系统无差要求，选择PI控制，又由温控系统为慢对象可知需要加入D控制减少时间滞后，故内回路选择PD控制，外回路选择PID控制，即可满足题目要求。3.2 控制仪表选型（1）、温度变送器：被控对象输出稳态值要求300，仪表量程选择0至400，选择DDZ-III型温度变送器，为铂热电阻PT1000型，总量程-100至600满足要求（2）、调节阀：由于调节阀用于燃料油量调节，选择气动调节阀，燃料油粘度比较大，为了减弱腐蚀，防止堵塞，选用蝶形阀，配合选择相应的电气转换仪表使用。选择EPC1110-AS-OG/I电气转换器，输入4至20mA，输出20至100kPa。（3

9、）、PID控制器：选用XM708智能PID调节器。（4）、仪表连线图见下（5）、控制系统流程图见下（6）控制系统SAMA图（6）、控制系统原理图见下（7）、作用方式选择：调节阀：从安全性考虑，调节器无信号时，调节阀应该关闭，因此选气开阀，Kv为+。副对象：当燃料油量增加时，炉壁温度升高，Kp2为+。主对象：当燃料油量增加时，炉膛内温度升高。检测变送器：Km1、Km2均为+。主、副调节器：由于总增益为+，故主副调节器Kc1、Kc2均为+，所以设置为反作用方式。由于Kc2为+，所以切换为主调时，无需改变作用方式。3.3 参数整定计算按要求采用参数整定法的特性参数法（Z-N法）与4:1衰减曲线法整定

10、。（1）、先整定副回路使主、副回路闭合，将主调节器比例设为1，按照单回路整定副回路，当曲线出现衰减振荡（主峰与副峰超调比为4:1时）=0.75，记下s=2与Ts =1140，由下表得TDTIPPIPID规律参数Kp=0.625，TD=114由图线经过微调得Kp=0.8，KD=114（1）、整定主回路保持副回路参数，将副回路看做一个传递函数，仍然按照单回路整定主副回路，同样使用衰减曲线法使=0.75，记下s=1与Ts =800，由上面表格求得Kp=1.25，TI=240，TD=80由图线经过微调得Kp=0.95，TI=500，TD=100此时超调小于(30-25)/25=20%满足题意3.4 控制系统matlab仿真加入串级前后仿真程序比较（加入扰动）3.5 仿真结果分析从图上明显可以看出串级控制系统比单回路PID控制系统响应速度快，超调减小，调解时间缩短，可以体现出串级控制的优越性。此时超调小于20%符合要求。四、 设计总结完成这个设计设计共约耗时4天完成，经过分析