管式加热炉温度前馈-反馈控制系统设计

1、过程控制课程设计报告管式加热炉温度前馈-反馈控制系统设计学生：专业：自动化班级： 重庆大学自动化学院2012年10目录前言11 管式加热炉系统描述11.1 管式加热炉的一般结构11.2 管式加热炉传热方式21.3 管式加热炉工艺流程21.4 主要控制参数、操作参数及影响因素32 方案设计32.1 方案一32.2 方案二43 管式加热炉温度控制系统模型的建立53.1 前馈-反馈控制系统传递函数53.2 过程响应分析73.3 PID控制算法83.4 PID 控制各参数的作用84 MATLAB/Simulink仿真94.1 用ITAE 方法设计控制器94.2 用Ziegler-Nichols方法设计

2、控制器115 基于MATLAB/Simulink的仿真135.1 前馈-反馈控制与单回路控制模型的比较135.2 基于ITAE方法的仿真模型145.2.1 ITAE的PI控制模型仿真145.2.2 ITAE的PID控制模型仿真155.3基于Ziegler-Nichols方法的仿真模型155.3.1 Ziegler-Nichols的PI控制仿真模型155.3.2 Ziegler-Nichols的PID控制仿真模型166 报告总结17参考文献17前言管式加热炉是石油炼制、化纤工业、石油化工和化学行业主要的工艺设备之一，作用是将物料加热至工艺所要求的温度，具有操作方便, 自动化水平高, 加工成本低,

3、 传热效率高等优点。1967年4月，世界上第一台步进梁式加热炉由美国米兰德公司设计而成，之后，日本中外炉公司设计的世界上第二座步进梁式加热炉于1967年5月投产。70年代末，发达工业国家己经进入大型连续加热炉计算机控制的实用阶段，但控制策略还主要局限于燃烧控制。目前，加热炉的模型化及计算机最优控制的研究不断深入，并且己经取得了很多成果，发达工业国家利用这些成果已经实现了加热炉的模型化和计算机最优控制，取得了良好的控制效果，获得了巨大的生产效益。最近几年来，随着工业的快速发展，需要消耗大量的能源，并且环境污染问题越来越突出，节省能源、保护环境已被人们所接受，成为今后科学技术发展的方向。因此，通过

4、国内加热技术在工业行业的应用情况的总结及对比分析，可以预见出国内加热炉的发展方向及趋势。对于现在讲品种、讲效益的时代，一个加热炉的自动化水平的高低和加热形式的多样性，决定了该加热炉适应的生产行业。但是随着计算机控制技术和电子技术的发展，用计算机来控制加热炉的智能控制系统进行加热已成为一个新的发展方向。目前，国外已研究出多种加热炉控制模式，实际应用各有所长。我国加热炉微机自动控制起步较晚，但也取得了很大的进展，但迄今为止，国内加热炉的控制（常规仪表控制或计算机控制）大多还处于人工经验、单值设定值控制阶段。为此，鞍山市戴维冶金科技开发有限公司经过长期的现场实践，通过对加热炉加热过程分析，组成了一支

5、由热工、计算机、自动控制工程师和专家为主体的攻关队伍，并与清华大学、哈尔滨工业大学计算机与自动控制方面的教授、专家合作，开发出了“轧钢加热炉加热过程优化与智能控制系统”，该系统在鞍钢新轧线材厂、天钢高速线材厂和唐钢棒线材厂的生产实践中得到了应用，经过长期现场生产实践的检验与考核，通过企业的验收与鉴定，给企业带来了巨大的经济效益，受到有关企业领导，冶金炉热工、冶金自动化、计算机、轧钢专业专家及加热工人的好评。国内各种形式的加热炉发展到现在，还不能讲那一种形式是最先进、最成熟的，都多多少少存在一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，但计算机

6、控制加热炉系统是一种发展方向。1 管式加热炉系统描述1.1管式加热炉的一般结构管式加热炉包括5部分，分别是:对流室、辐射室、通风系统、燃烧系统及余热回收系统，结构中包括:钢结构、炉管、炉墙(内衬)、燃烧器、孔类配件等。通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。对流室：对流室是由辐射室出来的烟气进行对流传热的部分，对流室热负荷约占加热炉负荷的20%30%。辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热，是加热炉热交换的主要场所。辐射室直接受火焰冲刷，温度较高、所用材料的强度、耐热性定要好，其热负荷一般占加热炉热负荷的70%80%，是加热炉最重要的部位。燃烧系统

7、：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。余热回收系统：用以进一步回收离开对流室烟气中的余热。回收方法有2种:一是通过余热供燃烧用的空气来回收，使回收的热量再次返回炉中，称为“空气预热方式”。另一种是采用同加热炉完全无关的其它介质回收热量，称为“余热锅炉”方式，一般采用强制循环方式，尽量放到对流室顶部。1.2 管式加热炉传热方式管式加热炉的工艺过程就是燃料燃烧释放出热量和油介质或者其他介质吸收热量，使其升温，产生相变或同时产生裂化和反应等的过程，是供热和吸热的过程。燃料在炉膛内燃烧后，10001500的高温烟气主要以辐射的方式将大部

8、分热量传给辐射管的外表面，再通过炉管的金属壁以全传导的方式传递给炉管的内表面，又以对流方式传递给在炉管中流动的介质，使之加热到工艺上要求的温度。以较少的传热面积，消耗较少的燃料，来完成既定的加热任务，是加热炉的基本工艺要求。1.3 管式加热炉工艺流程Q2TITOV1Q1图1 管式加热炉工作流程图被控对象为管式加热炉单元，待加热物料经过对流段的对流传热和辐射段的辐射传热加热至工艺要求的温度。待加热物料进入加热炉时温度为TI ,流量为Q1。加热炉辐射段的炉管接受燃烧器火焰和烟气的辐射传热。燃料流量为Q2 ，燃料流量调节阀为V1。在燃烧器中，燃料与空气混合燃烧，产生的热量被辐射段炉管内的物料吸收。燃

9、烧产生的烟气带走大量热量，这些热量在对流段进行回收。最终产品(热物料)的温度为TO，流量为Q1。1.4 主要控制参数、操作参数及影响因素被加热物料炉出口温度（TO）：被加热物料的炉出口温度是加热炉操作中最重要的一个控制参数，它的稳定与否，直接影响着后续工艺过程的平稳操作和优化，影响到产品的质量和产量，影响着加热炉的长周期安全运行，因此必须控制被加热物料出口温度的稳定，把加热炉出口温度控制在适当的误差范围内，但在实际操作中，影响加热炉出口温度稳定的干扰因素有物料流量（QI）、进料温度（TI）、燃料压力（P2），这些因素都会影响到炉出口温度的稳定，使炉出口温度偏离控制指标。控制系统的作用，就是要通

10、过控制调节输入燃料的流量（Q2）即控制燃料阀（V1）来克服各种干扰，使加热炉出口温度达到工艺上规定的要求。2方案设计2.1 方案一假设：燃料流量Q2为以恒定值，即燃料的压力P2为以恒定值。方案：单回路控制系统。图 2 单回路温度控制系统图3 单回路温度控制系统框图分析：由图2可知，如果采用单回路控制系统，当物料压力或物料流量变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程，逐渐影响原料油的出口温度。而温度调节器T C 是根据原料油的出口温度TO与设定值Tsp的偏差进行控制。当物料部分出现干扰后，经过一段时间后，温度检测单元检测到温度变化，开始做出相应，但此时已有一部分物料的温度没有达到要求，且已经流出

11、加热炉，当生产工艺对物料出口温度TO要求严格时，上述简单控制系统不能满足要求。结论：单回路控制系统并不能及时产生控制作用，对物料输入端的干扰不能及时响应，导致物料温度控制质量差。2.2 方案二方案：前馈-反馈控制图4前馈-反馈控制系统图 5 前馈-反馈控制系统框图分析：通常的反馈控制系统中,对干扰造成一定后果,才能反馈过来产生抑制干扰的控制作用，因而产生滞后控制的不良后果。为了克服这种滞后的不良控制，用传感器接受干扰信号后，在还没有产生后果之前插入一个前馈控制作用，使其刚好在干扰点上完全抵消干扰对控制变量的影响，因而又得名为扰动补偿控制。前馈控制恰好能够解决方案一中滞后影响，因此在在物料入口端

12、加入一个流量检测装置，检测物料流量，同时将信号反馈到调节器中与温度检测共同作用调节阀，达到控制物料出口端温度的作用。考虑燃料压力对燃料的影响，在燃料入口端再加入一个流量检测装置，避免了输入燃料压力的波动对燃料流量的影响。结论：这种方案解决了因为加热滞后引起的物料出口端温度的变化，提高了物料温度控制的精度，是一种切实可行的方案。3 管式加热炉温度控制系统模型的建立3.1 前馈-反馈控制系统传递函数加热炉的对象特性一般从定性分析和实验测试获得。从定性角度出发，可看出其热量的传递过程是：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经热传导，对流传热给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别

13、是炉膛具有较大的热容量，滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的调节对象。根据若干实验测试，并作一些简化，可以用一阶环节加纯滞后来近似，其时间常数和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关，炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。将图 5 的模型转化为：图 6 转化后的系统框图由上图可以得：（1）（2）则：（3）图 7 干扰通道模型干扰通道传递函数为：（4）为了消除干扰L对输出温度的影响，则式（4）中C=0.（5），Gm为一纯滞后过程，因此可以采用帕德逼近（Pade approximation）算法将其近似为一阶模型。（6）而GmL的滞后时间非常短，可近似认为GmL=

14、1.2. 则根据公式（5）可得到GFF的传递函数：（7）3.2 过程响应分析图 8 根轨迹图、开环伯德图和闭环伯德图系统的过程响应传递函数为：（8）从图8中可以看出，系统的开环传递函数的特征根都分布在虚轴的左半平面，因此系统是稳定的，从伯德图上可以看出开环系统的相角裕量=134，幅值裕量K=17.3dB，因此系统具有较强的抗干扰能力，系统的截止频率0=0.186 rad/s，截止频率太小，导致系统的稳态误差非常大。图 9 系统阶跃响应曲线稳态值：0.555稳态误差：44.4%上升时间：2.69s从阶跃响应曲线可以看出，系统的稳态误差的确非常大，为了对系统进行校正，必须加入控制算法，即Gc。3.

15、3 PID控制算法PID 控制是工业生产过程中被广泛采用的一种控制方法，是生产过程自动控制的发展历程中历史最久、生命力最强的基本控制方法。在工业过程控制中，90%以上的控制系统回路具有PD 结构。在目前的温度控制领域，应用十分广泛，即使在科技发达的日本，PID 在其温度控制应用中仍然占80%的比例。PID 控制原理PID 控制器是一种线性控制器，如图所示。它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，即表示e(t)=r(t)-y(t)。将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。图 10 PID控制系统原理结构图系统由模拟控制器和被控

16、对象组成，其控制规律为：（9）3.4PID 控制各参数的作用其中Pk是比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数。简单的说，模拟PID控制器的各个环节的作用如下：(1)比例环节：即成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生作用以减小误差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。系统的过程响应传递函数为：由过程控制课程学习

17、可知，PID 参数调节主要有Ziegler-Nichols、ITAE 等经验方法，下面我们就Ziegler-Nichols、ITAE 两种方法确定控制器参数。4 MATLAB/Simulink仿真4.1 用ITAE 方法设计控制器系统的过程响应传递函数为时，相应的ITAE参数，如下表所示表1 ITAE 方法PID参数经验公式采用PI 控制时，运用相关公式计算可得控制其参数为:（10）（11）得到控制器的传递函数：（12）通过MATLAB 绘制系统采用ITAE 方法PI 控制时的阶跃响应曲线其程序为：kc=3.8;taui=1.85;Gc=tf(kc*taui 1,taui 0);td=0.72

18、;P1=tf(-td/2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);输出结果为：图11 ITAE 方法PI控制输出结果采用PID控制时，运用相关公式计算可得控制参数为：（13）（14）（15）得到控制器的传递函数：（16）通过MATLAB绘制系统采用ITAE方法PID控制时的节约响应曲线其程序为：kc=5.52;taui=1.36;taud=0.28;Gc=tf(kc*taui*taudtaui 1,taui 0);td=0.72;P1=tf(-td/2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4

19、 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);输出结果为：图12 ITAE 方法PID控制输出结果4.2 用Ziegler-Nichols方法设计控制器系统的过程响应传递函数为时,相应的Ziegler-Nichols调节方法如下图所示表2 Ziegler-Nichols调节方法采用PI控制时，运用相关公式计算可得控制其参数为：（17）（18）得到控制器的传递函数：（19）通过MATLAB绘制系统采用Ziegler-Nichols方法PI控制时的阶跃响应其程序为：kc=5;taui=2.376;Gc=tf(kc*taui,1,taui,0);td=0.

20、72;P1=tf(-td/2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);其输出响应曲线如下：图13 Ziegler-Nichols方法PI控制输出曲线采用PID控制时，运用相关公式计算可得控制其参数为（20）（21）（22）得到控制器的传递函数：（23）通过MATLAB绘制系统采用Ziegler-Nichols方法PID控制时的阶跃响应其程序为：kc=6.67;taui=1.44;taud=0.36;Gc=tf(kc*taui*taudtaui 1,taui 0);td=0.72;P1=tf(-td/

21、2 1,td/2 1);G1=tf(1.248,4 1);Gp=P1*G1; Gc1=feedback(Gc*Gp,1)step(Gc1);输出结果为：图 14 Ziegler-Nichols方法PID控制输出曲线经过分析，ITAE 方法设计PID 控制相应较快，并且超调较小，符合要求，而PI 控制超调较大，调节时间较长。与Ziegler-Nichols 方法设计的PID 控制器相比，ITAE 方法调节时间短，系统很快稳定，但超调较大，而Ziegler-Nichols 方法超调量较小，但调节时间较长。5 基于MATLAB/Simulink的仿真5.1 前馈-反馈控制与单回路控制模型的比较图 1

22、5 单回路控制模型 图16 前馈-反馈控制模型系统阶跃响应曲线如图17、图18所示图17 单回路模型阶跃响应曲线 图18 前馈-反馈模型阶跃响应曲线比较图17和图18，可以发现，前馈-反馈控制的稳定性明显好于单回路控制，但是他们都存在加大的稳态误差。5.2 基于ITAE方法的仿真模型5.2.1 ITAE的PI控制模型仿真图19 ITAE的PI控制模型ITAE PI控制模型的阶跃响应曲线如图20所示图20 ITAE PI控制模型的阶跃响应曲线5.2.2 ITAE的PID控制模型仿真图21 ITAE的PID控制模型ITAE PID控制模型的阶跃响应曲线如图22所示图22 ITAE PID控制模型的

23、阶跃响应曲线5.3基于Ziegler-Nichols方法的仿真模型5.3.1 Ziegler-Nichols的PI控制仿真模型图23 Ziegler-Nichols的PI控制仿真模型Ziegler-Nichols的PI控制模型的阶跃响应曲线如图24所示图24 Ziegler-Nichols的PI控制模型的阶跃响应曲线5.3.2 Ziegler-Nichols的PID控制仿真模型图25Ziegler-Nichols的PID控制仿真模型图26 Ziegler-Nichols的PID控制模型的阶跃响应曲线综合上述仿真结果，我们可以得出：1. 运用前馈控制可以很好地减小干扰对系统输出的影响，提高了系统

24、的鲁棒性。2. 运用PID 控制时在超调量、调节时间等性能指标均优于PI 控制，因此，在时滞系统前馈-反馈控制中选用PID 控制可以得到较理想的效果。6 报告总结本文是对管式加热炉温度控制系统的设计，通过几天的努力对该结构有了较为深刻的研究，也进一步熟悉了该系统的的结构形式、工作原理及各个器件的左右和设计。课程设计期间，借用图书馆的书籍及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍及资料，学会了如何使用现有的图书馆资源。与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题时查阅相关的资料，最后完成了整个设计。在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了

25、严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。在设计过程中，其他同学曾耐心给于帮助，使我们得以最终完成这次关于管式加热炉温度控制系统的设计。我们以前学习的知识，根本不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。学校安排的这次课程设计，通过自己查资料，了解情况，让我们清楚学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。通过这次设计，我们对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有了一定的了解和认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，有了工业工程中控制系统起到重要作用。与其同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会了交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成而不与他人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。这次课程设计我们收获颇丰，不仅复习巩固了过去学习的知识，同时深入了MATLAB的编程及调试，体会到了完成实验项目后的成