加热炉串级控制(参数整定)-西华大学课程设计报告

1、 西华大学课程设计报告西华大学课程设计报告 目 录1 前言12总体方案设计22.1 方案比较22.2 方案论证42.3 任务与设计要求53串级控制系统的参数整定63.1 参数整定方法63.2 参数整定63.3 两步法的整定步骤74 MATLAB仿真84.1 副回路的整定84.2.2 主回路的整定94.2.3 整体参数整定105 结论136总结与体会147参考文献15第2页1 前言 随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为加

2、热炉的自动化提供了有利条件。加热炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，加热炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。实现加热炉自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，

3、第二个控制器的输出作为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。控制系统的这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。2总体方案设计2.1 方案比较开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高

4、,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统.。闭环控制有反馈环节，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制。通过反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。自动控制通常是闭环控制。而闭环控制又包含有单回路控制和串级控制等。如上所述，本设计需要闭环控制，因此本设计选择单回路控制和串级控制两个方案进行比较。方案一：加热炉单回路控制系统图2.1 单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。-调节器调节阀炉膛管壁原料油温度变送

5、器+-+图2.2 方案一原理框图该方案采用单回路系统控制如图2.1，系统框图如图2.2，该系统根据原料油出口温度变化来控制燃料的阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，由图2.1可知，当燃料压力或燃料热值变化时，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。从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化。方案二：加热炉温度串级控制系统图2.3 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。主调节器副调节器调节阀炉膛管壁原料油温度变送器2温度变送器1+-+-+-图2.2 方案二原理框图

6、该方案采用串级控制，如图2.3，系统框图如图2.4，以原料出口温度为主要被控参数（主参数），以炉膛温度为辅助被控参数（副参数）的串级控制系统，干扰对原油出口温度的影响主要由炉膛温度调节器构成的控制回路（副回路）进行校正；由原料油出口温度调节器构成的控制回路（主回路）克服干扰对原油出口温度的影响，并对其他干扰所引起原料出口温度的偏差进行校正。2.2 方案论证方案一中，从燃料流量到引起原料油出口温度的变化，这个通道时间常数很大（约15min），反应缓慢。而温度调节器是根据原料油的出口温度与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，单回路 控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响，

7、控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度要求很严格时，此单回路控制系统很难满足要求。方案二中，串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环-双闭环或称双环。串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，就其主回路（外环）来看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。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（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器）

8、，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。2.3 任务与设计要求1.和控制系统设计组配合，进行主、副回路的参数整定工作；2.对主、副回路时间常数匹配问题进行验证，并得出结论；3.绘制相应的控制图和MATLAB仿真。主对象传递函数:副对象传递函数:3串级控制系统的参数整定串级控制系统从整体上来看是定制控制系统，要求主参数有较高的控制精度。但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟

9、随主调节器输出的变化。串级控制系统主、副回路的原理不同，对主、副参数的要求也不同。通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。3.1 参数整定方法串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。1. 逐步逼近法逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。2.两步整定法两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主调节器进行一次参数整定。3.一步整定法一步整定发就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回

10、路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。本设计选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。3.2 参数整定在串级控制系统中，主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为=（310）。主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态关联较小。因此，当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副变量的控制品质差一点

11、也是可以接受的。3.3 两步法的整定步骤1） 在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副调节器的比例度，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：1的比例度，过渡过程的振荡周期为。2） 在副调节器的比例度等于的条件下，逐步降低主调节器的比例度，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度，过渡过程的振荡周期为。3） 按已求得的、和、值，结合已选定的调节规律，按下表衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数。 整定参数调节规律 P（%） P PI1.20.5 PID0.80.30.1表3.1

12、4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到调节器上，做一些扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。4 MATLAB仿真由主对象传递函数: ，和副对象传递函数: ，在MATLAB中画出仿真框图，如图4.1：图4.14.1 副回路的整定由步骤1），将主环路断开，副环路为比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图4.2所示。图4.24.2.2 主回路的整定保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度P1S，记取过渡过程的振荡周期T1S。当衰减比为4：1时，比例度为98，振荡周

13、期为为56.3，此时主回路的仿真曲线如图4.3所示。图4.34.2.3 整体参数整定按已求得的P1S、T1S和P2s、T2s值，结合已选定的调节规律，按表3.1衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。经计算以后，主、副调节器的参数设置如图4.4、4.5所示。图4.4图4.5当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得

14、到保证，副参数的控制品质差一点也是可以接受的。主、副调节器参数整定好以后系统输出图如图4.6所示。对设定值施加干扰信号以后，系统仿真框图如图4.7，系统输出如图4.8所示。图4.6 整定完成后系统输出图图4.7 系统仿真框图图4.7 施加干扰时系统输出图5 结论在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。串级系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过它们的协调工作，使主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。在图2.3所示的串级控制系统，先根据加热炉温度2

15、(t)的变化，改变原料油流量，快速消除来自燃料热值的干扰f3(t)、f4(t)对加热炉温度的影响；然后再根据炉膛温度1(t)与设定值的偏差，改变加热炉温度调节器T2C的设定值，进一步调节原料油流量，以保持炉膛温度恒定。在串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、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掉的干扰影响能彻底加以消除。由于主、副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统能改善被控过程的动态特性，抗干扰能力增强，对负荷和操作条件变化的适应能力增强。6总结与体会 经过这次的课程设计7参考文献1王兆安，等.电力