能力拓展训练训练

1、武汉理工大学能力拓展训练报告书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 刘教瑜 工作单位： 自动化学院 题 目: 基于matlab的加热炉串级控制的设计 初始条件：有一个加热炉系统，系统参数设定为：1.物料以恒定速度进入管道，流速为20L/s，管道直径为10cm，不考虑物料浓度变化、压力变化等其他条件。2. 物料在加热炉内的长度为5m，假定物料受热均匀，并在4s后上升至指定温度。3. 假定燃气混合浓度不变，物料温度上升只受燃料流量影响。4. 不考虑环境温度、燃料热值等影响，主要考虑燃料流量的扰动。当此加热炉当出口温度要求70±2时，设计一个温度-流量串级控制系统，并用matl

2、ab软件对其进行仿真。要求完成的主要任务: 1、运用matlab对加热炉控制系统进行仿真2、分析仿真结果，理解PID控制的意义。时间安排:任务时间（天）审题、查阅相关资料1分析、计算2编写程序1.5撰写报告2论文答辩0.5指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1设计要求12系统建模分析12.1影响因素分析12.2系统方框图的建立12.3工作过程分析13 调节阀与检测变送器的选取13.1 调节阀的选取13.2 温度检测变送器的选取13.2.1温度检测器13.2.2温度变送器13.3流量检测变送器选取14 调节器的设定14.1调节器正方作用选择14.2调节器控制类型选

3、择14.2.1 PID控制原理14.2.2 PID控制各参数的作用14.2.3 加热炉串级控制PID控制规律的选择15调节器参数整定15.1副回路控制器设计15.2主回路控制器设计15.2.1 用Ziegler-Nichols方法设计控制器15.2.2 用ITAE方法设计控制器16基于MATLAB simulink方框图的仿真模拟16.1 用simulink对Ziegler-Nichols方法设计的控制器仿真模拟16.1.1 用simulink建立Ziegler-Nichols方法PI控制仿真16.1.2 Ziegler-Nichols方法PID控制仿真16.2 用simulink对ITAE方

4、法设计的控制器仿真模拟16.2.1 用simulink建立ITAE方法PI控制仿真16.2.2 用simulink建立ITAE方法PID控制仿真16.3 仿真结果分析17总结18参考文献1武汉理工大学能力拓展训练报告书基于matlab的加热炉串级控制的设计1设计要求 有一个加热炉系统，系统参数设定为：1.物料以恒定速度进入管道，流速为20L/s，管道直径为10cm，不考虑物料浓度变化、压力变化等其他条件。2. 物料在加热炉内的长度为5m，假定物料受热均匀，并在4s后上升至指定温度。3. 假定燃气混合浓度不变，物料温度上升只受燃料流量影响。4. 不考虑环境温度、燃料热值等影响，主要考虑燃料流量的

5、扰动。当此加热炉当出口温度要求70±2时，设计一个温度-流量串级控制系统，并用matlab软件对其进行仿真。要求完成的主要任务: 1、运用matlab对加热炉控制系统进行仿真2、分析仿真结果，理解PID控制的意义。2系统建模分析2.1影响因素分析 燃料压力、燃料热值干扰副回路；原料油流量、原料油入口温度干扰主回路。其中主要要克服燃料总管压力干扰。2.2系统方框图的建立 管式加热炉温度-流量串级控制系统框图如图2-1。串级控制系统等效框图如图2-2。在系统中，主被控量为原油出口温度；副被控量为燃料流量。控制量为燃料给定。图2-1 管式加热炉温度-流量串级控制系统框图图2-2 串级控制系

6、统等效框图2.3工作过程分析在稳定工况下，原料油出口温度和燃料流量都处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。假定在某一时刻，燃料流量发生变化，它的变化促使流量控制器进行工作，改变燃料的加入量，从而使燃料流量的偏差随之减少。由于燃料流量的变化，或由于物料本身的进口流量或温度发生变化，会使物料出口温度发生变化，通过温度控制器不断地去改变流量控制器的给定值。两个控制器协同工作，直到物料出口温度重新稳定在给定值时，控制过程才告结束。3 调节阀与检测变送器的选取3.1 调节阀的选取自动调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆

7、环境中工作，广泛地应用与化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。本控制系统应用于石油加工中，所以选用气动调节阀。 调节阀应选择气开式阀门，一旦发生事故，系统失控，燃料调节阀处于全关位置，切断加热炉的燃料供应，避免炉温继续升高，损坏设备。3.2 温度检测变送器的选取3.2.1温度检测器 工业装置中使用量最大的是热电偶温度计和热电阻温度计。热电偶能将温度信号转换为电动势信号，具有性能稳定、复现性好、体积小、响应时间小等优点，一般用于测量500以上的高温，可以在1600高温下长期

8、使用。热电阻是中低温区常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200400）最常用的一种温度检测器，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。本系统的被控温度要求维持在70恒定，对精度(精度等级要求为2.5)有一定要求，而热电偶主要用于中高范围的温度测量，并且精度也不如热电阻高，故本系统选择铂热电阻（Pt100）作为蒸汽温度传感器。三线制PT100要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在

9、的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，本系统采用三线制接法。得出，用PT100型号(0100)的热电阻精度为1.5，采用三线制接法，来测量温度。 3.2.2温度变送器 一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点，可直接替换普通装配式热电偶、热电阻。其输出为统一的420mA信号，可与微机系统或其它常规仪表匹配使用。综上所述，本系统采用一体化温度变送器。一体化温度变送器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电

10、子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶型两种类型。SBWZ热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送单元。它采用二线传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。将热电偶、热电阻信号变换成输入电信号或被测温度或成线性的420mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。SBWZ一体化温度变送器主要技术指标：1、输入：热电阻Pt100、Cu50、Cu100 热电偶K、E、S、B、T、J、N2、输出：在量程范围内输出420mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成

11、线性，可与热电阻温度计的输入温度信号成线性；可与热电偶输入的毫伏信号成线性，也可与热电偶温度计的输入温度信号成线性。3、基本误差：±0.2%、±0.5%4、传送方式：二线制5、变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。6、负载：极限负二载电阻按下式计算 即24V时负载电阻可在0600范围内选用，额定负载250。7、环境温度影响0.05%/8、正常工作环境： a、环境温度 -25+80 b、相对湿度5%95% c、机械振动f55Hz振幅0.15mm2.3 调节阀查询SBWZ系列温度变送器的型号，SBWZ-2460测温范围为0600，传感器分度号为Pt100

12、，适用于本系统，故选择SBWZ-2460温度变送器作为系统的检测环节。热电阻三线制变送器安装接线图如图3-1所示图3-1 温度变送器接线图3.3流量检测变送器选取在连续生产过程中，有各种物料在工艺设备间传送。为了有效的进行生产操作和工艺控制，经常需要测量介质的流量。流量可用体积流量和质量流量来表示。其单位分别用m3/h、L/h和kg/h等。流量计是指测量流体流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值；计量表（总量表）是指测量流体总量的仪表，它能累计某段时间间隔内流体的总量，即各瞬时流量的累加和，如水表、煤气表等等。工业上常用的流量仪表可分为两大类。（1）速度式流量计 以测量流全在管道中的流速

13、作为测量依据来计算流量的仪表。如差压式流量计、变面积流量计、电磁流量计、漩涡流量计、冲量式流量计、激光流量计、堰式流量计和叶轮水表等。（2）容积式流量计 它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、乔板式流量计和活塞式流量计等等。在控制系统中，选用差压式流量计检测流量。它是流量测量仪表中最成熟、最常用的仪表之一。通常是由能将被测流量转换成差压信号的节流装置和能将此差压转换电信号的差压计两部分组成。差压信号通过差压变送器转换成相应的标准信号，以供控制用。差压计是由节流装置，差压变送器，开方器以及附属装置组成，如图3-2。图3-2 流量检测原理构成图4 调节

14、器的设定4.1调节器正方作用选择 燃料调节阀为气开式，主、副调节器都采用反作用形式。当检测到的燃料流量变大时，通过副调节器要使调节阀开度变小，即调节器输出信号变小，所以副调节器采用反作用形式；燃料流量变大时，相应的原料油出口温度升高，通过主调节器要使调节阀开度变小，即使副调节器给定值变小，所以副调节器采用反作用形式。4.2调节器控制类型选择4.2.1 PID控制原理PID控制器是一种线性控制器，如图10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4

15、-1 PID控制系统原理结构图系统由模拟控制器和被控对象组成，其控制规律为：4.2.2 PID控制各参数的作用其中是比例系数，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

16、时间。4.2.3 加热炉串级控制PID控制规律的选择加热炉串级控制方框图为图4-2 加热炉串级控制方块图在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。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，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，正确地选择控制规律，主、副回路相互配合、相互补充，可以充分发挥控制作用，大大提高控制质量。主、副控制器控制规律的选择：1）主控制器：主环是一个定值控制系统，主控制器控制规律的选择与简单控制系统类似。但采用串级控制系统的主变量往往是

17、比较重要的参数，工艺要求较严格，一般不允许有余差。因此，通常都采用比例积分控制规律，滞后较大时也采用比例积分微分控制规律。2）副控制器：副环是一个随动系统，副变量的控制可以有余差。因此，副控制器一般采用比例控制规律即可，而且比例度通常取得很小，这样比例增益大，控制作用强，余差也不大。如果引入积分作用，会使控制作用趋势变缓，并可能带来积分饱和现象。因此，我们可以选择方案1：主控制器PI控制，副控制器P控制方案2：主控制器PID控制，副控制器P控制又由于加热炉滞后较大，选用方案2：主控制器PID控制，副控制器P控制。可以比较好的控制加热炉系统。5调节器参数整定串级控制系统从整体上来看是个定值控制系

18、统，要求主变量有较高的控制精度。但从副回路来看是个随动系统，要求副变量能准确、快速地跟随主控制器输出的变化而变化。只有明确了主、副回路的不同作用和对主、副变量的不同要求后，才能正确地通过参数整定，确定主、副控制器的不同参数，来改善控制系统的特性，获取最佳的控制过程。5.1副回路控制器设计为了有较快的系统响应，我们选择了P控制器作为副回路的控制器。令 （14）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如）过渡过程下的副控制器比例增益 （15） （16）由式（5），（6）得 （17） （18）同理

19、(19) （20）通过式（17）、（18）和（19）可以看出，适当的增加比列控制器的放大倍数,趋近于零，可以使操作变量对负载扰动的敏感程度降低，又由于将随着的增大而减少，使系统有更快的响应速度。5.2主回路控制器设计系统的过程响应传递函数为： (21)高阶系统用低阶带时滞模型近似代替，系统较大时间常数=10，主导极点为-1/10，因此可得 （22）系统是可以自平衡的稳定对象，但有较大时滞，调节时间过长，需要进行控制。由过程控制课程学习可知，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。5.2.1

20、 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调节方法如下表所示表1 Cohen-Coon，Ziegler-Nichols PID参数经验公式1.采用PI控制时，运用相关公式计算可得控制其参数为，所以可得得到控制器的传递函数 （23）通过MATLAB绘制系统采用Ziegler-Nichols 方法PI控制时的阶跃响应曲线2.采用PID控制时，运用相关公式计算可得控制其参数为,所以可得得到控制器的传递函数 （24）5.2.2 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调节方法如下表所示表2 ITAE方法 P

21、ID参数经验公式1.采用PI控制时，运用相关公式计算可得控制其参数为得到控制器的传递函数 （25）2.采用PID控制时，运用相关公式计算可得控制其参数为得到控制器的传递函数 （26）6基于MATLAB simulink方框图的仿真模拟6.1 用simulink对Ziegler-Nichols方法设计的控制器仿真模拟6.1.1 用simulink建立Ziegler-Nichols方法PI控制仿真结构图如图6-1所示图6-1 Ziegler-Nichols方法PI控制仿真结构图图6-2 Ziegler-Nichols方法PI控制PID设定值系统的仿真结果如下图所示：图6-3 Ziegler-Nic

22、hols方法PI控制仿真结果6.1.2 Ziegler-Nichols方法PID控制仿真结构图如图6-4所示图6-4 Ziegler-Nichols方法PID控制仿真结构图图6-5 Ziegler-Nichols方法PID控制PID设定值系统的仿真结果如下图所示：图6-6 Ziegler-Nichols方法PID控制仿真结果6.2 用simulink对ITAE方法设计的控制器仿真模拟6.2.1 用simulink建立ITAE方法PI控制仿真结构图如图6-7所示：图6-7 ITAE方法PI控制仿真结构图图6-8 ITAE方法PI控制PID设定值系统的仿真结果如下图所示：图6-9 ITAE方法PI

23、控制仿真结果6.2.2 用simulink建立ITAE方法PID控制仿真结构图如图6-10所示图6-10 ITAE方法PID控制仿真结构图图6-11 ITAE方法PID控制PID设定值系统的仿真结果如下图所示：图6-12 ITAE方法PID控制仿真结果6.3 仿真结果分析 由仿真结果可得，Ziegler-Nichols 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。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，

24、但超调较大，而Ziegler-Nichols方法超调量较小，但调节时间较长。综合上述仿真结果，我们可以得出： 1.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，在时滞系统串级控制中选用PID控制可以得到较理想的效果。 2.当系统要求以快速响应为主要指标时，可以考虑用Ziegler-Nichols方法设计控制器；当系统要求以超调最小为主要指标时，可以考虑用ITAE方法设计控制器。 3.在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。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，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。7总结随着自动化技术日新日异的发展，自动化技术的应用已经深入到我们日常生化的各个方面，为社会作出了巨大贡献，作为自动化专业的学生，我们更应该学好这个主干课程，为将来为社会作贡献打下坚实的基础，而MATLAB又是现代仿真，计算与绘图的一个重要工具，用它可以准确而又高效地解