完整版过程控制课程设计燃油加热炉温度控制系统

1、过程限制?课程设计题目:燃油加热炉温度限制系统班学 姓级：号：名：同组人员：任课教帅：张虹完成时间：2021年10月30日一、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、限制系统设计53.1根本限制方案53.2限制仪表选型93.3参数整定计算103.4限制系统 MATLAB仿真 103.5仿真结果分析 11四、设计总结12一、设计任务及要求1.在模壳浇铸、焙烧时常用燃油炉,烧制过程中需要对温度加以限制,对一个 燃油炉装置进行如下实验,在温度限制稳定到500 C时,在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约25%,即Iq

2、 1.2T/h,持续t 100s后结束, 等间隔t 100s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p 20%的无差温度限制系统.t(点)012345678910C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t (点)1112131415161718192021(C)0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00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限制系统(给出带限制点的限制流程图,限制系统原理图等,选择限制规律)；画出限制系统S

3、AMA图；(3) 根据设计方案选择相应的限制仪表(DDZ-川),绘制原理接线图；(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.(5) 用MCGS进行组态设计.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矩形脉冲响应数据,得到阶跃响应数据,并进行相应的归一化处理,得:表2t(s)01002003004005006007008009001000C00.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.015.677.188.359.3410.1510.8111.35y*0

4、0. 0370.1450.3000.4250.5380.6260.7000.7610.8100.851t(s)11001200130014001500160017001800190020002100c0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.8012.1912.5212.7913.0013.1513.2413.3013.3313.3413.34y*0.8840. 9140.9380.9580.9740.9860.9920.9970.9990.9991那么 y (Q =13.34K= y(8)/ u=0.5336(C / %)Matlab画出

5、图像：程序如下：clear;t=0:100:2100;yi=0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.450.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00;ys=0 0.5 1.94 4.01 5.69 7.18 8.35 9.34 10.15 10.81 11.35 11.812.19 12.52 12.79 13 13.15 13.24 13.3 13.33 13.34 13.34;ym=0 0.037 0.145 0.300 0.425 0.538 0.626 0.700 0

6、.761 0.810 0.851 0.884 0.914 0.938 0.958 0.974 0.986 0.992 0.997 0.9991 1plot(t,yi);%ffl出脉冲响应曲线hold on;plot(t,ys);%ffl出单位阶跃响应曲线hold on;grid on;figure;plot(t,ym);%ffl出归一化阶跃响应输出曲线grid on;脉冲响应及阶跃响应输出曲线11X:9000.81Y 1X400Y :0.425/0.90.80.70.60.50.40.30.20.15001000150020002500归一化输出曲线从图中取 y*(t1)=0.4,y*(t2)

7、=0.8 ,得： t1=382s,t2=882s由于t1/t2=0.433<0.46,所以选用2阶传函.乂由于:TT2(T T2)2(1.740.55) , T1 T2 (t1 t2).t22.16求得 T1=166s, T2=419s0.5334得到对象传递函数为:(419s+1 )(166s+1)对象仿真图如下:2.2对象特性分析0.5334(419s + 1)(166s + 1)1. 、 K为二阶自衡对象,没有纯延退环下.自衡率 =K 1.88,响网速度 =T =0.0021,三、限制系统设计3.1根本限制方案从设计的简约性和实用性考虑,首先考虑单回路的限制方法,由丁对象的容 量较

8、大,而炉内温度的测量较难,所以单回路的限制方法难以得到较好的效果, 所以经过仔细比较,最终决定采用虽然复杂一些,但是限制效果更好的申级限制 方法.为了更好的反响申级方式相对丁单回路的优点,小组决定用两种限制方法都 试验一下,用事实说话.(1)首先采用单回路限制方法,考虑到系统的速度和稳定性的要求,选用PID限制规律.单回路系统限制原理图如下根据对象特性整定参数(采用齐勒格-尼克尔整定方法)变送器增益：G?=0.048(mA/ C)750-420调节阀增益：Gv 100% °% 6.25(%/mA) 20 4得广义对象传函:(419S+1)(166s+1 )0.16根据广义对象画出输出

9、曲线见图5,程序:clc;K0=0.16;num=K0;den=conv(419,1,166,1);G0=tf(num,den);step(G0);k=dcgain(G0);500Step Response10001500200025003000Time (sec)读图可知：r =60,T=700 最终整定参数如下：a =0.85 £ T =0.112; kc=!= 8.96; Ti=2 r =120;Td=0.5 r =30;参数带入PID限制器之后震荡剧烈,稳定性差,所以 kc减小,适当增加Td,经 过屡次调节之后取 kc=3, Ti=120, Td=200;SIMULINK 仿

10、真图带扰动如下:很明显,调节速度慢,而且超调过大,所以舍弃这种方法.(2)申级限制方式：1. 扰动分析：燃料：压力、流量、成分和热值等原料：进料量、进料温度假设炉内温度作为副被调量,拥有客服克燃料油影响,如温度、成分等,其所 届扰动包含了较多扰动,即可能多的扰动可进入副回路.申级限制系统中,由丁引进了副回路,不仅能迅速克服作用丁副回路 内的干扰,也能加速克服主回路的干扰.副回路具有先调、初调、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干扰 的影响能彻底加以消除.2. 在申级限制系统中,主、副调节器所起的作用不同.主调节器起定值限制作用, 副调节器起随动限制作用,这是选

11、择调节器规律的根本出发点.在燃油炉温度申级限制系统中,我们选择原料油出口温度为主要被控参数, 选择炉壁温度为副调参数.由丁原料油温度影响产品生产质量,工艺要求严格, 乂由于加热炉申级限制系统有较大容量滞后, 所以,主回路选择PID调节作为主 调节器的限制规律,而副回路由丁考虑稳定性的原因,考虑用P限制规律.3. 调节阀：从平安考虑,选气开,&为正副对象：调节阀开,炉膛温度升高,K>2为正副调节器：&2为正,即反作用调节器主对象：炉温升高,出口温度升高, 隐为正主调节器：Ki为正,即反作用调节器K2为正,切主调时主调不改变作用方式4. 限制流程图限制系统原理图:V I li

12、/刊点,士叩J|将却榭,于-函却说限蜗r F0H的！心/住L-却吊邛电讨fin忱*E)iK f TT ,3.2限制仪表选型1. 温度变送器变送器选用DDZ-川限制仪表.在主回路的对象为原料油出口温度,约为500度,故所设计的的范围为420度到750度.副对象为炉膛温度比较高,故所选的变化的范围 600度到100020-4王回路的变送器传函：仁755-42 = °.048 mA/% 副回路的变送器传函：?N 204 = 0.04 mA/%1000-600根据设计要求变送器检测温度范围较大,选择NHR-M32智能温度变送器,测量范围为01300 C.,毕通道、烈通道G.热电明、热电偶走伏

13、输入.模拟重、RS-485、纸电岩椁点怯号输出尊.辎入/输出/电源三隔离o传辆精溟士0. 1%-奠块化设讦*体和小,功耗低.全蜜能,效字化,可NS猩*.留孺子可带电插拔,便于安装、笛护.限制器要求具有PID调节功能,选择HR-WP模糊PID自整定调节器原理接线图.标准的35jtukDIN轨卡才黄装o2. 阀门的选择由丁燃油具有较强的腐蚀性,里面的残渣比较多,而且由丁平安性的要求,所以,经过比较最终决定选择气动蝶阀,最大流量大丁 4.8t每小时.3.3参数整定由上面讨论可知主回路选用PID限制,副回路选用P限制,所以参数整定如下：1. 副回路参数整定调节副环.将主调节器 Kp1设为1, Ki1和

14、Kd 1设为0,副调器Kp2设为1逐步调节副回路的kc.此时经过微小调整得到副回路 P限制器2=6.2、主回路整定：将副调节器Kc2 =6,主回路参加PID,逐步调节Kc1、T11、Td 1的值,使输出符合要求,记下此时的Kc1 = 6, Ti1 = 200 , Td1 = 803.4 Simulink仿真图带扰动如下:将两者比较如下:分析:经过改进,申级限制系统的超调量只有约为 3%,符合限制要求,并且调节 时间也有很大程度上改善,通过与单回路 PID限制比照可以发现系统的动态特 有很大改善.扰动分析：从图中可以看出,在2500s时分别参加幅值为2的干扰信号,申级控制对扰动有很强的抗十扰水平

15、 申级限制的优越性.相比较上图的单回路抗扰动输出, 乂可以看出的3.5仿真结果分析通过仿真结果可以看到,申级限制系统可以跟好的实现工程要求,有效克服 扰动,很好的实现了系统的稳定性.申级限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, 提升了系统的工作频率； 对二次扰 动有很强的克服水平；提升了对一次扰动的克服水平和对回路参数变化的自适应 水平.综上所述,本设计选择申级限制系统.四：设计总结此次课程设计-加热炉出口温度与炉膛温度申级限制系统设计,使用到了过程控 制系统很多方面的知识,包括申级限制系统分析、建模与仿真,申级限制系统整 定方法,PID调节器的参数工程整定,申级限制系统的性能分析等.刚开始设计时,在主、副限制器选择上,考虑到主被控变量是加热炉温度,允许波动的范 围很小,要求无余差,主限制器选了 PID限制.副限制器直接采用了 P限制