减压炉出口温度控制设计

1、无化工过程控制工程课程设计报告化工过程控制工程课程设计报告题题目：目：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX学学院：院：工程学院工程学院专专业：业：自动化专业自动化专业班班级：级：自动化自动化 1001姓姓名：名：沈久路沈久路指导教师：指导教师：朱玉华朱玉华20132013年年6 6月月7 7日日无目录目录1 课程设计目的3 32 2 设计的题目和要求设计的题目和要求3 32.12.1 设计的题目设计的题目3 32.22.2 课程设计的题目描述和要求课程设计的题目描述和要求 3 33 3 课程设计报告内容课程设计报告内容 3 33.13.1 设计方案设计方案3 33.23.2

2、 串级控制系统各部分工作原理串级控制系统各部分工作原理4 43.33.3 控制算法的选择与参数整定控制算法的选择与参数整定6 63.43.4 串级控制系统的优点串级控制系统的优点7 73.53.5 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合 10104 4 设计心得设计心得 1010无1.1.课程设计目的课程设计目的课程设计为学生提供了一个既动手又动脑，独立实践的机会，将课本上的理论知识和实际有机的结合起来，锻炼学生的分析解决实际问题的能力。通过本课程的课程设计，培养学生用工程的观点来解决工程实际问题，提高学生的实践能力，为毕业设计打下一定的基础。2.2.根据设计的内容来确定课程设计的题目根

3、据设计的内容来确定课程设计的题目2.1 设计题目：减压炉出口温度控制系统设计2.2 课程设计题目描述和要求图所示为某工业生产中的减压炉，其任务是将常底油加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。减压炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后， 减压到炉出口工艺所要求的温度。 在减压用的燃料气管道上装有一个调节阀，用以控制高压燃料气，以达到控制出口温度的目的。但是，由于扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对减压炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。3.3.课程设计报告内容课程设计报告内容3.1 设计方案串级控制

4、简介：减压炉工艺过程为：被减压物料流过排列炉膛后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料气，以达到控制出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的高压燃料气常底油FC FTC1F FTC2F-1002图2-1 减压炉F-1002出口温度与炉膛温度串级控制系统流程图无扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以减压炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工

5、业生产的要求。串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、 副调节器通过控制作用克服扰动， 使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由减压炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框如图。3.2 论述方案的各部分工作原理；(1)测温元件：对于主控制器选用 Pt100 热电阻，对于副控制器选用热电偶(2)选择各控制器的控制规律（PID） 、正反作用。1.串级控制系统的原理：为了克服单回路控制的缺陷，作为有效的、经济的高级控制方案，串级控制高压燃料气常底油FC FTC1F FTC2F-1002图 3-1 减压炉 F-1002 出口温度与炉膛温度串级控制系统流程图主温度

6、控制器副温度控制器副温度对象主温度对象副温度测量元件及变送器主温度测量元件及变送器给定值干扰 2干扰 1图 3-2 减压炉 F-1002 出口温度与炉膛温度串级控制系统方块图主变量控制阀副变量无系统在实际生产活动中被广泛的采用。图 2 为串级控制系统的方框图。从串级系统方块图可以看出，该系统有两个环路：一个内环和一个外环。习惯上称内环为副环，外环为主环。处于副环的内控制器、对象和变送器分别称副变送器、副对象、和副变送器。副对象的输出称副被控变量，简称副变量。处于主环的内控制器、对象和变送器分别称主变送器、主对象、和主变送器。主对象的输出称主被控变量， 简称主变量。 对于本次设计的 TC1 温度

7、控制器为主控制器，炉出口温度是主变量，TC2 温度控制器为副控制器，炉膛温度是副变量。并且主控制器的输出即为副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。一般的，主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，因此，主环是一个定制控制系统。而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器的输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。串级调节系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。通常，串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。为了提高系统的调节性能，希望主副环的工作频率错开相差三倍以上， 以免频率相近时

8、发生共振现象而破坏正常工作。综上所述，串级控制方案是一种高效、精确的控制系统。但是要发挥串级系统的优势，副回路的设计是个关键。副回路设计合理，串级系统的特点可得到充分发挥。2.主、副调节器的控制规律选择在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主温度控制器副温度控制器副温度对象主温度对象副温度测量元件及变送器主温度测量元件及变送器给定值干扰 2干扰 1减压炉 F-1002 出口温度与炉膛温度串级控制系统方块图主变量控制阀副变量无主调节器的控制规律应选取 PI 或 PID 控制规律；副回路要求起控制的快

9、速性，可以有余差，一般情况选取 P 控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D 控制，因为副回路采用 P 控制已经起到了快速控制作用，引入 D 控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。3.控制器的的作用方式副调节器作用方式的确定：首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv0 。然后确定副被控过程的 Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 0 。最后确定副调节器，为保证副回

10、路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 20 ，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数 K 1 0，主调节器作用方式为反作用方式。控制阀的作用方式首先确定调节阀，要求控制减压炉的出口温度，当炉出口温度升高 TC1 的输出值作为 TC2 给定值，控制阀接收到的 TC2 的温度信号，控制阀的膜头输入压力增大，控制阀的开度要减小，通过减小燃料气的输入来减低炉出口温度。但是出于生产工艺安全考虑，防止炉内燃料气烧干引起爆炸，所以燃料

11、气调节阀应选用气开式。3.3 控制算法选择及参数整定我们选择两步整定法来整定串级控制系统的参数主回路设计： 减压炉温度串级控制系统是以减压炉出口温度为主要被控参数的控无制系统。其他被控参数有炉膛温度。温度调节器对被控参数 TC1精确控制与温度调节器对来自燃料气干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度 TC2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油（常压油）出口温度 TC1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。副回路设计：副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料气由于其成分变化，对控制过程产生

12、极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度 TC2能够有效地影响主参数原料油出口温度 TC1，提高了主参数的控制效果。3.4串级控制系统的优点串级控制系统在结构上与单回路控制相比，由于在结构上多了一个副回路，因而具有以下主要特点。(1)由于副回路的存在，改善了对象的特性，使系统的工作效率提高R2(s)Gc1(s)Gc2(s)Go2(s)Go1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)图3-2 串级控制系统的方块图Y1(s)Gv(s)Y2(s)无R1(s)串级控制系统等效的方块图图中 Go21(s)称为等效副对象，可推倒出：Go21(s)=Go

13、2(s)/1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)3-1假定副回路各环节传递函数分别为：Gc2(s)=Kc2,Gv(s)=Kv，Go2=Ko2/(1+To2s),Gm2(s)=Km2,根据式（3-1）可得：Go21(s)=Go2(s)/1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)=Ko2/1+Kc2KvKo2Km2+To2s=Ko21/(1+To2s1)3-2式中Ko21=Ko2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-3To21=To2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-4因为在任何条件下 1+Kc2KvKo2Km21,因此可得Ko21Ko23-5To211,当操作条件或者负荷变化

14、使 Ko2 发生变化时，对等效副对象的放大倍数 Ko21 的影响却很小，这样对主回路的影响也就很小。此外，等效副回路的传递函数为：无G2(s)=Gc2(s)Gv(s)Go2(s)/1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)3-7用前面所设的副环各环节传递函数带入上式，并经简后得：G2(s)=Kc2KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2)+To2s=K2/(1+T2s)式中K2=kc2KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-8T2=To2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-9由式(3-8)可知，当副控制器的放大倍数 Kc2 整定得足够大时，副环前向通道的放大倍 数将远大于 1，即

15、 Kc2KvKo2Km21,就可近似写为：K2=Kc2u、 KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2)Kc2KvKo2/Kc2KvKo2Km2=1/Km23-10这就是说，当副控制器的放大倍数整定得足够大时，等效副回路的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数 Km2,而与副对象的放大倍数 Ko2 无关。由以上分析可以看出，串级系统具有一定的自适应能力。3.53.5 串级控制系统主要应用场合串级控制系统主要应用场合串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。4.4.设计心得设计心得此次课程设计-减压炉出口温度控制系统设计， 使用到了过程控制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、串级控制系统的整定方法，PID 调节器的参数工程整定等。在设计时，在主控制器和副控制器的选择上，考虑到主被控变量是炉出口温度，允许波动的范围很小，要求无余差，主控制