某加热炉温度控制过程控制

1、欢迎下载学 号天津城建高校过程把握课程设计设计说明书某加热炉温度把握 起止日期： 2014 年 6 月 23 日至 2014 年 6 月 27 日同学姓名班级成果指导老师 (签字 )把握与机械工程学院把握与机械工程学院2014 年年 6 月月 27 日日欢迎下载天津城建高校课程设计任务书2013 -2014 学年第学年第 2 学期学期把握与机械工程学院 电气工程及其自动化专业 班级 13 电气 11 班 姓名 学号 课程设计名称： 过程把握 设计题目： 某加热炉温度把握 完成期限：自 2014 年 6 月 23 日至 2014 年 6 月 27 日共 1 周设计依据、要求及主要内容：设计依据、

2、要求及主要内容： 一、设计任务 某温度过程在阶跃扰动作用下，其温度变化的数据如下：1 /qt h t/s0102030405060708090100150200/oC00.160.6511.51.61.81.91.951.981.992.02.02.0试依据试验数据设计一个超调量的无差把握系统。具体要求如下： 25%p（1）依据试验数据选择肯定的辨识方法建立对象的数学模型；（2）依据辨识结果设计符合要求的把握系统（把握系统原理图、把握规律选择等） ；（3）依据设计方案选择相应的把握仪表；（4）对设计的把握系统进行仿真，整定运行参数。二、设计要求 接受 MATLAB 仿真；需要做出以下结果：（1

3、）超调量（2）峰值时间（3）过渡过程时间（4）余差（5）第一个波峰值（6）其次个波峰值（7）衰减比（8）衰减率（9）振荡频率（10） 全部 P、I、D 的参数（11） PID 的模型（12） 设计思路三、设计报告欢迎下载课程设计报告要做到层次清楚，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求” 。四、参考资料1 何衍庆工业生产过程把握（1 版） 北京：化学工业出版社，20042 邵裕森过程把握工程北京：机械工业出版社 20003 过程把握教材指导老师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年 月 日欢迎下载摘摘 要要在工业生产中必定地要求对加热炉内的温度进行有效的把握，使之保

4、持在某一特定的范围内。而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性过程。本设计针对加热炉燃烧把握系统，主要介绍的把握方案有单回路把握系统、串级比值把握系统、单交叉限幅把握系统、双交叉限幅把握系统，并对每一种把握方案进行了理论分析。运用 MATLAB 软件对温度把握系统进行了较为全面的仿真和性能分析。通过分析比较可以得出结论，双交叉限幅对加热炉温度的把握优于其它的把握方案。双交叉限幅的炉温把握系统使煤气流量和空气流量相互限制，既防止了燃烧中冒黑烟，也防止了空气过剩，达到把握加热炉温度，提高煤气燃烧率，避开环境污染等目的。关键词：关键词：加热

5、炉；单交叉限幅把握；双交叉限幅把握； MATLAB 仿真欢迎下载名目绪论绪论.1 1一一 对象模型的建立对象模型的建立.2 21.11.1 数学模型概念数学模型概念 .21.2 系统各装置数学模型的建立系统各装置数学模型的建立 .3二二 仪表选型仪表选型.4 42.12.1 单回路系统选择原则单回路系统选择原则 .42.22.2 调整器调整器 .52.32.3 执行器执行器 .72.42.4 变送器变送器 .82.52.5 检测元件检测元件 .9三三 把握系统仪表配接图及说明把握系统仪表配接图及说明.9 93.13.1 把握系统仪表配接说明把握系统仪表配接说明 .9四四 加热炉炉温把握系统仿真

6、结果分析加热炉炉温把握系统仿真结果分析.10104.14.1 依据已知数据画出单位阶跃曲线依据已知数据画出单位阶跃曲线 .104.24.2 炉温单回路把握仿真炉温单回路把握仿真 .10五五 参考文献参考文献.1313欢迎下载绪论温度把握系统在国内各行各业的应用虽然已经格外广泛，但从国内生产的温度把握器来讲，总体进展水平仍旧不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍旧有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”把握及常规的 PID把握器为主，它们只能适应一般温度系统把握，而用于较高把握场合的智能化、自适应把握仪表，国内技术还不格外成熟，形成商品化并广泛应用的把握仪表较少。随着我国经济的进展及加入

7、 WTO，我国政府及企业对此都格外重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性争辩，使我国仪表工业得到了快速的进展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机进展格外快速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费劲，而且精度差，单片机的消灭使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所接受的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，把握温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和接受的把握方法也不相同。传统的

8、把握方式已不能满足高精度，高速度的把握要求，如温度把握表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过把握接触器的通断时间比例来达到转变加热功率的目的，受仪表本身误差和沟通接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速进展了多种先进的温度把握方式，如：PID 把握，模糊把握，神经网络及遗传算法把握等。这些把握技术大大的提高了把握精度，不但使把握变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为 2s，开环增益 k=10，温度把握范围为 50150。欢迎下载一 对象模型的建立1.1

9、数学模型概念 把握系统的数学模型在把握系统的争辩中有着相当重要的地位，要对系统进行仿真处理，首先需要知道系统的数学模型，而后才有可能对系统进行仿真。同样，只有知道系统模型，才有可能在此基础上设计一个合适的把握器，使系统响应达到预期效果，满足实际的工程需要。 在线性系统理论中，常用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型） 、状态方程模型（系统的内部模型） 、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。 微分方程是把握系统模型的基础，一般来讲，利用机械学、电学、力学等物理规律便可以得到把握系统的动态方程，这些方程对于线性定常连续系统而言是一种常系数的微分

10、方程。 把握系统动态微分方程的建立基于以下两个条件：（1）在给定量产生变化或扰动消灭之前，被控量的各阶导数都为零，即系统是处于平衡状态的，因此，在任一瞬间，由各种不同环节组成的自动把握系统用几个独立变量就可以完全确定系统的状态。（2）建立的动态微分方程式是以微小增量为基础的增量方程，而不是其确定值的方程，因此，当消灭扰动和给定量产生变化时，被控量和各独立变量在其平衡点四周将产生微小的增量，微分方程式描述的是微小偏差下系统运动状态的增量方程，不是运动状态变量的确定值方程，也不是大偏差范围内的增量方程。动态微分方程描述的是被把握量与给定量或扰动量之间的函数关系，给定量和扰动量可以看成系统的输入量，

11、被把握量看成输出量。建立微分方程时，一般从系统的环节着手，先确定各环节的输入量和输出量，以确定其工作状态，并建立各环节的微分方程，而后消去中间变量，最终得到系统的动态微分方程。动态系统数学模型有多种表达形式，可以是微分方程、差分方程，也可以是传递函数、状态方程。微分方程描述的系统模型，通过求解微分方程，可以得到系统随时间变化的规律，比较直观。但是，当微分方程阶次较高时，微分方程的求解变得格外困难，不易实现，而接受拉氏变换就能把问题的求解从原来的时域变换到复频域，把微分方程变为代数方程，而代数方程的求解通常是比较简洁的，求解代数方程后，再通过拉式反变换得到微分方程的解。传递函数是在拉式变换的基础

12、上，以系统本身的参数所描述的线性定常系统输入量和输出量的关系式，它表达了系统内在的固有特性，而与输入量或驱动函数无关。它可以是有量纲的，也可以是无量纲的，视系统的输入量、输出量而定，它包含着联系输入量与输出量所需要的量纲。它通常不能表明系统的物理特性和物理结构，很多物理性质不同的系统却有着相同的传递函数，正如一些不同的物理现象可以用相同的微分方程描述一样。加热炉具有大滞后、大惯性的特点，将加热炉简化为一个带有纯滞后的一阶惯性环节，则温度对象传递函数为： （1-1）( )1KeG STS-s欢迎下载此外，燃料流量对象和空气流量对象本设计将把它们近似看成一阶惯性环节，相应的传递函数如下： 燃料流量

13、对象传递函数： （1-2）( )1KG STS空气流量对象传递函数： （1-3）( )1KG STS1.21.2 系统各装置数学模型的建立系统各装置数学模型的建立1.PID 调整器数学模型的建立在温度 PID 调整器中，有比例、积分、微分三个环节，比例、积分、微分在 PID 调整器中的作用如下：P 调整器的输出与输入成比例关系，只要有偏差存在，调整器的输出马上与偏差成比例的变化，因此比例调整作用准时快速，这是它的一个显著特点。但是这种调整器用在把握系统中，将会使系统消灭余差。也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不行能再回到原先数值上，由于假如被控变量值和给定值之间的偏差为零，调整器的

14、输出不会发生变化，系统也就无法保持平衡。为了减小余差，可增大 Kp。Kp 越大，余差也越小。但是 Kp 增大将使系统的稳定性变差，简洁产生振荡。P 调整器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。具有比例积分运算规律的调整器为 PI 调整器。对 PID 调整器而言，当微分时间 TD=0 时，调整器呈 PI 调整特性。只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消退，调整器的输出才稳定下来。这就是积分作用能消退余差的缘由。TI越短，积分速度越快，积分作用就越强。由于积分输出是随时间积累而渐渐增大的，故积分动作缓慢，这样会造成调整不准时，使系统稳定裕度下降。因此积分作用一般不单独使用，而是

15、与比例作用组合起来构成PI 调整器，用于把握系统中。微分作用是依据偏差变化速度进行调整。即使偏差很小，只要消灭变化趋势，就有调整作用输出，故有超前调整之称。在温度、成分等把握系统中，往往引入微分作用，以改善把握过程的动态特性，不过在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，故微分作用也不能单独使用。比例调整作用准时快速，积分的作用是为了消退静态误差和稳定把握对象的作用，微分的作用是为了克服加热炉的大惯性。则温度 PID 调整器的传递函数表示如下： （1-4）1)(TSKSKKSGdip空气和燃料流量 PID 调整器设为纯比例，即（Kp） 。欢迎下载假如系统接受一个阶跃信号，此时执行器由一个开度变化成另

16、一开度，那么中间就有一个过渡过程，但过渡过程时间通常比较短。所以，可以将其传递函数近似为一阶惯性环节，如下： （1-5）( )1KG STS由于时间常数比较小，在要求不是很精确的场合也可以近似为比例。检测和变送装置把输入信号和输出信号看成线性化，在此作为一个比例环节来对待。由于加热炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，被控对象传递函数可表示为： （1-6）1fscfKGTse 式中 Kf被控对象的放大系数; Tf被控对象的时间常数; 纯滞后时间。考虑被控对象为加热炉炉温，因此取 Kf= 1: Tf =3 , =3 所以加热炉的传递函数为： 二二 仪表选型仪表选型2.12.1 单回路系统选择

17、原则单回路系统选择原则单回路把握系统选择被控参数时要遵循以下原则：在条件许可的状况下，首先应尽量选择能直接反应把握目的的参数为被控参数；其次要选择与把握目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；所选的被控参数必需有足够的变化灵敏度。故在本系统中选择物料的出口温度 作为被控参数。工业过程的输入变量有两类：把握变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使把握系统重新稳定运行的因素。而把握参数选择的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为把握参数； 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为把握参数，以便易于把握； 在的基

18、础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为把握参数，使把握系统响应较快； 故本系统选择燃料的流量 Qg 量作为把握参数。对温度的把握算法, 接受技术成熟的PID 算法, 对于时间常数比较大的系统来说, 其近似于连续变化, 因此用数字PID 完全可以得到比较好的把握效果。简洁的比例调整器能够反应很快, 但不能完全消退静差, 把握不精确, 为了消退比例调整器中残存的静差, 在比例调整器的基础上加入积分调整器, 积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果, 在差不变的状况下, 积分器还在输出直到误差为零, 因此加入积分调整器相当于能自动调整把握常量, 消退静差, 欢迎下载使系统趋于稳定。积分器虽然能

19、消退静差, 但使系统响应速度变慢。 进一步改进调整器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差, 并对误差的变化作出响应, 于是在PI调整器的基础上再加上微分调整器, 组成比例、积分、微分( PID)调整器, 微分调整器的加入将有助于减小超调, 克服振荡, 使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度,缩短调整时间, 从而改善了系统的动态性能, 其把握规律的微分方程为: (1-7)1(YPdtdXTXdtTXKDI传递函数为： (1-8)11 ()(GsTsTKsDIP用 PID 把握算法实现加热炉温度把握是这样一个反馈过程: 比较实际物料出口温度和设定温度得到偏差, 通过对偏差的处理获得把握信号,

20、再去调整加热炉的燃料流量, 从而实现对炉温的把握。图 2-1 电动 III 型调整器构成方框图2.22.2 调整器调整器 实现 PID 算法的把握仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动 I 型、II型、III 型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的把握仪表有电动 II 型、III 型。在串级把握系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。电动III 型和电动 II 型仪表就其功能来说基本相同，但是其把握信号不相同，把握II 型典型信号为，而电动 III 型仪表的典型信号为，mADC100mADC204此外。III 型仪表较 II 型仪表操作、维护更为便利、简捷，同时 III 型仪表还欢迎下

21、载具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换格外便利，随时都可以进行切换，且保证无扰动。 作用方式选择：对于单回路把握系统，调整器正、反作用的选择要依据把握系统所包括的各个环节的状况来确定，这样只要依据被控参数与变送器放大倍数的符号及整个把握回路开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定调整器的正、反作用。在本系统中，被控参数的放大倍数为的符号为“正” ，所以调整器应选“负”作用即反作用。本系统接受的 DDZ-III 型 PID 调整器 TDM-400。其主要技术参数见下表：表 2-1 DDZ-III 型 PID 调整器性能指标DDZ-III 型调整器接线端子如下图所示：图 2-2 DDZ-II

22、I 型调整器 TDM-400 接线端子图名称性能输入信号1-5V 直流电压外给定信号4-20mA 直流电流（输入电阻 250）输出信号4-20mA 直流电流负载电阻250-750输入与给定指示0-100%，指示误差为1.0%输出信号指示0-100%，指示误差为2.5%整定参数（F=1 状况下）比例带 Xp=2-500%连续可调，最大值刻度误差2.5%；积分时间 Ti 有两档 0.01-2.5 分与 0.1-25 分。分别连续可调，最大值与最小值刻度误差为%；2550微分时间 Td=0.04-10 分，连续可调，最大刻度误差为%2550干扰系数 FIT/T1FD积分增益 KdKd10闭环跟踪误差

23、%5 . 0欢迎下载2.32.3 执行器执行器 执行器在把握系统中的作用是接受来自把握器的把握信号，通过其本身开度的变化，从而达到把握流量的目的。执行器在结构上分为执行机构和调整机构。其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。调整阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素： 生产平安角度：当气源供气中断，或调整阀出故障而无输出等状况下，应当确保生产工艺设备的平安，

24、不至发生事故； 保证产品质量：当发生把握阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低； 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； 从介质的特点考虑。综合以上各种因素，在加热炉温度把握系统中，执行器的调整阀选择气开阀：执行机构接受正作用方式，调整机构正装以实现气开的气动薄膜调整蝶阀。图 2-3 电/气阀门定位器和气动调整阀组成的系统框图 调整阀的流量特性：调整阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调整欢迎下载阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调整阀的流量特性选择等百分比特性。调整阀的口径：调整阀的口径的大小，直接打算着把握介质流过它的力量。为了保证系统有较好的

25、流通力量，需要使把握阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。1.本系统选用电/气阀门定位器 ZPD-01 和薄膜气动调整阀 ZMBS-16K。其主要技术参数见下表：表 2-3 ZPD-01 参数表名称性能输入信号4-20mADC输出信号0-0.14MPa2.42.4 变送器变送器变送器在自动检测和把握系统中的作用，是对各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、记录或把握之用。无论是由模拟仪表构成的系统，还是由计算机把握装置构成的系统，变送器都是不行缺少的环节，猎取精确和牢靠的过程参数值是进行把握的基础。 本系统中的变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。

26、其中较为常用的有模拟式温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器三种，本系统接受典型模拟式温度变送器中的 DDZ-III 型热电偶温度变送器，属平安火花型防暴仪表，还可以与作为检测元件的热电偶相协作，将温度信号线性的转换成统一标准信号。 DDZ-类仪表相对于 DDZ-类仪表的一个优点是电流范围不是从零开头，这样就避开了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择 DDZ-型 K 型热电偶温度变送器。本系统选择型号为 HR-WP-20-1TC20K-W 的单输入单输出热电偶温度变送器。主要特点有：全智能、数字化、可编程；环境温度、零点、满幅自动补偿；符合国际电工委员会 IEC61000 相

27、关抗电磁干扰标准。其主要技术参数见下表：表 2-4 热电偶温度变送器参数表欢迎下载2.52.5 检测元件检测元件温度的测量方式有接触式测温存非接触式测温两大类。本系统选择接触式测温元件。其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，由于系统对温度的要求不是很高，一般的测温元件即可满足要求，故选择 K 型热电偶作为测温元件，其电路原理图如下图所示：、图 2-5 热电偶电路原理图三 把握系统仪表配接图及说明把握系统仪表配接图及说明3.13.1 把握系统仪表配接说明把握系统仪表配接说明 接线图主要由接线板 W、温度变送器 K（HR-WP-20-1TC20K-W） 、电动 III型调整器 T（TDM-400） 、电/气阀门定位器 Z（ZPD-01）和气动薄膜调整阀S（ZMBS-16K）五个部分组成。K 型热电偶的输出接入温度变送器 HR-WP-20-1TC20K-W 的输入信号端 K1(-） ，K2(+)；变送器输出信号由 K9(+)，K10(-)端子接至电动 III 型调整器 TDM-400 的输入信号端 T1(+)，T2(-)；调整器的输出信号由 T13(+)，T14(-)端子接至电/气阀门定位器 ZPD-01 的输入信号端子 Z1(+)，名称性能系统传输精确度0.5%F.S（可订制0.2%）冷端温度补偿精确度1（预热时间 30 分钟）输入阻抗电