某加热炉温度控制 过程控制

1、学号天津城建大学过程控制课程设计设计说明书某加热炉温度控制起止日期： 2014年 月 23日至 2014 年6月 27日学生姓名成绩指导教师（签字）控制与机械工程学院20 14年6月27 日天津城建大学课程设计任务书2013 -20 1 4学年第2学期控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级 13电气1 1班姓名 学号课程设计名称:过程控制设计题目:某加热炉温度控制完成期限：自 2 0 14 年6 月 23 日至 2014 年 6 月27日共周设计依据、要求及主要内容:（2）根据辨识结果设计符合要求得控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）;（3）根据设计方案选择相应得控制仪表；（4）对

2、设计得控制系统进行仿真，整定运行参数。二、设计要求采用MATLAB仿真;需要做出以下结果：(1)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)第二个波峰值(7)衰减比(8)衰减率(9)振荡频率(10)全部P、I、D得参数(11)PID得模型(12)设计思路三、设计报告课程设计报告要做到层次清晰，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、参考资料何衍庆.工业生产过程控制（1版）.北京:化学工业出版社,2004邵裕森.过程控制工程.北京:机械工业出版社2 000过程控制教材指导教师（签字）:教研室主任（签字）:批准日期:年月摘 要在工业生产中必然地

3、要求对加热炉内得温度进行有效得控制，使之保持在某 一特定得范围内。而温度得维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。加热炉燃烧过程 就是受随机因素干扰得，具有大惯性、纯滞后得非线性过程。本设计针对加热炉燃烧控制系统,主要介绍得控制方案有单回路控制系统、 串级比值控制系统、单交叉限幅控制系统、双交叉限幅控制系统，并对每一种控 制方案进行了理论分析。运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面得 仿真与性能分析。通过分析比较可以得出结论,双交叉限幅对加热炉温度得控制 优于其它得控制方案。双交叉限幅得炉温控制系统使煤气流量与空气流量相互限 制,既防止了燃烧中冒黑烟，也防止了空气过剩，达到控制加热炉温度，提

4、高煤气燃 烧率,避免环境污染等目得。关键词:加热炉;单交叉限幅控制;双交叉限幅控制;MAT LAB仿真目录绪论1。一对象模型得建立2，1、1数学模型概念 21、2系统各装置数学模型得建立3,二仪表选型4，2、1单回路系统选择原则4，2、2调节器5， TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 2、3执行器7 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 2、4变送器82、5 检测元件9， HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 三控制系统仪表配接

5、图及说明93、1控制系统仪表配接说明9， HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 四加热炉炉温控制系统仿真结果分析104、1根据已知数据画出单位阶跃曲线104、2炉温单回路控制I仿真 10五参考文献13绪论温度控制系统在国内各行各业得应用虽然已经十分广泛，但从国内生产得温 度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比， 仍然有着较大得差距。成熟得温控产品主要以“点位”控制及常规得PID控制 器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合得智能化、自适 应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用得控制仪表较

6、少。随 着我国经济得发展及加入WTO,我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资 源进行了重组，相继建立了一些国家、企业得研发中心，开展创新性研究，使我 国仪表工业得到了迅速得发展。随着新技术得不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应 用为主得新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机得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。传统得温度采集方法不仅费时费力， 而且精度差，单片机得出现使得温度得采集与数据处理问题能够得到很好得解 决。温度就是工业对象中得一个重要得被控参数。然而所采用得测温元件与测量 方法也不相同；产品得工艺不同，控制温度得精度也不相同。因此对数

7、据采集得 精度与采用得控制方法也不相同。传统得控制方式已不能满足高精度，高速度得 控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点就是温度波动范围大，由于它主 要通过控制接触器得通断时间比例来达到改变加热功率得目得，受仪表本身误差 与交流接触器得寿命限制,通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进得温度 控制方式，如：PID控制，模糊控制,神经网络及遗传算法控制等。这些控制技 术大大得提高了控制精度,不但使控制变得简便，而且使产品得质量更好，降低了 产品得成本，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 为一阶惯性环节与一阶积分环节得组合，惯性时间常数为2s，开环增益k=10,温 度

8、控制范围为50150C。一对象模型得建立1、1数学模型概念控制系统得数学模型在控制系统得研究中有着相当重要得地位，要对系统 进行仿真处理，首先需要知道系统得数学模型，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得控制器，使系统响 应达到预期效果，满足实际得工程需要。在线性系统理论中，常用得数学模型形式有：传递函数模型（系统得外部模 型）、状态方程模型（系统得内部模型）、零极点增益模型与部分分式模型等。这 些模型之间都有着内在得联系,可以相互进行转换。微分方程就是控制系统模型得基础，一般来讲，利用机械学、电学、力学等 物理规律便可以得到控制系统得动态方程，

9、这些方程对于线性定常连续系统而言 就是一种常系数得微分方程。控制系统动态微分方程得建立基于以下两个条件：（1）在给定量产生变化或扰动出现之前，被控量得各阶导数都为零，即系统 就是处于平衡状态得，因此,在任一瞬间，由各种不同环节组成得自动控制系统用 几个独立变量就可以完全确定系统得状态。(2)建立得动态微分方程式就是以微小增量为基础得增量方程，而不就是其 绝对值得方程，因此，当出现扰动与给定量产生变化时，被控量与各独立变量在其 平衡点附近将产生微小得增量，微分方程式描述得就是微小偏差下系统运动状态 得增量方程，不就是运动状态变量得绝对值方程，也不就是大偏差范围内得增量 方程。动态微分方程描述得就

10、是被控制量与给定量或扰动量之间得函数关系，给定 量与扰动量可以瞧成系统得输入量,被控制量瞧成输出量。建立微分方程时，一般 从系统得环节着手，先确定各环节得输入量与输出量，以确定其工作状态，并建立 各环节得微分方程，而后消去中间变量，最后得到系统得动态微分方程。动态系统数学模型有多种表达形式，可以就是微分方程、差分方程，也可以就 是传递函数、状态方程。微分方程描述得系统模型，通过求解微分方程，可以得到 系统随时间变化得规律，比较直观。但就是，当微分方程阶次较高时，微分方程得 求解变得十分困难，不易实现，而采用拉氏变换就能把问题得求解从原来得时域 变换到复频域，把微分方程变为代数方程，而代数方程得

11、求解通常就是比较简单 得，求解代数方程后，再通过拉式反变换得到微分方程得解。传递函数就是在拉式变换得基础上，以系统本身得参数所描述得线性定常系 统输入量与输出量得关系式，它表达了系统内在得固有特性，而与输入量或驱动 函数无关。它可以就是有量纲得，也可以就是无量纲得，视系统得输入量、输出 量而定，它包含着联系输入量与输出量所需要得量纲。它通常不能表明系统得物 理特性与物理结构，许多物理性质不同得系统却有着相同得传递函数，正如一些 不同得物理现象可以用相同得微分方程描述一样。加热炉具有大滞后、大惯性得特点，将加热炉简化为一个带有纯滞后得一阶 惯性环节，则温度对象传递函数为：(1_ 1)此外，燃料流

12、量对象与空气流量对象本设计将把它们近似瞧成一阶惯性环 节，相应得传递函数如下：燃料流量对象传递函数：(1- 2 )空气流量对象传递函数：(1-3)1、2系统各装置数学模型得建立1、PID调节器数学模型得建立在温度PID调节器中,有比例、积分、微分三个环节，比例、积分、微分在 PID调节器中得作用如下：P调节器得输出与输入成比例关系，只要有偏差存在，调节器得输出立刻与 偏差成比例得变化,因此比例调节作用及时迅速，这就是它得一个显著特点。但 就是这种调节器用在控制系统中，将会使系统出现余差。也就就是说，当被控变 量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值 与给定值之间得

13、偏差为零,调节器得输出不会发生变化，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。但就是Kp增大将使系统得稳 定性变差，容易产生振荡。P调节器一般用于干扰较小，允许有余差得系统中。具有比例积分运算规律得调节器为PI调节器。对PID调节器而言，当微分时 间Td=0时，调节器呈P I调节特性。只要偏差存在，积分作用得输出就会随时间不 断变化，直到偏差消除，调节器得输出才稳定下来。这就就是积分作用能消除余差 得原因T越短,积分速度越快，积分作用就越强。由于积分输出就是随时间积 累而逐渐增大得，故积分动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。 因此积分作用一般不单独

14、使用，而就是与比例作用组合起来构成PI调节器，用于 控制系统中。微分作用就是根据偏差变化速度进行调节。即使偏差很小，只要出现变化趋 势，就有调节作用输出，故有超前调节之称。在温度、成分等控制系统中，往往引 入微分作用,以改善控制过程得动态特性，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。比例调节作用及时迅速，积分得作用就是为了消除静态误差与稳定控制对象 得作用，微分得作用就是为了克服加热炉得大惯性。则温度P ID调节器得传递函 数表示如下：(1-4)空气与燃料流量PID调节器设为纯比例，网Kp)。如果系统接受一个阶跃信号，此时执行器由一个开度变化成另一开度，那么 中间就

15、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)因为时间常数比较小，在要求不就是很精确得场合也可以近似为比例。检测与变送装置把输入信号与输出信号瞧成线性化，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与带纯滞后得一阶对象,被控对象传递 函数可表示为：(1-6) 式中Kf一被控对象得放大系数；Tf一被控对象得时间常数；T一纯滞后时间。考虑被控对象为加热炉炉温，因此取炬=1： Tf =3，t=3所以加热 炉得传递函数为：二仪表选型2、1单回路系统选择原则单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则:在条件许可得情况下，首 先应尽量选

16、择能直接反应控制目得得参数为被控参数;其次要选择与控制目得有 某种单值对应关系得间接单数作为被控参数;所选得被控参数必须有足够得变化 灵敏度。故在本系统中选择物料得出口温度。作为被控参数。工业过程得输入变量有两类：控制变量与扰动变量。其中，干扰时客观存在 得，它就是影响系统平稳操作得因素，而操纵变量就是克服干扰得影响，使控制系统重新稳定运行得因素。而控制参数选择得基本原则为：选择对所选定得被控变量影响较大得输入变量作为控制参数；在以上前提下，选择变化范围较大得输入变量作为控制参数，以便易于 控制；在得基础上选择对被控变量作用效应较快得输入变量作为控制参数， 使控制系统响应较快；故本系统选择燃料

17、得流量Qg量作为控制参数。对温度得控制算法，采用技术成熟得PID算法，对于时间常数比较大得系 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得控制效 果。简单得比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了 消除比例调节器中残存得静差，在比例调节器得基础上加入积分调节器，积分 器得输出值大小取决于对误差得累积结果，在差不变得情况下，积分器还在输 出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静1-5V*输入电路Fl电路4-2 OmA硬手操电路软手操电路-内5给定4-20 mA口外给 定差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。

18、进一步改进调节器得方法就是通过检测信号得变化率来预报误差，并对误 差得变化作出响应，于就是在PI调节器得基础上再加上微分调节器，组成比 例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器得加入将有助于减小超调，克服 振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统得稳定速度，缩短调整时间，从而改善 了系统得动态性能，其控制规律得微分方程为：(1 7)传递函数为：(1-8)用PID控制算法实现加热炉温度控制就是这样一个反馈过程：比较实际物料 出口温度与设定温度得到偏差，通过对偏差得处理获得控制信号，再去调节加 热炉得燃料流量，从而实现对炉温得控制。图2-1电动III型调节器构成方框图2v 2调节器实现PI D算法得

19、控制仪表得主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或就是基地就是仪表等。常用得控制仪表有电动I I型、III型。在串级控制系统中，选用得仪表不同，具体得实施方案也不同。 电动III型与电动II型仪表就其功能来说基本相同,但就是其控制信号不相同， 控制II型典型信号为，而电动III型仪表得典型信号为，此外III型仪表较 II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善得跟踪、保 持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。 作用方 式选择：对于单回路控制系统，调节器正、反作用得选择要根据控制系统所包括 得各个环节得情况来确定，这样只要

20、根据被控参数与变送器放大倍数得符号及整 个控制回路开环放大倍数得符号为“负”得要求，就可以确定调节器得正、反作 用。在本系统中，被控参数得放大倍数为得符号为“正”，所以调节器应选“负” 作用即反作用。本系统采用得DDZ-III型PID调节器TDM-4 0 0。其主要技术参数见下表：表2-1 DDZ-III型PI D调节器性能指标名称性能输入信号1-5V直流电压外给定信号4-20mA直流电流（输入电阻2 5 0Q）输出信号4-20mA直流电流负载电阻250Q-750Q输入与给定指示0-100%,指示误差为1、0%输出信号指示0-10 0%,指示误差为2、5%整定参数（F= 1情况下）比例带Xp=

21、 2 500%连续可调，最大值刻度误差2.5%; 积分时间Ti 有档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；微分时间Td = 0、0 4-10分，连续可调,最大刻度误差 为干扰系数F积分增益KdKd10闭环跟踪误差DDZ-II I型调节器接线端子如下图所示:图2-2 DDZ-I II型调节器TDM-40 0接线端子图2、3执行器执行器在控制系统中得作用就是接受来自控制器得控制信号，通过其本身 开度得变化，从而达到控制流量得目得。执行器在结构上分为执行机构与调节机构。其中执行机构包括气动、电动与 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

22、泛得就是 气动薄膜执行机构，因此执行机构得选择主要就是指对气动薄膜执行机构与电动 执行机构得选择，由于气动执行机构得工作温度范围较大，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。调节阀得开、关形式需要考虑到以下几种因素：生产安全角度:当气源供气中断,或调节阀出故障而无输出等情况下，应 该确保生产工艺设备得安全，不至发生事故；保证产品质量:当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时,产品得 质量不应降低；尽可能得降低原料、产品、动力损耗；从介质得特点考虑。综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器得调节阀选择气开阀: 执行机构采用正作用方式,调节机构正装以实现气开得

23、气动薄膜调节蝶阀。图2-3 电/气阀门定位器与气动调节阀组成得系统框图调节阀得流量特性:调节阀得流量特性得选择,在实际生产中常用得调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性与快开特性四种，在本系统中执行器得调节 阀得流量特性选择等百分比特性。调节阀得口径:调节阀得口径得大小，直接决定着控制介质流过它得能力。 为了保证系统有较好得流通能力，需要使控制阀两端得压降在整个管线得总压降 中占有较大得比例。1.本系统选用电/气阀门定位器ZPD-01与薄膜气动调节阀ZMBS16K。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42OmADC输出信号0 0、14MPa2、4变送器变送器在自动

24、检测与控制系统中得作用,就是对各种工艺参数，如温度、压力、 流量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、记录或控制之用。无论就是由 模拟仪表构成得系统，还就是由计算机控制装置构成得系统,变送器都就是不可缺 少得环节，获取精确与可靠得过程参数值就是进行控制得基础。本系统中得变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。其中较为常用得 有模拟式温度变送器、一体化温度变送器与智能式温度变送器三种，本系统采用 典型模拟式温度变送器中得DDZ- III型热电偶温度变送器，属安全火花型防暴仪 表，还可以与作为检测元件得热电偶相配合，将温度信号线性得转换成统一标准 信号。DDZ-III类仪表相对于DDZ-II类

25、仪表得一个优点就是电流范围不就是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常 工作误认为就是输出为零，所以应选择DDZ-III型K型热电偶温度变送器。本系统 选择型号为HR-WP2O1TC2 0KW得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IEC6 1 0 OO相关抗电磁干扰标准。其主要技术参数见下表：表2-4热电偶温度变送器参数表名称性能系统传输准确度0、5%XF、S（可订制0、2%）冷端温度补偿准 确度1C（预热时间3 0分钟）输入阻抗电流一1 O0Q;电压一 5 00KQ电流输出允许外 接得负载阻抗42OmAW35OQ;

26、010mAW700Q温度漂移0、005%F、S/C工作环境温度-10+55C供电电源直流,DC24V10%;交流,AC952 6 5V2、5检测元件温度得测量方式有接触式测温与非接触式测温两大类。本系统选择接触式测 温元件。其中较为常用得有热电偶、热电阻与集成温度传感器三种，由于系统对 温度得要求不就是很高，一般得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 控制系统仪表配接图及说明3、1控制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-20-1TC2 0K-W)、电动I II型调节器T (TDM-4 0 0 )、电/气阀门定位器Z (ZPD-0 1 )与气动薄膜调节 阀S ( ZMBS - 16K )五个部分组成。K型热电偶得输出接入温度变送器 HR-WP-20-1TC2 0 K-W得输入信号端K1 (-), K2( + );变