加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计..docx

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1、二九二一 学年第 一 学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称： 过程掌握与集散系统课程设计 班 级： 自动化 2023 级2班 学号： 202304134045 姓 名： 张 力 指导教师： 黄卫华2023年 十一月加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计 设计题目图所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到肯定温度，然后送到下道工序进展加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，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整阀，用以掌握燃料油流量，以到达掌握出口温度的目的。被加热物料图 1 加热炉

2、出口温度系统但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反响掌握系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高掌握质量，承受串级掌握系统，运用副回路的快速作用，有效地提高掌握质量，满足生产要求。设计要求1、绘制加热炉出口温度单回路反响掌握系统构造框图。2、以加热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掌握系统，要求绘制该串级掌握系统构造图。G01(s)=1(5s+1)(Xs+1)，其中1(s+1)，主、副掌握 3、假设主对象的传递函数为 X=10+0.1(学号后三位-8)0*,副对象的传递函数为 G02(s)= Gc1(s)=Kc1(1+器的

3、传递函数分别为 1)TIs，Gc2(s)=Kc2，Gv(s)=Kv,Gm1(s)=Gm2(s)=1，请确定主、副掌握器的参数要求写出具体的参数估算过程。第 1 页 共 8 页加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力4、利用 simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。5、依据两种系统仿真结果分析串级掌握系统的优缺点设计方案一、 加热炉出口温度单回路反响掌握系统构造框图图 2 加热炉出口温度单回路反响掌握系统构造框图二、 串级掌握系统加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，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整阀，用以

4、掌握燃料油流 量，以到达掌握出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多， 比方原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反响掌握系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高掌握质量，承受串级掌握系统，运用副回路的快速作用，以加热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掌握系统有效地提高掌握质量，以满足工业生产的要求。图 3 加热炉出口温度串级掌握系统构造图串级掌握系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值， 由主、副调整器通过掌握作用抑制扰动，使系统恢复到的稳定状态的过渡过 程。由加热炉出口温度串级掌握系统构造图可

5、绘制出其构造方框图，如图 4第 2 页 共 8 页加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力所示。图 4 加热炉出口温度串级掌握系统构造方框图三、 主、副掌握器参数整定及 Simulink 仿真主掌握器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标温度，允许波动的范围很小，一般要求无余差，主掌握器应选 PI 掌握规律。副被控变量的设置是为了保证主被控变量的掌握质量，提高系统的反响速度，提高掌握质量，可以允许在肯定范围内变化，允许有余差，因此副掌握器只要选 P 掌握规律就可以了。在工程实践中，串级掌握系统常用的整定方法有以下三种：逐步靠近法；两步整定法；一步整定法。逐步靠近法费时费力，在实际中很少使用

6、。两步整定法虽然比逐步靠近法简化了调试过程，但还是要做两次 4：1 衰减曲线法的实测。对两步整定法进展简化，在总结实践阅历的根底上提出了一步整定法。为了简便起 见，本设计承受一步整定法。所谓一步整定法，就是依据阅历先确定副调整器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反响掌握系统的整定方法整定主调整器的参数。具体的整定步骤为：（1） 在工况稳定，系统为纯比例作用的状况下，依据 K02/20.5 这一关系式， 通过副过程放大系数 K02，求取副调整器的比例放大系数 2 或按阅历选取，并将其设置在副调整器上。（2） 依据单回路掌握系统的任一种参数整定方法来整定主调整器的参数。（3） 转变

7、给定值，观看被掌握量的响应曲线。依据主调整器放大系数 K1 和副调整器放大系数 K2 的匹配原理，适当调整调整器的参数，使主参数品质最正确。（4） 假设消灭较大的振荡现象，只要加大主调整器的比例度 或增大积分时间常数 TI，即可得到改善。对于该温度串级掌握系统，在肯定范围内，主、副掌握器的增益可以相互匹配。依据表 1，可以大致确定副掌握器的增益 Kc2 及比例带。第 3 页 共 8 页加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力依据本设计，适中选取 Kc2=3.5整定时可以依据具体状况再做适当调整。然后在副回路已经闭合的状况下按单回路掌握器参数整定方法整定主掌握器，本方案承受衰减曲线法整定，考

8、虑到 4：1 衰减太慢，因此承受 10：1 衰减曲线法整定主掌握器参数。一般地取 Kv=1,将 X=45学号最终三位带入可计算出主对象的传递函数。 衰减曲线法是在闭环系统中，先把调整器设置为纯比例作用，然后把比例度由大渐渐减小，加阶跃扰动观看输出响应的衰减过程，直至 10：1 衰减过程为止。这时的比例度称为 10：1 衰减比例度，用 S 表示之。相邻两波峰间的距离称为 10：1 衰减周期 TS。依据 S 和 TS，运用表 2 所示的阅历公式，就可计算出调整器预整定的参数值。衰减曲线法的第一步就是猎取系统的衰减曲线，承受 10：1 衰减曲线法。在Simulink 中，如图 5，把积分输出线断开，

9、Kc1 的值从大到小进展试验，观看示波器的输出，直到输出 10：1 衰减振荡曲线为止。图 6 即为系统 10：1 衰减曲线。图 5 串级系统 Simulink 模型未连积分输出线时 第 4 页 共 8 页加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力当 Kc1=7.7 时，在 t1=8.1 时消灭第一峰值，为 1.15；在 t2=23.8 时消灭其次峰值，为 0.89，曲线稳定值为 0.86，可计算出衰减度为1.15-0.86：0.89- 0.86=10：1。因此，当 Kc1=7.7 时，系统消灭 10：1 衰减振荡，且 Ts=t2- t1=23.8-8.1=15.7,依据表 2 可知，积分时间

10、常数 Ti=2Ts=31.4。图 6 串级系统 10：1 衰减振荡曲线将 Kc1 的值设置为 7.7，1/Ti 的值设置为 1/31.4=0.032，将积分器的输出连线连上，如图 7 所示，运行仿真后，得到如图 8 所示的结果，它即为 PI 掌握时系统的单位阶跃响应。依据结果可知，参数整定后系统到达比较抱负的效果。第 5 页 共 8 页加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力图 7 系统 Simulink 模型积分输出线连上时图 8 系统 PI 参数整定后的单位阶跃响应曲线综上可知，主、副掌握器参数整定结果为：Kc1=7.7,Kc2=3.5,Ti=31.4，Kv=1。第 6 页 共 8 页

11、加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力四、单回路系统和串级系统仿真输出响应曲线比照图 9 单回路掌握系统 Simulink 模型图 10 单回路掌握系统阶跃响应输出曲线图 8 与图 10 即分别为串级掌握系统和单回路掌握系统阶跃响应输出曲线五、串级掌握系统性能分析图 8 与图 10 比较可知，串级系统输出曲线第一峰值消灭时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增加。串级系统输 第7 页 共 8 页加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计张力出曲线的调整时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增加了系统的稳定性。对串级掌握系统和单回路掌握

12、系统阶跃响应输出曲线比照可知，串级掌握系统由于增加了副掌握回路，使掌握系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应力量都得到明显改善。其性能可归纳为：1、可以显著提高系统对二次扰动的抑制力量，甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路抑制了。由于副回路调整作用的加快，整个系统的调整作用也加快，对一次扰动的抑制力量也得到提高。2、提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主掌握器的比例带可以更窄，从而提高了系统工作频率。3、提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括掌握阀在内的副对象的 特性，削减了时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能得到明显改善。4、对负荷干扰或操

13、作条件的变化有肯定的自适应力量。包括掌握阀在内的副对 象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地减弱。但串级掌握系统也存在一些缺乏：只有当中间变量能够检测出来时，才可能承受串级掌握系统，但很多过程在构造上是不简洁以这种方式加以分割的；串级掌握系统比单回路掌握系统需要更多的仪表，串级掌握系统的投放和整定也比单回路掌握系统简单些。在实际生产中，假设是单回路掌握系统能够解决的问题，就不肯定非要承受串级掌握系统方案，一般当单回路掌握方案质量达不到实际要求 时，才考虑承受串级掌握系统。设计心得此次课程设计加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统设计，使用到了过程控制系统很多方面的学问，包括串级掌

14、握系统分析、建模与仿真，串级掌握系统整定方法，PID 调整器的参数工程整定，串级掌握系统的性能分析等。刚开头设计时，在主、副掌握器选择上，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，主掌握器选了 PI 掌握。副掌握器直接承受了 P 掌握，考虑到假设引入积分掌握可能反而会降低副回路的快速性，降低掌握效果。在串级系统整定时，开头预备用逐步靠近法，以为这种方法可以将系统调试到接近最优状态，但经过实际操作，觉察这种方法很繁琐，费时费力，就考虑使用实践中常用的一步整定法，操作后感觉不仅操作简便，而且也可以到达满足效果， 很适合本次系统设计。在 PID 参数整定时，也是用到了比较常用的衰减曲线法。通过此次课程设计，让我对过程掌握理论学问在实际应用中有了比较深刻的认 识，提高了理论学问的学习，也检查了自己存在的缺乏之处。本次设计虽然设计思路大体上是正确的，但在细节处理方面多多少少存在一些问题，期望教师能够指教。参考文献1 方康玲过程掌握系统，武汉理工大学出版社 2023 年2 郭阳宽 王正林 过程掌握工程及仿真 电子工业出版社 2023 年 4 月 第 8 页共 8 页