过程控制--加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计.doc

二○一一~二○一二学年第一学期
信息科学与工程学院
课程设计任务书
课程名称: 过程控制与集散系统课程设计
班级: 自动化2008级(1)班
指导教师: 黄卫华
姓名: 郑振
学号: 200804134012
二○一一年十月
设计题目
加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计
设计任务
图1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一定温度,然后送到下道工序进行加工。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节阀,用以控制燃料油流量,以达到控制出口温度的目的。
图1 加热炉出口温度系统
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,有效地提高控制质量,满足生产要求。
设计要求
绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。
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控制系统,要求绘制该串级控制系统结构图。
假设主对象的传递函数为,其中,副对象的传递函数为
,主、副控制器的传递函数分别为,,,,请确定主、副控制器的参数(要求写出详细的参数估算过程)。
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。
根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点。
设计任务分析
系统建模:
主对象的传递函数为,其中,副对象的传递函数为,主、副控制器的传递函数分别为,,,
学号为12,得出主传递函数: =1/(16S^2++1)
控制方案:分别采用串级控制和单回路控制比较,比较曲线。
温度控制器
控制阀
炉膛
炉膛壁
温度检测、变送仪表
加热炉出口
单回路反馈控制系统结构框图
主控制器
副控制器
调节阀
炉膛
出口
主检测、变送仪表
副检测、变送仪表
炉膛壁
串级控制系统结构方框图
详细设计:
主、副控制器参数整定及Simulink仿真
主控制器的选择: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,主控制器应选PI控制规律。
副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量,提高系统的反应速度,提高控制质量,可以允许在一定范围内变化,允许有余差,因此副控制器只要选P控制规律就可以了。
在工程实践中,串级控制系统常用的整定方法有以下三种:逐步逼近法;两步整定法;一步整定法。逐步逼近法费时费力,在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼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。对两步整定法进行简化,在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见,本设计采用一步整定法。
所谓一步整定法,就是根据经验先确定副调节器的参数,然后将副回路作为主回路的一个环节,按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为:
(1)在工况稳定,系统为纯比例作用的情况下,根据K02/δ2=,通过副过程放大系数K02,求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取,并将其设置在副调节器上。
(2)按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器