管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计.doc

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1、管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计 哈尔滨华德学院课程设计用纸 第1章 1.1 设计要求 绪论 综合运用过程控制系统及自动控制原理课中所学到的理论知识，联系工程实际，选择合理的主变量、副变量，选择合理的控制方式，设计一个符合要求的串级控制系统。 1.1.1 设计题目和设计指标 设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统 技术指标： 1. 选择控制器与调节阀的作用方式； 2画出控制系统框图； 3采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。求出比例度与衰减振荡周期； 4按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值； 5求出系统的阶跃响应曲线； 6求出设定值位0时，施加幅

2、值为30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲线； 7分析系统特点。 8撰写设计说明书及注意事项。 1.1.2 设计功能 主要功能： 选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统。 - 1 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 第2章 2.1工艺流程图 系统总体设计方案 管式加热炉是工业生产中的常用设备之一，其工艺流程图如图2-1所示： 图 2-1 管式加热炉工艺流程图 2.2方框图和工艺流程的介绍 此次管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的设计采用主副回路的串级控制方案，即选取炉口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。其系统

3、框图如图2-2所示： - 2 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 图2-2 管式加热炉出口温度串级控制系统框图 管式加热炉简介： 管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器 管式加热炉示意图如图2-3所示： 图2-3 管式加热炉 通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。 - 3 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。 辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。 燃烧器：是使燃料雾化

4、并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。 - 4 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 第3章 硬件设计和器件的选择 3.1系统电气接线框图 本系统采用两个AI818控制器构成主副控制回路，其系统电气接线图如图3-1所示： 图3-1 系统电气接线图 3.2器件选择及元器件清单 1.控制器 AI-818人工智能温控器/调节器 适合温度、压力、流量、液位、湿度等的精确控制，输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达0.2级。采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。采用先 - 5 - 哈尔滨华德学院课程

5、设计用纸 进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要。 除支持标准电流（电压）信号输入外，还支持各种热电偶、热电阻、电阻及辐射（红外）温度计等，并具备扩充输入插座安装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格，可外接Cu50铜电阻作热电偶冷端补偿，0.1级测量精度，温漂小于30PPm/。除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。模块化输出支持SSR电压、线性电流（电压）、继电器触点开关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发输出及位置比例输出（直接驱动阀门电机正/反转）等。 除主输入外的第二路输入用于外给

6、定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。具备MPT、AI人工智能调节APID等多种调节方式，具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，亦可使用位式控制（ON-OFF）功能;双组独立参数PID可支持加热/冷却双输出功能。先进的AIBUS通讯协议：支持RS485或RS232C通讯接口，配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制系统，亦可组成AI系列触摸屏控制系统/分体式无纸记录仪。支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并可自由定义4个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输出。具备上电免除报警等功能，避免上电报警误动作。可选用的面板尺寸：

7、A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。 温度控制器输入端是热电偶或热电阻接点，检测元件热电阻接在该点上，输出端是两个小型继电器，控制加热设备。然后设 - 6 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 置温度的上限和下线。运行后，当温控器检测到温度达到上限时，继电器断开，停止加热设备加热。当温度回到下线时，继电器接通，控制加热设备继续加热，起到自动控制温度作用。 2.温度检测元件 常用的温度检测元件有热电偶，热电阻和热敏电阻温度计等。 热电偶是根据热电效应制成的一种温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有结构简

8、单、坚固耐用、稳定性好、复现性好、精度高、测量范围宽、体积小、响应时间较小等优点，便于远距离、多点、集中测量和自动控制，热电偶一般用于500C以上的高温，可以在1600C高温下长期使用。 热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远

9、，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶 - 7 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图3-2所示。 用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法

10、以及半导体PN结补偿法。 采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的链接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，如图5.3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。 图3-2 补偿导线的作用 - 8 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 图3-3 热电阻三线制接法 3.调节阀 调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动

11、三类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。 本设计所选用的调节阀是电动调节阀，其具有高可靠，全功能，超轻型的特点，并且，信号传递迅速，响应速度快，而且采用电源作为动力源即方便又节约，并且相对其他调节阀的使用减少了许多维修工作量。 - 9 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 第4章 控制算法及参数整定 选择加热炉出口温度为主被控参数（简称主参数），炉膛温度为副被控参数（简称副参数），把炉口温度

12、调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值，设计串级控制系统。 e-180s Go1(s)=(30s+1)2，燃假设热物料出口温度的特性可近似为 料热值变化对炉膛温度影响特性可近似为 e-18s Go2(s)=(10s+1)(s+1)2。 在MATLAB中画出仿真框图，如图4-1所示： 图4-1 系统仿真图 4.1 副回路的整定 将比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图4-2所示： - 10 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 图4-2 仿真曲线1 4.2主回路的整定 保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为10：1的比例度P1

13、S，记取过渡过程的振荡周期T1S。当衰减比为10：1时，比例度P2s，振荡周期T2s，此时主回路的仿真曲线如图4-3所示 : 图4-3 仿真曲线2 - 11 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 4.3整体参数整定 按已求得的P1S、T1S和P2s、T2s值，结合已选定的调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。经计算以后，主、副调节的参数设置如图4-4、4-5所示： 图4-4 整定参数设置 1 图4-5 整定参数设置2 - 12 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节

14、器参数变化对副回路的影响。一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副参数的控制品质差一点也是可以接受的。 主、副调节器参数整定好以后系统输出图如图4-6所示。 图4-6 整定完成后系统输出图 对设定值施加干扰信号以后，系统输出如图4-7所示。 图4-7 施加干扰时系统输出图 - 13 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 第5章 5.1数据库设计 组态设计 组态软件变量表如图5-1所示： 图5-1 组态王变量表 - 14 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 5.2画面设计 5.2.1主画面 图5-2 管式加热炉控制系统组态画面主画面 5.2.2详细参数画面 图5-3 管式加热炉控制系统组态画面参数画面 - 15 - 哈尔滨华德学院课程设计用纸 结 论 通过过程控制系统的分析与应用，基本完成了方案的制定与实施，并基本完成了设计要求与技术指标。 通过综合运用过程控制系统与自动控制原理中的理