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1、过程控制课程设计题 目：燃油炉装置温度控制系统班 级：测控二班 学 号： 姓 名：刘朔 同组人员：林波、刘登洲、刘忠昌 任课教师：张虹 完成时间：2014/11/20 目 录一、绪论- 1 -二、工艺流程及控制要求- 2 -三、对象的动态特性分析- 3 -四、方案设计- 6 -五、控制系统的工作原理- 9 -六、控制系统仿真- 10 -七、结论- 12 -八、设计心得- 14 -九、参考文献- 15 -一、 绪论过程控制是应用性和实践性较强的一门课，许多的重要概念和方法需要通过实验才能更好掌握。通过仿真研究各种控制系统和复杂控制算法，简单快捷。过程控制系统仿真就是以过程数学模型为基础，对过程控
2、制系统进行实验、分析、评估和预测研究的一种技术和方法。MATLAB的控制系统相关工具箱及Simulink的问世，给控制系统的分析和设计带来了极大地方便，已成为风行国际的、有力的控制系统计算机辅助分析、设计工具。 Simulink是一个交互式动态系统建模、仿真和分析图形环境，提供一个建立控制系统方框图，并对系统进行仿真的环境。本文将以“燃油炉装置温度控制系统”为例，完成在Simulink基础上的仿真。二、工艺流程及控制要求在模壳浇铸、焙烧时常用燃油炉，烧制过程中需要对温度加以控制，对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到580时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约，即在开环状态下将
3、执行器的输入燃油流量增加，持续后结束，等间隔记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量的无差温度控制系统。t(点)01234567891000.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54t (点)1112131415161718192021()0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00具体设计要求如下:（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；画出控制系统SAMA图；（3） 根据设计方案选
4、择相应的控制仪表（DDZ-），绘制原理接线图；（4） 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:1衰减曲线法整定运行参数。（5） 用MCGS进行组态设计。三、对象的动态特性分析在MATLAB中运行如下程序：clc;dy=0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.990.81 0.66 0.54 0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.030.01 0.00;y(1)=0;for i=2:22 y(i)=dy(i)+y(i-1);endfor j=1:22 ys(j)=y(j)/y(22);endyb(1)
5、=0.4;yb(2)=0.8;t=(0:1:21).*180;subplot(211)plot(t,dy,r,LineWidth,1.5);hold on;plot(t,y,LineWidth,1.5);title(脉冲响应曲线);xlabel(t);ylabel(y);subplot(212)plot(t,ys,LineWidth,2);xlabel(t);ylabel(y*);title(y* 曲线图);disp(y);disp(ys);表一：对象的阶跃响应t(点)01234567891000.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y00.51.944.
6、015.697.18.279.2610.0710.7311.27y*00.03370.14630.30240.42910.53540.62370.69830.75940.80920.8499t (点)1112131415161718192021()0.450.390.330.270.210.150.090.060.030.010.00y11.7212.1112.4412.7112.9213.0713.1613.2213.2513.2613.26y*0.88390.91330.93820.95850.97440.98570.99250.99700.99921.0001.000运行图像为：图1：脉
7、冲响应曲线求得y（）=13.26+0=13.26图2：归一化阶跃响应曲线取，得t1=678.6s, t2=1587s,由0.32t1/t2=0.430,46知对象为二阶，根据公式得T1=286s，T2=763s，即对象传函为在simulink中，建模观察对象的阶跃响应曲线：图3：阶跃响应建模图4：对象的阶跃响应曲线由仿真结果可以看出，对象为自稳定系统，无超调，无纯延迟，但调节时间较长。故所选择的控制器应具有快速性的特点，使系统尽快达到期望值。四、方案设计1、根据已知条件建立对象数学模型。（1）单回路PID调节其控制原理图如下：图5：单回路控制方框图为使系统尽快达到稳定值，调节器选择PID调节方
8、式。可得广义对象（2）串级控制调节选择炉膛的温度为副被调量。图6：串级控制示意图其控制原理图如下：图7：串级控制方框图SAMA图：图8：SAMA图副对象设计为一阶，传递函数为：主对象的传递函数为副回路反应速度快，采取P或PD调节；主调节器采取PID调节方式。2、控制仪表选型所有仪表都是DDZ-III型。2.1温度变送器因为正常工作点是500，选变送器的最大量程为560，最小为420，根据所需要的测量范围选择一体化温度变送器 pt100-IEC751,量程是-100850。2.2调节阀由于调节阀是用于燃料油流量的调节，选择气动调节阀，燃料油粘度较大，残渣比较多，为减弱腐蚀，防止堵塞，选用蝶形阀，
9、再配合选用相应的电气转换仪表使用。选择EPC1110-AS-OG/I电器转换器，参数如下输入信号 输出信号 线形度 最大流量420mA 20100kpa 跨度的 1% 大于4.8t每小时2.3确定工作方式。调节阀：从安全角度考虑，调节器信号突然消失时，调节阀应关闭，故选用气开阀。主副调节器：反作用方式。五、控制系统的工作原理（1）单回路PID调节（2）串级控制调节按4:1衰减曲线法整定运行参数。两步整定法进行整定：整定副环。主副回路闭合，并将主调比例带设为100%，按单回路整定得到衰减率=0.75时的比例带和副被调量的振荡周期。整定主环。主副回路闭合，副调参数设为上述值，按单回路整定得到衰减率
10、=0.75时的主调比例带和被调量的振荡周期。按上述计算按所选调节器类型，用衰减曲线法计算出调节器参数值。由于对象为二阶，所以在整定副环时总是稳定，不起振。故断开主回路，单独整定副回路，保证副回路的输出速度快即可。然后再连接主回路按照进行整定。六、控制系统仿真1、单回路系统仿真：图9：simulink单回路仿真仿真图形：图10：单回路仿真曲线2、串级系统仿真：图11：simulink串级仿真仿真图形：图12：串级仿真曲线串级控制和单回路相比，具有更快的响应和更小的超调，而且副回路能很好地消除二次扰动。但单回路实现比串级简单方便。七、结论为方便比较，将单回路控制与串级控制的输出信号在同一示波器上比
11、较：图13：单回路控制与串级控制整合图无扰动时仿真波形：图14：无扰动时曲线图串级控制系统的超调量只有约为1%，振荡较小，达到稳态所需的时间短，符合控制要求。通过与单回路PID控制对比可以发现系统的动态特有很大改善。在4000s时加入幅值为5的阶跃扰动，仿真波形：图15：加入扰动时波形图从图中可以看出，在4000s时分别加入幅值为5的干扰信号，串级控制对扰动有很强的抗干扰能力。通过仿真结果可以看到，串级控制系统可以更好的实现工程要求，有效克服扰动，保证了系统的稳定性和快速性。串级控制系统，包含二次扰动的副回路改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次扰动有很强的克服能力，对回路参数
12、变化的自适应能力强。综上所述，本设计选择串级控制系统。八、设计心得此次课程设计为加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计，内容包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法，PID调节器的参数工程整定，串级控制系统的性能分析等。通过此次课程设计，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。通过这次课程设计，我对过程控制工程设计流程有了整体的认识，对过程控制有了更深的体会。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”只有经过亲身实践，才能把书本上的知识变成自己的实际本领。在设计过程中遇到很多问题，从设计流程到最后的参数调整，张老师耐心地帮我指出了很多错误，同学们也与我积极商讨。感谢老师对我的指导和同学的帮助。九、参考文献 1 金以慧等. 过程控制系统M. 清华大学出版社, 2011年5月.2 王沫然. MATLAB与科学计算M. 电子工业出版社, 2009年2月.
