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1、过程控制课程设计 110220212 刘朔- 0 -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：110220212 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 过程控制课程设计 110220212 刘朔- 1 -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 -过程控制课程设计 110220212 刘朔- 1 -一
2、、 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
3、真。过程控制课程设计 110220212 刘朔- 2 -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 ，即在开环状态下将执行器的输入燃油流量%20增加 ，持续 后结束，等间隔 记录炉内温度变化h/2TqImint min2t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。0pt(点) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54t (点) 11
4、12 13 14 15 16 17 18 19 20 21()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。过程控制课程设计 110220212
5、刘朔- 3 -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 0.03 0.01 0.00;y(1)=0;for i=2:22y(i)=dy(i)+y(i-1);endfor j=1:22ys(j)=y(j)/y(22);endyb(1)=0.4;yb(2)=0.8;t=(0:1:21).*180;subplot(211)plot(t,dy,r,LineWidth,1.5);hold on;pl
6、ot(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) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54y 0 0.5 1.94 4.01 5.69 7.1 8.27 9.26 10.07 10.73 11.27y* 0 0.0337 0.14
7、63 0.3024 0.4291 0.5354 0.6237 0.6983 0.7594 0.8092 0.8499过程控制课程设计 110220212 刘朔- 4 -t (点) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21()0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00y 11.72 12.11 12.44 12.71 12.92 13.07 13.16 13.22 13.25 13.26 13.26y* 0.8839 0.9133 0.9382 0.9585 0.9744 0.9857 0.9925 0.9
8、970 0.9992 1.000 1.000运行图像为：图1：脉冲响应曲线求得y（ ） =13.26+0=13.26013.260.3(/%)CKoo过程控制课程设计 110220212 刘朔- 5 -图 2：归一化阶跃响应曲线取 ， ，得 t1=678.6s, t2=1587s,4.0)(1ty8.0)(2ty由 0.32t1/t2=0.430,46 知对象为二阶，根据公式得 T1=286s，T 2=763s，即对象传函为 ()0.63()%28s1)(7pYcGsU在 simulink 中，建模观察对象的阶跃响应曲线：图 3：阶跃响应建模)5.74.1(6221221tTt过程控制课程设计
9、 110220212 刘朔- 6 -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：过程控制课程设计 110220212 刘朔- 7 -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 调节方式。204.1()6-mmAkc1%.5/()v可得广义对象 o()0.5()%286s1)(73YcGsU（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
10、制原理图如下：过程控制课程设计 110220212 刘朔- 8 -G p 2 ( s )G v （ s ）G c 2 ( s )G m 2 ( s )G c 1 ( s )G m 1 ( s )G p 1 ( s )G f 2 ( s ) G f 1 ( s )Y ( t )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： 21()86pGs主对象的传递函数为 10.3()7ps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。过程控制课程设计 110220212 刘朔- 9 -2、控制仪表选型所有仪表都是 DDZ-III 型。2
11、.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，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
12、节器：反作用方式。过程控制课程设计 110220212 刘朔- 10 -五、控制系统的工作原理（1）单回路 PID 调节 c=20.85TKi3sd.7（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 =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
13、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。过程控制课程设计 110220212 刘朔- 11 -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 串级仿真过程控制课程设计 110220212 刘朔- 12 -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。过程控制课程设计 110220212 刘朔- 13 -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。过程控制课程设计 110220212 刘朔- 14 -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
