管式加热炉串级系统控制过控课设

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1、学 号 1422060213天津城建大学过程控制课程设计设计说明书串级温度控制系统设计起止日期： 2017年7月丄日至 2017 年7月日学 生 姓 名侯亚东班级14自动化2班成绩指导教师（签字）控制与机械工程学院2017年7月7日天津城建大学课程设计任务书2016 -2017学年第2学期控制与机械工程学院自动化专业班级14自动化2班姓名侯亚东学号1422060213课程设计名称:过程控制设计题目:串级温度控制系统设计完成期限：自2017年7月3日至2017年7月7日共1周 设计依据、要求及主要内容:一、设计任务管式加热炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度作为主变量，主、副对象的传递

2、函数分别为：7G (s) =e-2s， G 1 s)=oi8s +102(10s + l)(20s +1)试采用串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：1)理图；2)3)进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能; 说明不同控制方案对系统的影响。二、设计要求采用MATLAB仿真；需要做出以下结果：(1)超调量(2)峰值时间(3)过渡过程时间(4)余差(5)第一个波峰值(6)第二个波峰值(7)衰减比(8)衰减率(9)振荡频率(10)全部P、I、D的参数(11)PID的模型(12)设计思路三、设计报告课程设计报告要做到层次

3、清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写 作要求”。四、参考资料1 何衍庆工业生产过程控制（1版）北京：化学工业出版社，20042 邵裕森.过程控制工程.北京：机械工业出版社20003 过程控制教材指导教师（签字）：教研室主任（签字）：目录绪论1一、设计的目的意义11.1管式加热炉简介21.2设计目的及意义21.3管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求2二、设计方案22.1简单控制系统22.2串级控制系统32.3方案选择4三、串级控制系统分析43.1主回路设计43.2副回路选择43.3主、副调节器规律选择43.4主、副调节器正反作用方式确定 53.5控制器参数工程整定5四、各仪

4、表的选取及元器件54.1温度变送器54.2温度检测元件64.3调节阀74.4联锁保护7五、MATLAB仿真实验75.1副回路的整定85.2主回路的整定85.3整体参数整定8心得体会10参考文献10绪论过程控制课程是自动化专业最主要的一门课程，它是在自动控制理论的基础上发展起来的应用课程， 既有理论又有工程实践。以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控 制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。例如，锅炉中 蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。 通过对过程参数的控制，可使生

5、产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少同时本次课程设计还综合 应用了多款软件如MATLAB,VISIO绘图软件。管式加热炉的特点有下面几个：1）可以智能AI控温，拥有50段程序编排功能，同时发出节能而且有较高的效益；2）将高纯度晶体纤维作为炉膛保温的材料，这样温度能够均匀分布，而且保温性能非常优异；3）高温热处理范围比较广：1001600C;4）可以进行抽真空和双路供气，也能作气氛保护或反应气体使用；5）自带循环水来进行冷却，保证真空密封；6）机体是组合式的结构，更加具有个性化；管式加热炉主要是用在冶金，玻璃，热处理，锂电正负极材料，新能源，磨具等行业测定材料在一定 气氛条件下的专业设备。

6、一、设计的目的意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道 工序的顺利进行。因此，常选原料油出口温度e（t）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所1示的温度控制系统，控制系统框图如图1-2所示。影响原料油出口温度e（t）的干扰有原料油流量f （t）、1 1原料油入口温度f （t）、燃料压力f （t）、燃料压力f （t）等。该系统根据原料油出口温度e（t）变化来控制2341燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。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，

7、示意图如图1-1所示：原油出口温度乐t）原料图1-1管式加热炉燃料通风系统：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。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(600-1600C), 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。1.2设计目的及意义管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并 维持在工艺要求范围内，

8、由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节 约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此， 在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效 率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧， 使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。1.3管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序(分馏或裂解) 的顺利进行。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管

9、中，就被加热 到出口温度0 1。在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度0 1的目的。引起温度0 1改变的扰动因素很多，主要有：(1) 燃料油方面(它的组分和调节阀前的油压)的扰动D2 ；(2) 喷油用的过热蒸汽压力波动D4 ；(3) 被加热油料方面(它的流量和入口温度)的扰动 D1 ；(4) 配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动 D3 ；其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调节阀动作到温度0 1改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热 容积，因而反应很缓慢。工艺上对出口温度 0 1要求不高，一般希望波动

10、范围不超过土 12%。二、设计方案2.1简单控制系统当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度。从 燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min,反应 缓慢。温度调节器TC是根据原料油的出口温度0 1与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后， 控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数 0 1的影响控制质量差。当生产工艺对原 料油出口温度0 1要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。被控变量：原料油出口温度；操控变量：燃料流量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。图2-2管式加

11、热炉出口温度单回路控制系统框图2.2串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设 定，后一个调节器的输出送往调节阀。中间被控变量：炉膛温度。操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TC可以及时动作，克服干扰。图2-3管式加热炉温度串级控制系统+图2-4管式加热炉出口温度串级控制系统框图2.3方案选择方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃 烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到 15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵 变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二的串级控制系统中，由于

12、引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能 加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特 点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著 提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投 资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是 在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统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；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适

13、 应能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。三、串级控制系统分析3.1主回路设计加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调节器对被控参数0 1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度 0 2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的 干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度 0 1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器 的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。3.2副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生

14、极 大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数 炉膛温度0 2能够有效地影响主参数原料油出口温度 0 1，提高了主参数的控制效果。3.3主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制 作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产 质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的 调节规律。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在

15、一定范围内变 化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。3.4主、副调节器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防 止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv0。主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口 温度也升高，主被控过程Kol0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器 的放大系数Kl0,主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为 正，所以负调节器大于0,负调节器作用方式为反作用方式。3.5控制器参数工程整定串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、一步整定法和逐步逼近法。1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。2、一