加热炉温度串级控制系统设计

加热炉温度串级控制系统设计摘 要：温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。生产自动控制过程中 ,随着工艺要求 ,安全、经济生产不断提高的情况下 ,简单、常规的控制已不能适应现代化生产。传统的单回路控制系统很难使系统完全抗干扰。串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中。结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性。关键词：干扰 串级控制 主回路 副回路Abstract: Automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern production. The traditional single-loop control system is difficult to make the system completely anti-interference. Cascade control system with good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade control system of the characteristics and the main and sub-loop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLAB-based incremental PID algorithm is applied in the control system. Combination of computer-based control method to achieve PID parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control accuracy and stabilityKeywords: Cascade control, interference, the main circuit, the Deputy loop 目 录1.前言32、整体方案设计42.1方案比较42.2方案论证72.3方案选择83、串级控制系统的特点94. 温度控制系统的分析与设计104.1控制对象的特性104.2主回路的设计114.3副回路的选择114.4主、副调节器规律的选择114.5主、副调节器正反作用方式的确定125、控制器参数的工程整定136 、MATLAB系统仿真146.1系统仿真图146.2副回路的整定166.3主回路的整定177.设计总结19【参考文献】201.前言随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为加热炉的自动化提供了有利条件。加热炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，加热炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。实现加热炉自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。控制系统的这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。2、整体方案设计本设计的整体思路是：利用对燃料量的控制最终来实现对原油温度的控制。该控制分为主回路控制与副回路控制两部分。在原油出口处设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器从而进行对燃料阀的流量控制，此控制为主回路被控参数控制。在炉膛设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。这样，便构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。2.1方案比较方案一、简单控制系统温度调节器T1C是根据原料油的出口温度1(t)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1(t)的影响控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度1(t)要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。 被控变量：原料出口温度；操纵变量：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2.1 加热炉温度控制系统 -调节器1调节阀炉膛管壁原料油温度变送器1+-+调节器1调节阀炉膛管壁原料油温度变送器1+-+ 图2.2 加热炉出口温度单回路控制系统框图方案二、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，TSC可以及时动作，克服干扰。 图2.3 加热炉温度串级控制系统图2.4 加热炉出口温度串级控制系统框图方案三、前馈-串级控制系统如果将上面两种控制系统的优点温度控制器对被控参数的精确控制、温度控制器对来自燃料的干扰、的及时控制结合起来，先根据炉膛温度的变化，改变燃料量，改变炉膛温度控制器的设定值，进一步控制燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。图2.5加热炉出口温度前馈-串级控制系统主控制器副控制器器控制阀炉膛壁管原料油温度变送器2温度变送器1f3,f4f1,f2前馈控制器温度变送器图2.6加热炉出口温度前馈-串级控制系统框图2.2方案论证方案一：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，传给，最终改变原料温度。该过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，制不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二：串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。方案三：加入前馈控制器后，从干扰F(s)到被控参数Y(s)之间存在两个通道：一个是通过干扰通道传递函数为去影响被控参数Y(s)，另一个是经过测量环节FT,传递函数为, 和前馈控制器FC,传递函数为及控制阀传递函数为，产生控制作用，再经过控制通道传递函数为去影响输出量Y(s)。2.3方案选择 由于加热炉的温度对于保证产品的指标是非常重要的.控制效果好,即能保证产品质量又能提高产量。某些加热炉炉出口温度控制非常困难,波动幅度大.控制不理想的原因在于被控对象十分复杂:1、原料油的流量变化照成温度波动很大;2、处理量频繁提降也造成出口温度的波动;3、油品不断切换也使炉口的温度产生较大的波动;4、加热炉的温度存在较大的时滞.可以看出, 加热炉系统是一个时变,大时滞,多干扰的复杂系统。从加热炉工作特性可以看出,燃料量的多少是加热炉温度变化的决定因素。但其变化过程是:燃料量的变化首先引起炉膛温度的变化,由于炉膛温度产生变化,进而引起炉出口温度的改变.由此可见,对炉出口温度的控制采用炉膛温度与炉出口温度进行串级控制的控制方案是合理而且可行的,这种方案也有助于对一系列干扰的克服。3、串级控制系统的特点 在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；住调节器输出作副负调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、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的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。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，以达到控制温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的要求。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，以加热炉温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。4.串级控制系统的分析与设计 4.1控制对象的特性假设副回路中各环节传递函数分别为：Gc2s=Kc2 Gvs=Kv G02s=K021+T02s Gm2s=Km2将副回路反馈信号相加点由副调剂器前向后移至副对象之前，经简化，可得出其等效副对象为： Gc2s=G02s1+G02sGm2sGc2sGc2s= K021+K02Km2Kc2+T02s=K021+T02s因：K02s=K021+K02Km2Kc2<K02 K02s=T021+K02Km2Kc2<T02因此，在此控制系统中，等效副对象的时间常数和放大倍数都缩小了，而且随着副控放大倍数Kc2整定得越大，