加热炉串级控制.docx

目 录1前言 12总体方案设计 22.1方案比较 22.2方案论证 42.3任务与设计要求 53串级控制系统的参数整定 63.1参数整定方法 63.2参数整定 63.3两步法的整定步骤 74 MATLAB 仿真 84.1副回路的整定 84.2.2主回路的整定 94.2.3整体参数整定 95结论 136总结与体会 147参考文献 151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总体方案设计2.1方案比较开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的 控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不 会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力开环控制没有反 馈环节，系统的稳定性不高，响应时间相对来说很长，精确度不高，使用于对系统 稳定性精确度要求不高的简单的系统.闭环控制有反馈环节，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入 端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制通过 反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短，适合于对系统的响应时间，稳定性 要求高的系统。

自动控制通常是闭环控制而闭环控制又包含有单回路控制和串级控制等如上所述，本设计需要闭环控制，因此本设计选择单回路控制和串级控制 两个方案进行比较方案一：加热炉单回路控制系统单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简 称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀该方案采用单回路系统控制如图2.1,系统框图如图2.2，该系统根据原料 油出口温度0 (t)变化来控制燃料的阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温1度控制在规定的数值上，由图2.1可知，当燃料压力f或燃料热值f变化时，3 4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f1 变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化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该方案采用串级控制，如图2.3,系统框图如图2.4，以原料出口温度为主 要被控参数（主参数），以炉膛温度为辅助被控参数（副参数）的串级控制系统, 干扰f ,f对原油出口温度的影响主要由炉膛温度调节器构成的控制回路（副回3 4路）进行校正；由原料油出口温度调节器构成的控制回路（主回路）克服干扰 f, f对原油出口温度的影响，并对其他干扰所引起原料出口温度的偏差进行校1 2正。

2.2方案论证方案一中，从燃料流量到引起原料油出口温度的变化，这个通道时间常数 很大（约15min）,反应缓慢而温度调节器是根据原料油的出口温度与设定值 的偏差进行控制当燃料部分出现干扰后，单回路 控制系统并不能及时产 生控制作用，克服干扰对被控参数的影响，控制质量差当生产工艺对原料油 出口温度要求很严格时，此单回路控制系统很难满足要求方案二中，串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其 在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环----双闭环或称双环串级控制系统 在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，就其主回路（外环）来 看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统以加热炉串级 控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而 主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务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①改善 了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服 能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

综上所述，本设计选择串级控制系统2.3任务与设计要求1. 和控制系统设计组配合，进行主、副回路的参数整定工作;2. 对主、副回路时间常数匹配问题进行验证，并得出结论；3. 绘制相应的控制图和MATLAB仿真 主对象传递函数：G (s)= —01 (30 s + l)(3s +1)副对象传递函数：1(10s + 1)(s + 1)23串级控制系统的参数整定串级控制系统从整体上来看是定制控制系统，要求主参数有较高的控制精 度但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变 化串级控制系统主、副回路的原理不同，对主、副参数的要求也不同通过 正确的参数整定，可取得理想的控制效果3.1参数整定方法串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和 一步整定法1. 逐步逼近法逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、 副回路最佳整定的一种方法2. 两步整定法两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定 副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节， 仍按单回路对主调节器进行一次参数整定3. —步整定法一步整定发就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后 按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。

本设计选择两步整定法来整定串级控制系统的参数3.2参数整定在串级控制系统中，主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为T =（3~10）T主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、 o1 o 2副回路间的动态关联较小因此，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 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, 副变量的控制品质差一点也是可以接受的3.3两步法的整定步骤1） 在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副调节器均为比例作用的 条件下，先将主调节器的比例度P置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副1调节器的比例度P，直到得到副回路过渡过程衰减比为4： 1的比例度P，过2 2 s渡过程的振荡周期为T2 s2） 在副调节器的比例度等于P的条件下，逐步降低主调节器的比例度P，直2 s 1到同样得到主回路过渡过程衰减比为4： 1的比例度P，过渡过程的振荡周期Is为T。

1s3） 按已求得的P、T和P、T值，结合已选定的调节规律，按下表衰减曲1s 1s 2 s 2 s线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数整定参数调节规律P（%）TiTdPPsPI1.2 Ps0.5 TsPID0.8 Ps0.3 Ts0.1 Ts表3.14）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到调节器上, 做一些扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳 为止4 MATLAB 仿真由主对象传递函数:1(30 s + l)(3s +1)和副对象传递函数:1(10S + 1)(S + 1)2，在MATLAB中画出仿真框图，如图4.1：图4.14.1副回路的整定由步骤1),将主环路断开，副环路为比例作用的条件下，由大到小逐渐降图4.24.2.2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4： 1的比例度P，记取过渡过程的振荡周期T当衰减比1S 1S为4： 1时，比例度P为98，振荡周期为T为56.3，此时主回路的仿真曲线2 s 2 s图4.34.2.3整体参数整定按已求得的P、T和P、T值，结合已选定的调节规律，按表3. 1衰减1S 1S 2s 2s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、副调节器的参数设置如图4.4、4.5所示P I II Con t toI 1 e t Cm a sk.) (. 1 i rJz.)Ent er espr p EEionE for px口po rt ionzil^ iTLi eEt ：±l^ and der ivat i ve t e iitie.P+I/e+HeFaranet eisF roD 口io nil :图4.4图4.5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所示对设 定值施加干扰信号以后，系统仿真框图如图4.7，系统输出如图4.8所示图4.6整定完成后系统输出Scu p e('n)1图4.7系统仿真框图5结论在系统结构上，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；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出 控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。

串级系统的主回路是定值控制系 统，副回路是随动控制系统，通过它们的协调工作，使主参数能够准确地控制 在工艺规定的范围之内在图2.3所示的串级控制系统，先根据加热炉温度e(t)的变化，改变原料油流量，快速消除来自燃料热值的干扰f (t)、f (t)对加2 3 4热炉温度的影响；然后再根据炉膛温度e (t)与设定值的偏差，改变加热炉温。