过控课程设计加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计.docx

二○一二～二○一三学年第一学期

信息科学与工程学院

课程设计报告书

课程名称：过程控制与集散系统课程设计
班级：自动化2009级（2）班
学号：200904134055
姓名：陈金龙
指导教师：章政

二○一二年十二月

加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计
设计题目
图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。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，加热到炉出口工艺所要求的温度。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，以达到控制出口温度的目的。

图1加热炉出口温度系统
但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。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，有效地提高控制质量，满足生产要求。
设计要求
1、绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。
2、以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。
3、假设主对象的传递函数为，其中,副对象的传递函数为，主、副控制器的传递函数分别为，，,，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。
4、利用simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。
5、根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点
设计方案
温度控制器
控制阀
炉膛
炉膛壁
温度检测、变送仪表
加热炉出口
加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图
图2加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图
串级控制系统
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，加热到炉出口工艺所要求的温度。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，以达到控制出口温度的目的。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出口温度的要求。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，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口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。
图3加热炉出口温度串级控制系统结构图
串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图4所示。
主控制器
副控制器
调节阀
炉膛
出口
主检测、变送仪表
副检测、变送仪表

炉膛壁

图4加热炉出口温度串级控制系统结构方框图
主、副控制器参数整定及Simulink仿真
主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI控制规律。
副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。
在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。
所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：
（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。
（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。
（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。
（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。
对于该温度串级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配。根据表1，可以大致确定副控制器的增益Kc2及比例带。

表1常见对象的副控制器比例带的经验法
副控制器对象温度压力流量液位比例带20—6030—7040—8020—80增益Kc21.7—5.01.4—3.01.25—2.51.25—5.0
根据本设计，适当选取Kc2=3.5（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在副回路已经闭合的情况下按单