1、吉林建筑大學城建學院 課 程 設 計 報 告題目名稱 加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)設計 院（系） 電氣工程及其自動化 課程名稱 過程控制工程課程設計 班 級 電氣13-1 學 號 學生姓名 指導教師 起止日期 2016.6.20-2016.7.1 成 績 吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計目 錄摘要 ABSTRACT 第1章 緒論11.1 設計目的11.2 設計任務11.3 加熱爐溫度控制系統(tǒng)簡介 11.4 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展2第2章 對象模型建立4 21 建立數(shù)學模型422 控制系統(tǒng)分析5第3章 系統(tǒng)設備選型63.1 測量變送器和傳感器的選擇63.2 執(zhí)行器的選擇63.3 控制器的選

2、擇6第4章 控制器參數(shù)整定及Simulink仿真94.1 控制器參數(shù)整定 94.2 Simulink仿真11結論12致謝 13參考文獻 14 吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計摘 要隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，加熱爐的使用范圍越來越廣泛。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展和整個工廠完全實現(xiàn)兩級自動化管理，在過程級上通過相應的終端了解任何一個設備或任何一個裝置的控制情況以及生產(chǎn)情況。過程控制系統(tǒng)在加熱爐系統(tǒng)中得到廣泛的應用，它是加熱爐控制系統(tǒng)的重要部分，是對以及控制系統(tǒng)的一個總領和擴充。現(xiàn)代加熱爐的生產(chǎn)過程可以實現(xiàn)高度的過程控制，以保證在加熱過程中溫度的準確控制，這就為工業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件。加熱爐是工

3、業(yè)生產(chǎn)中的一個重要裝置，它的任務是把原料加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行。因此加熱爐的溫度控制起著舉足輕重的作用。關鍵詞：加熱爐；過程控制系統(tǒng)；溫度控制 第頁 共頁吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計ABSTRACTWith the rapid development of China's national economy, the use of heating furnace is more and more extensive. With the development of network technology and the whole factory to ac

4、hieve two level of automation management, in the process level through the corresponding terminal to understand any equipment or any one of the control of the device and the production situation. Process control system has been widely used in the heating furnace system, it is heating furnace control

5、 system is an important part of, and the control system of a consul general and expand. The production process of modern heating furnace can realize high process control, so as to ensure the accurate temperature control during the heating process, which provides favorable conditions for industrial p

6、roduction. Heating furnace is an important device in industrial production, it is the task of heating raw materials to a certain temperature, in order to ensure the smooth progress of the next process. So the temperature control of the heating furnace plays an important role.Keywords：Reheating furna

7、ce; process control system; temperature control 第頁 共頁吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計第1章 緒論1.1設計目的通過過程控制工程課程設計能從中學會從工程角度思考問題，熟悉本專業(yè)領域的過程控制儀表系統(tǒng)設計，學會過程控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)額的組合作用，學會對溫度控制儀表的正確接口、溫度信號調(diào)理、線性化、校準及常用的控制方法。1.2設計任務在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要對加熱爐出口溫度進行控制，為了能夠精確控制溫度，保證正常生產(chǎn)，要求設計溫度閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，能抑制波動，且系統(tǒng)無余差。要求設計一個加熱爐出口溫度閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，采用適合的控制算法，輸入設定溫

8、度值，并實時顯示當前溫度值。1.3加熱爐溫度控制系統(tǒng)簡介隨著節(jié)能技術不斷發(fā)展，加熱爐節(jié)能控制系統(tǒng)正日趨完善。以燃燒過程數(shù)學模型為依據(jù)建立的最佳燃燒過程計算機控制方案已進入實用階段。例如，按燃燒過程穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型組成的微機控制系統(tǒng)已開始在煉油廠成功使用。有時利用計算機實現(xiàn)約束控制，使加熱爐經(jīng)常維持在約束條件邊界附近工作，以保證最佳燃燒。隨著建立燃燒模型工作的進展和計算機技術的應用，加熱爐燃燒過程控制系統(tǒng)將得到進一步的完善。影響加熱爐出口溫度的干擾因素很多，爐子的動態(tài)響應一般都比較遲緩，因此加熱爐溫度控制系統(tǒng)多選擇串級和前饋控制方案。根據(jù)干擾施加點位置的不同，可組成多參數(shù)的串級控制。使用氣體燃料時，

9、可以采用浮動閥代替串級控制中的副調(diào)節(jié)器，還可以預先克服燃料氣的壓力波動對出口溫度的影響。這種方案比較簡單，在煉油廠中應用廣泛。隨著科學技術的進步，自動控制技術在各個應用領域中的應用已日漸廣泛，不但使得生產(chǎn)設備或生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，大大提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質量，改善了勞動條件，還在人類征服大自然，改善居住條件等方面發(fā)揮了非常重要的作用。自動控制（automatic control）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。指的是在沒人參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過

10、程自動地按預定規(guī)律運行。 1.4加熱爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學，是分析和設計自動控制系統(tǒng)的理論的基礎。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設備，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學，是分析和設計自動控制系統(tǒng)的理論的基礎。到戰(zhàn)后，已形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常系統(tǒng)的分析和設計問題。 自動控制理論的發(fā)

11、展歷程如下： 140年代-60年代初 需求動力：市場競爭,資源利用，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質量，適應批量生產(chǎn)需要。主要特點：此階段主要為單機自動化階段，主要特點是:各種單機自動化加工設備出現(xiàn)，并不斷擴大應用和向縱深方向發(fā)展。典型成果和產(chǎn)品：硬件數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床。  260年代中-70年代初期 需求動力：市場競爭加劇，要求產(chǎn)品更新快，產(chǎn)品質量高，并適應大中批量生產(chǎn)需要和減輕勞動強度。主要特點：此階段主要以自動生產(chǎn)線為標志，其主要特點是：在單機自動化的基礎上，各種組合機床、組合生產(chǎn)線出現(xiàn)，同時軟件數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)并用于機床，CAD、CAM等軟件開始用

12、于實際工程的設計和制造中，此階段硬件加工設備適合于大中批量的生產(chǎn)和加工。典型成果和產(chǎn)品：用于鉆、鏜、銑等加工的自動生產(chǎn)線。  370年代中期-至今 需求動力：市場環(huán)境的變化，使多品種、中小批量生產(chǎn)中普遍性問題愈發(fā)嚴重，要求自動化技術向其廣度和深度發(fā)展，使其各相關技術高度綜合，發(fā)揮整體最佳效能。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學，是分析和設計自動控制系統(tǒng)的理論的基礎。主要特點：自70年代初期美國學者首次提出CIM概念至今，自動化領域已發(fā)生了巨大變化，其主要特點是：CIM已作為一種哲理、一種方法逐步為人們所接受；CIM也是一種實現(xiàn)集成的相應技術，把分散獨立的

13、單元自動化技術集成為一個優(yōu)化的整體。所謂哲理，就是企業(yè)應根據(jù)需求來分析并克服現(xiàn)存的“瓶頸”，從而實現(xiàn)不斷提高實力、競爭力的思想策略；而作為實現(xiàn)集成的相應技術，一般認為是:數(shù)據(jù)獲取、分配、共享；網(wǎng)絡和通信；車間層設備控制器；計算機硬、軟件的規(guī)范、標準等。同時，并行工程作為一種經(jīng)營哲理和工作模式自80年代末期開始應用和活躍于自動化技術領域，并將進一步促進單元自動化技術的集成。典型成果和產(chǎn)品：CIMS工廠，柔性制造系統(tǒng)(FMS)。  隨著現(xiàn)代應用數(shù)學新成果的推出和電子計算機的應用，為適應自動控制、宇航技術的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新階段現(xiàn)代控制理論。主要研究具有高性能，高精度

14、的多變量多參數(shù)的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎的狀態(tài)空間法。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論，信息論，仿生學為基礎的智能控制理論深入。  為了實現(xiàn)各種復雜的控制任務，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機的總體，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度，壓力或飛行航跡等；自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學，是分析和設計自動控制系統(tǒng)的理論的基礎。而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進

15、行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng)。  在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控裝置施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實現(xiàn)對被控量進行控制的任務，這就是反饋控制的原理。第2章 對象模型建立2.1建立數(shù)學模型 我們用系統(tǒng)辨識法響應曲線法對加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型。根據(jù)表2-1確定響應曲線，并計算出被控對象的傳遞函數(shù)。t/min024681012270.0270.0267.0264.7262.7261.0259.5t/min14161820222426258.4257.8257.0256.5256.0255.7

16、255.4t/min28303234363840255.2255.1255.0255.0255.0255.0255.0表2-1 由輸出溫度變化圖2-1 響應曲線由階躍響應曲線確定控制系統(tǒng)為一階，則加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)為單回路控制系統(tǒng)，并由此確定一階純滯后慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)：滯后常數(shù)：；時間常數(shù)：；放大系數(shù)：；被控過程數(shù)學模型：。2.2控制系統(tǒng)分析 根據(jù)圖2-2所示，據(jù)此進行單回路控制系統(tǒng)設計。圖2-2 加熱爐溫度控制系統(tǒng) 被控參數(shù)：出口熱物料溫度 控制參數(shù)：燃料 干擾量：冷物料 由上面參數(shù)確定加熱爐溫度控制系統(tǒng)方框圖如圖2-3。圖2-3 系統(tǒng)方框圖第3章 系統(tǒng)設備選型3.1 測量變送器與傳感器選

17、擇變送器是把傳感器的輸出信號轉變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號的轉換器。至于有時候與傳感器通用是因為現(xiàn)代的多數(shù)傳感器的輸出信號已經(jīng)是通用的控制器可以接收的信號，此信號可以不經(jīng)過變送器的轉換直接為控制器所識別。所以，傳統(tǒng)意義上的“變送器”意義應該是：“把傳感器的輸出信號轉換為可以被控制器或者測量儀表所接受標準信號的儀器”。在自控中：信號源->傳感器->變送器->運算器控制器->執(zhí)行機構->控制輸出。本系統(tǒng)采用典型模擬式溫度變送器中的DDZ-III型熱電偶溫度變送器，屬安全火花型防暴儀表，還可以與作為檢測元件的熱電偶相配合，將溫度信號線性的轉換成統(tǒng)一標準信號。DDZ-III類

18、儀表相對于DDZ-II類儀表的一個優(yōu)點是電流范圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認為是輸出為零，所以應選擇DDZ-III型K型熱電偶溫度變送器。本系統(tǒng)選擇接觸式測溫元件。其中較為常用的有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器三種，由于系統(tǒng)對溫度的要求不是很高，一般的測溫元件即可滿足要求，故選擇K型熱電偶作為測溫元件。3.2 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構和控制閥組合體。它在自動控制系統(tǒng)中的作用是接受來自調(diào)節(jié)器發(fā)出的信號，以其在工藝管路的位置和特性，調(diào)節(jié)工藝介質的流量，從而將被控數(shù)控制在生產(chǎn)過程所要求的范圍內(nèi)。執(zhí)行器在結構上分為執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構。其中執(zhí)行機構包括氣動、電動和

19、液動三大類，而液動執(zhí)行機構使用甚少，同時氣動執(zhí)行機構中使用最廣泛的是氣動薄膜執(zhí)行機構，因此執(zhí)行機構的選擇主要是指對氣動薄膜執(zhí)行機構和電動執(zhí)行機構的選擇，由于氣動執(zhí)行機構的工作溫度范圍較大，防爆性能較好，故本系統(tǒng)選擇氣動薄膜執(zhí)行機構并配上電/氣閥門定位器。3.3 控制器選擇 最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的 其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控

20、制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。PID 控制公式如下u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) + Kde(t) e(t-1)+u0比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信 號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。 對一個自

21、動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積 分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。 微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變 化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因

22、是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被

23、 控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控

24、制器參數(shù)，都需 要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。第4章 控制器參數(shù)整定及Simulink仿真4.1控制器參數(shù)整定在模擬PID算法控制規(guī)律為：則算法的傳遞函數(shù)為：其中:KP為調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD微分時間常數(shù)；積分系數(shù)；微分系數(shù)：;比例度： 整定思路： 1.理論根據(jù)由于主、副對象的時間常

25、數(shù)相差很大，則主、副回路的工作頻率差別很大，當副回路整定好以后，將副回路視作主回路的一個環(huán)節(jié)來整定主回路時，可認為對副回路的影響很小，甚至可以忽略。 2.另一方面，工藝上對主變量的控制要求較高，而對副變量的控制要求較低。整定順序：先整定副調(diào)節(jié)器，再去整定主調(diào)節(jié)器。整定步驟： (1)在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，主、副調(diào)節(jié)器均設置為純比例控制作用。 (2)具體做法，將主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%,。 (3)按簡單控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定副回路將副調(diào)節(jié)器的比例度由大到小調(diào)整，直到副變量的過渡過程曲線呈4:1衰減振蕩為止。 (4)記下此時的比例度，量得此時的衰減振蕩周期。 (5)置副調(diào)節(jié)器的比例度為,將副回路看作

26、是主回路的一個環(huán)節(jié),主副環(huán)仍閉合,用同樣的方法整定主調(diào)節(jié)器將主調(diào)節(jié)器的比例度由大到小調(diào)節(jié)，直到主變量的過渡過程曲線呈4:1衰減振蕩為止。 (6)記下此時主調(diào)節(jié)器的比例度,量出主變量振蕩周期。 (7)由已求得的、的值，結合主、副調(diào)節(jié)器的選型，按照簡單控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗公式，分別計算主、副調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)值。(8)按照“先副后主”、“先P再I后D”的順序，將計算出的參數(shù)設置到調(diào)節(jié)器上，作擾動試驗，觀察過渡過程曲線，作適當?shù)膮?shù)調(diào)整，直到控制質量最佳。表3-1衰減曲線法整定計算公式圖4-1衰減曲線法整定計算公式 比例度：0.9 振蕩周期： ； 圖4-2參數(shù)模塊設定4.2仿真結果 1.

27、加熱爐出口溫度單回路系統(tǒng)仿真原理圖圖4-3系統(tǒng)仿真原理圖 2.加熱爐出口溫度單回路系統(tǒng)仿真結果圖4-4系統(tǒng)仿真結果結論此次課程設計是加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計，使用到了過程控制系統(tǒng)很多方面的知識，包括串級控制系統(tǒng)分析、建模與仿真，串級控制系統(tǒng)整定方法，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定，串級控制系統(tǒng)的性能分析等。在這次設計中我們還探討了有關單回路PID控制的設計、前饋反饋控制系統(tǒng)的設計、串級控制系統(tǒng)的設計等有關內(nèi)容。我還查閱了很多資料并且對以前學習的專業(yè)知識系統(tǒng)并有針對性的復習，設計出了自己滿意作品，進而得到同學和老師的肯定，也只有這樣才能起到此次課程設計的目的。致謝通過此次課程設計，我深刻的認識到課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。 在此要感謝我的指導老師韓學輝老師的指導，感謝老師給我的幫助。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，