1、摘 要：生產自動控制過程中 ,隨著工藝要求 ,安全、經濟生產不斷提高的情況下 ,簡單、常規的控制已不能適應現代化生產。傳統的單回路控制系統很難使系統完全抗干擾。串級控制系統具備較好的抗干擾能力、快速性、適應性和控制質量，因此在復雜的過程控制工業中得到了廣泛的應用對串級控制系統的特點和主副回路設計進行了詳述，設計了加熱爐串級控制系統，并將基于MATLAB的增量式PID算法應用在控制系統中結合基于計算機控制的PID參數整定方法實現串級控制，控制結果表明系統具有優良的控制精度和穩定性關鍵詞：串級控制 干擾 主回路 副回路Abstract:Automatic control of production

2、 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-jammi

3、ng 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 al

4、gorithm 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 錄1.前言12、

5、整體方案設計2方案比較2方案論證4方案選擇43、串級控制系統的特點54. 溫度控制系統的分析與設計6控制對象的特性6主回路的設計7副回路的選擇7主、副調節器規律的選擇7主、副調節器正反作用方式的確定75、控制器參數的工程整定96 、MATLAB系統仿真9系統仿真圖10副回路的整定10主回路的整定117.設計總結13【參考文獻】141.前言加熱爐是煉油、化工生產中的重要裝置之一。它的任務是把原料油加熱到一定溫度，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，直接關系到產量、能源、污染、工人的勞動強度等等。目前而言，國內加熱爐控制多數仍舊采用老式的人工控制。需操作人員完全手動控

6、制燃料、原料閥的開度，進行燒爐。這樣一來，流量控制的精度將極差，操作的及時性也將大大降低。同時，由于大多數加熱爐的燃料是利用高爐煤氣，而高爐煤氣是多用戶煤氣管網，煤氣壓力波動極大，煤氣流量也將嚴重不穩定，對人工操作難度也進一步加大。為此我們設計一套以串級控制為基礎的加熱爐串級控制系統，這對提高工業產能具有相當積極的意義。2、整體方案設計本設計的整體思路是：利用對燃料量的控制最終來實現對原油溫度的控制。該控制分為主回路控制與副回路控制兩部分。在原油出口處設置主回路溫度傳送器，由其帶動主回路溫度控制器從而進行對燃料閥的流量控制，此控制為主回路被控參數控制。在爐膛設置主回路溫度傳送器，由其帶動主回路

7、溫度控制器進行對干擾的消除。這樣，便構成了以原料油出口溫度為主要被控參數，以爐膛溫度為輔助被控參數的串級控制系統。方案一、簡單控制系統溫度調節器是根據原料油的出口溫度與設定值的偏差進行控制。當燃料部分出現干擾后，控制系統并不能及時產生控制作用，克服干擾對被控參數的影響控制質量差。當生產工藝對原料油出口溫度要求很嚴格時，簡單控制系統很難滿足要求被控變量：原料出口溫度；操縱變量：燃料流量。當對出口溫度控制要求不高時，簡單控制系統可以滿足要求。 圖2.1 加熱爐溫度控制系統-調節器1調節閥爐膛管壁原料油溫度變送器1+-+調節器1調節閥爐膛管壁原料油溫度變送器1+-+ 圖2.2 加熱爐出口溫度單回路控

8、制系統框圖方案二、串級控制系統串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。爐膛溫度變化時，TSC可以及時動作，克服干擾。 圖2.3 加熱爐溫度串級控制系統圖2.4 加熱爐出口溫度串級控制系統框圖方案一：簡單控制系統有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進而改變燃料流量，在爐膛中燃燒后，爐膛溫度改變，傳給，最終改變原料溫度。該過程時間常數大，可達到15min。因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，制不及時，偏差在較長時間內不能被消除。方案二：串級控制系統中，由于引入了副回路，不僅能

9、迅速克服作用于副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調、粗調、快調的特點：主回路具有后調、細調、慢調的特點，對副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合、相互補充，使控制質量顯著提高。 由于加熱爐的溫度對于保證產品的指標是非常重要的.控制效果好,即能保證產品質量又能提高產量。某些加熱爐爐出口溫度控制非常困難,波動幅度大.控制不理想的原因在于被控對象十分復雜:1、原料油的流量變化照成溫度波動很大;2、處理量頻繁提降也造成出口溫度的波動;3、油品不斷切換也使爐口的溫度產生較大的波動;4、加熱爐的溫度存在較大的時滯.可以看出, 加熱爐系統是一個時變,大時滯,多干

10、擾的復雜系統。從加熱爐工作特性可以看出,燃料量的多少是加熱爐溫度變化的決定因素。但其變化過程是:燃料量的變化首先引起爐膛溫度的變化,由于爐膛溫度產生變化,進而引起爐出口溫度的改變.由此可見,對爐出口溫度的控制采用爐膛溫度與爐出口溫度進行串級控制的控制方案是合理而且可行的,這種方案也有助于對一系列干擾的克服。3、串級控制系統的特點在系統結構上，串級控制系統有兩個閉合回路：主回路和副回路，主、副調節器串聯工作；住調節器輸出作副負調節器設定值，系統通過副調節器輸出控制執行器動作，實現對參數的定值控制。串級控制系統的主回路是定值控制系統，副回路是隨動控制系統，通過協調工作使主參數能夠準確地控制在工藝規

11、定范圍之內。串級控制系統中，由于引入了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調、粗調、快調的特點：主回路具有后調、細調、慢調的特點，對副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合、相互補充，使控制質量顯著提高。4.串級控制系統的分析與設計4.1控制對象的特性假設副回路中各環節傳遞函數分別為：=將副回路反饋信號相加點由副調劑器前向后移至副對象之前，經簡化，可得出其等效副對象為：=因：=<=<因此，在此控制系統中，等效副對象的時間常數和放大倍數都縮小了，而且隨著副控放大倍數Kc2整定得越大，等效副對象的放大倍數和時間常數縮

12、小得越顯著。這相當于在系統中增加了一個起超前作用的微分環節，這會使系統的響應速度加快，控制更為及時，有利于提高控制品質和系統可控性。4.2主回路的設計加熱爐溫度串級控制系統是以原料油出口溫度為主要被控參數的控制系統。其它被控參數有爐膛溫度，膛壁溫度，燃料流量，原料油流量。溫度調節器對被控參數1（t）精確控制與溫度調節器對來自燃料干擾 、的及時控制相結合，先根據爐膛溫度2（t）的變化，改變燃料量，快速消除來自燃料的干擾 、對爐膛溫度的影響；然后再根據原料油出口溫度1（t）與設定值的偏差，改變爐膛溫度調節器的設定值，進一步調節燃料量，使原料油出口溫度恒定，達到溫度控制的目的。副回路的選擇也就是確定

13、副回路的被控參數。燃料由于其成分和流量變化，對控制過程產生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為串級控制系統的輔助被控參數。串級系統中，通過調整副參數爐膛溫度2（t）能夠有效地影響主參數原料油出口溫度1（t），提高了主參數的控制效果。4.4主、副調節器規律的選擇在串級控制系統中，主、副調節器所起的作用不同。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用，這是選擇調節器規律的基本出發點。在加熱爐溫度串級控制中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數，原料油溫度影響產品生產質量，工藝要求嚴格，又因為加熱爐串級控制系統有較大容量滯后，所以，選擇PID調節作為主調節器的調節規律。控制副參數是為了保證和提高主

14、參數的控制質量，對副參數的要求一般不嚴格，可以在一定范圍內變化，允許有殘差，所以我們的副調節器調節規律選擇P控制。主、副調節器正反作用方式的確定一個過程控制系統正常工作必須保證采用的反饋是負反饋。串級控制系統有兩個回路，主、副調節器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。副調節器作用方式的確定： 出于生產工藝安全考慮，燃料調節閥應選用氣開式，這樣保證當系統出現故障使調節閥損壞而處于全關狀態，防止燃料進入加熱爐，確保設備安全，調節閥的 >0 。然后確定副被控過程的，當調節閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 >0 。最后確定副調節器，為保證副回路是負反饋，各環節放大系數乘

15、積必須為正，所以副調節器大于0 ，副調節器作用方式為反作用方式。主調節器作用方式的確定： 爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 > 0。為保證主回路為負反饋，各環節放大系數乘積必須為正，所以副調節器的放大系數 K 1> 0，主調節器作用方式為反作用方式。例如圖所示加熱爐溫度串級控制系統示意圖，從加熱爐安全角度考慮，調節閥應選氣開閥，即如果調節閥的控制信號中斷，閥門應處于關閉狀態，控制信號上升，閥門開度增大，流量增加，是正作用方式。反之，為負作用方式。副對象的輸入信號是燃料流量，輸出信號是閥后燃料壓力，流量上升，壓力亦增加是正作用方式。測量變送單元作用方式均為正。 5、控制器

16、參數的工程整定串級控制系統主、副控制器的參數整定方法主要有三種。兩步整定法、逐步逼近法和一步整定法。1、按照串級控制系統主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做兩步整定法。2、一步整定法，就是根據經驗先將副控制器一次放好，不再變動，然后按一般單回路控制系統的整定方法直接整定主控制器參數。3、逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環進行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。我們是用兩步整定法來整定串級控制系統的參數。6、MATLAB系統仿真已知副對象傳遞函數為主對象的傳遞函數為我們采用臨界比例度法來整定控制器參數。臨界比例度法又稱穩定邊界條件法，它是先讓控制器在純比例

17、作用下，通過現場試驗找到等幅振蕩的過渡過程，記下此時的比例度和等幅振蕩周期，再通過簡單的計算，求出衰減振蕩時控制器的參數。圖6.1 系統仿真框圖 圖6.2 系統仿真波形對設定值施加干擾信號：串級控制系統對干擾串級控制系統的副回路的存在，能夠迅速克服進入副回路的干擾，從而極大的減小副回路干擾對住被控參數的影響；副回路的存在提高了系統住調節器對進入主回路干擾控制的快速性；由于副回路的存在，總放大系數提高了，抗干擾能力和控制性能都比單回路控制系統有明顯提高。6.2副回路的整定將主環路斷開，副環路為比例作用的條件下，由大到小逐漸降低副調節器的比例度。 圖 副回路整定仿真圖副回路參數設定：圖副回路參數先

18、對副回路進行整定，按要求，此時控制器為純比例作用，在Simulink環境中建立系統模型。圖副回路仿真波形當P值為9時，衰減比基本可達到4：1，此時比例度為9，振蕩周期為8.8。6.3主回路的整定連接好主回路，保持副回路的比例度不變，逐步降低主回路的比例度P1。 圖 主回路整定仿真圖用臨界比例度法對主回路進行整定，其純比例條件下的系統圖主回路參數設定： 圖主回路參數 圖主回路仿真波形衰減比為4：1時的P值為13，此時比例度為13，振蕩周期為14.1。7.設計總結通過本設計，我對自動控制系統在工業中的運用有了深入的認識，對自動控制系統設計步驟、思路、有一定的了解與認識。在設計過程中，從方案設計到方案確定，都經過了嚴謹的思考，主、副回路的設計，主、副調節器的正反調節作用的確定，被控參數和控制參數的選擇，再用MATLAB仿真、調試，使自己設計的 系統能夠正常運行，并且得到正確的結果。在設計中，遇到了許多困難，但是，在同組成員及老師的團結努力下，完成這個課程設計。通過這次設計，我學到了控制系統的設計方法和步驟，拓展了知識面，了解了工業工程中，控制