1、無化工過程控制工程課程設計報告化工過程控制工程課程設計報告題題目：目：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX學學院：院：工程學院工程學院專專業：業：自動化專業自動化專業班班級：級：自動化自動化 1001姓姓名：名：沈久路沈久路指導教師：指導教師：朱玉華朱玉華20132013年年6 6月月7 7日日無目錄目錄1 課程設計目的3 32 2 設計的題目和要求設計的題目和要求3 32.12.1 設計的題目設計的題目3 32.22.2 課程設計的題目描述和要求課程設計的題目描述和要求 3 33 3 課程設計報告內容課程設計報告內容 3 33.13.1 設計方案設計方案3 33.23.2

2、 串級控制系統各部分工作原理串級控制系統各部分工作原理4 43.33.3 控制算法的選擇與參數整定控制算法的選擇與參數整定6 63.43.4 串級控制系統的優點串級控制系統的優點7 73.53.5 串級控制系統的應用場合串級控制系統的應用場合 10104 4 設計心得設計心得 1010無1.1.課程設計目的課程設計目的課程設計為學生提供了一個既動手又動腦，獨立實踐的機會，將課本上的理論知識和實際有機的結合起來，鍛煉學生的分析解決實際問題的能力。通過本課程的課程設計，培養學生用工程的觀點來解決工程實際問題，提高學生的實踐能力，為畢業設計打下一定的基礎。2.2.根據設計的內容來確定課程設計的題目根

3、據設計的內容來確定課程設計的題目2.1 設計題目：減壓爐出口溫度控制系統設計2.2 課程設計題目描述和要求圖所示為某工業生產中的減壓爐，其任務是將常底油加熱到一定溫度，然后送到下道工序進行加工。減壓爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后， 減壓到爐出口工藝所要求的溫度。 在減壓用的燃料氣管道上裝有一個調節閥，用以控制高壓燃料氣，以達到控制出口溫度的目的。但是，由于擾動的因素多，單回路反饋控制系統不能滿足工藝對減壓爐出口溫度的要求。為了提高控制質量，采用串級控制系統，運用副回路的快速作用，有效地提高控制質量，滿足生產要求。3.3.課程設計報告內容課程設計報告內容3.1 設計方案串級控制

4、簡介：減壓爐工藝過程為：被減壓物料流過排列爐膛后，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調節閥，用以控制燃料氣，以達到控制出口溫度的目的。由于加熱爐時間常數大，而且擾動的因素多，比如原料側的高壓燃料氣常底油FC FTC1F FTC2F-1002圖2-1 減壓爐F-1002出口溫度與爐膛溫度串級控制系統流程圖無擾動及負荷擾動；燃燒側的擾動等，單回路反饋控制系統不能滿足工藝對加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質量，采用串級控制系統，運用副回路的快速作用，以減壓爐出口溫度為主變量，選擇滯后較小的爐膛溫度為副變量，構成爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統有效地提高控制質量，以滿足工

5、業生產的要求。串級控制系統的工作過程，就是指在擾動作用下，引起主、副變量偏離設定值，由主、 副調節器通過控制作用克服擾動， 使系統恢復到新的穩定狀態的過渡過程。由減壓爐出口溫度串級控制系統結構圖可繪制出其結構方框如圖。3.2 論述方案的各部分工作原理；(1)測溫元件：對于主控制器選用 Pt100 熱電阻，對于副控制器選用熱電偶(2)選擇各控制器的控制規律（PID） 、正反作用。1.串級控制系統的原理：為了克服單回路控制的缺陷，作為有效的、經濟的高級控制方案，串級控制高壓燃料氣常底油FC FTC1F FTC2F-1002圖 3-1 減壓爐 F-1002 出口溫度與爐膛溫度串級控制系統流程圖主溫度

6、控制器副溫度控制器副溫度對象主溫度對象副溫度測量元件及變送器主溫度測量元件及變送器給定值干擾 2干擾 1圖 3-2 減壓爐 F-1002 出口溫度與爐膛溫度串級控制系統方塊圖主變量控制閥副變量無系統在實際生產活動中被廣泛的采用。圖 2 為串級控制系統的方框圖。從串級系統方塊圖可以看出，該系統有兩個環路：一個內環和一個外環。習慣上稱內環為副環，外環為主環。處于副環的內控制器、對象和變送器分別稱副變送器、副對象、和副變送器。副對象的輸出稱副被控變量，簡稱副變量。處于主環的內控制器、對象和變送器分別稱主變送器、主對象、和主變送器。主對象的輸出稱主被控變量， 簡稱主變量。 對于本次設計的 TC1 溫度

7、控制器為主控制器，爐出口溫度是主變量，TC2 溫度控制器為副控制器，爐膛溫度是副變量。并且主控制器的輸出即為副控制器的給定，而副控制器的輸出直接送往控制閥。一般的，主控制器的給定值是由工藝規定的，它是一個定值，因此，主環是一個定制控制系統。而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器的輸出變化而變化，因此，副回路是一個隨動系統。串級調節系統是一個雙回路系統，實質上是把兩個調節器串接起來，通過它們的協調工作，使一個被調量準確保持為給定值。通常，串級系統副環的對象慣性小，工作頻率高，而主環慣性大，工作頻率低。為了提高系統的調節性能，希望主副環的工作頻率錯開相差三倍以上， 以免頻率相近時

8、發生共振現象而破壞正常工作。綜上所述，串級控制方案是一種高效、精確的控制系統。但是要發揮串級系統的優勢，副回路的設計是個關鍵。副回路設計合理，串級系統的特點可得到充分發揮。2.主、副調節器的控制規律選擇在串級控制系統中，主、副調節器的作用是不同的。主調節器是定值控制，副調節器是隨動控制。系統對二個回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主溫度控制器副溫度控制器副溫度對象主溫度對象副溫度測量元件及變送器主溫度測量元件及變送器給定值干擾 2干擾 1減壓爐 F-1002 出口溫度與爐膛溫度串級控制系統方塊圖主變量控制閥副變量無主調節器的控制規律應選取 PI 或 PID 控制規律；副回路要求起控制的快

9、速性，可以有余差，一般情況選取 P 控制規律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，會延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入 D 控制，因為副回路采用 P 控制已經起到了快速控制作用，引入 D 控制會使調節閥的動作過大，不利于整個系統的控制。3.控制器的的作用方式副調節器作用方式的確定：首先確定調節閥，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 Kv0 。然后確定副被控過程的 Ko2，當調節閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 Ko2 0 。最后確定副調節器，為保證副回

10、路是負反饋，各環節放大系數(即增益)乘積必須為正，所以副調節器 K 20 ，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 Ko1 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。控制閥的作用方式首先確定調節閥，要求控制減壓爐的出口溫度，當爐出口溫度升高 TC1 的輸出值作為 TC2 給定值，控制閥接收到的 TC2 的溫度信號，控制閥的膜頭輸入壓力增大，控制閥的開度要減小，通過減小燃料氣的輸入來減低爐出口溫度。但是出于生產工藝安全考慮，防止爐內燃料氣燒干引起爆炸，所以燃料

11、氣調節閥應選用氣開式。3.3 控制算法選擇及參數整定我們選擇兩步整定法來整定串級控制系統的參數主回路設計： 減壓爐溫度串級控制系統是以減壓爐出口溫度為主要被控參數的控無制系統。其他被控參數有爐膛溫度。溫度調節器對被控參數 TC1精確控制與溫度調節器對來自燃料氣干擾的及時控制相結合，先根據爐膛溫度 TC2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（常壓油）出口溫度 TC1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。副回路設計：副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數。燃料氣由于其成分變化，對控制過程產生

12、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 TC2能夠有效地影響主參數原料油出口溫度 TC1，提高了主參數的控制效果。3.4串級控制系統的優點串級控制系統在結構上與單回路控制相比，由于在結構上多了一個副回路，因而具有以下主要特點。(1)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使系統的工作效率提高R2(s)Gc1(s)Gc2(s)Go2(s)Go1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)圖3-2 串級控制系統的方塊圖Y1(s)Gv(s)Y2(s)無R1(s)串級控制系統等效的方塊圖圖中 Go21(s)稱為等效副對象，可推倒出：Go21(s)=Go

13、2(s)/1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)3-1假定副回路各環節傳遞函數分別為：Gc2(s)=Kc2,Gv(s)=Kv，Go2=Ko2/(1+To2s),Gm2(s)=Km2,根據式（3-1）可得：Go21(s)=Go2(s)/1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)=Ko2/1+Kc2KvKo2Km2+To2s=Ko21/(1+To2s1)3-2式中Ko21=Ko2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-3To21=To2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-4因為在任何條件下 1+Kc2KvKo2Km21,因此可得Ko21Ko23-5To211,當操作條件或者負荷變化

14、使 Ko2 發生變化時，對等效副對象的放大倍數 Ko21 的影響卻很小，這樣對主回路的影響也就很小。此外，等效副回路的傳遞函數為：無G2(s)=Gc2(s)Gv(s)Go2(s)/1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)3-7用前面所設的副環各環節傳遞函數帶入上式，并經簡后得：G2(s)=Kc2KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2)+To2s=K2/(1+T2s)式中K2=kc2KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-8T2=To2/(1+Kc2KvKo2Km2)3-9由式(3-8)可知，當副控制器的放大倍數 Kc2 整定得足夠大時，副環前向通道的放大倍 數將遠大于 1，即

15、 Kc2KvKo2Km21,就可近似寫為：K2=Kc2u、 KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2)Kc2KvKo2/Kc2KvKo2Km2=1/Km23-10這就是說，當副控制器的放大倍數整定得足夠大時，等效副回路的放大倍數只取決于測量變送環節的放大倍數 Km2,而與副對象的放大倍數 Ko2 無關。由以上分析可以看出，串級系統具有一定的自適應能力。3.53.5 串級控制系統主要應用場合串級控制系統主要應用場合串級控制系統主要應用于：對象的滯后和時間常數很大、干擾作用強而頻繁、負荷變化大、對控制質量要求較高的場合。4.4.設計心得設計心得此次課程設計-減壓爐出口溫度控制系統設計， 使用到了過程控制系統很多方面的知識，包括串級控制系統分析、串級控制系統的整定方法，PID 調節器的參數工程整定等。在設計時，在主控制器和副控制器的選擇上，考慮到主被控變量是爐出口溫度，允許波動的范圍很小，要求無余差，主控制