1、令狐采學創作吉林建筑年夜學城建學院令初采學課程設計陳述題目名稱加熱爐出口溫度控制系統設計院（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131學號學生姓名指導教師起止日期.6. 20. 7. 1成果目錄摘要IABSTRACT II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簡介11.4 加熱爐溫度控制系統的成長2第2章對象模型建立42. 1建立數學模型42. 2控制系統闡發5第3章系統設備選型63.1 丈量變送器和傳感器的選擇63.2 執行器的選擇63.3 控制器的選擇6第4章控制器參數整定及Simulink仿真94.1 控制器參數整定94.251

2、mulink 仿真11結論12致謝13參考文獻14摘要隨著我國國民經濟的快速成長，加熱爐的使用規模越來越廣泛。隨著網絡技術的成長 和整個工廠完全實現兩級自動化管理，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情況。過程控制系統在加熱爐系統中獲得廣泛的應用，它 是加熱爐控制系統的重要部分，是對以及控制系統的一個總領和擴充。現代加熱爐的生產 過程可以實現高度的過程控制，以包管在加熱過程中溫度的準確控制，這就為工業生產提 供了有利條件。加熱爐是工業生產中的一個重要裝置，它的任務是把原料加熱到一定溫度, 以包管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

3、鍵詞：加熱爐；過程控制系統：溫度控制令狐采學創作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 achieve two level of automation management, in the process level through the correspo

4、nding 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 system is an important part of, and the control system of a consul general and exp

5、and. 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 production. Heating furnace is an important device in industrial production, it is t

6、he 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 furnace; process control system; temperature control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

7、思考問題，熟悉本專業領域的過程 控制儀表系統設計，學會過程控制系統各環行額的組合作用，學會對溫度控制儀表的正確 接口、溫度信號調理、線性化、校準及經常使用的控制辦法。1.2 設計任務在工業生產中經常要對加熱爐出口溫度進行控制，為了能夠精確控制溫度，包管正常 生產，要求設計溫度閉環反響控制系統，能抑制擺蕩，且系統無余差。要求設計一個加熱 爐出口溫度閉環反響控制系統，采取適合的控制算法，輸入設定溫度值，并實時顯示以后 溫度值。13加熱爐溫度控制系統簡介隨著節能技術不竭成長，加熱爐行能控制系統正日趨完善。以燃燒過程數學模型為依 據建立的最佳燃燒過程計算機控制計劃已進入實用階段。例如，按燃燒過程穩態數

8、學模型 組成的微機控制系統已開始在煉油廠勝利使用。有時利用計算機實現約束控制，使加熱爐 經常維持在約束條件鴻溝鄰近工作，以包管最佳燃燒。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將獲得進一步的完善。影響加熱爐出口溫度的干擾因素很多，爐子的靜態響應一般都比較緩慢，因此加熱爐 溫度控制系統多選擇串級和前饋控制計戈人根據干擾施加點位置的不合，可組成多參數的 串級控制。使用氣體燃料時，可以采取浮動閥取代串級控制中的副調節器，還可以預先克 服燃料氣的壓力擺蕩對出口溫度的影響。這種計劃比較簡單，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

9、，不單使得 生產設備或生產過程實現自動化，年夜年夜提高了勞動生產率和產品質量，改良了勞動條 件，還在人類征服年夜自然，改良居住條件等方面闡揚了很是重要的作用。自動控制 (automaticcontrol)是指在沒有人直接介入的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、 設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地依照預定的規律運行。自動控制是相對人工 控制概念而言的。指的是在沒人介入的情況下，利用控制裝置使被控對象或過程自動地按 預定規律運行。1.4 加熱爐溫度控制系統的成長自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學，是闡發和設計自動控制系統的理 論的基礎。它的成長早期，是以反響理論為基礎的自動調節

10、原理，主要用于工業控制，二戰期間 為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀，火炮定位系統，雷達跟蹤系統以及其他基于反響 原理的軍用設備，進一步增進并完善了自動控制理論的成長。自動控制理論是研究自動控 制共同規律的技術科學，是闡發和設計自動控制系統的理論的基礎。到戰后，已形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數為基礎的經典控制理論, 它主要研究單輸入單輸出，線形定常系統的闡發和設計問題。自動控制理論的成長歷程如下：1. 40年代60年代初需求動力：市場競爭，資源利用，減輕勞動強度，提高產品質量，適應批量生產需要。 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呈現，其 實

11、不竭擴年夜應用和向縱深標的目的成長。典范功效和產品：硬件數控系統的數控機床。2. 60年代中70年代早期需求動力：市場競爭加劇，要求產品更新快，產品質量高，并適應年夜中批量生產需 要和減輕勞動強度。主要特點：此階段主要以自動生產線為標記，其主要特點是：在單機 自動化的基礎上，各種組合機床、組合生產線呈現，同時軟件數控系統呈現并用于機床， CAD、CAM等軟件開始用于實際工程的設計和制造中，此階段硬件加工設備適合于年夜中 批量的生產和加工。典范功效和產品：用于鉆、鐐、銃等加工的自動生產線。3. 70年代中期至今需求動力：市場環境的變更，使多品種、中小批量生產中普遍性問題愈發嚴重，要求 自動化技術

12、向其廣度和深度成長，使其各相關技術高度綜合，闡揚整體最佳效能。自動控 制理論是研究自動控制共同規律的技術科學，是闡發和設計自動控制系統的理論的基礎。 主要特點：自70年代早期美國學者首次提出CIM概念至今，自動化領域已產生了巨年夜變 更，其主要特點是：CIM已作為一種哲理、一種辦法逐步為人們所接受：CIM也是一種實 現集成的相應技術，把分離自力的單位自動化技術集成為一個優化的整體。所謂哲理，就 是企業應根據需求來闡發并克服現存的“瓶頸”，從而實現不竭提高實力、競爭力的思想戰略; 而作為實現集成的相應技術，一般認為是:數據獲取、分派、共享；網絡和通信；車間層設 備控制器：計算機硬、軟件的規范、標

13、準等。同時，并行工程作為一種經營哲理和工作模 式自80年代末期開始應用和活躍于自動化技術領域，并將進一步增進單位自動化技術的集 成。典范功效和產品：CIMS工廠，柔性制造系統(FMS)。隨著現代應用數學新功效的推出和電子計算機的應用，為適應自動控制、宇航技術的 成長，自動控制理論跨入了一個新階段現代控制理論。主要研究具有高性能，高精度 的多變量多參數的最優控制問題，主要采取的辦法是以狀態為基礎的狀態空間法。目前， 自動控制理論還在繼續成長，正向以控制論，信息論，仿生學為基礎的智能控制理論深入。為了實現各種龐雜的控制任務，首先要將被控制對象和控制裝置依照一定的方法連接 起來，組成一個有機的總體，

14、這就是自動控制系統。在自動控制系統中，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 以要求堅持為某一恒定值，例如溫度，壓力或遨游翱翔航跡等：自動控制理論是研究自動 控制共同規律的技術科學，是闡發和設計自動控制系統的理論的基礎。而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構的總體，它可以采取不合的原理和方 法對被控對象進行控制，但最基本的一種是基于反響控制原理的反響控制系統。在反響控制系統中，控制裝置對被控裝置施加的控制作用，是取自被控量的反響信息, 用來不竭修正被控量和控制量之間的偏差從而實現對被控量進行控制的任務，這就是反響 控制的原理。第2章對象模型建立2.1 建立數學模型我們用系

15、統辨識法一響應曲線法對加熱爐出口溫度控制系統建立數學模型。根據表21確定 響應曲線，并計算出被控對象的傳遞函數。表21由輸出溫度變更t/min024681()120/270.0270.0267.0264.7262.7261.0259.5t/min14161820222426orc258.4257.8257.0256.5256.0255.7255.4t/min283032343638400/255.2255.1255.0255.0255.0255.0255.0圖21響應曲線由階躍響應曲線確定控制系統為一階，則加熱爐出口溫度控制系統為單回路控制系統，并 由此確定一階純滯后慣性環節的參數：滯后常數：

16、r = 2：時間常數：5 = 12；放年夜系數：K°= 5 -"。) =1： %被控過程數學模型： 4)s + l 12s+ 12.2 控制系統闡發根據圖22所示，據此進行單回路控制系統設計。令狐采學創作圖22加熱爐溫度控制系統被控參數：出口熱物料溫度控制參數：燃料干擾量：冷物料由上面參數確定加熱爐溫度控制系統方框圖如圖23。圖23系統方框圖第3章系統設備選型3.1 丈量變送器與傳感器選擇變送器是把傳感器的輸出信號轉變成可被控制器識另外信號的轉換器。至于有時候與 傳感器通用是因為現代的大都傳感器的輸出信號已經是通用的控制器可以接收的信號，此 信號可以不經過變送器的轉換直接為

17、控制器所識別。所以，傳統意義上的“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丈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,運算器控制器執行機構控制輸出。本系統采取典范模擬式溫度變送器中的DDZIII型熱電偶溫度變送器，屬平安火花型防 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一標準信號。令狐采學創作DDZIII類儀表相對DDZII類儀表的一個優點是電流規模不是從零開始，這樣就避免了把儀 表不克不及正常工作誤認為是輸出為零，所以應選擇DDZIII型K型熱電偶溫度變送器。本系統選擇接觸式測溫元件。其中較為經常使用的有

18、熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感 器三種，由于系統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 執行器的選擇執行器是自動控制系統中的執行機構和控制閥組合體。它在自動控制系統中的作用是 接受來自調節器收回的信號，以其在工藝管路的位置和特性，調節工藝介質的流量，從而 將被控數控制在生產過程所要求的規模內。執行器在結構上分為執行機構和調仃機構。其中執行機構包含氣動、電動和液動三年 夜類，而液動執行機構使用甚少，同時氣動執行機構中使用最廣泛的是氣動薄膜執行機構, 因此執行機構的選擇主要是指對氣動薄膜執行機構和電動執行機構的選擇，由于氣動執行 機構的工作溫度規模較

19、年夜，防爆性能較好，故本系統選擇氣動薄膜執行機構并配上電/氣 閥門定位器。3.3 控制器選擇最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。 它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整便利而成為工業控制的主要技術之一。當被 控對象的結構和參數不克不及完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技 術難以采取時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID 控制技術最為便利。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不克不及通過有效的丈 量手段來獲得系統參數時，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

20、根據系統的誤差，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) + KiEe(t) + Kde(t)-e(tl)+uO比例(P)控制比例控制是一種最簡 單的控制方法。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輸出 存在穩態誤差(Steadystateerror)。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紅正比關系。對一 個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或 簡稱有差系統(System with Steadystate Error) .為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入

21、“積 分項工積分項對誤差取決于時間的枳分，隨著時間的增加，積分項會增年夜。這樣，即便 誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加年夜，它推動控制器的輸出增年夜使穩態誤差 進一步減小，直到即是零。因此，比例+枳分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態 令狐采學創作令狐采學創作誤差。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。自動控制系統在克服誤差的調行過程中可能會呈現振蕩甚至失穩。其原 因是由于存在有較年夜慣性組件（環節）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其 變更總是落后于誤差的變更。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變更“超前”，即在

22、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”項往往是不敷的, 比例項的作用僅是放年夜誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變更的 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即是零，甚至 為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較年夜慣性或滯后的被控對象，比例+微 分（PD）控制器能改良系統在調打過程中的靜態特性。PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和 微分時間的年夜小。PID控制器參數整定的辦法很多，歸納綜合起來有兩年夜類：一是理論 計算整定法。它主

23、要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種辦法所 獲得的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定辦 法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且辦法簡單、易于掌握，在工 程實際中被廣泛采取。PID控制器參數的工程整定辦法，主要有臨界比例法、反響曲線法 和衰減法。三種辦法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后依照工程經驗公式對控制 器參數進行整定。但無論采取哪一種辦法所獲得的控制器參數，都需要在實際運行中進行 最后調整與完善。現在一般采取的是臨界比例法。利用該辦法進行PID控制器參數的整定步調如下：（1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工

24、作；（2）僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應呈現臨界振蕩，記下這時的比 例放年夜系數和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過公式計算獲得PID控制器的參數。第4章控制器參數整定及Simulink仿真4.1控制器參數整定在模擬PID算法控制規律為：dT(f) = Kpe(f) + Jje(f9+7；11則算法的傳遞函數為：W(s) = / = K/l + J + 7；)s E(s) 斗其中:KP為調行器的放年夜系數：TI為積分時間常數：TD微分時間常數：積分系數勺=44：微分系數：= 4五;比例度：J =X100%1TlD TKp整定思路：1 .理論根據由于主、副對象的時間常數相差很

25、年夜，則主、副回路的工作頻率不同 很年夜，當副回路整定好以后，將副回路視作主回路的一個環節來整定主回路時，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：先整定副調節器，再去整定主調竹器。整定步調：(1)在生產工藝穩定，主、副調節器均設置為純比例控制作用。具體做法，將主調節器的比例度d置于1。0%,勺=0,K0 = 0。(3)按簡單控制系統的衰減曲線法整定副回路將副調行器的比例度心由年夜到小 調整，直到副變量的過度過程曲線呈4:1衰減振蕩為止。(4)記下此時的比例度外，量得此時的衰減振蕩周期4。(5)置副調行器的比例度

26、為名,將副回路看作是主回路的一個環也主副環仍閉合,用同樣 的辦法整定主調節器一將主調節器的比例度仇由年夜到小調節，直到主變量的過度過程 曲線呈4:1衰減振蕩為止。(6)記下此時主調行器的比例度d,量出主變量振蕩周期十.(7)由已求得的心、外、T心的值，結合主、副調節器的選型，依照簡單控制系統 的衰減曲線法整定參數的經驗公式，辨別計算主、副調行器的最佳參數值。(8)依照“先副后主”、“先P再I后D”的順序,將計算出的參數設置到調節器上，作擾 動試驗，觀察過度過程曲線，作適當的參數調整，直到控制質量最佳。表31衰減曲線法整 定計算公式衰減率調節息、&TiTd0.75PSZPI1.26?。嘰

27、PID1.885叫O.lTr0.9P.0 3PIL28sPID1.8551巴0.4?5圖41衰減曲線法整定計算公式比例度：4=0.9振蕩周期：7；=22j = 1.2J5=1.08：7； =27；, =44號 Block Parameters; PID ControllerPID ControllGT ask) (Link)Enter expressions for proportionalj integral, and derivative terzas. P-l/s-Ds令狐采學創作FaraastexsProportloaal:1°OKCancelHelpApply圖42參數模塊

28、設定4.2仿真結果令狐采學創作L加熱爐出口溫度單回路系統仿真原理圖圖43系統仿真原理圖2 ,加熱爐出口溫度單回路系統仿真結果圖44系統仿真結果結論此次課程設計是加熱爐溫度控制系統設計，使用到了過程控制系統很多方面的知識，包含串級控制系統闡發、建模與仿真，串級控制系統整定辦法，PID調吊j器的參數工程整定,串級控制系統的性能闡發等。在這次設計中我們還探討了有關單回路PID控制的設計、前令狐采學創作令狐采學創作饋一反響控制系統的設計、串級控制系統的設計等有關內容。我還查閱了很多資料并且對 以前學習的專業知識系統并有針對性的溫習，設計出了自己滿意作品，進而獲得同學和老 師的肯定，也只有這樣才干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可是對前面所學知識的一種檢驗，并 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。 自己要學習的工具還太多，以前老是覺得自己什么工具城市，什么工具都懂，有點眼高手 低。通過