1、 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： 姓 名： 指导教师： 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加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计 设设计题目计题目 图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。 被加热物料 燃料 T1 支路1 支路2 炉膛 出口 图 1 加热炉出口温度系统
2、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 01 1 ( ) (51)(1) Gs sX s ， 其 中 1 08 0*0 . 1X 学 号 后 三 位 ,副对象的传递函数为 )1(
3、1 )( 02 s sG ，主、副控制 器的传递函数分别为 11 1 ( )(1) cc I GsK T s ， 22 )( cc KsG ， ( ) vv GsK , 1)()( 21 sGsG mm ，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 设计方案设计方案 一、一、 加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图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 二、二、 串级控制系统串级控制
4、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
5、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 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 所示。 图 4 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图 三、三、 主、副控制器参数整定及主、副控制器参数整定及 Simulink 仿真仿真 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
6、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K02/20.5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2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
