1、过程控制大作业 题 目:电阻式处理炉温度控制系统设计 班 级：0602303 学 号：060230328 姓 名： 任课教师： 完成时间：2009年12月10日 目 录 一、 设计任务及要求二、 被控对象数学模型的建立及对象特性分析2.1数学模型计算及仿真验证2.2对象特性分析三、 单回路控制系统设计3.1基本控制方案3.2 控制仪表选择 3.3 控制系统MATLAB仿真3.4 仿真结果分析四、串级控制系统设计4.1 控制方案选择依据4.2 控制仪表选择4.3 控制系统MATLAB仿真4.4 仿真结果分析一、 设计任务及要求对一个电阻式处理炉装置作如下实验，在温度控制稳定时，在开环状态下将执行
2、器的输入信号增加，持续后结束，记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量的无差温度控制系统。t(min)02468101214161820001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70t(min)22241628303234363840422.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10具体设计要求如下:（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；（4） 对
3、设计系统进行仿真，整定运行参数。二被控对象数学模型的建立及对象特性分析2.1数学模型计算及仿真验证由设计要求与实验数据，可以写出系统阶跃响应数据，如下表：t（min）02468101214161820001.253.757.5010.509.207.256.004.803.70001255.0012.5023.0032.20394545.4550.2553.95t（min）22242628303234363840422.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.1056.8559.1060.9562.4563.6064.4565.0565.4565.756
4、5.9566.05使用MATLAB制作出阶跃响应和脉冲响应，并作出阶跃响应的归一化曲线。源程序如下：x=0:2:42;y1=0 0 1.25 3.75 7.50 10.50 9.20 7.25 6.00 4.80 3.70 2.90 2.25 1.85 1.50 1.15 0.85 0.60 0.40 0.30 0.20 0.10 ;y2=0 0 1.25 5.00 12.50 23.00 32.20 39.45 45.45 50.25 53.95 56.85 59.10 60.95 62.45 63.60 64.45 65.05 65.45 65.75 65.95 66.05 ;yw=66.
5、15;ys=y2./yw;x0=0:.025:42;y3=spline(x,y1,x0); % y 脉冲响应 y4=spline(x,y2,x0); % y1 阶跃响应 y5=spline(x,ys,x0); % ys 单位阶跃响应plot(x,y1,r*,x0,y3);gtext(red - 脉冲响应);hold on;plot(x,y2,g*,x0,y4);gtext(green - 阶跃响应);grid;figure;plot(x0,y5);gtext(单位阶跃响应 );grid;结果：有上面的归一化图形，可以得到当y=0.4时，t1=10.7min y=0.8时，t2=19.38min
6、对象增益K=yw/I=(66.05+0.1)/3=22.05./mAt1-tao/t2-tao=（10.7-2）/（19.38-2）=0.50.46,因此选三阶系统近似（n=3）。由公式n*T=(t1+t2)/2.16，3*T=(8.7+17.38)/2.16s,解得T=4.02min=241.2s由于延迟tao=120s，则对象传函为：2.2对象特性分析下面进行仿真验证，源程序如下：num1=22.05;den1=conv(241.2 1,conv(241.2 1,241.2 1);G1=tf(num1,den1);num2,den2=pade(120,3);G=G1*tf(num2,den
7、2);H=feedback(G,1);step(H);gtext(单位阶跃响应);grid;结果：明显的，这个系统是不稳定的系统，需要加入PID控制器进行调节。三单回路控制系统设计3.1基本控制方案3.1基本控制方案电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统，温度系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。控制量是电阻炉温度，通过调节电流大小控制温度高低。控制系统选择比例积分微分PID调节，比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，则此时控制输出量和控制偏差
8、量都将保持在某一个常值上。微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加速系统的动态速度，减小调节时间。电阻炉TCTT系统原理图系统流程图由图，选择被控制量为电阻式处理炉内部温度，调节量为调节阀开度。3.2 控制仪表选择所有仪表均选用DDZ-型表。因为大型电阻炉内部温度很高，所以采用热电偶。Km0,从安全角度考虑，调节阀为气开阀，则Kv0。对象Kp0,所以调节器Kc0。温度变送器量程为01000，调节阀范围0100T/min，则Gv=（100-0）/(20-4) T/min/mA, Gm=(2
9、0-4)/(1000-0)mA/.所以Go=Gv*Gp*Gm,则广义对象的传函为：3.3 控制系统MATLAB仿真设调节器传递函数为。应用临界比例带法对PID参数进行整定。源程序如下：num1=2.205;den1=conv(241.2 1,conv(241.2 1,241.2 1);G1=tf(num1,den1);num2,den2=pade(120,3);G=G1*tf(num2,den2);for kcr=0:0.01:500 %求临界比例增益Gc=kcr; G2=feedback(Gc*G,1);num,den=tfdata(G2,v); %获得传函的分子和分母p=roots(den
10、); %求闭环特征根pr=real(p);prm=max(pr);pro=find(prm=-0.00001);n=length(pro);if n=1 breakend;endstep(G2,0:0.2:5000);grid onkcrkcr = 1.6000从图中可以得出tcr=2160-846=1314s；用临界比例带法确定PID参数kp、Ti、Tdnum1=2.205;den1=conv(241.2 1,conv(241.2 1,241.2 1);G1=tf(num1,den1);num2,den2=pade(120,3);G=G1*tf(num2,den2);kcr=1.6;tcr=
11、1314;kp=0.6*kcr;Ti=0.55*tcr;Td=0.125*tcr;kp,Ti,Td,s=tf(s);Gc=kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);G=feedback(Gc*G,1);step(G)kp = 0.9600Ti = 722.7000Td = 164.2500kp=0.96 Ti=722.7 Td=164.253.4 仿真结果分析从上面一节的图形看来，加入PID之后虽然系统最终变为稳定，但是超调量仍然达到21%。要把超调量降低，就要重新调整PID参数。为了减小超调，应该减小比例和积分作用，即减小Kp，增大Ti。编程在MATLAB下进行调整：num1=2.205;d
12、en1=conv(241.2 1,conv(241.2 1,241.2 1);G1=tf(num1,den1);num2,den2=pade(120,3);G=G1*tf(num2,den2)Kp =0.86;Ti =800;Td =164.25;s=tf(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);G2=feedback(Gc*G,1);step(G2)结果为：从图中可以看出超调量降到了12%，符合要求。下面对系统的抗干扰性进行分析：波形如下：分析：再加入一个脉冲干扰信号后，输出超调60%，说明系统的抗干扰能力比较差。四串级控制系统设计4.1 控制方案选择依据（1）扰动分析：压力，
13、流量，成分，热值（2）控制方案：因为流量信号在加热炉的后侧，有纯滞后环节，不宜采用流量作为副被调量，同样，如果以压力作为副被调量，因为压力检测元件多为细管，易堵塞，所以不采用，而以炉内膛温度作为副被调量。 4.2 控制仪表选择所有仪表均为DDZ-型表。炉内温度作为副被调量，拥有克服燃料影响，如温度，成分等，温度点不易找准，实际中应多测几个点温，再去平均温度，。因为炉内温度很高，所以采用热电偶。 串级控制系统原理图 串级控制系统流程图4.3 控制系统MATLAB仿真先整定副回路，设副对象暂定为，。因此，采用比例控制规律，利用经验法进行整定，编程如下：num=0.1;den=241.2 1;Go2
14、tf(num,den);G2=feedback(2*Go2,1);step(G2);经分析，发现Kp2越大，Ts越小，稳态误差越小，但Kp2不能无限制的增加。单位阶跃响应曲线如下：然后整定外环，有刚刚确定的Kp2，带入可得外环的广义传递函数为：，编程如下：num=0.1;den=241.2 1;Go2=tf(num,den);G2=feedback(2*Go2,1);step(G2);num1=22.05;den1=conv(241.2 1,241.2 1);G1=tf(num1,den1);num2,den2=pade(120,3);Gp1=G1*tf(num2,den2);Go1=G2*
15、Gp1*0.016;for kcr=0:0.01:500 %求临界比例增益Gc=kcr; G=feedback(Gc*Go1,1);num,den=tfdata(G,v); %获得传函的分子和分母p=roots(den); %求闭环特征根pr=real(p);prm=max(pr);pro=find(prm=-0.00001);n=length(pro);if n=1 breakend;endstep(G,0:0.2:5000);grid onkcrkcr= 58.6200从图中可以得出tcr=2070-810=1260；Kp=0.6*kcr=35.172 , Ti=0.5*tcr=630,
16、Td=0.125*tcr=157.5编程在MATLAB下进行：num=0.1;den=241.2 1;Go2=tf(num,den);G2=feedback(2*Go2,1);step(G2);num1=22.05;den1=conv(241.2 1,241.2 1);G1=tf(num1,den1);num2,den2=pade(120,3);Gp1=G1*tf(num2,den2);Gp=G2*Gp1*0.016;Kp =35.172;Ti =630;Td =157.5;s=tf(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);G=feedback(Gc*Gp,1);step(G)4.4 仿真结果分析现在这个PID控制器控制的系统超调量达到24%，因此要重新调整PID参数，调整后用simulink进行仿真：结果： 可以看出，超调量小于15%，符合了要求，Ts也要比单环系统短。此时，PID参数为：Tp=25； Ki=650； Kd= 160；在副回路和主回路中分别加入阶跃脉冲，观察其抗干扰性，输出如下：系统抗干扰特性仿真 结论：整定后与单回路控制系统比较，系统的抗干扰大大增强系统的跟随性分析：因为系统的时间常数很大，且存在延时，所以系统的跟随性很差。19
