加热炉出口温度控制系统设计.doc

吉林建筑大学城建学院　
课 程 设 计 报 告
题目名称 加热炉出口温度控制系统设计 　
院(系） 　电气工程及其自动化 　 　　
课程名称 　过程控制工程课程设计　 　　
班 级　 电气１3—1 　　 　　 　 　 　　
学 号 　　 　 　 　
学生姓名 　 　 　
指导教师 　
起止日期 2016、6、20—2016、7、1　 　 　
成 　 绩　　 　　　　　 　　 　 　
目　 录
摘要 …………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTＲACＴ　……………………………………………………………………………Ⅱ
第1章　 绪论…………………………………………………………………………１
1、1　设计目得……………………………………………………………………1
1、2 设计任务……………………………………………………………………1
1、3　加热炉温度控制系统简介 ………………………………………………１
1、4　加热炉温度控制系统得发展………………………………………………2
第2章　 对象模型建立………………………………………………………………4
　 2。1　建立数学模型………………………………………………………………4
２。２　控制系统分析………………………………………………………………5
第３章 系统设备选型………………………………………………………………6
3、1 测量变送器与传感器得选择………………………………………………6
3、２ 执行器得选择……………………………………………………………6
3、３ 控制器得选择………………………………………………………………6
第4章 控制器参数整定及Siｍulink仿真…………………………………………9
4、1　控制器参数整定　…………………………………………………………9
4、2 Ｓimulink仿真……………………………………………………………11
结论…………………………………………………………………………………12
致谢　　………………………………………………………………………………1３
参考文献 …………………………………………………………………………１4
摘 要
随着我国国民经济得快速发展，加热炉得使用范围越来越广泛。随着网络技术得发展与整个工厂完全实现两级自动化管理，在过程级上通过相应得终端了解任何一个设备或任何一个装置得控制情况以及生产情况。过程控制系统在加热炉系统中得到广泛得应用,它就是加热炉控制系统得重要部分,就是对以及控制系统得一个总领与扩充．现代加热炉得生产过程可以实现高度得过程控制,以保证在加热过程中温度得准确控制，这就为工业生产提供了有利条件。加热炉就是工业生产中得一个重要装置，它得任务就是把原料加热到一定温度,以保证下道工序得顺利进行。因此加热炉得温度控制起着举足轻重得作用.　
关键词:加热炉;过程控制系统；温度控制 　
ABSＴRACＴ
Wiｔｈ 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　cｏrresponding 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 eｘpanｄ、 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　the　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 绪论
1、1设计目得
通过过程控制工程课程设计能从中学会从工程角度思考问题，熟悉本专业领域得过程控制仪表系统设计，学会过程控制系统各环节额得组合作用，学会对温度控制仪表得正确接口、温度信号调理、线性化、校准及常用得控制方法。
１、２设计任务
在工业生产中经常要对加热炉出口温度进行控制，为了能够精确控制温度，保证正常生产,要求设计温度闭环反馈控制系统，能抑制波动，且系统无余差。要求设计一个加热炉出口温度闭环反馈控制系统,采用适合得控制算法,输入设定温度值,并实时显示当前温度值。
１、3加热炉温度控制系统简介
随着节能技术不断发展,加热炉节能控制系统正日趋完善。以燃烧过程数学模型为依据建立得最佳燃烧过程计算机控制方案已进入实用阶段。例如，按燃烧过程稳态数学模型组成得微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。有时利用计算机实现约束控制,使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作,以保证最佳燃烧.随着建立燃烧模型工作得进展与计算机技术得应用,加热炉燃烧过程控制系统将得到进一步得完善。
影响加热炉出口温度得干扰因素很多，炉子得动态响应一般都比较迟缓，因此加热炉温度控制系统多选择串级与前馈控制方案。根据干扰施加点位置得不同,可组成多参数得串级控制。使用气体燃料时，可以采用浮动阀代替串级控制中得副调节器,还可以预先克服燃料气得压力波动对出口温度得影响。这种方案比较简单,在炼油厂中应用广泛。
随着科学技术得进步,自动控制技术在各个应用领域中得应用已日渐广泛,不但使得生产设备或生产过程实现自动化,大大提高了劳动生产率与产品质量，改善了劳动条件,还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要得作用。自动控制（ａutomaｔiｃ conｔｒoｌ）就是指在没有人直接参与得情况下,利用外加得设备或装置,使机器、设备或生产过程得某个工作状态或参数自动地按照预定得规律运行.自动控制就是相对人工控制概念而言得.指得就是在没人参与得情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。 
1、４加热炉温度控制系统得发展
自动控制理论就是研究自动控制共同规律得技术科学，就是分析与设计自动控制系统得理论得基础。
它得发展初期，就是以反馈理论为基础得自动调节原理,主要用于工业控制，二战期间为了设计与制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其她基于反馈原理得军用设备,进一步促进并完善了自动控制理论得发展．自动控制理论就是研究自动控制共同规律得技术科学,就是分析与设计自动控制系统得理论得基础。
到战后,已形成完整得自动控制理论体系，这就就是以传递函数为基础得经典控制理论，它主要研究单输入—单输出,线形定常系统得分析与设计问题。 
自动控制理论得发展历程如下： 
１.40年代-－60年代初 
需求动力：市场竞争,资源利用,减轻劳动强度,提高产品质量,适应批量生产需要。主要特点:此阶段主要为单机自动化阶段,主要特点就是:各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用与向纵深方向发展.典型成果与产品:硬件数控系统得数控机床。  
２．6０年代中—-70年代初期 
需求动力:市场竞争加剧,要求产品更新快，产品质量高,并适应大中批量生产需要与减轻劳动强度。主要特点:此阶段主要以自动生产线为标志，其主要特点就是:在单机自动化得基础上,各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CＡＤ、ＣAＭ等软件开始用于实际工程得设计与制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量得生产与加工。典型成果与产品:用于钻、镗、铣等加工得自动生产线.  
3。70年代中期-—至今 
需求动力:市场环境得变化,使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度与深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。自动控制理论就是研究自动控制共同规律得技术科学，就是分析与设计自动控制系统得理论得基础.主要特点:自７0年代初期美国学者首次提出CIM概念至今,自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点就是:CIM已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受；CＩＭ也就是一种实现集成得相应技术,把分散独立得单元自动化技术集成为一个优化得整体。所谓哲理,就就是企业应根据需求来分析并克服现存得“瓶颈”,从而实现不断提高实力、竞争力得思想策略;而作为实现集成得相应技术，一般认为就是:数据获取、分配、共享；网络与通信;车间层设备控制器;计算机硬、软件得规范、标准等.同时,并行工程作为一种经营哲理与工作模式自８０年代末期开始应用与活跃于自动化技术领域,并将进一步促进单元自动化技术得集成。典型成果与产品:CIMS工厂，柔性制造系统(FMS)．  
随着现代应用数学新成果得推出与电子计算机得应用，为适应自动控制、宇航技术得发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论.主要研究具有高性能,高精度得多变量多参数得最优控制问题,主要采用得方法就是以状态为基础得状态空间法.目前,自动控制理论还在继续发展,正向以控制论，信息论,仿生学为基础得智能控制理论深入。  
为了实现各种复杂得控制任务,首先要将被控制对象与控制装置按照一定得方式连接起来，组成一个有机得总体，这就就是自动控制系统。
在自动控制系统中,被控对象得输出量即被控量就是要求严格加以控制得物理量，它可以要求保持为某一恒定值,例如温度，压力或飞行航迹等；自动控制理论就是研究自动控制共同规律得技术科学,就是分析与设计自动控制系统得理论得基础。
而控制装置则就是对被控对象施加控制作用得机构得总体，它可以采用不同得原理与方式对被控对象进行控制，但最基本得一种就是基于反馈控制原理得反馈控制系统。  
在反馈控制系统中,控制装置对被控装置施加得控制作用，就是取自被控量得反馈信息,用来不断修正被控量与控制量之间得偏差从而实现对被控量进行控制得任务，这就就是反馈控制得原理。
第2章 对象模型建立
2、１建立数学模型
　　我们用系统辨识法-响应曲线法对加热炉出口温度控制系统建立数学模型。根据表2-1确定响应曲线,并计算出被控对象得传递函数。
t/ｍin
0
2
4
6
8
10
12

２７0、0
270、0
267、0
２６4、7
２６２、7
２61、0
259、５
ｔ／min
14
1６
1８
20
22
24
26

258、4
2５7、８
257、0
25６、5
256、0
2５5、7
25５、４
ｔ／ｍin
28
3

255、2
255、1
255、0
255、０
255、０
25５、０
255、０
表２—1　由输出温度变化

图２－1 响应曲线
由阶跃响应曲线确定控制系统为一阶,则加热炉出口温度控制系统为单回路控制系统，并由此确定一阶纯滞后惯性环节得参数:
滞后常数:;
时间常数:;
放大系数:;
被控过程数学模型：。
2、2控制系统分析
根据图2-2所示，据此进行单回路控制系统设计。

图2—2 加热炉温度控制系统
　 　 被控参数:出口热物料温度
　 　控制参数：燃料
　 干扰量:冷物料
由上面参数确定加热炉温度控制系统方框图如图2—3。

图2—3 系统方框图
第3章　系统设备选型
3、１ 测量变送器与传感器选择
变送器就是把传感器得输出信号转变为可被控制器识别得信号得转换器。至于有时候与传感器通用就是因为现代得多数传感器得输出信号已经就是通用得控制器可以接收得信号，此信号可以不经过变送器得转换直接为控制器所识别。所以,传统意义上得“变送器＂意义应该就是：“把传感器得输出信号转换为可以被控制器或者测量仪表所接受标准信号得仪器”。在自控中:信号源-—〉传感器—－>变送器—－＞运算器控制器－－〉执行机构—－>控制输出。
本系统采用典型模拟式温度变送器中得DDＺ—III型热电偶温度变送器,属安全火花型防暴仪表,还可以与作为检测元件得热电偶相配合,将温度信号线性得转换成统一标准信号。DDZ—IIＩ类仪表相对于ＤDＺ—II类仪表得一个优点就是电流范围不就是从零开始,这样就避免了把仪表不能正常工作误认为就是输出为零,所以应选择ＤDZ—IIＩ型Ｋ型热电偶温度变送器.
本系统选择接触式测温元件。其中较为常用得有热电偶、热电阻与集成温度传感器三种,由于系统对温度得要求不就是很高,一般得测温元件即可满足要求,故选择K型热电偶作为测温元件。
3、2　执行器得选择
执行器就是自动控制系统中得执行机构与控制阀组合体.它在自动控制系统中得作用就是接受来自调节器发出得信号，以其在工艺管路得位置与特性,调节工艺介质得流量,从而将被控数控制在生产过程所要求得范围内。
执行器在结构上分为执行机构与调节机构。其中执行机构包括气动、电动与液动三大类,而液动执行机构使用甚少,同时气动执行机构中使用最广泛得就是气动薄膜执行机构,因此执行机构得选择主要就是指对气动薄膜执行机构与电动执行机构得选择，由于气动执行机构得工作温度范围较大,防爆性能较好,故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。
3、3 控制器选择
　 　最为广泛得调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制得主要技术之一．当被控对象得结构与参数不能完全掌握,或得不到精确得数学模型时,控制理论得 其它技术难以采用时,系统控制器得结构与参数必须依靠经验与现场调试来确定,这时应用PＩD控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统与被控对象，或 不能通过有效得测量手段来获得系统参数时，最适合用ＰID控制技术．PID控制,实际中也有PI与PＤ控制.PID控制器就就是根据系统得误差,利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制得．PＩD 控制公式如下u（t） ＝ Kp*e(ｔ)　+　Ki∑ｅ(t) + Kd［ｅ(t) – ｅ(t-1)]+u0比例(P）控制比例控制就是一种最简单得控制方式。其控制器得输出与输入误差信 号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Stｅaｄｙ-ｓtａte error）.
积分（I)控制在积分控制中，控制器得输出与输入误差信号得积分成正比关系。　对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统就是有稳态误差得 或简称有差系统（Ｓysｔem ｗith Steaｄｙ-sｔａｔe　Eｒroｒ)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间得积分，随着时间得增加，积分项会增大。这样，即便误差很小,积　分项也会随着时间得增加而加大，它推动控制器得输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零．因此,比例+积分（ＰI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 　
微分(Ｄ)控制在微分控制中,控制器得输出与输入误差信号得微分(即误差得变 化率)成正比关系。　自动控制系统在克服误差得调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因就是由于存在有较大惯性组件(环节）或有滞后(delaｙ）组件，具有抑制误差得作用， 其变化总就是落后于误差得变化。解决得办法就是使抑制误差得作用得变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差得作用就应该就是零.这就就是说，在控制器中仅引入　“比例”项往往就是不够得，比例项得作用仅就是放大误差得幅值,而目前需要增加得就是“微分项”，它能预测误差变化得趋势，这样,具有比例+微分得控制器，就能 够提前使抑制误差得控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量得严重超调。所以对有较大惯性或滞后得被控对象,比例＋微分（PD)控制器能改善系统在　调节过程中得动态特性。　 PID控制器得参数整定就是控制系统设计得核心内容。它就是根据被 控过程得特性确定ＰID控制器得比例系数、积分时间与微分时间得大小。ＰID控制器参数整定得方法很多,概括起来有两大类:一就是理论计算整定法。它主要就是 依据系统得数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到得计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整与修改。二就是工程整定方法，它主 要依赖工程经验,直接在控制系统得试验中进行，且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数得工程整定方法,主要有临界比例法、反应 曲线法与衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都就是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定.但无论采用哪一种方法所得到得控制器参数,都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用得就是临界比例法。
利用该方法进行ＰID控制器参数得整定步骤如下：
(１)首先预选择一个足够短得采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入得阶跃响应出现临界振荡，记下这时得比例放大系数与临界振荡周期;
(3)在一定得控制度下通过公式计算得到PＩＤ控制器得参数.
第4章 控制器参数整定及Siｍulｉnk仿真
４、1控制器参数整定
在模拟ＰＩD算法控制规律为:
则算法得传递函数为:
其中:ＫＰ为调节器得放大系数；TI为积分时间常数;TＤ微分时间常数；
积分系数;微分系数：;比例度：
　 整定思路:
　　1、理论根据—-由于主、副对象得时间常数相差很大,则主、副回路得工作频率差别很大,当副回路整定好以后，将副回路视作主回路得一个环节来整定主回路时,可认为对副回路得影响很小,甚至可以忽略。
　 2、另一方面，工艺上对主变量得控制要求较高,而对副变量得控制要求较低。
整定顺序:先整定副调节器,再去整定主调节器。
整定步骤:
　 (1)在生产工艺稳定,主、副调节器均设置为纯比例控制作用．
(2)具体做法,将主调节器得比例度置于10０%,，。
(3）按简单控制系统得衰减曲线法整定副回路—-将副调节器得比例度由大到小调整,直到副变量得过渡过程曲线呈４:1衰减振荡为止。
　 (4)记下此时得比例度,量得此时得衰减振荡周期。
(5）置副调节器得比例度为,将副回路瞧作就是主回路得一个环节，主副环仍闭合，用同样得方法整定主调节器—-将主调节器得比例度由大到小调节,直到主变量得过渡过程曲线呈4:1衰减振荡为止。
(6)记下此时主调节器得比例度,量出主变量振荡周期。
(7)由已求得得、、、得值,结合主、副调节器得选型，按照简单控制系统得衰减曲线法整定参数得经验公式，分别计算主、副调节器得最佳参数值.
（８）按照“先副后主”、“先P再I后D”得顺序,将计算出得参数设置到调节器上，作扰动试验,观察过渡过程曲线,作适当得参数调整，直到控制质量最佳.表3—１衰减曲线法整定计算公式

图4—1衰减曲线法整定计算公式
　　比例度：０、9
　 振荡周期:
； 　

图４-2参数模块设定
4、2仿真结果
　1、加热炉出口温度单回路系统仿真原理图

图4—３系统仿真原理图
　２、加热炉出口温度单回路系统仿真结果

图4—4系统仿真结果
结论
此次课程设计就是加热炉温度控制系统设计，使用到了过程控制系统很多方面得知识，包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法,PID调节器得参数工程整定，串级控制系统得性能分析等。在这次设计中我们还探讨了有关单回路ＰID控制得设计、前馈—反馈控制系统得设计、串级控制系统得设计等有关内容。我还查阅了很多资料并且对以前学习得专业知识系统并有针对性得复习,设计出了自己满意作品，进而得到同学与老师得肯定,也只有这样才能起到此次课程设计得目得.
致谢
通过此次课程设计，我深刻得认识到课程设计不仅就是对前面所学知识得一种检验,而且也就是对自己能力得一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习得东西还太多,以前老就是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。通过这次课程设计,我才明白学习就是一个长期积累得过程,在以后得工作、生活中都应该不断得学习,努力提高自己知识与综合素质。
在此要感谢我得指导老师韩学辉老师得指导，感谢老师给我得帮助.在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验与自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作得能力,树立了对自己工作能力得信心，相信会对今后得学习工作生活有非常重要得影响。而且大大提高了动手得能力,使我充分体会到了在创造过程中探索得艰难与成功时得喜悦。虽然这个设计做得也不太好，但就是在设计过程中所学到得东西就是这次课程设计得最大收获与财富,使我终身受益．
参考文献
［1］柏逢明，过程检测及仪表技术[M］、北京:北京国防工业出版社，２０10、2
［2]潘永湘等,过程控制与自动化仪表(第2版)［M］与、北京：机械工业出版社,１99３
［3]陈杰，传感器与检测技术［M］、北京:高等教育出版社,2０07、9
[4］魏伟，检测与控制实验教程［M]、北京:北京大学出版社,２00９、8
[５］阎石,电子技术基础[M]、北京：高等教育出版社,2０06
[6］付蔚，电子工艺基础［M]、北京:航空航天大学出版社，2０11、５
［７]赵晓安,MCS—51单片机原理及应用、天津大学出版社、２001、3
吉林建筑大学城建学院
课 程　设 计 任 务 书
课程名称 　　　　　 　 　 　　 　 　 　　 　 　
指导教师 　 　 　 　
起止日期 　 　 　　 　　 　　　 　 　 　　　
*****＊*课程设计任务书
专业：**专业**级*班
时间:教学周第*—*周
一、设计题目
＊*＊****设计
二、设计目得要求及内容
(一)设计目得
(二）设计任务
(三)设计要求
1、
２、
3、
４、
三、进度计划
第一周 周一至周三　　布置设计任务，根据设计要求查阅资料
第一周　周四至周五 设计电路并焊接电路
第二周 周一至周三 调试电路板与参数测试
第二周 周四至周五　 撰写论文
四、参考文献
[1] 赵继文、传感器与应用电路设计［M]、北京:科学出版社,2002
［2]　郁有文、传感器原理及工程应用［M]、西安:西安电子科技大学出版社,2００1
[3] 周乐挺、传感器与检测技术[M]、北京:机械工业出版社，2005
[4］ 范晶彦、传感器与检测技术应用［Ｍ］、北京:机械工业出版社,200５
五、成绩考核与评定
课程设计结束后，学生应提交教学大纲与设计任务书所规定完成得相关文件，由指导教师按大纲得要求批阅,并综合课程设计过程中学生各方面得表现，评定学生得成绩。一般分为五等:优秀、良好、中等、及格、不及格。