管式加热炉串级系统控制过控课设解析

学号1422060213

天津城建大学

过程控制课程设计

设计说明书

串级温度控制系统设计

起止日期：2017 年7 月 3 日至2017 年7 月7 日

学生姓名侯亚东

班级14自动化2班

成绩

指导教师(签字)

控制与机械工程学院

2017年7月7日

天津城建大学

课程设计任务书

2016 -2017学年第 2学期

控制与机械工程 学院 自动化专业 班级 14自动化2班 姓名 侯亚东 学号 1422060213

课程设计名称： 过程控制

设计题目： 串级温度控制系统设计

完成期限：自 2017 年 7 月 3 日至 2017 年 7 月 7 日共 1 周

设计依据、要求及主要内容：

一、设计任务

管式加热炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度作为主变量，主、副对象的传递函数分别为：

2017()81

s G s e s -=+，021()(101)(201)G s s s =++ 试采用串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：

1) 进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；

2) 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能；

3）说明不同控制方案对系统的影响。

二、设计要求

采用MATLAB 仿真；需要做出以下结果：

（1） 超调量

（2） 峰值时间

（3） 过渡过程时间

（4） 余差

（5） 第一个波峰值

（6） 第二个波峰值

（7） 衰减比

（8） 衰减率

（9） 振荡频率

（10）全部P 、I 、D 的参数

（11）PID 的模型

（12）设计思路

三、设计报告

课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。

四、参考资料

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004

[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000

[3] 过程控制教材

指导教师（签字）：

教研室主任（签字）：

批准日期：年月日

目录

绪论 (1)

一、设计的目的意义 (1)

1.1管式加热炉简介 (2)

1.2 设计目的及意义 (1)

1.3管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求 (2)

二、设计方案 (2)

2.1简单控制系统 (2)

2.2 串级控制系统 (3)

2.3 方案选择 (4)

三、串级控制系统分析 (4)

3.1 主回路设计 (4)

3.2 副回路选择 (4)

3.3 主、副调节器规律选择 (4)

3.4 主、副调节器正反作用方式确定 (4)

3.5 控制器参数工程整定 (4)

四、各仪表的选取及元器件 (5)

4.1 温度变送器 (5)

4.2 温度检测元件 (6)

4.3 调节阀 (7)

4.4 联锁保护 (7)

五、 MATLAB仿真实验 (7)

5.1 副回路的整定 (8)

5.2主回路的整定 (8)

5.3整体参数整定 (8)

心得体会 (10)

参考文献 (10)

绪论

过程控制课程是自动化专业最主要的一门课程，它是在自动控制理论的基础上发展起来的应用课程，既有理论又有工程实践。以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。例如，锅炉中蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参数的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少同时本次课程设计还综合应用了多款软件如MATLAB,VISIO绘图软件。

管式加热炉的特点有下面几个：

1)可以智能AI控温，拥有50段程序编排功能，同时发出节能而且有较高的效益;

2)将高纯度晶体纤维作为炉膛保温的材料，这样温度能够均匀分布，而且保温性能非常优异;

3)高温热处理范围比较广：100～1600℃;

4)可以进行抽真空和双路供气，也能作气氛保护或反应气体使用;

5)自带循环水来进行冷却，保证真空密封;

6)机体是组合式的结构，更加具有个性化;

管式加热炉主要是用在冶金，玻璃，热处理，锂电正负极材料，新能源，磨具等行业测定材料在一定气氛条件下的专业设备。

一、设计的目的意义

1.1管式加热炉简介

管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道

工序的顺利进行。因此，常选原料油出口温度

1t

θ（）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所

示的温度控制系统，控制系统框图如图1-2所示。影响原料油出口温度

1t

θ（）的干扰有原料油流量

1()

f t、

原料油入口温度

2()

f t、燃料压力

3()

f t、燃料压力

4()

f t等。该系统根据原料油出口温度

1t

θ（）变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。

管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1-1所示：

图1-1 管式加热炉

通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。

对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。

辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。

燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。

1.2 设计目的及意义

管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。

1.3管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求

管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度θ1。在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度θ1的目的。

引起温度θ1改变的扰动因素很多，主要有：

（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动D2；

（2）喷油用的过热蒸汽压力波动D4；

（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动D1；

（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；

其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调节阀动作到温度θ1改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。工艺上对出口温度θ1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。

二、设计方案

2.1简单控制系统

当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度。从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。温度调节器TC是根据原料油的出口温度θ1与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数θ1的影响控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度θ1要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。

被控变量：原料油出口温度；

操控变量：燃料流量。

当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。

图2-1 管式加热炉温度控制系统

图2-2 管式加热炉出口温度单回路控制系统框图

2.2 串级控制系统

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

中间被控变量：炉膛温度。

操纵变量：燃料流量。

炉膛温度变化时，TC可以及时动作，克服干扰。

图2-3 管式加热炉温度串级控制系统

图2-4 管式加热炉出口温度串级控制系统框图

2.3 方案选择

方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。

方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。

三、串级控制系统分析

3.1 主回路设计

加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调节器对被控参数θ1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。

3.2 副回路选择

副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的控制效果。

3.3 主、副调节器规律选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。