过程控制系统

《控制系统》课程设计课题：加热炉温度控制系统

系别：电气与电子工程系

专业：自动化

姓名：

学号：1214061（44、32、11）

指导教师

河南城建学院

2010年12月29日

成绩评定·

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分（按下表要求评定）

评分项目

设计报告评分答辩评分平时表现评分

合计

（100分）任务完成

情况

（20分）

课程设计

报告质量

（40分）

表达情况

（10分）

回答问题

情况

（10分）

工作态度与

纪律

（10分）

独立工作

能力

（10分）

得分

课程设计成绩评定

班级姓名学号

成绩：分（折合等级）

指导教师签字年月日

一、设计目的：

通过对一个使用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。

二、设计要求：

设计一个加热炉温度控制系统，确定系统设计方案，画出系统框图，完成元器件的选择和调节器参数整定。

三、总体设计：

1．控制系统的设计思想

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。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

2 .加热炉控制系统原理

加热炉控制系统以炉内温度为主被控对象，燃料油流量为副被控对象的串级控制系统。该控制系统的副回路由燃料油流量控制回路组成，因此，当扰动来自燃料油上游侧的压力波动时，因扰动进入副回路，所以，能迅速克服该扰动的影响。

由于炉内温度的控制不是单一因素所能实现的，所以，还要对空气的流量进行控制。空气的控制直接影响炉内燃烧的状况，不仅影响炉温，还直接影响了能源的利用率和环境的污染。所以，对空气的控制很有必要，其原理和燃料控制相同。

燃料

图2燃料串级控制系统流程

3.在考虑燃料、空气流量比例自动控制系统

考虑到空气、燃料的比例合理性，基于各方面因素的考虑，该设计只针对燃料、空气流量比例自动控制系统做以下说明。其控制系统流程图如下图所示。

≤

≥

燃料

空气

图3交叉限制式串级燃烧自动系统

交叉限制式串级燃烧自动系统的工作原理，是利用最大、最小值选择器，当炉温低于设定值时，使系统为空气先行方式，而炉温高于设定值则为燃料先行方式，他可有效防止黑烟的产生。既节约能源减少污染，有保证了生产质量。

4. 调节规律的确定和主、副调节器的选用

（1）调节规律的确定

在串级控制系统中，主，副调节器起的作用不同。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。

主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差。又由于温度的控制有明显的滞后性，因此，主调节器应选PID调节规律。

副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副调节器选择P调节规律。

（2）主、副调节器的选用

DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有以下主要特点：

（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4~20mA，控制室联络信号为DC1~5V，信号电流与电压的转换电阻为250 。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。

DDZ-III型PID调节器的结构框图如图2-1。主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号(DC4~20mA或DC1~5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。

图2-4给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。

本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器

图4 DDZ-III型调节器结构框图

5.对主、副电路检测变送器的确定

（1）温度检测元件

热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图2-2所示。

用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。

采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值

图2—5 补偿导线的作用

（2）温度变送器

检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。

传感元件

输入电路

放大电路反馈电路

电量

输出电流+

-

图2—6 温度变送器原理框图

6. 主、副调节器正、反作用方式和调节阀的确定

(1) 主、副调节器正、反作用方式

在串级控制系统中，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈。串级控制系统中，主、副调节器的正反作用的选择方法是：首先根据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式，并决定副调节器的正反作用;然后再依据主、副过程的正、反形式最终确定主调节器的正、反作用方式。

从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。对于副调节器，当炉膛温度升高时，测量信号增大、为保证副回路为负反馈，此时调节阀应关小，

要求副调节器输出信号减小。按照测量信号增大，输出信号减小的原则要求，副调节器应为反作用方式。对于主调节器，当副参数升高时，主参数也升高，故主调节器应为反作用方式。

(2)调节阀的确定

由前文得，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。

调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。

故本设计采用了气动调节阀，且为气开形

7. 控制回路的参数选择

副回路的选择是确定副回路的被控参数，串级系统的特点主要来源于它的副回路，副回路的参数选择一般应遵行下面几个原则：

（1）主、副参数有对应关系。即通过调整副参数能有效地影响主参数，副参数的变化应反映主参数的变化趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择的副参数必须是物理上可测的；另外，由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反应速度，改善系统控制品质。

（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰。在选择副参数时一定要把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中，但也不是副回路包含的干扰越多越好，因为副回路包含的干扰越多，其控制通道时间常数必然越大，响应速度变慢，副回路快速克服干扰的能力将受到影响。所以在选择副参数时，应在副回路反应灵敏与包含较多干扰之间进行合理的平衡。

（3）副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生。在串级控制系统中，主、副回路中控制过程的时间常数不能太

接近，一方面是为了保证副回路具有较快的反应能力，另一方面由于在串级控制系统中，主、副会理密切相关，如果主、副回路中的时间常数比较接近，系统一旦受到干扰，就有可能产生“共振”，使控制质量下降，甚至使系统因震荡而无法工作。在选择副参数时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为3~10，以减少主、副回路的动态联系、避免“共振”。

四、设计总结：

通过这次课程设计我们深刻的认识到：自己在过程控制系统设计的知识远远不够，以前学习过的理论掌握的并不牢固，理论与实践结合的面和点的错位等等。因此我们经过复习课本知识和查阅资料，对过程控制系统的设计有了更深刻的理解。

在设计过程中，从方案设计到方案确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。在设计中，遇到了许多困难，老师对该论文从开始的题目介绍，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成毕业论文设计。

同时，通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。

参考文献

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