管式加热炉串级系统控制过控课设

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 (2)

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 (5)

3.5 控制器参数工程整定 (5)

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。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。

3.4 主、副调节器正反作用方式确定

由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。

3.5 控制器参数工程整定

串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、一步整定法和逐步逼近法。

1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。

2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按照一般单回路孔控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。

3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。

我们选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。

四、各仪表的选取及元器件清单

4.1 温度变送器

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4-1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4-1 DDZ-III型调节器结果框图

4.2 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4-2所示。

图4-2 补偿导线的作用

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，当热电阻的链接导线很长时，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符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，如图4-3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。

图4-3 热电阻三线制接法

4.3 调节阀

由前面可以知道，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，且为气开形式。

4.4 联锁保护

联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到控制。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供给量以防回火。

五、 MATLAB 仿真实验 已知主对象传递函数：2017()81

s G s e s -=+ 副对象的传递函数：021()(101)(201)

G s s s =++

在MATLAB 中画出仿真框图，如图图5-1所示：

图5-1 系统仿真图

5.1 副回路的整定

将比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图图5-2所示：

图5-2 仿真曲线1

5.2主回路的整定

保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度P 1S ，记取过渡过程的振荡周期T 1S 。当衰减比为4：1时，比例度2s P 为98，振荡周期为2s T 为56.3，此时主回路的仿真曲线如图图5-3所示:

图5-3 仿真曲线2

5.3整体参数整定

按已求得的P1S 、T1S 和P2s 、T2s 值，结合已选定的调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。经计算以后，主、副调节的参数设置如图5-4,图5-5所示：

图5-4 整定参数设置1

图5-5整定参数设置2

当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副参数的控制品质差一点也是可以接受的。主、副调节器参数

整定好以后系统输出图如图图5-6所示。

图5-6 整定完成后系统输出图

所以可得出结论

超调量σ=（13-10）/10*100%=30%

峰值时间 60s

过渡过程时间 450s

余差 0

第一个波峰值 14

第二个波峰值 11

衰减比4/1=4

衰减率（4-1）/4=0.75

振荡频率2π/p=6.28/450=0.013

心得体会

通过这次课程设计是我巩固了课堂中学到的理论知识，并且对于过程控制在生产过程中的应用有了更深的理解。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。

在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，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，使我得以最终完成这次关于管式加热炉温度控制系统的设计。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。学校安排了这次管式加热炉温度控制系统的课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。

参考文献

[1] 金以慧，方崇智编．过程控制．清华大学出版社，2010．

[2] 薛定宇编．控制系统辅助设计．清华大学出版社，2008．

[3] 张毅，张宝芬编．自动检测技术及仪表控制技术．化学工业出版社，2009.

[4] 周泽魁编．控制仪表与计算机控制装置．化学工业出版社，2009．

[5] 王兆安，黄俊编. 电力电子技术. 机械工业出版社，2000.