计控第二次大作业-氧化炉

宁波大学答题纸
（20 12 —20 13 学年第 1 学期）
课号： 103Z01A07 课程名称：计算机控制技术改卷教师：
学号：姓名：得分：
大作业（二）
下图为氧化炉对象，工艺要求氧化炉内的反应温度恒定，一般通过氧化炉的氨气和氧气比恒定来实现，但氨管压力波动会影响氨气流量变化，空气含氧量会随环境发生变化。

被控量为氧化炉温度，调节量为氨气管道阀门。

绪论
在硝酸铵生产过程中，氨氧化炉是关键设备。

其工艺流程：氨气和空气混合气体进入氧化炉，在铂金触煤的作用下进行氧化反应，生成所需要的一氧化氮，这是一个多种参数相互制约的复杂过程，工艺控制指标的好坏关系到生产能否稳定运行，生产效益以及设备安全问题。

氨氧化法制硝酸是硝酸生产中比较普遍的方法，氨气和空气混合气体经静化后，进入氧化炉，在铂金网的作用下，在绝压0．45 MPa，温度850℃的条件下，将氨氧化成一氧化氮气体，影响氧化反应过程的因素有氨的体积分数，压力，氧化率，反应温度，混合气流量，铂网活性等，氧化率是氧化反应的指标，但目前没有有效的检测手段。

在一定条件下，氧化率正比于反应温度，而氨气是氧化反应的主要成分，反应的温度取决于气体中氨的体积分数，而氨的体积分数又无法测量，只有氧化炉温度能间接反应出氧化率。

为了获得更高的氧化率，氧化炉温度与氨的体积分数均控制在极值，而炉温超到1100℃会烧毁价值昂贵的铂金网，氨的体积分数超过14％会引起恶性爆炸事故毁坏生产设备，必需加设联锁保护系统，氧化炉温度及氨空比是最关键的控制参数，对仪表精度要求极高。

因此氨氧化反应对氧化炉内的氨空流量比和炉温的要求非常严格，所以，氨空比与炉温的实时检测与稳定控制是氧化炉控制的关键。

1、确定被控对象，输出量和控制参数
分析：由绪论可知氨空比与炉温的实时检测与稳定控制是氧化炉控制的关键。

以炉温为主调节回路，氨空比值为副调节回路，构成变比值控制系统。

串级比值调节回路中，当出现直接引起氨气，空气流量变化的干扰时，通过比值系统，可以得到及时克服，以保持炉温不变，对于其他干扰如氨气、温度压力变化，触媒活性变化等引起的炉温变化，可通过主调节器对氨空比值进行修正，以保证炉温恒定。

串级比值调节系统，快速而有效地克服各种干扰，可使温度控制精度达到恒定。

由图可知
被控对象：氨气调节阀输出量：温度控制参数：氧化炉温度和氨空比
控制系统方框图如图所示：
2、给出对象模型的建立方法
分析：就工业过程或装置而言,所谓系统就是由元件、部件相互联系而组成的具有某种特定功能的整体。

不同的系统对应着不同的学科领域。

每个学科领域都要研究这一领域所包含的所有系统内部的以及与之相联系的外部因素之间比较精确的定量关系,即数学模型。

所谓系统的数学模型,就是利用数学结构(表格、图形以及各种数学方程:代数方程、积分方程、微分方程、它们的方程组、传递函数、状态方程、差分方程等)来反映系统内部之间、内部与某些外部因素之间的精确的定量关系。

建立数学模型有两种方法:一种是从基本物理定律,即利用各个专门学科领域提出来的物质和能量的守恒性和连续性原理,以及系统(设备)的结构数据推导出模型。

种方法得出的数学模型称之为机理模型或解析模型,这种建立模型的方法,称之为解析法;另一种方法是从系统的运行和试验数据建立系统模型(模型结构和参数),这种方法称之为系统辨识。

由实验法建立的数学模型——传递函数,来描述单输入单输出线性系统的方法,可以为更复杂的系统数学模型的辨识作预备性试验,它是系统辨识的基础。

（1）阶跃响应法系统辨识
在被辨识对象上施加一个阶跃信号，然后测定出对象的响应随时间变化的曲线，再根据该响应曲线，通过图解法而不是通过寻求其解析公式的方法来求解被辨识对象的传递函数。

通过操作器的操作使系统的工作在所需测试的负荷下，稳定运行一段时间后，快速改变系统的输出量，并用数据采集系统同时记录下系统的输入、输出变化曲线，经过一段时间后，系统进入新的稳态，实验就可结束，得到的记录曲线就是系统的阶跃响应。

在测定出阶跃响应曲线以后，可以根据阶跃响应曲线推出典型对象的传递函数。

估算传递函数的方法有很多，常用的有近司法、切线法、两点法和面积法等，但几乎所有的方法都是在假定传递函数的结构已知的情况下，通过图解法和计算的方法，利用响应曲线上少量特征参数则可推出传递函数的参数。

（2）频率响应法系统辨识
系统地频率响应解析式往往很难找到，对于一个稳定的过程来说，通常可根据实验数据可推算出它的频率响应曲线。

工程上常采用的最简单的方法是是直线曲线记录法：在对象的输入端施加一个正弦波激励信号，然后用记录设备同时记录对象的输入输出，每次用以不同的频率的正弦波测试，重复多次。

随后对这些数据进行处理，将每个频率下的输出输入的振幅计算出来，并求出比值，这就是频率特性上在该频率下相位差。

最后，将其幅值及频率按所需的坐标绘制成图，即为该对象的频率特性。

（3）相关分析法系统辨识
采用相关分析法获得的北边是系统的脉冲响应函数是在线辩是非参数模型的一种有效方法。

在对系统动态性能了解较少的情况下，采用阶跃响应法建模，是一种较好的快速而简洁的建模方法，同时输入信号简单、易实现，从而在工程实践中被广泛使用。

经过现场运行情况及数据进行大量的观察分析，确定实际阶跃信号。

通过图解法和计算的方法，利用响应曲线上少量特征参数则可推出传递函数的参数。

3、如对象具有一阶惯性和纯滞后，给出合适的控制方案
针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节
方案分析与选择：
控制算法效果
模拟化数字PID控制控制复杂且效果不一定好，当θ/Tm（最大时间常数）
0.5时，采用常规PID控制难以得到良好的控制
Smith纯滞后补偿控制将模型加入到反馈控制系统中，有延迟的一部分用于抵消被延迟了θ的被控量，无延迟部分反映到调节器，让调节器提前动作，从而可明显地减少超调量和加快调节过程。

但是该方式对系统受到的负荷干扰无补偿作用，且控制效果严重依赖于对象的动态模型精度，特别是纯滞后时间
达林算法针对多数工业过程具有纯滞后特性，解决θ/Tm0.5
时常规PID控制的难题，能使被控对象输出没有超调量或超调量
很小
由于被控对象具有纯延时特性，导致控制系统的稳定性降低，过渡过程变坏，且此对象的纯延时时间θ与对象惯性时间常数T之比为0.5，采用常规PID算法难以获得良好的系统性能，因此使用达林算法。

当使用达林算法求取字调节器
时，必须求得系统脉冲传递函数。

而达林算法目标是设计一个数字调节器，使得整个闭环系统的传递函数为具有纯时延特性的一阶惯性环节，其中，纯时延时间等于工业对象的纯时延时间，因此，我们可以设
，其中为系统的期望闭环时间常数。

因达林算法也是一种零、极
点配置的设计方法，它适用于广义对象含有时延环节、且要求系统没有超调量或超调量很小的应用场合，适当放宽采样周期T和的取值范围或取值为同一数量级时，有利于消除或削弱振铃现象。

则可取=0.8。

达林算法下调节器函数
由以上分析知，带纯时延特性的一阶惯性环节如下：
其中，＝0.374，＝0.7479，K=122.88
所设计数字调节器传递函数如下：
式中，＝0.8。

，
系统脉冲传递函数
式中，为采样周期，取L=2，可得。

为期望闭环系统的时间常数。

则广义工业对象脉冲传递函数为：
则所设计数字调节器形式为：
因此可求得在单位阶跃输入下，系统期望输出序列：
系统的开环传递函数为：
由以上传递函数，通过MATLAB 求其伯德图，程序如下： 4、
给出MATLAB 下 的最少拍和PID 控制的对比效果
假设已测得对象的模型为1113760)(500+=-s e s G s
，采样时间为15s
（1） PID 控制 Simulink 仿真
Kp=0.11 Ki=0.001 Kd=0
输出响应：
（2）最小拍控制
所谓最少拍系统或最少调整时间系统，是指对下图所示的随动系统，在给定某种典型输入条件下，设计一个控制规律D （z ），使闭环系统具有最快的响应速度，也就是能在最少个采样周期时间内准确跟踪输入给定值，即达到无静差的稳定状态。

由于最小拍设计的广义对象不能有纯滞后环节，所以只考虑比例惯性环节
976
.0152
.1]11137601[)(--=+-=-z s s e Z z G Ts
由于)(1)(t t r =，取-1e Z -1)Z (=Φ， -1Z )Z (=Φ 则152
.1152.1976
.0)()()()(+--=ΦΦ=z z z z G z z D e
Simulink 仿真
e(t)+-r(t)y(t)()o G s D(z)u(t)
e(k)T T u(k)()h G s
输出响应：
由上图可知，系统在第一拍后()()。

也就是经过一拍，系统响应输出
y k r k
序列已准确跟踪输入函数且在采样点上的稳态误差为零。

跟计算结果一样。

则所设计系统成立。

满足系统要求。