过程控制课设-燃油加热炉温度控制系统

目目录录 一、设计任务及要求 二、被控对数学模型建模及对象特性分析 2.1 对象数学模型的计算及仿真验证 2.2 对象特性分析 三、控制系统设计 3.1 基本控制方案 3.2 控制仪表选型 3.3 参数整定计算 3.4 控制系统 MATLAB仿真 3.5 仿真结果分析 四、设计总结 一、设计任务及要求 3 3 3 5 6 9 10 12 13 13 对一个燃油加热炉做如下实验，在温度控制稳定时，开环状态下将执行器的输入 信号增加 I I r r   4 4. .2 2mAmA， 持续 t t   1 1. .5 5minmin后结束， 若炉温度控制系统的正常工作 点为 300℃， 等间隔 t t   1 1. .5 5minmin记录炉内温度变化数据如下表， 试根据实验数据 设计一个超调量  p p   2020%%的无差温度控制系统。 t(点) ℃ 0 0 11 1 0 12 2345678910 1.253.757.5010.509.207.256.004.803.70 13141516 0.85 1718192021t (点)  ℃2.902.251.851.501.150.600.400.300.200.10 具体设计要求如下: （1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型； （2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图， 控制系统原理图等，选择控制规律） ；画出控制系统 SAMA 图； （3） 根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ） ，绘制原理接线图； （4） 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按 4:1 衰减曲线法整定运行参数。 二、被控对数学模型建模及对象特性分析 2.1 对象数学模型的计算及仿真验证 根据表格计算出阶跃响应输出值，并作出脉冲响应曲线与阶跃响应曲线 clear all; close all; t=0:1.5:21*1.5; yi=[0 0 1.25 3.75 7.50 10.50 9.20 7.25 6.00 4.80 3.70 2.90 2.25 1.85 1.50 1.15 0.85 0.60 0.40 0.30 0.20 0.10]; y(1)=0;y_1=0; for k=1:22 y(k)=yi(k)+y_1; y_1=y(k); end xs=(0:0.1:21*1.5); ys=interp1(t,y,xs, spline ); plot(xs,ys) hold on plot(t,yi) hold on yim=interp1(t,yi,xs, spline ); plot(xs,yim) xlabel( time ); ylabel( output ); gtext( 阶跃响应 ) gtext( 脉冲响应 ) title( 被控对象输出曲线 ); grid on 从图上可以读出延迟时间为 1.5min，即 90s，画出归一化后输出曲线 figure(2) for k=1:22 yn(k)=y(k)/[max(y)-min(y)+0.1]; end yn_2=interp1(t,yn,xs, spline ); plot(xs-1.5,yn_2) xlabel( time );ylabel( output ); title( 归一化输出曲线 ); grid on n 1 t1/t2 0.317 从上图可以读出 t1=6.5min，t2=13min，则 t1/t2=0.50.46， 为高阶对象，根据下表选择 n=3 由 nT=(t1+t2)/2.16 得 T=(t1+t2)*60/(n*2.16)=180.56 稳态输出 y(∞)=66.5+0.1=66.15(℃) 对象增益 K0= y(∞)/⊿θ=66.15/4.2=15.75(℃/mA) 得对象传递函数 GS(S)= 15.75 90se 3(180.56s 1) 2 3 4 5 6 7 0.460 0.534 0.584 0.618 0.640 0.666 验证传递函数： clear all; num=[15.75]; den=conv([180.56,1],conv([180.56,1],[180.56,1])); g0=tf(num,den, delay ,90); step(g0); grid on k=dcgain(g0) 2.2 对象特性分析 变送器传递函数：Gm(s)= 调节阀传递函数：Gv= 100% 0% =6.25(%/mA) 20  4 20 4 =0.04(mA/℃) 400 0 对象增益：Kp=K/Kv=15.75/6.25=2.52(℃/%) 得出广义对象传递函数： G0(s)=Gs(s)*Gm(s)= 15.75*0.04 90s 0.63 =ee90s 33(180.56s 1)(180.56s 1) 而 K0=0.63 T0=180.56(s) τ0=90(s) 故根据广义对象得输出曲线： k0=0.84; to=180.56; tao0=90; num=k0; den=conv([180.56,1],conv([180.56,1],[180.56,1])); g0=tf(num,den); step(g0); grid on hold on k=dcgain(g0) tao=133 t=834-133 三、控制系统设计 3.1 基本控制方案 （1）单回路方案 运用工程整定法整定参数，运用科恩-库恩法整定 编程计算得 Kp=4.5，TI=400，TD=160 典型单回路控制系统 经仿真整定的 Kp=3.6，TI=600，TD=186.5，结果如下 可以看出超调与调节时间均不理想 （2）串级方案 该系统开环存在时间滞后，控制不及时，超调大而系统不稳定。 τ0/T0=90/180.560.3 得可以选择串级控制。 并且按系统无差要求，选择 PI 控制，又由温控系统为慢对象可知需要加入 D 控制减少时间滞后，故内回路选择PD 控制，外回路选择PID 控制，即可满足 题目要求。 3.2 控制仪表选型 （1） 、 温度变送器： 被控对象输出稳态值要求300℃， 仪表量程选择0至400℃， 选择 DDZ-III 型温度变送器，为铂热电阻 PT1000 型，总量程-100 至 600℃满足 要求 （2） 、调节阀：由于调节阀用于燃料油量调节，选择气动调节阀，燃料油粘 度比较大，为了减弱腐蚀，防止堵塞，选用蝶形阀，配合选择相应的电气转换仪 表使用。 选择 EPC1110-AS-OG/I 电气转换器， 输入 4 至 20mA， 输出 20 至 100kPa。 （3） 、PID 控制器：选用 XM708 智能 PID 调节器。 （4） 、仪表连线图见下 （5） 、控制系统流程图见下 （6）控制系统 SAMA 图 （6） 、控制系统原理图见下 （7） 、作用方式选择： 调节阀：从安全性考虑，调节器无信号时，调节阀应该关闭，因此选气开阀， Kv为+。 副对象：当燃料油量增加时，炉壁温度升高，Kp2为+。 主对象：当燃料油量增加时，炉膛内温度升高。 检