过程控制课程设计报告设计题目：无差温度控制系统的设计学号：130710203姓名：胡德鹏指导教师：谢玮信息与电气工程学院二零一六年十二月无差温度控制系统的设计1、设计任务在模壳浇铸、焙烧时常用燃油炉，烧制过程中需要对温度加以控制，对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到900℃时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约%10，即h /T 5.2q =∆I ，持续min 1=∆t 后结束，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%25≤p δ的无差温度控制系统。
t (min)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10θ∆℃0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 t (min)1112131415161718192021θ∆(℃) 0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00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）；（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表； （4） 对设计系统进行仿真，整定运行参数。
2、对象的动态特性分析1、对象的动态特性通过上述表中得到数据,用matlab 求的其阶跃响应值如下表所示，然后进行归一化操作，画出原来表中的曲线图和阶跃响应的曲线图，如下图所示：表一：对象的阶跃响应t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 θ∆℃0.51.442.071.681.411.170.990.810.660.54y 0 0.5 1.94 4.01 5.69 7.1 8.27 9.26 10.07 10.73 11.27 y*0 0.0337 0.1463 0.3024 0.4291 0.5354 0.6237 0.6983 0.7594 0.8092 0.8499 t (min)11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 θ∆(℃0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.09 0.06 0.03 0.01 0.00)y11.72 12.11 12.44 12.71 12.92 13.07 13.16 13.22 13.25 13.26 13.26 y*0.8839 0.9133 0.9382 0.9585 0.9744 0.9857 0.9925 0.9970 0.9992 1.000 1.000用下面程序画图clc;dy=[0 0.5 1.44 2.07 1.68 1.41 1.17 0.99 0.81 0.66 0.54 0.45 0.39 0.33 0.27 0.21 0.15 0.090.06 0.03 0.01 0.00];y(1)=0;for i=2:22y(i)=dy(i)+y(i-1);endfor j=1:22ys(j)=y(j)/y(22);endt=(0:1:21).*60;subplot(211)plot(t,dy,'r','LineWidth',2.5);hold on;plot(t,y,'LineWidth',1.5);title('脉冲响应曲线');xlabel('t/s');ylabel('y/¡æ');subplot(212)plot(t,ys,'LineWidth',2);xlabel('t/s');ylabel('y*');title('y* 曲线图');disp(y);disp(ys);200400600800100012001400051015脉冲响应曲线t/sy /℃020*******8001000120014000.51t/sy *y* 曲线图图1：脉冲响应曲线求得：y （∞）=13.26+0=13.26℃K= y （∞）/Δu=13.26℃/%10 =1.326(℃/％)20040060080010001200140000.10.20.30.40.50.60.70.80.91X: 529.5Y: 0.8005t/sy *y* 曲线图X: 226.2Y: 0.4图2：归一化阶跃响应曲线取4.0)(1=t y ，8.0)(2=t y ，得t 1=226.2s, t 2=529.5s,由0.32<t 1/t 2=0.42776<0.46知对象为二阶，根据公式1212122(1.740.55)()TT t T T t ≈-+，12121()2.16T T t t +≈+。
可求的T 1=91.64s,T 2=258.22s 即对象传函为： G p (s)=Y(S )/U (S)=错误！未找到引用源。
(℃/％) 在simulink 中，建模观察对象的阶跃响应曲线：图3：对象的阶跃响应曲线由仿真结果可以看出，对象为自稳定系统，无超调，无纯延迟，但调节时间较长。
故所选择的控制器应具有快速性的特点，使系统尽快达到期望值。
对象特性分析：错误！未找到引用源。
为二阶自衡对象，没有纯延迟环节。
自衡率ρ==K10.754，响应速度ε=TK=0.002652， 三、方案设计1、根据已知条件建立对象数学模型。
1.1单回路PID 调节其控制原理图如下：图4：单回路控制方框图为使系统尽快达到稳定值，调节器选择PID 调节方式。
根据对象特性整定参数（采用齐勒格-尼克尔整定方法）变送器增益：048.0770-11004-20==Gm （mA/℃）错误！未找到引用源。
调节阀增益：100%0%6.25(%/)204v G mA -==- 可得广义对象1.2串级控制调节选择炉膛的温度为副被调量。
图5：串级控制示意图其控制原理图如下：Gp2(s)Gv （s ）Gc2(s)Gm2(s)Gc1(s)Gm1(s)Gp1(s)Gf2(s)Gf1(s)Y(t)图6：串级控制方框图SAMA 图：副对象设计为一阶，传递函数为主对象的传递函数为副回路反应速度快，采取P或PD调节；主调节器采取PID调节方式。
2、控制仪表选型所有仪表都是DDZ-III型。
2.1温度变送器因为正常工作点是900℃，最大量程应为正常工作点的1.5倍左右，选变送器的最大量程为1100℃，最小为770℃，根据所需要的测量范围选择一体化温度变送器HHX-HE-配E分度热电偶温度变送器，量程是770~1100℃。
2.2调节阀由于调节阀是用于燃料油流量的调节，选择气动调节阀，燃料油粘度较大，残渣比较多，为减弱腐蚀，防止堵塞，选用蝶形阀，再配合选用相应的电气转换仪表使用。
选择EPC1110-AS-OG/I 电气转换器，参数如下：输入信号 输出信号 线形度 最大流量 4~20mA20~100kpa跨度的 1% 大于4.8t 每小时2.3确定工作方式。
调节阀：从安全角度考虑，调节器信号突然消失时，调节阀应关闭，故选用气开阀，v k 为正。
副被控对象：当燃料油增加时，炉膛温度升高，2p k 为正。
主被控对象：燃料油增加炉内温度升高，1p k 为正。
检测变送器：1m k ，2m k 均为正值。
主副调节器：按照总增益为正定理，1c k ，2c k 均为正，所以设反作用方式。
四、参数的整定（1）单回路PID 调节44.485.0k ==τK Tc2002==τTi505.0==τTd （2）串级控制调节按4:1衰减曲线法整定运行参数。
两步整定法进行整定：①整定副环。
主副回路闭合，并将主调比例带δ设为100%，按单回路整定得到衰减率ψ=0.75时的比例带和副被调量的振荡周期。
②整定主环。
主副回路闭合，副调参数设为上述值，按单回路整定得到衰减率ψ=0.75时的主调比例带和被调量的振荡周期。
③按上述计算按所选调节器类型，用衰减曲线法计算出调节器参数值。
由于对象为二阶，所以在整定副环时总是稳定，不起振。
故断开主回路，单独整定副回路，保证副回路的输出速度快即可。
然后再连接主回路按照②进行整定。
五、控制系统仿真1、单回路系统仿真：图8：simulink单回路仿真仿真图形：图9：单回路仿真曲线2、串级系统仿真：图10：simulink串级仿真仿真图形：图11：串级仿真曲线六、结论为方便比较，将单回路控制与串级控制的输出信号在同一示波器上比较：图12：单回路控制与串级控制整合图仿真波形图：图13：无扰动时曲线图串级控制系统的超调量只有约为1%，振荡较小，达到稳态所需的时间短，符合控制要求。
通过与单回路PID控制对比可以发现系统的动态特有很大改善。
通过仿真结果可以看到，串级控制系统可以更好的实现工程要求，有效克服扰动，保证了系统的稳定性和快速性。
串级控制系统，包含二次扰动的副回路改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次扰动有很强的克服能力，对回路参数变化的自适应能力强。
综上所述，本设计选择串级控制系统。
七、设计心得此次课程设计为加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计，内容包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法，PID调节器的参数工程整定，串级控制系统的性能分析等。
通过此次课程设计，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。
通过这次课程设计，我对过程控制工程设计流程有了整体的认识，对过程控制有了更深的体会。
“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
”只有经过亲身实践，才能把书本上的知识变成自己的实际本领。
在设计过程中遇到很多问题，从设计流程到最后的参数调整，谢老师耐心地帮我指出了很多错误，同学们也与我积极商讨。
感谢谢老师对我的指导和同学的帮助。