加热炉前馈--串级控制系统

17第1章课程设计的方案1.1概述在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的。例如在砂浆工艺中，使浆液的温度保持恒定值，对保持浆液粘度和浓度不变，进行均匀上浆是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制；另外，由于砂浆机中蒸气压力和卷绕速度的变化使烘干温度变化很大，因此，测量和控制烘筒的温度非常重要。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。在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。加热炉是钢铁企业热轧生产过程的关键设备之一，其性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量钢坯成材率、轧机设备寿命以及整个主轧线的有效作业率．加热炉控制系统对加热炉的控制系统来讲占有很重要的地位，它对于坯料加热温度的均匀，温度控制的准确，合理进行燃烧，节约燃料，减少有害气体对环境的污染都有重要意义单回路控制系统解决了大量的定值控制问题。随着现代工业生产规模越来越大，复杂程度越来越高，产品质量要求也越来越高，简单控制系统已经不能满足这些要求。前馈—串级控制系统是工业生产中很常见的一种系统，它将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈—反馈复合控制系统。这样既发挥了前馈控制即使克服主要干扰被控参数影响的优点，又保持了反馈控制能抑制各种干扰的优势，同时也降低了对前馈控制器的要求，便于工程上的实现。第2章课程设计方案论证2.1方案选定2.1.1简单控制系统加热炉是炼油、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11为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图2.1所示的温度控制系统。影响原料油出口温度11的干扰有原料油流量1()ft、原料油入口温度2()ft、燃料压力3()ft、燃料压力4()ft等。该系统根据原料油出口温度1t（）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。图2.1加热炉出口单回路温度控制系统由图2.1可知，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。而温度控制器1TC是根据原料油的出口温度1()t与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，图2.1所示的控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数1()t的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度1()t要求严格时，上述简单控制系统很难满足要求。燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度2()t变化，再通过炉膛与原料油的温差将热量传给原料油，中间还要经过原料油管道管壁。显然，燃料量变化或燃料热值变化，首先使炉膛温度发生改变。如果以炉膛温度作为被控参数组成单回路控制系统，会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3min，对来自燃料的干扰3()ft、4()ft的控制作用比较及时，对应的控制系统如图2.2所示。但问题是炉膛温度2()t毕竟不能真正代表原料油出口温度1()t，即使炉膛温度恒定，原料油本身的流量或入口温度变化仍会影响原料油出口温度，这是因为来自原料油的干扰1()ft、2()ft并没有包含控制系统（反馈回路）之内，控制系统不能克服1()ft、2()ft对原料油出口温度的影响，控制效果仍达不到生产工艺要求。图2.2加热炉炉膛温度控制系统2.1.2前馈--串级控制系统如果将上面两种控制系统的优点——温度控制器1TC对被控参数1()t的精确控制、温度控制器2TC对来自燃料的干扰3()ft、4()ft的及时控制结合起来，先根据炉膛温度2()t的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰3()ft、4()ft对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度1()t与设定值的偏差，改变炉膛温度控制器2TC的设定值，进一步控制燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。在以这个串级控制系统作为反馈回路，将前馈和反馈相加的信号作为炉膛温度控制器的设定值，组成相加型前馈和串级反馈的控制系统。这样干扰3()ft、4()ft对原油出口温度的影响主要由炉膛温度控制器（构成的控制回路进行校正；由原料油出口温度控制器）构成的控制回路克服干扰1()ft、2()ft对原料油出口温度1()t的影响，并对其他干扰所引起的1()t的偏差进行校正。综上所述，由于加热炉动态性复杂，存在多种扰动，简单控制系统难以满足控制要求，所以采用前馈--串级控制系统。第3章加热炉前馈--串级控制系统的设计和器件选择前馈--串级控制系统的串级系统采用两套检测变送器和两个控制器，前一个控制器的输出作为后一个控制器的设定，后一个控制器的输出送往控制阀。前一个控制器称为主控制器，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；后一个控制器称为副控制器，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。串级部分包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副控制器、控制阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主控制器、副控制器、控制阀、副过程和主过程构成。前馈—串级控制系统的前馈系统采用一个控制器和一个变送器，当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。图3.1加热炉出口温度前馈--串级控制系统图3.2加热炉出口温度前馈--串级控制系统结构框图3.1前馈--串级控制系统的串级系统一、主回路设计主回路设计就是确定被控参数，根据被控参数与生产过程的关系，被控参数的选择通常有两种方法。一种是选择能直接返应生产过程中产品产量和质量，易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。但有时由于缺乏检测直接反映产品质量参数的有效手段，无法对产品质量参数进行直接检测，这时可以选择与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量作为被控参数，间接反映产品质量、生产过程的实际情况。二、副回路的设计与副参数的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，控制通道尽可能短，控制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。主控制器副控制器器控制阀炉膛壁管原料油温度变送器2温度变送器1f3,f4f1,f2前馈控制器温度变送器（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”。（4）应注意工艺上的合理性和经济性。三、主、副控制器控制规律的选择在串级控制系统中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起随动控制作用，这是选择控制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，因此，主控制器应选PI或PID控制规律。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，副控制器选择P控制规律。四、主、副控制器正、反作用方式的确定在串级控制系统中，主、副控制器正、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、副控制器的正反作用的选择方法是：首先根据工艺要求决定控制阀的气开、气关形式，并决定副控制器的正反作用;然后再依据主、副过程的正、反形式最终确定主控制器的正、反作用方式。由图3.2可以得到，从生产工艺安全出发，燃料油控制阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，控制阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。对于副控制器，当炉膛温度升高时，测量信号增大、为保证副回路为负反馈，此时控制阀应关小，要求副控制器输出信号减小。按照测量信号增大，输出信号减小的原则要求，副控制器应为反作用方式。对于主控制器，当副参数升高时，主参数也升高，故主控制器应为反作用方式。五、前馈--串级控制系统的串级系统的控制过程1、主被控变量：加热炉出口温度2、副被控变量：炉膛温度3、控制阀：从安全角度考虑，选择气开控制阀，vK0。4、副被控对象：控制阀打开，燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，2pK0。5、副控制器：为保证负反馈，应满足222cvpmKKKK0。因2mK0,应选2cK0,即选择反作用控制器。6、主被控对象：当炉膛温度升高时，出口温度升高，因此，1pK0。7、主控制器：为保证负反馈，应满足111cpmKKK0。因1mK0,应选1cK0。即选用反作用控制器。8、主控方式更换：由于副控制器是反作用控制器，因此，主控制器从串级切换到主控制时，主控制器的作用方式不更换，保持原来的反作用方式。该串级控制系统的控制过程如下：当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因副控制器是反作用，因此，控制器输出减小，控制阀是气开型，从而控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控制回路的控制，减小燃料量，减低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。3.2前馈--串级控制系统的前馈系统一、前馈控制系统的原理加入前馈控制器后，从干扰F(s)到被控参数Y(s)之间存在两个通道：一个是通过干扰通道[传递函数为()fGs]去影响被控参数Y(s)，另一个是经过测量环节[FT,传递函数为()mGs],和前馈控制器[FC,传递函数为()bGs]及控制阀[传递函数为()vGs]，产生控制作用，再经过控制通道[传递函数为0()Gs]去影响输出量Y(s)。干扰F(s)对被控参数Y(s)影响：()()()()()()()()fovbmYSGSFSGSGSGSGSFS如果要F(s)对被控参数Y(s)没有影响，可以得到完全抵消的条件为：()()()()()0fovbmGSGSGSGSGS即：()()()()()fbovmGSGSGSGSGS二、前馈控制系统的通用模型按照不变性条件，求得前馈控制器的传递函数表达式，即：()()()()()fbovmGSGSGSGSGS（1）实践证明，很多工业过程都有过阻尼特性，因此，常常将被控过程的控制通道和扰动通道用一阶或二阶的容量滞后模型来近似，必要时串联一个纯滞后环节，即：()1osoooKGSeTs（2）()1fsfffKGSeTs（3）将式（2）和式（3）代入（1）得到：12()1()()1fsbboGsTsGSKeGsTs参数取不同值时，可获得不同特性的前馈控制器。3.3主、副控制器选用以单片机89C51为控制器，将温度传感器得到的