控制理论课程设计管式加热炉模糊PID串级控制

北京科技大学控制理论课程设计__________________________________________________________________________________________-1-控制理论课程设计学院：专业：姓名：学号：北京科技大学控制理论课程设计__________________________________________________________________________________________-2-基于模糊PID的管式加热炉炉温串级控制系统的仿真研究摘要：管式加热炉是石油化工、化肥和有机化学工业领域不可缺少的设备，而圆筒管式加热炉具有结构紧凑，简单，占地面积少，实施方便和投资少等优点。化工，石油和纺织等工业中广泛采用的一种炉型。而目前管式加热炉在实际生产的应用上还有一些缺陷。所以对管式加热炉做进一步的研究对提高生产率，节约能源，降低劳动强度，使之更安全等方面具有积极的意义。综上，管式加热炉在生产上应用极其广泛有进一步完善的必要，而管式加热炉在生产中显现出的缺点急需克服和改进，所以本设计对石化行业未来具有深远的意义对管式加热炉长期安全运行的，节能和提高经济效益非常重要的意义。本设计想要通过PID调节的方式加快响应的运行并减少超调。将普通PID、串级PID控制、模糊PID自整定控制的响应比较后，确定更好的PID调节方式对管式加热炉进行优化。关键词：模糊PID,串级控制,炉温控制,Simulink仿真北京科技大学控制理论课程设计__________________________________________________________________________________________-3-目录摘要....................................................................................2关键词..................................................................................2Abstract...............................................................................24第一章引言.............................................................................41.1研究意义........................................................................41.2研究目的........................................................................41.3研究内容........................................................................4第二章文献综述.........................................................................42.1工艺背景介绍....................................................................42.2研究方案比较....................................................................52.3研究方案确定....................................................................6第三章研究方案设计与说明...............................................................73.1PID的基本概念..................................................................73.2串级控制的基本概念..............................................................83.3模糊PID的基本概念..............................................................93.4串级控制的注意事项.............................................................12第四章基于MATLAB的仿真及分析........................................................134.1MATLAB模块应用................................................................134.1.1fuzzy模糊模块应用.......................................................134.1.2Simulink模块的应用......................................................144.2传递函数模型的建立.............................................................154.3程序设计及分析.................................................................164.3.1Simulink模型的建立......................................................164.3.2仿真波形及参数...........................................................174.3.3仿真结果分析.............................................................214.3.4控制器参数的整定.........................................................22结束语...............................................................................23参考文献............................................................................25北京科技大学控制理论课程设计__________________________________________________________________________________________-4-第一章引言1.1研究意义管式加热炉应用范围很广，是石油化工、化肥和有机化学工业领域不可缺少的设备，而圆筒管式加热炉具有结构紧凑，简单，占地面积少，实施方便和投资少等优点是化工，石油和纺织等工业中广泛采用的一种炉型。而目前管式加热炉在实际生产的应用上还有一些缺陷。所以对管式加热炉做进一步的研究对提高生产率，节约能源，降低劳动强度，使之更安全等方面具有积极的意义。综上，管式加热炉在生产上应用极其广泛有进一步完善的必要，而管式加热炉在生产中显现出的缺点急需克服和改进，所以本设计对石化行业未来具有深远的意义对管式加热炉长期安全运行的，节能和提高经济效益非常重要的意义。1.2研究目的通过PID调节管式加热炉以提高生产率，节约能源，降低劳动强度。加快对象传递函数模型的响应速度，降低超调量。1.3研究内容通过对比无PID、普通PID、串级PID、基于模糊PID的串级控制调节下对象传递函数模型的响应确定更优化的PID调节方式。第二章文献综述2.1工艺背景介绍管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中使用的工艺加热炉。包括加热炉本体和余热回收系统，余热回收系统包括空气预热器，其北京科技大学控制理论课程设计__________________________________________________________________________________________-5-中空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，冷凝液收集池与引风机相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。被加热物质在管内流动介质为气体或液体，并且都是易燃易爆的物质，操作条件苛刻，同时长周期运转不间断操作，加热方式直接受火。目前在国内，由于国家宏观经济政策的调整,新建加热装置减少,而早期建造的加热炉,由于受当时技术条件的限制,大多在低负荷条件下运行,热效率低。从能量平衡的角度来分析,大中型加热炉的热效率均在80%-90%,有待进一步提高，其能量最大的损失是排烟损失,所以为了节约能量而继续提高加热炉的热效率，解决烟气露点腐蚀和经济排烟温度的限制方面的问题是国内加热炉研究的重点。而国外，加热炉方面的研究很多，在有些方面领先于国内。但在加热炉长期安全运行，节能和提高经济效益方面也有待做进一步的研究。所以优化加热炉的性能，为我国石化行业发展具有深远的意义，也为我国在加热炉方面的研究赶超世界先进水做出努力。2.2研究方案比较管式加热炉串级控制原理图T1T是原料温度传感器，T1C是原料温度控制器；T2T是炉膛温度传感器，T1C是炉膛温度控制器。中间被控变量是炉膛温度；操纵变量是燃料油的流量。系统的基本扰动来自两个方面，一是原料侧的扰动及负荷扰动，二是燃烧侧的扰动，诸如燃油压力、配风量等。由于该系统容量滞后较大，如采用以原料出口温度为被控量的单回路控制系统，当燃料侧扰动产生时，系统不能立即感知，直至经过较大的容量滞后反映到原料温度发生改变时，系统控制作用才开始反应，但为时已晚。同样，控制器的动作必须经过较大容积滞后才能开始对输出的改变进行调整。这样感知慢、调整慢，控北京科技大学控制理论课程设计__________________________________________________________________________________________-6-制系统的品质不可能很高。对于负荷侧的扰动，虽然感知较早，但是控制过程较慢。为此可增设炉膛温度作为另一个被控参量，构成一个串级控制系统。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，增加的投资并不多，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。虽然PID控制原理简单、易于实现、适用面广，但PID控制器的参数整定是一件比较困难的事。合理的PID参数通常由经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。为此，需要引入一套模糊PID控制算法。计算机根据所设定的