电加热锅炉控制系统论文设计(编辑修改稿)

电加热锅炉控制系统论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

南昌大学学士学位论文 5 第二章 控制方案确定 控制对象的数学模型及仿真 在控制系统的分析和设计中首先要建立数学模型 [1]。 而建立控制系统数学模型的方法主要有两种：机理分析法和实验辨识法。 机理分析法是通过对系统内部运动机理的分析，根据系统中的物理或化学变化规律（比如三大守恒定律等），在合理的近似后推导出系统特性方程。 实验辨识法一般是根据经验假定模型的结构，然后对实际系统施加某种典型的测试信号，如阶跃信号，通过对系统的输出数据的处理来确定模型参数。 本文主要采用机理分析 法来建立数学模型，如下图所示。 图 数学模型 加热炉内水温为被控对象，循环冷却水的流量为操纵变量。 根据非稳态下的 热平衡方程可得到： Q= UA（ T T a） +MC dTdT Q发热量， U总传热系数， A传热面积， Ta 冷却水平均温度， T加热炉内水温， M炉内水的质量， 南昌大学学士学位论文 6 C水的比热容 把式 21 整理成一阶时滞模型的形式，即 M C d T QT + T aU A d T U A MCUA 由稳态热平衡方程，利用对数平均温差的关系式：       U A T T i T T o T T iQ = F C l n T T ol n T T i T T o  F —冷却水流量， Ti —冷却水入口温度 To —冷却水出口温度 TTiUA=FC ln TTo  F T i F c T c + F F c T o   FcT i=T o T o T c F  Q=FcCc ToTc  dT + T= K o F t odt 将上式进行拉氏变换，得到了过程传递函数为：      o STs KoG o S = = eF s s 1   选择锅炉的高为和 h=400mm，直径 D=200mm，则传热面积 A=㎡ 体积 V= 3m。 冷却水入口温度 T i=20℃ ，冷却水出口温度 T o=50℃。 带入已知参数如下： 水的比热容： C  3 1 110 J Kg K   水的传热系数 ： U水的密度：3100 0kg m  炉内水的质量： 2DM = V = ( ) h = 7 5 .3 6 k g2  3MC 86 8 10= = 10 0 = 40 5A U 60 0  3C 86 8 10Ko= = =1 9UA 60 0 6 4 南昌大学学士学位论文 7 30K o 1 3 . 8 9G ( s ) = s + 1 4 0 7 1t o s sees   根据以上数学模型，在 MATLAB 中进行仿真 [7]。 首先创建 M 文件，输入 Matlab仿真程序： clc； clear； sysl=tf（ ,[407,1],’ioDelay’,30）； step（ sys1） 图 在 matab 中输入仿真程序 南昌大学学士学位论文 8 然后保存并且运行，可 加热炉 以得到 对象的响应曲线为下图所示。 图 加热炉温度对象开环阶跃响应曲线 根据以上数学模型，打开 Matlab 中的 Simulink 模块，选用数字 PID 控制，完成各组件连接。 图 单闭环控制回路 采用工程整定经验法 [10]，设置 PID 的三个参数，如下图 南昌大学学士学位论文 9 图 PID 三个参数 阶跃响应闭环控制效果图如下 图 PID 控制阶跃响应曲线（ 工程整定经验法） 由上述仿真图可看出，采用数字 PID控制对电加热炉温度对象进行闭环单回路控制滞后较大，控制效果不是非常理想，故考虑对其进行串级控制。 南昌大学学士学位论文 10 电加热炉控制系统分析 : 电加热炉的复杂性及控制的困难性主要表现在以下几个方面 [14]： 1．非线性。 严格地说，所有的工业过程都存在非线性，只是非线性的程度不同而己。 当系统的非线性不很严重时，可用线性系统来近似， 这在工程上是可以接受的。 但是对于存在严重非线性环节的系统，采用线性化的处理方法常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。 线性系统的分析设计有着比较完善和系统的理论方法，而非线性系统的研究虽然取得了一些新成果，但非线性理论远非完善，有很多问题尚待研究。 2．大时滞特性。 在电加热炉的过程控制中，存在着时间纯滞后与容量滞后。 时滞的存在给系统的稳定性带来了不利的影响，调节作用的不及时会导致调节系统的动态品质变差，甚至出现发散振荡。 因而时滞对象被认为是最难控制的对象之一。 从 50 年代末以来，在时滞控制方面先后出 现了基于模型的方法 (如Smith预估控制、最优控制、滑模变结构控制等 )和无模型的方法两大类，然而对于时滞系统的模型不确定性和干扰的不可知性，非参数模型显得更为有效，开发设计出各种智能控制方法或以不同的方式结合在一起，将是解决工业大时滞过程的有效途径汇。 3．变参数及强耦合特性。 在电加热炉的控制过程中，包含了较多的过程变量，而且这些变量之间又常以各种形式相互关联着，任何一个变量的变化往往可能引起其他的变量发生变化，使系统的控制难以达到满意的指标。 目前，许多单变量控制系统所以能正常工作，是因为在某些情况下变量之 间的耦合程度不高。 在变量间的关联比较紧密的情况下，不能简单地将系统分为若干个单变量系统进行分析和设计，否则不但得不到满意的控制效果，甚至得小到稳定的控制过程。 所以，如何在电加热炉控制过程具有复杂特性的情况下，找到合理、有效的控制方式解决过程控制的难题，是非常重要的。 加热炉控制系统包括温度控制系统、液位控制系统、流量控制系统和压力控制系统四大部分组成。 本方案采用西门子S7300系列 PLC进行信号的采集、分析以及输出控制。 S7300 适用于各行各业的检测，检测以及控制的自动化，同时具有极高的可靠性、丰富的指 令集和内置的集成功能、强大的通信能力和丰富的扩展模块。 本系统由 PLC进行核心控制，控制程序根据控制状态的变化采用 PID 算法，使系统的控制精度大幅度提高。 本文提出一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以 PLC 为核心，组成加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。 南昌大学学士学位论文 11 控制系统的控制过程 温度 流量串级控制系统 图 温度流量串级控制系统 该系统为温度流量串级控制系统，当冷却水流量 变大时，流量变送器的输出增大，从而使流量控制阀的开度减小，使 输出流量减小。 在流量增大的同时，锅炉的出口温度随着降低，使温度控制器的输出减小，从而使差值减小，又使控制阀的开度增大，也使锅炉的出口温度降低，两者共同作用，保持锅炉出口温度的稳定。 液位 流量串级控制系统 温度 控制器 流量 控制器 调节阀 流量 对象 温度 对象 流量 变送器 温度 变送器 南昌大学学士学位论文 12 图 液位流量串级控制系统 该系统为液位流量串级控制系统，当流 量变大时，流量变送器的输出增大，从而使控制阀的开度减小，使输出流量减小。 在流量增大的同时，锅炉的液位随着 降低，使液位控制器的输出减小，从而使差值减小，又使控制阀的开度增大，同时使锅炉的液位升高，两者共同作用，保持锅炉液位的稳定。 控制系统主要特色 1 串级控制系统在工业控制系统中 [5]： 1） 用于克服被控过程较大的容量滞后 在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。 利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。 在构 造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。 2） 用于克服被控过程的纯滞后 被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。 使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。 改善控制系统的控制质量。 3） 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 液位 控制器 流量 控制器 调节阀 流量 对象 液位 对象 流量 变送器 液位 变送器 南昌大学学士学位论文 13 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。 只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含 在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。 4） 用于克服被控过程的非线性 在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。 这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。 单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。 2 串级控制系统的工作过程 当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。 根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析： 1）扰动作用于副回路 2）扰动作用于主过程 3）扰动同时作用于副回路和主过程 分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。 副调节器具有 “粗调 ”的作用，主调节器具有 “细调 ”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。 3 系统特点及分析 [12] 1） 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。 2） 能迅速克服进入副回路的二次扰动。 3） 提高了系统的工作频率。 4） 对负荷变化的适应性较强 南昌大学学士学位论文 14 第 三 章 PLC 控制系统硬件设计及仪表选型 系统特性分析 准确生成有效的炉温监测信号是提高恒温控制精度的前提。 通常加热炉采用 热电偶进行炉温测量，生成毫伏级的的电压信号。 本控制系统能将该信号进行虑波处理和调整放大，准确生成炉温监测的线性控制信号，以保证炉温的精确控制。 由于热惯性的存在，使得炉温控制过程在电加热功率与控制温度之间具有纯滞后量大（炉温滞后于加热功率）和非线性的特点 [15]。 另外由于对流和辐射引起的热量散失、加减炉料引起的温度变化和电源波动等因素的影响，使得控制参数随时间变化，其控制过程很难用数学模型表达。 因此本控制系统能连续监测控 制过程状态，根据控制过程动态特性及时测定过程偏差并自动整定控制参数，以实现温度的准确控制。 为使控制系统具有通用性，本系统加热电阻可使用单相和三相负载，可控硅可选用多种加热功率， PLC和现场的输入输出有通用的接口。 为适应各种场合和不同控制温度的要求，控制系统能使用 K、 B、 J等不同型号的热电偶。 PROFIBUS 现场总线介绍 现场总线（ Fieldbus）是用于过程自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成 [14]。 其中， PROFIBUS 是当今国际上现 场总线的一个重要的组成部分。 根据国际标准化组织 ISO7498 标准， PROFIBUS 的协议结构以开放系统互联网络 OSI 为参考模型，采用了该模型的物理层、数据链路层作为用户接口，隐去了第 3～ 7层，而增加了直接数据连接拟合。 由于 PROFIBUS 现场总线标准是开放的、不依赖生产厂家通信系统标准，所以在各种工业控制中得到了广泛的应用。 PROFIBUS 是德国国家标准 DIN19245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线标准。 由分散和外围设备 PROFIBUS DP （ Decentralized Periphery）、报 文规范PROFIBUS FMS（ Fieldbus message Periphery）、过程自动化 PROFIBUS – PA（ Process Automation）组成 PROFIBUS 系列。 其中， PROFIBUS DP 用于设备级的高速数据传送，中央控制器（如 PLC、 PC），通过高速串行线同分散的现场设备（如 I/O, 驱动器 , 开关等）进行通信。 PROFIBUS DP 具有快速、即插即用、高效低成本等优点。 在用于现场层的。