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。
17
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()11θ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()11θ的干扰有原料油流量1()f t 、原料油入口温度2()f t 、燃料压力3()f t 、燃料压力4()f t 等。该系统根据原料油出
口温度1t θ（）
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1T C 是根据原料油的出口温度1()t θ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 θ的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度1()t θ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 θ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()f t 、4()f t 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 θ毕竟不能真正代表原料油出口温度1()t θ，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()f t 、2()f t 并没有包含控制系统（反馈回路）之内，控制系统不能克服1()f t 、2()f t 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1T C 对被控参数1()t θ的精确控制、温度控制器2T C 对来自燃料的干扰3()f t 、4()f t 的及时控制结合起来，先根据炉膛温度2()t θ的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰3()f t 、4()f t 对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度1()t θ与设定值的偏差，改变炉膛温度控制器2T C 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()
f t、
4()
f t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()
f t、
2()
f t对原料油出口
温度
1()t
θ的影响，并对其他干扰所引起的
1()t
θ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。
（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
K>0。
3、控制阀：从安全角度考虑，选择气开控制阀，
v
K>0。
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，
2
p
5、副控制器：为保证负反馈，应满足222c v p m K K K K >0。因2m K >0,应选2c K >0,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，1p K >0。
7、主控制器：为保证负反馈，应满足111c p m K K K >0。因1m K >0,应选1c K >0。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()f G s ]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()m G s ], 和前馈控制器[FC,传递函数为()b G s ]及控制阀[传递函数为()v G s ]，产生控制作用，再经过控制通道[传递函数为0()G s ]去影响输出量Y(s)。
干扰F(s)对被控参数Y(s)影响：
()()()()()()()()f o v b m Y S G S F S G S G S G S G S F S =+
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：
()()()()()0f o v b m G S G S G S G S G S +=
即：
()()()()()f b o v m G S G S G S G S G S =-
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：
()
()()()()f b o v m G S G S G S G S G S =- （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：
()1
o s o o o K G S e T s τ-=+ （2） ()1f s f
f f K G S e T s τ-=+ （3）
将式（2）和式（3）代入（1）得到：
12()
1()()1
f s b b o G s T s G S K e G s T s τ-+==+ 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微弱电信号，经仪表放大器放大后，送入转换器，转化结束后，89C51读取转换结果，当炉温低于设定温度时，启动加热控制部件，使炉温升高，以满足现场要求．当炉温高于设定温度时，实时地切断加热源．采用单片机来对炉温实时控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且提高了炉温控制精度的技术要求，从而大大提高了产品的质量．
DDZ-III 型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III 型仪表具有以下主要特点：
（1）采用国际电工委员会（IEC ）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4~20mA ，控制室联络信号为DC1~5V ，信号电流与电压的转换电阻为250Ω。
（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。
（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-III 型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。
DDZ-III 型PID 控制器的结构框图如图3.3。主要由输入电路、给定电路、PID 运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。
控制器接收变送器送来的测量信号(DC4~20mA 或DC1~5V ），在输入电路中与给定信号
进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。
图3.3 DDZ-III型控制器结构框图
3.4 主、副电路检测器和变送器的确定
一、温度检测器
热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。
热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。
θ，一般较高，故选择热电偶；主电路副回路中的温度变送器2检测的是炉膛的温度
2
θ，温度较低，选择热电阻即可。
的温度变送器1则检测的是原料油的出口温度
1
在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的
地方。
用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。
采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。
二、温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与控制器等其他仪表配合工作。
图3.4给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。
图3.4 温度变送器原理框图
MAT-TT系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200～1300℃的温度信号转换为标准4～20mA电流信号实现对温度精确测量与控制。
MAT-TT系列温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用，并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。
仪表主要特点：
温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适应于各种恶劣和危险场所使用。冷端、温漂、非线形自动补偿。液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。
技术指标：
(1)基本误差：±1.0%、±0.5%、±0.25% 二线制输出、无需补偿导线。
(2)输出信号：4～20mA 抗干扰能力强、远传性能好。
(3)负载电阻：250Ω允许范围为0～500Ω 结构简单、合理安装方便。
(4)供电电源：24V DC 允许范围为18～30VDC 小型化、安全可靠、使用寿命长。
(5)温度漂移：≤0.015%/℃三线制、二线制输入方法通用。
(6)环境温度：-25～60℃、相对湿度：≤95% 液晶显示现场温度，清晰度高，无视觉误差。
3.5 控制阀的确定
由前文得，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，确保设备安全为了保证。
控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动控制阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动控制阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动控制阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。
故本设计采用了气动控制阀，且为气开形式。
HY系列气动阀采用国产或进口精小型气缸或气动执行器与国产或台湾产优质蝶阀或球阀组合而成，其以压缩空气为动力，带动阀芯旋转90°以实现快速启闭目的，可广泛应用于石油、化工、制药、污水处理等行业中的自动控制系统。HYQQF-L系列特别适用于防爆危险场所及现场工况需要启闭频繁速度快，密封要求高的自控制场所，其作用形式可分为单作用和双作用两种控制方式。单作用式的独特优点是一旦动力源发生故障，球阀将控制系统的要求自动处于关闭或开启位置。
3.6 串级控制系统的参数整定
串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主控制器输出地变化。主、副回路的原理不一样，对主、副参数的要求也不同，通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。
串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。这里采用两步整定法。
两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副控制器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主控制器
进行一次参数整定。
一个设计合理的串级控制系统，其主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为12(3~10)o o T T 。主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态关联较小。
两步整定法的整定步骤如下：
（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副控制器均为比例作用的条件下，先将主控制器的比例度1P 置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副控制器的比例度2P ，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：1的比例度2s P ，过渡过程的振荡周期为2s T 。
（2）在副控制器的比例度2s P 的条件下，逐步降低主控制器的比例度1P ，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度1s P ，过渡过程的振荡周期为1s T 。
（3）按以求得的1s P 、1s T 和2s P 、2s T 的值，结合已选定的控制规律，按表2-1衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副控制器的整定参数值。
（4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到控制器上，做一些扰动实验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。
表3.1 衰减曲线法整定参数计算表
3.7 串级控制系统的控制算法：
一、模拟PID 控制规律的离散化
表3.2 模拟PID 控制规律的离散化形式
二、数字P 、PID 控制器的差分方程
PID 控制：
[]000)()()()1()()()()(u n u n u n u u n e n e T T i e T T n e K n u D I P n
i D I P +++=+?
?????--++=∑=
)()(n e K n u P P = 称为比例项
∑==n i I P I i e T T K n u 0)()( 称为积分项
[])1()()(--=n e n e T T K n u D P D 称为微分项
P 控制 0)()(u n u n u P +=
三、PID 控制器的类型
1、选用位置型控制
[]00)1()()()()(u n e n e T T i e T T n e K n u n i D I P +?
?????--+
+=∑= 2、 PID 位置型控制示意图
图3.5 PID 位置型控制示意图
3、位置型PID 算法的程序流程
1、位置型的递推形式
)2()1()()1()()1()(210-+-++-=?+-=n e a n e a n e a n u n u n u n u
2、位置型PID 算法的程序流程
只需在增量型PID 算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu(n)+u(n -1)=u(n)和更新u(n-1)即可。
图3.5 PID 位置型控制流程图
第3章硬件设计
3.1系统组成
该加热炉系统采用煤气加热，如果煤气流量频繁变化，加热炉的温度也随之不断变化。从而影响加热炉的出口温度。又似此看来，影响加热炉出口温度的主要因素是炉温的变化。为使出口温度恒定，采用前馈-串级控制系统，设置三个控制器，控制炉温和出口温度，以及其他扰动。系统原理图见图3.1所示。
图3.1 加热炉系统原理图
其中出口温度环是主环，炉温温度环是副环。外加一个前馈环。加热炉的主控制器是出口温度，由热电偶测得温度信号，经温度变送器、运算放大器、A/D转换得到出口温度数字量，该数字量与给定量比较得到主偏差，经控制器1运算后得到主环输出数字量。加热炉的炉温温度作为副环控制量，经温度变送器、运算放大器、A/D转换得到炉温温度数字量，该数字量与主环输出量比较得到副偏差，经控制器2运算后得到控制量，作为计算机输出送至D/A转换器，转换后的模拟信号通过温度控制阀对炉温温度进行控制，是出口温度稳定在给定值上。在本系统中为了保证系统动态时无超调，稳态时无静差，主、副环控制器均采用积分分离的PID算法。
3.2 硬件系统整体组成
根据加热炉系统的技术要求及经济方面的考虑，我们选用8031单片机为控制器，组成加热炉出口温度控制系统。系统主要有8031单片机、ROM、RAM、A/D转换器、D\A 转换器、键盘扫描电路、显示电路、传感器、放大电路、锁存器、译码器、I/O扩展芯片、与非门、或非门、反相器及D触发器等组成。硬件系统组成框架图如图3.2所示。
图3.2 硬件系统组成框架图
热电偶产生一电信号，信号的强弱随温度的高低而变。该信号经放大电路放大后，送入A/D转换芯片进行模数转换，转换后的数字量与温度成正比，再进入8031单片机，8031单片机作为控制器，对数据进行处理，并产生一组满足显示要求的数据，根据键盘功能键的操作，在显示电路中显示出对一个的数据。另一方面，流量传感器产生电信号也经放大电路放大后，送入A/D转换芯片进行模数转换，8031单片机接收其数据，经过数据处理，送至D/A转换电路，产生一模拟信号，控制控制阀，从而使炉温温度满足要求，并在显示电路上显示温度大小。
第五章课程设计总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异。
回顾起此次加热炉出口温度前馈——串级控制系统设计，我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在接近一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师和同学的帮助下，终于游逆而解。同时通过加热炉出口温度前馈——串级控制系统设计我学得到很多实用的知识，我对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
辽宁工业大学课程设计说明书（论文）
参考文献
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前馈—反馈复合控制系统 摘要 流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 关键词：流量定值；过程控制；PID调节器；前馈控制；系统仿真
目录 一．前馈控制 1.前馈控制的定义 2.换热器前馈控制 二．前馈控制的特点及局限性 1.前馈控制的特点 2.前馈控制的局限性 三．反馈控制 1.定义
2.反馈控制的特点 四．复合控制系统特性 1.前馈-反馈复合控制原理 2.复合控制系统特点 五．小结 六．参考文献 一、前馈控制 1.前馈控制的定义 前馈控制（英文名称为Feedforward Control），是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。
2.换热器前馈控制 在热工控制系统中，由于控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。 前馈控制系统的工作原理可结合下面图1所示的换热器前馈控制进一步说明，图中虚线部分表示反馈控制系统。 图1换热器物料出口温度前馈控制流程图 t一定。当被加换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度 1 热水流量发生变化时，若蒸汽量不发生变化，而要使出口温度保持不变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。 图中虚线所示是反馈控制的方法，这种方法没有前馈控制及时。图1前馈控制系统的原理框图于图2所示。
步进式加热炉加热质量控制系统的设计 摘要：目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。本文通过对步进式加热炉加热质量控制系统的设计，从而反映出当今自动化技术的发展方向。同时,介绍了软件设计思想和脉冲式燃烧控制技术原理特点及在本系统的应用。 一、引言 加热炉是轧钢工业必须配备的热处理设备。随着工业自动化技术的不断发展，现代化的轧钢厂应该配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。 我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度短、产量低，烧损大,操作不当时会粘钢造成生产上的问题,难以实现管理自动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点,而步进梁式炉是靠专用的步进机构,在炉内做矩形运动来移送钢管,钢管之间可以 留出空隙，钢管和步进梁之间没有摩擦,出炉钢管通过托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕,钢管加热断面温差小、加热均匀，炉长不受限制，产量高,生产操作灵活等特点,其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。 全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具有以下特点：
①生产能耗大幅度降低。②产量大幅度提高。③生产自动化水平非常高,原加热炉的控制系统大多是单回路仪表和继电逻辑控制系统,传动系统也大多是模拟量控制式的供电装置，现在的加热炉的控制系统都是PＬC或DCＳ系统，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生产管理系统。传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 本工程是某钢铁集团新建的φ1８0小口径无缝连轧钢管生产线中的热处理线部分的步进式加热炉设备。 二、工艺描述 本系统的工艺流程图见图1 ?图1 步进式加热 炉工艺流程图 淬火炉和回火炉均为步进梁式加热炉。装出料方式：侧进，侧出;炉子布料：单排。活动梁和固定梁均为耐热铸钢，顶面带齿形面，直径小于１41.3mm钢管，每个齿槽内放一根钢管。直径大15 ３.7mm的钢管每隔一齿放一根钢管。活动梁升程180mm，上、下各90mm，齿距为１90mm，步距为145mm。因此每次步进时，
( 安全文化 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 2020版应用前馈-反馈复合控制机制创建企业安全文化 Safety culture is the product of human civilization, and corporate safety culture is to provide a guarantee for safe production in production, life and survival activities of enterprises.
2020版应用前馈-反馈复合控制机制创建 企业安全文化 1创建安全文化的意义 企业安全文化是全体员工共同遵守的行为准则，发挥着重要的作用它支配着人们的思维方式，规范着人们的行为习俗，约束着人们的情感抒发，左右着人们的审美趣味，规定着人们的价值取向，体现出强烈的终极关怀。 随着社会实践和生产实践的发展，人们发现尽管有了科学技术手段和管理手段，但对于搞好安全生产来说，还是不够的。科技手段达不到生产的本质安全，在安全管理上，要时时、事事、处处监督企业每一位职工遵章守纪，是一件困难的事情，甚至是不可能的事。安全文化却可以弥补安全管理手段的不足。 安全文化之所以能弥补安全管理的不足，是因为安全文化注重
人的观念、道德、伦理、态度、情感、品行等深层次的人文因素，通过教育、宣传、奖惩、创建群体氛围等手段，不断提高企业职工的安全修养，改进其安全意识和行为，从而使职工从不得不服从管理制度的被动执行状态，转变成主动自觉地按安全要求采取行动，即从“要我安全”转变成“我要安全”。 因此，创建安全文化有着极其重大的意义。 2前馈—反馈复合控制的原理 控制就是根据确定的目标，使事物向着这一目标不断趋近，反馈控制就是把系统输出的信息的某一部分，返回到输入端，对系统输入再输出的信息施加影响，使系统沿着减少目标差的方向实现控制，克服环境扰动带来的不稳定性，使系统达到动态平衡。 前馈控制系统，在受控部位的活动发生偏差之前就发出控制指令。是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对
成都理工大学工程技术学院《过程控制系统课程设计实验报告》 名称：单容水箱液位过程控制 班级：2011级自动化过程控制方向 姓名： 学号：
目录 前言 一．过程控制概述 (2) 二．THJ-2型高级过程控制实验装置 (3) 三．系统组成与工作原理 (5) （一）外部组成 (5) （二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块 (5) （三）其它模块和功能 (8) 四．调试过程 (9) （一）P调节 (9) （二）PI调节 (10) （三）PID调节 (11) 五．心得体会 (13)
前言 现代高等教育对高校大学生的实际动手能力、创新能力以及专业技能等方面提出了很高的要求，工程实训中心的建设应紧紧围绕这一思想进行。 首先工程实训首先应面向学生主体群，建设一个有较宽适应面的基础训练基地。通过对基础训练设施的 集中投入，面向全校相关专业，形成一定的规模优势，建立科学规范的训练和管理方法，使训练对象获得机械、 电子基本生产过程和生产工艺的认识，并具备一定的实践动手能力。 其次，工程实训的内容应一定程度地体现技术发展的时代特征。为了适应现代化工业技术综合性和多学科交叉的特点，工程实训的内容应充分体现机与电结合、技术与非技术因素结合，贯穿计算机技术应用，以适应科学技术高速发展的要求。应以一定的专项投入，建设多层次的综合训练基地，使不同的训练对象在获得对现代工业生产方式认识的同时，熟悉综合技术内容，初步建立起“大工程”的意识，受到工业工程和环境保护方面的训练，并具备一定的实用技能。 第三，以创新训练计划为主线，依靠必要的软硬件环境，建设创新教育基地。以产品的设计、制造、控制乃至管理为载体，把对学生的创新意识和创新能力的培养，贯穿于问题的观测和判断、创造和评价、建模和设计、仿真和建造的整个过程中。
前馈控制、反馈控制及前馈-反馈控制的对比 1、前馈控制属于开环控制，反馈控制属于负反馈的闭环控制 一般定值控制系统是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节，属于闭环负反馈调节。其特点是在被控变量出现偏差后才进行调节；如果干扰已经发生而没有产生偏差，调节器不会进行工作。因此反馈控制方式的调节作用落后于干扰作用。 前馈调节是按照干扰作用来进行调节的。前馈控制将干扰测量出来并直接引入调节装置，对于干扰的克服比反馈控制及时。 现在以换热器控制方案举例，直观阐述前馈控制和反馈控制： 前馈控制方案 反馈控制方案 2、前馈控制系统中测量干扰量，反馈控制系统中测量被控变量 在单纯的前馈控制系统中，不测量被控变量，而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。 3、前馈控制需要专用调节器，反馈控制一般采用通用PID调节器 反馈调节符合PID调节规律,常用通用PID调节器、DCS等或PLC控制系统实现。 前馈调节使用的调节器是是根据被控对象的特点来确定调节规律的前馈调节器。 4、前馈控制只能克服所测量的干扰，反馈控制则可克服所有干扰 前馈控制系统中若干扰量不可测量，前馈就不可能加以克服。而反馈控制系统中，任何干扰，只要它影响到被控变量，都能在一定程度上加以
克服。 5、前馈控制理论上可以无差，反馈控制必定有差 反馈调节使系统达到动态稳定，让被调参数稳定在给定值附近动态变化，却不能使被调参数稳定在给定值上不动。 前馈调节在理论上可以实现无差调节。 6、前馈控制的局限性 A、在生产应用中各种环节的特性是随负荷变化的，对象动态特性形式多样性难以精确测量，容易造成过补偿或欠补偿。为了补偿前馈调节的不准确，通常将前馈和反馈控制系统结合起来组成前馈反馈控制系统。 B、工业对象存在多个扰动，若均设置前馈控制器，那设备投资高，工作量大。 C、很多前馈补偿结果在现有技术条件下没有检测手段。 D、前馈控制受到前馈控制模型精度限制。 E、前馈控制算法，往往做近似处理。
湖南理工学院南湖学院 课程设计 题目：电加热炉温度控制系统设计专业:机械电子工程 组名：第三组 班级：机电班 组成员:彭江林、谢超、薛文熙
目录 1 意义与要求 (2) 1.1 实际意义 (2) 1.2 技术要求 (2) 2 设计内容及步骤 (2) 2.1 方案设计 (2) 2.2 详细设计 (3) 2.2.1 主要硬件介绍 (3) 2.2.2 电路设计方法 (4) 2.2.3 绘制流程图 (7) 2.2.4 程序设计 (8) 2.3 调试和仿真 (8) 3 结果分析 (9) 4 课程设计心得体会 (10) 参考文献 (10) 附录............................................................ 10-27
1 意义与要求 1.1 实际意义 在现实生活当中，很多场合需要对温度进行智能控制，日常生活中最常见的要算空调和冰箱了，他们都能根据环境实时情况，结合人为的设定，对温度进行智能控制。工业生产中的电加热炉温度监控系统和培养基的温度监控系统都是计算机控制系统的典型应用。通过这次课程设计，我们将自己动手设计一个小型的计算机控制系统，目的在于将理论结合实践以加深我们对课本知识的理解。 1.2 技术要求 要求利用所学过的知识设计一个温度控制系统，并用软件仿真。功能要求如下： （1）能够利用温度传感器检测环境中的实时温度； （2）能对所要求的温度进行设定； （3）将传感器检测到得实时温度与设定值相比较，当环境中的温度高于或低于所设定的温度时，系统会自动做出相应的动作来改变这一状况，使系统温度始终保持在设定的温度值。 2 设计内容及步骤 2.1 方案设计 要想达到技术要求的内容，少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD显示屏、直流电动机等。其中单片机用作主控制器，控制其他器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中进行数值对比；LCD显示屏用来显示温度、时间的数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作情况，转动表示电加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断
实验四 加热炉温度串级控制系统 （实验地点：程控实验室，崇实楼407） 一、实验目的 1、熟悉串级控制系统的结构与特点。 2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。 3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。 二、实验设备 1、MATLAB 软件， 2、PC 机 三、实验原理 工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。 图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图 图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为 主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：2 1802)1)(110()(++=-s s e s G s 主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。对PI 控制器有 221111)(),/(, 1 11)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=???? ? ?+= 采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。 四、实验过程 串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。 1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2） 在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在
液位串级控制系统研究与设计 在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。 本设计以过程控制实验室的TKJ-2型高级过程控制实验设备为平台，设计了基于IPC-PLC的分布式控制系统。上位机采用MCGS组态软件，用STEP7软件进行编程，下位机采用西门子S7-200PLC。首先确定了中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统两种控制方案。主要是看副控参数不同时其控制效果的变化，进行对比研究。然后完成了系统硬件和软件设计，硬件主要是选型和原理图的绘制，软件是完成组态画面的绘制、动画连接和PLC 程序的编写。接着对中水箱、下水箱、中下水箱、主管流量用阶跃响应曲线法进行了建模与辨识，根据响应曲线法中的PID整定公式进行了调节器参数的整定，完成了下水箱、中下水箱和主管流量单回路PID控制，最终本着先副后主的串级整定方法对中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统的主调节器参数进行了整定，完成了算法对比研究。 通过系统调试得出了液位串级控制系统要比单回路控制效果好，表现在调节时间短，超调小，静差小等方面。 关键词：液位；PID整定；串级；响应曲线法
Research and Design about Level Cascade Control System Design Description In industrial production, the level of process control systems charged with the amount of particularly important in the petroleum, chemical, environmental protection, water treatment, metallurgy and other industries.Automation of industrial processes often need to measure and control the level of certain equipment and containers. This design process control laboratory TKJ-2 Advanced Process Control laboratory equipment as a platform to design a distributed control system based on IPC-PLC.Host computer uses MCGS configuration software,Programming with STEP7 software,The next machine with Siemens S7-200PLC.First determine the two control schemes of the flow of the lower tank level cascade control system and competent tank level cascade control system.Mainly to see the vice control parameters while the effect of changes, a comparative study.And then complete the system hardware and software design, hardware selection and schematic drawing, the software is complete the configuration screen drawing, animations connection and PLC program to write.n on the tank, under tank, under tank competent flow step response curve method for modeling and identification,Tuning the regulator parameters according to the response curve method of PID tuning formula, completed under the tank, the next tank and competent flow single-loop PID control,Ultimately the spirit of the first vice emperor Cascade tuning method of tuning cascade control system of tank level and in charge of traffic of the main regulator of the tank level cascade control system parameters, and complete algorithm for comparative study. Level cascade control system than the single-loop control results obtained through the system debugging, performance in the short adjustment time, small overshoot and static error, and other aspects. Key Words:Process control；PID tuning；cascade；the response curve method
前馈控制系统的基 本原理
前馈控制系统 前馈控制系统的基本原理 前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。图2.4-1物料出口温度θ需要维持恒定，选用反馈控制系统。若考虑干扰仅是物料流量Q ，则可组成图 2.4-2前馈控制方案。方案中选择加热蒸汽量s G 为操纵变 量。 图2.4-1 反馈控制 图2.4-2 前馈控制 前馈控制的方块图，如图 2.4- 3。 系统的传递函数可表示为： )()()()()(1S G S G S G S Q S Q PC ff PD += （2.4-1） 式中)(s G PD 、)(s G PC 分别表示对象干扰 道和控制通道的传递函数；)(s G ff 为前馈控 图2.4-3 前馈控制方块图
制器的传递函数。 系统对扰动Q实现全补偿的条件是： ) (≠ s Q时，要求0 ) (= s θ（2.4-2） 将（1-2）式代入（1-1）式，可得 ) (s G ff = ) ( ) ( S G S G PC PD -（2.4-3） 满足（1-3）式的前馈补偿装置使受控变量 θ不受扰动量Q变化的影响。图2-4-4表示 了这种全补偿过程。 在Q阶跃干扰下，调节作用 c θ和干扰作用dθ的响应曲线方向相反，幅值相同。因此它们的合成结果，可使θ达到图2.4-4 前馈控制全补偿示意图 理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。显然，这种理想的控制性能，反馈控制系统是做不到的。这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。在干扰作用下，受控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。前馈控制的另一突出优点是，本身不形成闭合反馈回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。 1．前馈控制与反馈控制的比较
目录 一、工艺介绍 (2) 二、功能的设计 (4) 三、实现的情况以及效果 (6)
一、工艺介绍 在钢厂中轧钢车间在对工件进行轧制前需要将工件加热到一定的温度，如图1表示其中一个加热段的温度控制系统。在图中采用了6台设有断偶报警的温度变送器、3台高值选择器、1台加法器、1台PID调节器和1台电器转换器组成系统。 利用阶跃响应便识的，以控制电流为输入、加热炉温度为输出的系统的传递函数为： 温度测量与变送器的传递函数为： 由于，因此，上式中可简化为： 在实际的设计控制系统时，首先采用了常规PID控制系统，但控制响应超调量较大，不能满足控制要求。
图1 对如图1所示的加热炉多点平均温度系统采用可变增益自适应纯滞后补偿进行仿真。 加入补偿环节后，PID调节器所控制的对象包括原来的对象和补偿环节两部分，于是等效对象的特性G（s）可以写成： 即补偿后的广义被控对象不在含有纯延迟环节，所以，采用纯滞后的对象特性比原来的对象容易控制的多。 但实际应用中发现，加热锅炉由于使用时间长短不同及处理工件数量不同，会引起特性变化，导致补偿模型精度降低，从而使纯滞后补偿特性变差，很难满足实际生产的稳定控制要求。
为改善调节效果，在控制线路中加入两个非线性单元——除法器与乘法器，构成如图所示的加热炉多点温度控制纯滞后自适应控制系统。 二、功能的设计 1、系统辨识 经辨识的被控对象模型为： 所以，带可变增益的自适应补偿控制结构框图如图
图2 加热炉多点温度控制纯滞后自适应补偿系统控制框图2、无调节器的开环系统稳定性分析 理想情况下，无调节器的开环传递函数为： 上式中所示广义被控对象的Bode图如下图所示。 图3
目录 课程设计任务书 一、前馈—反馈复合控制系统 1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念 (3) 1.2、概念的理解 (3) 1.3、前馈—反馈系统的组成.........................................3—4 1.4、前馈—反馈复合控制系统的特点.. (4) 1.5、前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计 (4) 二、控制系统的硬件设计 2.1、S7—300系统组成 (4) 2.2、CPU315—2DP (4) 2.3、模式选择开关…………………………………..…….4—5 2.4、状态及故障显示 (5) 三、控制系统的软件设计 3.1、硬件组态 (5) 3.2、工程管理器的使用 (6) 3.3、新建工程....................................................6—9 3.4、组态监控画面. (9) 3.5、组态变量……………………………………………9—10 3.6、软件编程…………………………………………..10—15 3.7、实验结果分析……………………………………….15—17
四、控制系统的调试 五、实验总结 一、前馈—反馈复合控制系统 1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念 前馈—反馈复合控制系统：系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在对被调量采用反馈控制以克服其他的干扰信号，这样的系统就是前馈—反馈复合控制系统。 1.2、概念的理解： （1）复合控制系统是指系统中存在两种不同的控制方式，即前馈、反馈（2）前馈控制系统的作用是对主要的干扰信号进行补偿，可以针对主要干扰信号，设置相应的前馈控制器 （3）引入反馈控制，是为了是系统能够克服所有的干扰信号对被调量产生的影响，除了已知的干扰信号以外，系统中还存在其他的干扰信号，这些扰动信号对系统的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们肯本就考虑不到或是无法测量，都通过反馈控制来克服。 （4）系统中需要测量的信号既有被调量又有扰动信号。 1.3、前馈—反馈系统的组成 前馈—反馈复合控制系统主要由一下几个环节构成 （1）扰动信号测量变送器：对扰动信号测量并转化统一的电信号 （2）被调量测量变送器：对被调量测量并转化统一的电信号 （3）前馈控制器：对干扰信号完全补偿
实验一过程控制系统的组成认识实验 过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接 一、过程控制实验装置简介 过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。 二、过程控制实验装置组成 本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。 1、被控对象 由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。 水箱：包括上、下水箱和储水箱。上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。 模拟锅炉：锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。 压力容器：采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。 管道：整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。 2、检测装置 （液位）差压变送器：检测上、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0～1.6KPa，精度：0.5。输出信号：4～20mA DC。 涡轮流量传感器：测量电动调节阀支路的水流量。其型号：LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4～20mA DC 温度传感器：本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4～20mA DC电流信号。 （气体）扩散硅压力变送器：用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号：DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6～3.5Mpa连续可调，精度：0.2，输出信号为4～20mA DC。 3、执行机构 电气转换器：型号为QZD-1000，输入信号为4～20mA DC，输出信号：20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。 气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为ZMAP－100，输入信号为4～20mA DC或0～5V DC，反馈信号为4～20mA DC。气源信号 压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％～0.3％，环境温度：－4～＋200℃。 SCR移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5V DC或4～20mA DC 或10K电位器，输出电压变化范围：0～220V AC，用来控制电加热管加热。 水泵：型号为UPA90，流量为30升／分，扬程为8米，功率为180W。
课程设计 名称：前馈反馈水箱控制系统系别： 专业： 姓名： 学号： 指导教师：
·成绩评定· 指导教师评语： 课程设计成绩评定 班级姓名学号 综合成绩： 指导教师签字年月日
目录 一设计方案的介绍 (4) 二、工艺流程 (5) 三、前馈反馈控制的理论 (5) 四、设仪器仪表的选型 (5) 1、控制装置的选择 (5) 2、监测仪表 (6) 3、控制阀的选型 (6) 五、测量与控制端连接表 (7) 六、参数的整定 (7) 1、静态放大系数K F的整定 (7) 2、控制器参数的选择 (8) 七、总结 (9) 八、参考文献 (10)
九、附录 一设计方案的介绍 设计采用前馈反馈控制来实现水箱的液位控制。其中前馈控制可以补偿干扰对被控变量的扰动，前馈控制之后产生的余差则可以通过反馈控制进行修正，达到要求的控制精度。被控变量为水箱的液位，控制变量为水的流量。 采用两个支路，其中第一个支路为主回路，包括一个水泵（采用变频器变频控制电机模拟流量扰动），涡轮流量计；第二个支路为控制补偿回路，包括一个水泵（输出流量恒定），电动控制阀。除此之外在反馈回路中还需要一个液位测量仪表和PID控制仪表一台。前馈控制在不考虑控制通道与对象通道延迟，而且支路一流量可以准确的测量，需要一个PID控制仪表。前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接，实现对控制阀的控制。 前馈反馈系统结构框图 1
前馈反馈控制系统原理图 2 二工艺流程 水箱液位的控制主要是控制水箱中的液位在要求的精度范围内。 一号水泵作为动力源给水的输送提供动力，进入水箱。并用变频器控制一号水泵用来模拟流量上产生的扰动。 二号水泵为补偿回路提供动力，为水箱提供水补偿。当扰动产生后，通过前馈控制调节阀对扰动产生补偿。补偿后产生的余差再通过反馈控制控制调节阀进行调节。 三前馈反馈控制的原理 前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。 四仪器仪表的选型 1、控制装置的选择 由于不是大型生产过程，对自动化水平要求不高，所以选择采用常规仪表控制。考虑到价格、实用性等因素，选择数字化、智能化的国产电动控制仪表。如果考虑控制仪
过程控制 实验报告实验名称：串级控制班级： 姓名： 学号：
实验二 串级控制系统 一、实验目的 1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。 2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。 二、 实验原理 串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。 串级控制的主要优点可概括如下: 1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。 2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。 3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。 串级控制系统副回路的设计原则： 1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。 2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。 3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。 4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。 5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。 串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。 ? 逐步逼近法 1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数； 2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值； 3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。 4) 如控制品质未达到指标，返回2)继续。 三、实验内容 某系统的主、副对象传递函数分别为： 122 11 (),()301(101)(1)P P G s G s s s s = = +++
密级： NANCHANGUNIVERSITY 学士学位论文THESIS OF BACHELOR （2006 —2010年） 题目锅炉控制系统的设计 学院：环境与化学工程系化工 专业班级：测控技术与仪器 学生姓名：魏彩昊学号：5801206025 指导教师：杨大勇职称：讲师 起讫日期：2010-3至2010-6
南昌大学 学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：日期： 导师签名：日期：
锅炉控制系统设计 专业：测控技术与仪器学号：5801206025 学生姓名：魏彩昊指导教师：杨大勇 摘要 温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。由于加热过程、加热装置特殊结构等具体原因，使得过程对象经常具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，利用传统的PID控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果，而应用数字PID控制算法能得到较好的控制效果。 本文主要阐述了一种改进型的加热炉对象及其工艺流程，采用了PLC控制装置设计了控制系统，使加热炉的恒温及点火实现了自动控制，从而使加热炉实现了全自动化的控制。此种加热炉可广泛应用于铝厂、钢厂等金属冶炼、金属加工行业以及化工行业。 此设计以工业中的电加热炉为原型，以实验室中的电加热炉为实际的被控对象，采用PID控制算法对其温度进行控制。提出了一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC 为核心，组成电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。 关键词：温度；电加热炉；PLC；控制系统
目录 一、前馈控制系统设计 1、前馈控制系统选择原则 1.1 扰动量可测不可控原则 (2) 1.2 控制系统精确辨识原则 (2) 1.3被控系统自衡原则 (3) 1.4 优先性原则 (3) 1.5 经济性原则 (4) 2、工程整定 2.1 整定的总体原则 2.1.1 稳定性 (4) 2.1.2快速性 (5) 2.1.3 反馈控制的静差 (5) 3、前馈-反馈复合系统工程整定 (5) 二、实例仿真 (6) 2.1前馈控制系统整定 (7) 2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析 (7) 2.3、反馈控制系统整定 (8) 2.4、系统仿真 (9) 三、心得体会 (11) 四、参考文献 (12)
二、实例仿真 系统按结构分类，可分为：静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。 其中，前馈-反馈复合控制系统的特点是利用前馈抑制对系统影响较大的干扰，利用反馈控制抑制其他干扰以及前馈所“遗留”部分干扰。前馈调节器和反馈调节器的整定方法如前所述。一般为了实现系统无静差，反馈调节器多选PI控制方式。 前馈反馈复合控制系统仿真主要包括：系统识别、控制系统整定和系统仿真等内容。其中控制系统整定包括前馈控制系统整定和反馈控制系统整定两部分。本例采用前馈、反馈分别整定的方法。 假设被控对象传递函数中各部分传递函数如下： e-10s 干扰通道传递函数为：G f(s)G2(s)=15 (81)(10s1) s++ e-8s 系统被控部分传递函数为：G1(s)G2(s)=6 s++ (51)(10s1) 给定部分传递函数为：Gc(s)=1
2.1前馈控制系统整定。 由于采用前馈反馈分别整定方法，所以，前馈整定参数为：K d=-2.5, T dl=8。若系统采用PID控制，则系统结构框图如图： 2.1.1前馈-反馈复合控制系统方框图 2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析。 系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。对2.1.1所示系统反馈环节中开环稳定性分析(不含PID调节器部分)，为分析方便，取： 不含PID调节器的开环传递函数可近视写成：6 +++2 (3s1)(10s1)(5s1)
第1章加热炉控制系统 加热炉控制系统工程背景及说明 加热炉自动控制（automatic control of reheating furnace），是对加热炉的出口温度、燃烧过程、联锁保护等进行的自动控制。早期加热炉的自动控制仅限控制出口温度，方法是调节燃料进口的流量。现代化大型加热炉自动控制的目标是进一步提高加热炉燃烧效率，减少热量损失。为了保证安全生产，在生产线中增加了安全联锁保护系统。 影响加热炉出口温度的干扰因素很多，炉子的动态响应一般都比较迟缓，因此加热炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案。根据干扰施加点位置的不同，可组成多参数的串级控制。使用气体燃料时，可以采用浮动阀代替串级控制中的副调节器，还可以预先克服燃料气的压力波动对出口温度的影响。这种方案比较简单，在炼油厂中应用广泛。 这种控制的主要目的是在工艺允许的条件下尽量降低过剩空气量，保证加热炉高效率燃烧。简单的控制方案是通过测量烟道气中的含氧量，组成含氧量控制系统,或设计燃料量和空气量比值调节系统,再利用含氧量信号修正比值系数。含氧量控制系统能否正常运行的关键在于检测仪表和执行机构两部分。现代工业中都趋向于用氧化锆测氧技术检测烟道气中的含氧量。应用时需要注意测量点的选择、参比气体流量和锆管温度控制等问题。加热炉燃烧控制系统中的执行机构特性往往都较差，影响系统的稳定性。一般通过引入阻尼滞后或增加非线性环节来改善控制品质。 在加热炉燃烧过程中，若工艺介质流量过低或中断烧嘴火焰熄灭和燃料管道压力过低,都会导致回火事故，而当燃料管道压力过高时又会造成脱火事故。为了防止事故，设计了联锁保护系统防止回火和温度压力选择性控制系统防止脱火。联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到控制。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供给量以防回火。 随着节能技术不断发展，加热炉节能控制系统正日趋完善。以燃烧过程数学模型为依据建立的最佳燃烧过程计算机控制方案已进入实用阶段。例如，按燃烧过程稳态数学模型组成的微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。有时利用计算机实现约束控制，使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作，以保证最佳燃烧。
实验名称：串级控制实验 班级：自控 实验设备编号： 2 实验日期：年月 同组人： 年月日
实验名称：串级控制系统 实验的目的：正确认识串级控制系统，理解和熟练串级控制系统的特点和操作要求。 实验的要求：正确理解串级控制系统的特点，结合本实验装置的情况，构建一个以下水箱液位H2为主被控参数，上水箱液位H1为副被控参数，进水流量为控制手段的液位-液位串级控制系统。 实验过程的主要步骤： 1、构建串级控制系统，在软件中组态。 2、对串级控制系统进行正确的设置，确保系统的连接方式正确，正反作用正确。 3、系统启动后将调节阀CV101，CV102的开度设置在50%，80%左右。 4、待系统达到稳定，按照先副后主的顺序将串级控制系统投入自动，投运过程无扰动串级控制系统参数整定，使用一步法 1、系统流程图： 系统方框图：
串级控制系统因为具有主副两个控制回路，从传递方式来看，是串联的进行工作，主回路的输出是通过副回路起作用；按照回路闭合向来看，副回路被包括在主回路中，可以看成一个具有一定跟踪能力的控制环节，它以主回路的输出作为跟踪目标。由于副回路的存在，分担了系统中的部分容量滞后和部分干扰的镇定作用，使系统的整体放大倍数、静态控制精度、系统抗干扰能力和工作频率等指标都提高到一个新的高度。 2、为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用；副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化为了能快速跟踪，一般只需采取比例式。 主副控制器的正反作用确定应遵循先副后主的原则。为了使副回路构成一个稳定的系统，副环内所有放大倍数各环节放大倍数的乘积应是负号；主控制器的正反作用也是根据主环内各个环节的乘积为负来确定，一般，主变送器为正，副回路为正，主控制器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。 投运时要按照先副后主的顺序进行，先投运副回路，再投运主回路。无扰动投运的步骤：（1）、主副控制器均放于手动位置。主控制器放于内给定，副控制器放于外给定；将主副控制器正反作用开关置于正确位置；主副控制器参数放于预定数值。 （2）、用副控制器的手操器进行手操作。 （3）、当遥控使主变量接近或等于给定值而副变量也较平稳时，调节主控制器的手操旋钮，使副控制器的偏差表指示为零，这时副控制器的自动电流将跟踪等于手动电流，于是可将副控制器切入自动。由于切换前控制器的自动电流等于手动电流，自动电流信号等于手动电流信号就意味着切换时刻不会造成控制阀阀位变化，因此切换是无扰动的。 （4）、当副环切入自动后控制稳定，主变量接近或等于给定值时，调整主控制器的内给定旋钮，使主控制器偏差表指示为零。此时主控制器的自动输出电流跟踪等于手动输出电流，于是可将主控制器切入自动。至此，系统则处于串级工作状态，而切换是无扰动的。 3、串级系统的参数整定： 与单回路的情况相同，串级控制系统也是在控制系统器投入自动后，通常并不能保证控