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实训十七串级控制系统的原理与控制设计一、实训目的1．了解串级控制系统的原理与控制设计二、实训设备PCS3000型现场总线高级过程控制系统实训设备（DCS分布式过程控制系统）三、实训步骤串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。
它是由主、副两个控制器串接工作的。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。
串级控制系统的设计1. 主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2. 副回路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
归纳如下。
(1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。
(2) 将更多的扰动包括在副回路中。
(3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应特性。
(4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。
(5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。
在这里要注意(2)和(3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾(2)和(3)的综合。
3. 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。
副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。
如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。
过程控制工程课程设计参考题目(总5页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--14级过程控制课程设计题目1班课程设计参考题目：一、温度控制（单回路、串级、前馈—反馈、比值控制）（40）1、换热器出口温度单回路控制方案设计2、乳化物干燥器温度单回路控制方案设计3、精馏塔提馏段温度单回路控制方案设计4、管式加热炉出口温度单回路控制方案设计5、夹套式反应器温度单回路控制控制方案设计6、燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计7、精馏塔精馏段温度单回路控制方案设计8、流化床反应器温度单回路控制方案设计9、管式热裂解反应器出口温度单回路控制方案设计10、发酵罐温度单回路控制方案设计11、换热器出口温度串级控制方案设计12、乳化物干燥器温度串级控制方案设计13、精馏塔提馏段温度串级控制方案设计14、管式加热炉出口温度串级控制方案设计15、夹套式反应器温度串级控制控制方案设计16、燃烧式工业窑炉温度串级控制方案设计17、精馏塔精馏段温度串级控制方案设计18、流化床反应器温度串级控制方案设计19、发酵罐温度串级控制方案设计20、管式热裂解反应器出口温度串级控制方案设计21、换热器出口温度前馈—反馈控制方案设计22、乳化物干燥器温度前馈—反馈控制方案设计23、精馏塔提馏段温度前馈—反馈控制方案设计24、管式加热炉出口温度前馈—反馈控制方案设计25、夹套式反应器温度前馈—反馈控制控制方案设计26、燃烧式工业窑炉温度前馈—反馈控制方案设计27、精馏塔精馏段温度前馈—反馈控制方案设计28、流化床反应器温度前馈—反馈控制方案设计29、发酵罐温度前馈—反馈控制方案设计30、管式热裂解反应器出口温度前馈—反馈控制方案设计31、换热器出口温度比值控制方案设计32、乳化物干燥器温度比值控制方案设计33、精馏塔提馏段温度比值控制方案设计34、管式加热炉出口温度比值控制方案设计35、夹套式反应器温度比值控制方案设计36、燃烧式工业窑炉温度比值控制方案设计37、精馏塔精馏段温度比值控制方案设计38、流化床反应器温度比值控制方案设计39、发酵罐温度比值控制方案设计40、管式热裂解反应器原料油与蒸汽流量比值控制方案设计41、锅炉出口蒸汽压力单回路控制方案设计42、锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计43、锅炉出口蒸汽压力前馈—反馈控制方案设计44、锅炉出口蒸汽压力比值控制方案设计45、炉膛负压单回路控制方案设计46、炉膛负压前馈—反馈控制方案设计47、离心泵压力定值控制方案设计2班课程设计参考题目：1、换热器出口温度单回路控制方案设计2、乳化物干燥器温度单回路控制方案设计3、精馏塔提馏段温度单回路控制方案设计4、管式加热炉出口温度单回路控制方案设计5、夹套式反应器温度单回路控制控制方案设计6、燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计7、精馏塔精馏段温度单回路控制方案设计8、流化床反应器温度单回路控制方案设计9、管式热裂解反应器出口温度单回路控制方案设计10、发酵罐温度单回路控制方案设计11、换热器出口温度串级控制方案设计12、乳化物干燥器温度串级控制方案设计13、精馏塔提馏段温度串级控制方案设计14、管式加热炉出口温度串级控制方案设计15、夹套式反应器温度串级控制控制方案设计16、燃烧式工业窑炉温度串级控制方案设计17、精馏塔精馏段温度串级控制方案设计18、流化床反应器温度串级控制方案设计19、发酵罐温度串级控制方案设计20、管式热裂解反应器出口温度串级控制方案设计21、换热器出口温度前馈—反馈控制方案设计22、乳化物干燥器温度前馈—反馈控制方案设计23、精馏塔提馏段温度前馈—反馈控制方案设计24、管式加热炉出口温度前馈—反馈控制方案设计25、夹套式反应器温度前馈—反馈控制控制方案设计26、燃烧式工业窑炉温度前馈—反馈控制方案设计27、精馏塔精馏段温度前馈—反馈控制方案设计28、流化床反应器温度前馈—反馈控制方案设计29、发酵罐温度前馈—反馈控制方案设计30、管式热裂解反应器出口温度前馈—反馈控制方案设计31、换热器出口温度比值控制方案设计32、乳化物干燥器温度比值控制方案设计33、精馏塔提馏段温度比值控制方案设计34、管式加热炉出口温度比值控制方案设计35、夹套式反应器温度比值控制方案设计36、燃烧式工业窑炉温度比值控制方案设计37、精馏塔精馏段温度比值控制方案设计38、流化床反应器温度比值控制方案设计39、发酵罐温度比值控制方案设计40、管式热裂解反应器原料油与蒸汽流量比值控制方案设计41、锅炉出口蒸汽压力单回路控制方案设计42、锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计43、锅炉出口蒸汽压力前馈—反馈控制方案设计44、锅炉出口蒸汽压力比值控制方案设计45、炉膛负压单回路控制方案设计46、炉膛负压前馈—反馈控制方案设计47、离心泵压力定值控制方案设计课程设计教材及主要参考资料：1、戴连奎，《过程控制工程》，化学工业出版社，20122、杜维，《过程检测技术及仪表》，化学工业出版社，20013、姜培正，《过程流体机械》，化学工业出版社，20024、王毅，《过程装备控制技术与应用》，化学工业出版社，20015、厉玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社，2006一、课程设计教学目的及基本要求：1．课程设计的教学目的培养学生将理论知识应用到解决实际问题的能力，通过该课程的学生，可以很好地训练学生的实际动手能力和解决工程问题的能力，为学生从学校到工厂和技术部门提供前期的训练。
加热炉温度串级控制系统设计摘要：生产自动控制过程中 ,随着工艺要求 ,安全、经济生产不断提高的情况下 ,简单、常规的控制已不能适应现代化生产。
传统的单回路控制系统很难使系统完全抗干扰。
串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用．对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中．结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性．关键词：串级控制干扰主回路副回路Abstract:Automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern production. The traditional single-loop control system is difficult to make the system completely anti-interference. Cascade control system with good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade co ntrol system of the characteristics and the main and sub-loop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLA B-based incremental PID algorithm is applied in the control system. Combination of computer-based control method to achieve PID parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control accuracy and stabilityKeywords:Cascade control, interference, the main circuit, the Deputy loop目录1.前言 (2)2、整体方案设计 (3)2.1方案比较 (3)2.2方案论证 (5)2.3方案选择 (5)3、串级控制系统的特点 (6)4. 温度控制系统的分析与设计 (7)4.1控制对象的特性 (7)4.2主回路的设计 (8)4.3副回路的选择 (8)4.4主、副调节器规律的选择 (8)4.5主、副调节器正反作用方式的确定 (8)5、控制器参数的工程整定 (10)6 、MATLAB系统仿真 (10)6.1系统仿真图 (11)6.2副回路的整定 (12)6.3主回路的整定 (14)7.设计总结 (16)【参考文献】 (16)1.前言加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一。
目录1.课程设计目的 (2)2.设计正文 (2)2.1 技术要求 (2)2.2 方案设计 (2)2.3 I/O口分配表 (2)2.4 系统分析 (2)2.5 PLC程序 (2)主程序 (4)子程序 (4)中断子程序0 (4)中断子程序1 (5)2.4 电路设计 (6)3、课程设计总结 (7)4、参考文献 (8)1、课程设计目的通过本次课程设计,加深对PLC知识的理解；了解力基于PLC的过程控制工程设计流程及方法；重点掌握PLC的I/O地址分配、信号采集、PID控制算法、程序编辑以及调试运行方法。
结合课程设计的内容，熟悉过程控制工程中需要编写的技术文档；加强对PLC编程能力；培养全面、周到的考虑实际问题的习惯；学会查阅有关专业技术资料及设计手册，提高进行独立设计的能力并完成课程设计相关任务。
（1）了解水箱液位控制系统的物理结构、闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。
（2）逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调节电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。
（3）逐一明确PLC到各执行机构的输入通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。
（4）绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O口地址分配表。
（5）编制PLC的程序，结合实验室现有设备进行调试，要求尽可能多地在实验设备上演示控制过程。
2、课程设计正文2.1技术要求水箱液位和注水流量串级控制系统主要由水箱、管道、水泵、异步电动机、电机控制电器、水压力传感器、涡轮流量计、电动调节阀、可编程控制器及其输入（检测）输出（控制）通道电路构成。
其中电动机和水泵作为动力系统。
系统中由电位器设置液位给定值，水压力传感器检测液位，采用PID算法得出流量给定值。
涡轮流量计检测流量，电动调节阀控制流量，采用PID算法得出电动调节阀开度控制值，实现流量的控制。
流量控制是内环（副调节器），液位控制是外环（主调节器）。
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，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；后一个调节器称为副调节器，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。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
关键词：串级控制主调节器 PID控制反馈1 串级控制系统的优点及如何设计 (1)1.1 串级控制系统原理图、结构框图 (1)1.2 串级控制系统的工作过程 (2)2 管式加热炉的设计 (3)2.1 系统设计与对比 (3)2.1.1 两种单回路控制系统 (3)2.1.2 串级控制管式加热炉整体设计 (4)2.1.3 管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图 (5)2.2 副回路的设计与副参数的选择 (5)2.3 主、副调节器调节规律的选择 (5)2.4 主、副调节器正反作用方式选择 (6)2.4主、副调节器选用 (6)2.5 主、副电路检测变送器的确定 (7)2.5.1 温度检测元件 (7)2.5.2 温度变送器 (8)2.6 调节阀的确定 (9)3 系统参数整定 (9)4 串级控制系统的控制效果 (10)4.1 迅速克服进入副回路的二次干扰 (10)4.2 提高了系统的工作频率 (11)4.3 对负荷剧烈变化的适应能力 (12)小结与体会 (13)参考文献 (14)管式加热炉温度串级控制系统设计1 串级控制系统的优点及如何设计1.1 串级控制系统原理图、结构框图图1-1系统原理图串级控制系统与简单控制系统的主要区别是，串级控制系统在结构上增加了一个测量变速器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。
1 概述1.1 化学反应器的基本介绍反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。
化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。
化学反应器可以按进出物料状况、流程的进行方式、结构形式、传热情况四个方面分类：一、按反应器进出物料状况可分为间歇式和连续式反应器通常将半连续和间歇生产方式称为间歇生产过程。
间歇式反应器是将反应物料分次获一次加入反应器中，经过一定反应时间后取出反应中所有的物料，然后重新加料在进行反应。
间歇式反应器通常适用于小批量、多品种、多功能、高附加值、技术密集型产品的生产，这类生产反应时间长活对反应过程的反应温度有严格程序要求。
连续反应器则是物料连续加入，化学反应连续不断地进行，产品不断的取出，是工业生产最常用的一种。
一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形式。
二、从物料流程的进行方式可分为单程与循环两类物料在通过反应器后不再进行循环的流程称为单程，当反应的转化率和产率都较高时，可采用单程的排列。
如果反应速度较慢，祸首化学平衡的限制，物料一次通过反应器转化不完全，则必须在产品进行分离后，把没有反应的物料与新鲜物料混合后，再送送入反应器进行反应。
这种流程称为循环流程。
三、从反应器结构形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反应器等。
四、从传热情况可分为绝热式反应器和非绝热式反应器[1]。
绝热式反应器与外界不进行热量交换，非绝热式反应器与外界进行热量交换。
一般当反应过程的热效应大时，必须对反应器进行换热，其换热方式有夹套式、蛇管式、列管式等。
如今用的最广泛的是夹套传热方式，且采用最普通的夹套结构居多。
随着化学工业的发展，单套生产装置的产量越来越大，促使了反应设备的大型化。
也大大促进了夹套反应器的反展。
夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反应器操作一般都比较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。
目录第1章系统总体方案选择与说明 (1)第2章系统结构框图与工作原理 (2)2.1隧道窑控制系统方案设计 (2)2.2系统控制量和被控量的选择 (3)2.3系统主副控制器的选择 (3)2.4系统各部分正反作用方式的确定 (3)第3章软件设计 (4)3.1软件设计流程图 (6)3.2参数整定 (7)第4章仿真与调试 (8)第5章总结 (12)参考文献 (13)电气与信息工程系课程设计评分表 (14)第1章系统总体方案选择与说明过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化。
隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。
几个环节都涉及到温度的控制，隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。
所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。
随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高，而因为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比较大。
若采用隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过传热、辐射，引起烧成带温度的变化。
因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。
烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。
可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。
設計內容與設計要求設計內容：某隧道窯爐系統，考慮將燃燒室溫度作為副變量，燒成溫度為主變量，燃燒室溫度為副變量の串級控制系統中主、副對象の傳遞函數分別為：G01(s)=1/(30s+1)(3s+1);g02(s)=1/((10s+1)(s+1)^2);主控制器采用比例積分控制，副控制器采用比例控制。
設計要求：試分別采用單回路控制和串級控制設計主、副PID控制器の參數，並給出整定後系統の階躍響應曲線和階躍擾動の響應曲線，並說明不同控制方案對系統の影響。
目錄第1章概述 (1)第2章系統總體方案 (2)2.1 隧道窯の結構 (2)2.2 方案比較 (2)2.3 方案選擇 (4)第3章系統控制參數の選擇 (5)3.1串級控制系統選擇 (5)3.1.1 主變量の選擇 (5)3.1.2 副變量の選擇 (5)3.1.3 操縱變量の選擇 (5)3.2 調節閥開關形式の選擇 (6)3.3 傳感器、變送器の選擇 (6)3.4 控制器の選擇 (7)3.4.1 控制器控制規律の選擇 (7)3.4.2 控制器正、反作用選擇 (7)3.4.3 控制器選型 (8)第4章系統調試 (10)4.1系統參數の整定 (10)4.2 系統仿真 (10)第5章心得體會 (14)參考文獻 (15)第1章概述隨著人們物質生活水平の提高以及市場競爭の日益激烈，產品の質量和功能也向更高の檔次發展，制造產品の工藝過程變得越來越複雜，為滿足優質、高產、低消耗，以及安全生產、保護環境等要求，做為工業自動化重要分支の過程控制の任務也愈來愈繁重。
在現代工業控制中, 過程控制技術是一曆史較為久遠の分支。
在本世紀30 年代就已有應用。
過程控制技術發展至今天, 在控制方式上經曆了從人工控制到自動控制兩個發展時期。
在自動控制時期內，過程控制系統又經曆了三個發展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。
幾十年來，工業過程控制取得了驚人の發展，無論是在大規模の結構複雜の工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對於提高產品質量以及節省能源等均起著十分重要の作用。
精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统设计三、系统器件选择（包括器件参数）温度传感器选择：热点偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（MV ）信号，配以测量毫伏的只是仪表或变送器可以实现温度的测量只是活温度信号的转换。
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度以上的高温，可以在1600度高温下长期使用。
铂铑10-铂热点偶传感器测温范围在0—1600度，WRP 型铂铑10-铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0-1600度环境下。
四、硬件设计方案副参数：蒸汽流量 主参数：塔釜温度当仅有作用流量对象的二次干扰D2加入时，Y2上升，由于Y2变化需要经过一段时间才会引起Y1的变化，故认为Y1暂时不变，则Z1也暂时不变，因R1是给定值，所以E1，R1也不变，从而有：D2上升，Y2上升，Z2上升，E2=R2-Z2下降，阀门开度下降，Y2下降，可见一旦有二次干扰，副回路即对副参数变量进行调节，使其回到受干扰前的数值上，但初始时Y2的上升经一段时间后会影响Y1 的上升，则有：主、副调节器正反作用方式确定：由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入精馏塔，确保设备安全，调节阀的Kv ﹥0。
主调节器作用方式确定：蒸汽流量增加，塔釜温度升高，主被控过程Ko1﹥0。
为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积须为正，则↓↓→↓→↓→↓→-=↑→↑→↑→→12221111122)(Y Y E R Z R E Z Y Y D副调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。
又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器Kc>0，副调节器作用方式为反作用方式。
控制系统硬件接线图五、控制算法选择在精馏塔温度串级控制系统中，我们以塔釜温度为主要被控参数，塔釜温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为精馏塔串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。
设计内容与设计要求设计内容：某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数分别为：G01(s)=1/(30s+1)(3s+1);g02(s)=1/((10s+1)(s+1)^2);主控制器采用比例积分控制，副控制器采用比例控制。
设计要求：试分别采用单回路控制和串级控制设计主、副PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。
目录第1章概述 (1)第2章系统总体方案 (2)2.1 隧道窑的结构 (2)2.2 方案比较 (2)2.3 方案选择 (4)第3章系统控制参数的选择 (5)3.1串级控制系统选择 (5)3.1.1 主变量的选择 (5)3.1.2 副变量的选择 (5)3.1.3 操纵变量的选择 (5)3.2 调节阀开关形式的选择 (6)3.3 传感器、变送器的选择 (6)3.4 控制器的选择 (7)3.4.1 控制器控制规律的选择 (7)3.4.2 控制器正、反作用选择 (7)3.4.3 控制器选型 (8)第4章系统调试 (10)4.1系统参数的整定 (10)4.2 系统仿真 (10)第5章心得体会 (14)参考文献 (15)第1章概述随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。
在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。
在本世纪30 年代就已有应用。
过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。
几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。
本次课程设计是隧道窑的温度课程系统，而隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。
因为几个环节都涉及到温度的控制，因此隔焰隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。
火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
另外随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高。
而因为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比较大。
综上所述，须设计一套以温度为控制变量的控制系统。
该控制系统的生产工艺要求：⑴可以实现对整个隧道窑的工艺流程的控制。
⑵能够克服较大的滞后。
⑶能够自动控制窑内温度，并达到所需精度。
第2章系统总体方案2.1 隧道窑的结构隧道窑的整个窑炉主要包括窑炉主体结构、窑头封闭气幕及排烟系统、搅拌风系统、燃烧系统、窑尾冷却系统、车下冷却风系统、余热利用系统、窑车、自动控制系统等。
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。
所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色。
因此，我选用了隔焰式隧道窑，让火焰只在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
2.2 方案比较制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。
所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。
火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
若采用隔焰隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。
因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。
烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。
可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。
也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。
如果燃料压力干扰繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。
为了克服较大的滞后，抑制较大的干扰以及使控制更加的准确，简单控制系统已不能满足条件，故可选择串级控制系统。
简单控制系统和串级控制系统的结构图如下图所示。
图2.1 单回路控制系统结构图图2.2 串级控制系统的结构图2.3 方案选择方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到15min。
因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。
方案二的串级控制系统中，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（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），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。
第3章系统控制参数的选择3.1串级控制系统选择3.1.1 主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。
由于陶瓷制品的烧成主要是在烧成带，故在本系统中选择烧成带温度作为主变量。
3.1.2 副变量的选择副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。
副变量的选择应遵循以下原则：①应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；②应使主、副对象的时间常数匹配；③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型另外考虑到燃料压力变化的干扰对系统温度影响较大，选择燃烧室温度作为副变量。
3.1.3 操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。
其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。
操纵变量的基本原则为：①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；燃料流量方便控制，且对温度的影响较大，故选择燃料流量作为操纵变量。
3.2 调节阀开关形式的选择调节阀的气开、气关形式需要考虑到以下几种因素：①生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；②保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；当隔焰隧道窑发生故障时，应关闭调节阀停止燃料的送入，避免窑内温度过高及燃料不必要的浪费。
所以调节阀选择气开阀。
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。
3.3 传感器、变送器的选择由于窑内烧结温度一般为1300℃，故应选择热电偶温度传感器。
一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温度元件接线盒或专用接线盒内，变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号，4mA～20mA。
这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。
所以本设计选择一体化化热电偶温度变送器。
根据表1所示，其材质可选则铂铑30-铂铑6热电偶。
表1 不同材质热电偶测量范围对应表整个温度变送器的电路原理图如图所示，由热电偶、输入电路和AD693 等组成。
输入电路是一个冷端补偿电桥，R为铜补偿电阻，cu通过改变电位器W的阻值可以调整变送器的零点。
2W和3W的作用是1调整量程。
图3.1 一体化热电偶温度变送器原理图3.4 控制器的选择3.4.1 控制器控制规律的选择在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定波动和余差。
从串级控制的结构上看，主环是一个定值系统，副环是一个随动系统。
对于本系统由于温度变化缓慢造成的滞后较大，为克服较大滞后，选用PID控制器作为主控制器。
副控制器只选比例控制器。
3.4.2 控制器正、反作用选择因为当阀开大使燃料流量增加时，燃烧室温度升高，故副对象为正作用。
燃烧室温度增加使烧成带温度也增加，即主对象为正作用。
调节阀为气开式为正作用。
温度传感器均为正作用。
要满足主回路和副回路为负反馈，则副控制器为反作用，主控制器为反作用。
3.4.3 控制器选型通过前面的分析，主调节器要用到PID调节，副调节器要用到P调节，所以对于主副调节器我们用两个DDZ-III型控制器即可。
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250 ；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。
