二○一六～二○一七学年第一学期
信息科学与工程学院
课程设计报告书<
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二○一六年十月
1. 设计题目
加热炉出口温度控制系统的设计
2. 设计任务
图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。
被加热物料
图1 加热炉出口温度系统
,
但是，由于炉子时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足
工艺对炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。
3. 设计要求
1)绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。
2)以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。 3)假设主对象的传递函数为)
2)(1(1
)(01++=
s s s G ，副对象的传递函数为
)1(1)(02+=
s s G ，主、副控制器的传递函数分别为s
K s G c c 21
)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。
4)利用simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。一．单回路反馈控制系统的设计
单回路反馈控制系统结构框图
原料出口温度T受进入管式加热炉原料的初始温度和进入流量和燃烧值的影响。在原料流量一定的情况下，在燃料入口处安装一个调节阀，控制进入管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉出口温度单回路反馈控制系统。
二．串级控制系统的设计
单回路控制系统的控制效果较差，很难达到满意的效果。采用串级控制系统，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统。
串级控制系统回路的结构框图 串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统响应速度
提高系
统工作频率，改善系统控制质量④串级系统有一定的自适应能力 三．设计步骤
在串级控制系统中，主调节器选择PI 调节器实现主参数无差控制，副控制器选用P 调节器，能够快速跟踪主调节器的输出。
主对象的传递函数为)
2)(1(1
)(01++=
s s s G ，副对象的传递函数为
)1(1
)(02+=
s s G ，主、副控制器的传递函数分别为s
K s G c c 21)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m
采用一步整定法确定主丶副控制器的参数。
在串级控制系统中，主参数是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。而副参数的设立主要是为了提高主参数的调节质量，对副参数本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。因此，在整定时不必把过多的精力花在副环上。只要把副调节器的参数置于一定数值后，集中精力整定主环，使主参数达到规定的质量指标就行了。虽然按照经验一次放上的副调节器参数不一定合适，但是，这没有关系，因为副调节器的放大倍数不合适，可以通过调整主调节器的放大倍数来进行补偿，结果仍然可以使主参数呈现4：1衰减振荡过程。
副控制器参数经验设置值
副变量类型副控制器比例度副控制器比例放大倍数温度20-60》
压力30-70
流量40-80
液位<
20-80
四．SIMULINK建模和仿真
1.单回路控制系统的设计
P=18，I=，D=0，采用PI控制
响应曲线
…
2.串级控制系统的设计
主回路采用PI控制，P=11，I=，D=0
副回路采用P控制，P=，I=0，D=0
响应曲线
比较上述两种系统的阶跃响应，采用串级控制系统，可以改善系统
稳定性，改善系统动态性能。减少对象时间常数，提高系统响应速度。
五．实验小结
通过本次实验，我掌握了串级控制系统的组成原理，会画原理方框图，会分析串级控制系统的工作原理。掌握了串级控制系统的特点串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统响应速度提高系统工作频率，改善系统控制质量④串级系统有一定的自适应能力。在串级控制系统的设计中，主变量的选择和主回路设计，与单回路控制系统设计原则是一致的。副回路设计时，应包括被控对象所受到的主要干扰，参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏，主副回路工作频率应适当匹配。可以说这次实验使得我对过程控制的理论有了更深的认识，也知道这对现实有非常大的意义。
