燃油炉温度控制系统设计过程控制课程设计
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目录
一、设计任务及要求
二、被控对象数学模型建模及对象特性分析
1.1 对象数学模型的计算及仿真验证……………………………………3
1.2 对.象特性分析…………………………………………………………5
三、控制系统设计
3.1 基本控制方案…………………………………………………………6
3.2 控制仪表选型…………………………………………………………7
3.3 参数整定计算…………………………………………………………7
3.4 控制系统MATLAB仿真……………………………………………8
3.5 仿真结果分析…………………………………………………………10
3.6 ★控制系统组态
四、设计总结
一、 设计任务及要求
对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到600℃时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约%30，即在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加h/T5.1q，持续min1t后结束，等间隔min1t记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量%20p的无差温度控制系统。
t(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
℃ 0 7.2 10.35 8.4 7.05 5.85 4.95 4.05 3.3 2.7 2.25
t (点) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
(℃) 1.95 1.65 1.35 1.05 0.75 0.45 0.36 0.20 0.10 0.04 0.00
具体设计要求如下:
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；画出控制系统SAMA图；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ-Ⅲ），绘制原理接线图；
（4） 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:1衰减曲线法整定运行参数。
（5） ★用MCGS进行组态设计。
二、 被控对象数学模型建模及对象特性分析
1、对象数学模型的计算及仿真验证
根据题目表格数据计算出阶跃响应输出值程序为：
Dt=1
t=0:Dt:21;
ts=0:0.001:21;
a=[0 7.2 10.35 8.4 7.05 5.85 4.95 4.05 3.3 2.7 2.25 1.95 1.65 1.35 1.05
0.75 0.45 0.36 0.20 0.10 0.04 0.00]%给定脉冲响应数据
y(1)=0
for i=2:1:22
y(i)=y(i-1)+a(i); %计算阶跃响应数据
end
plot(t,y,'r');
hold on
plot(t,a);
hold on
计算出阶跃响应输出值见下表： t(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
℃ 0 7.2 10.35 8.4 7.05 5.85 4.95 4.05 3.3 2.7 2.25
y 0 7.2000 17.5500 25.9500 33.0000 38.8500 43.8000 47.8500 51.1500 53.8500 56.1000
yg 0 0.1125 0.2742 0.4055 0.5156 0.6070 0.6844 0.7477 0.7992 0.8414
0.8766
t(min) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
(℃) 1.95 1.65 1.35 1.05 0.75 0.45 0.36 0.20 0.10 0.04 0.00
y 58.0500 59.7000 61.0500 62.1000 62.8500 63.3000 63.6600 63.8600 63.9600 64.0000 64.0000
Yg 0.9070 0.9328 0.9539 0.9703 0.9820 0.9891 0.9947 0.9978 0.9994 1.0000 1.0000
由计算可得：稳态值y（）=64.0000；
作出脉冲响应曲线和阶跃响应曲线如图1所示：
使用matlab编辑.m文件，通过给定的矩形脉冲响应求对象的阶跃响应并用插值方法画出曲线如下图：
0510152025010203040506070
将阶跃函数曲线归一化，得到单位阶跃响应程序为：
yw=max(y)
yg(1)=0
for i=1:1:22
yg(i)=y(i)/yw;
end
ys=interp1(t,yg,ts ,'spline');%线性插值
plot(ts,ys);
grid;
归一化阶跃响应曲线如下图：
051015202500.20.40.60.811.21.4X: 2.954Y: 0.4X: 8.016Y: 0.8
从图中取ys（1t）=0.4，ys（2t）=0.8
则1t=2.954 min，2t=8.016 min。
求被控对象传函：
对象增益为064.0000()K2.133()%30%yCC
由图可知122.9540.3698.016tt,小于0.460，而大于0.317
因此使用二阶系统近似。
由两点法可以求得：
121212122121()2.161.740.55TTttTTttTT
得
T1=4.565min=274s T2=0.515min=31s
由于纯延迟为零，则对象传递函数为：
()2.133()()%(311)274s1()pYSCGssUS（）
对所求的对象传函验证程序为：
Dt=1
t=0:Dt:21;%单位分钟
ts=0:1:21;
a=[0 7.2 10.35 8.4 7.05 5.85 4.95 4.05 3.3 2.7 2.25 1.95 1.65 1.35 1.05
0.75 0.45 0.36 0.20 0.10 0.04 0.00]
y(1)=0
for i=2:1:22
y(i)=y(i-1)+a(i);
end
plot(t,y,'r');
hold on
Gp=tf(63.99,conv([0.5167,1],[4.567,1]));%把单位全都化为分钟
step(Gp);
grid;
验证如下图所示：
051015202530010203040506070 Step ResponseTime (sec)Amplitude离散点绘图传函绘图
由上图可以看出，求出的数学模型的阶跃响应和由给定数据求得得阶跃响应基本吻合，验证了数学模型建立的正确性。
2、对象特性分析
被控对象传函为()2.133()()%(311)274s1()pYSCGssUS（）
做被控对象单位阶跃响应程序为：
Gp=tf(2.133,conv([31,1],[274,1]));
step(Gp);
grid;
单位阶跃响应如下图所示：
05001000150000.511.522.5System: GpTime (sec): 413Amplitude: 1.6System: GpTime (sec): 26.7Amplitude: 0.0661Step ResponseTime (sec)Amplitude
由图可知：26.7,386.3T
这是一个二阶自衡的非振荡过程，静态增益为KP=2.133,T=386.3 s。
对象无延迟，自衡率= 1Kp0.469，响应速度= KpT=35.7910。
根据对象阶跃响应得知，对象达到稳定时约1500秒，调整时间过长。
三、 控制系统设计
1、基本控制方案
方案1——采用单回路系统控制：
设计一个单回路的控制系统。要求实现超调量%20p的无差温度控制系统，因此采用PID控制器。
采用单回路系统控制原理图如图所示
PID广义对象
单回路系统控制原理图
采用单回路控制系统，而单回路系统是由一个被调量，一个调节量，一个调节阀和一个调节器组成只有一个单回路的控制系统，当对象的干扰变化比较剧烈、比较频繁或是工艺对产品质量提出的要求较高时，采用单回路控制的方法不再有效，并且单回路PID控制系统调节时间较长。
单回路控制系统带控制点的流程图如下图所示：
方案2——采用串级系统控制
控制系统对动态特性提出了要求，而串级控制系统可以有效地克服二次扰动，改善对象的动态特性，所以有必要考虑在PID无法满足动态特性要求的情况下采用串级控制系统。
采用串级系统控制原理图如图所示：
燃油炉炉温控制系统带控制点的流程图如下图：
控制系统SAMA图如下图：
2、控制仪表选型
（1）温度变送器：被控对象输出稳态值要求为600C，因此仪表量程选择270C~750C，选择SBWR-2160D E 0~800℃小型导规式热电偶温度变送器
，其测量范围是0~800℃，输出信号：4-20mA，精度0.2%FS；
则变送器传函增益：20-4mm0.0333()(750270)AAKmCC（）。
（2）调节阀：由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。
电/气阀门定位器ZPD-01
ZPD-01参数表
名称 性能
输入信号 4-20mA·DC
输出信号 0-0.14MPa
调节阀的输入信号为4到20mA，开度相应输出为0到100%，
调节阀传函增益：100%%6.25()m20-4mKvAA（）
