文档介绍：控制系统综合设计报告
题目: 加热炉温度控制系统设计
报告题目:加热炉温度控制系统设计
课程的要求和意义
(一)课程设计的具体要求
1、加热炉温度单回路反馈控制系统。
2、以加热炉温度为主变量,夹套温度为副变量,构成加热炉出口温度与夹套温度的串级控制系统。被加热物料流过排列炉膛四周的夹套后,加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的装有一个调节阀,用以控制夹套温度控制,以达到控制出口温度的目的。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、利用Simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真,得出系统输出响应曲线,根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点,验证串级系统是否能提高控制的精度。本设计是通过加热炉两种控制方案的对比并利用MATLAB中的Simulink进行系统仿真,采用衰减曲线法进行参数的整定,通过比较两种方案,最终说明加热炉串级控制系统的设计方案在实际控制中的优越性。
4、要求设计的系统满足快速、准确、稳定,且超调量8%≤δ≤10%。
5、给定各传递函数如下:
主控制对象加热炉温度传递函数:
副对象对象夹套温度传递函数:
主PID控制器的传递函数为:
副PID控制器的传递函数为:
加热温度控制系统设计
加热炉单回路温度控制系统结构图
图1加热炉单回路温度控制系统结构图
加热炉温度单回路控制系统结构框图
干扰
干扰
PID调节器
调节装置
夹套
加热炉
温度反馈
+
-
+
+
+
+
图2 加热炉温度单回路控制系统结构框图
加热炉温度串级控制系统结构图
图3加热炉温度串级控制系统结构图
加热炉温度串级控制系统结构框图
PID调节器
PID调节器
调节装置
夹套
加热炉
温度反馈
温度反馈
+
-
+
+
+
-
+
+
干扰
干扰
图4加热炉温度串级控制系统结构框图
衰减曲线法参数整定的相关资料
(1)衰减曲线法是在系统闭环情况下,将控制器积分时间TI放在最大,微分时间TD放到最小,比例放大倍数KC设为1;
(2)然后使KC由小往大逐步改变,并且每改变一次KC值时,通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰,同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比小大于4:1,KC值继续增加,如果衰减比小于4:1,KC值继续减小,直到过程呈现4:1衰减如图为止;
(3)通过上述试验可以找到4:1衰减振荡时的放大倍数为Ks以及振荡周期Ts。根据下表给出的经验公式,可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4:1振荡的控制器参数值;
表 4:1衰减曲线法整定控制器参数经验公式
控制器类型
控制器参数
P(KC)
I(TI)/min
D(TD)/min
P
Ks
—
—
PI
Ks
—
PID
Ks
(4)按经验公式算出控制参数后按照先比例、后积分、最后微分的程序,一次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将KC放在一个比计算值稍小一些(一般小20%)的数值上,待积分、微分放好后再将KC放到计算值上,放好控制器参数之后再加一次干扰,验证一下过渡过程是否呈4:1衰减振荡;
(5)按照“先副回路,后主回路”的顺序,将计算出的参数值设置到调节器上,做一些扰动试验,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。
(四) Simulink仿真及参数整定
⒈未加入PID调节之前系统的阶跃响应:
图5 未加入PID调节之前系统的阶跃响应
由图5可知:未加入PID调节之前系统系统是稳定的,但是系统的稳态误差过大,。
2 .串级控制系统仿真:
由主控制对象加热炉温度传递函数: ,和副控制对象夹套温度传递函数: ,在MATLAB中画出仿真框图,如图6所示:
图6 串级控制系统总仿真图
⑴. 副回路的整定
将主环路断开,副环路为比例作用的条件下,由小到大逐渐降低副调节器的比例度。整定副回路的仿真图如图7所示。
图7 整定副回路的仿真图
=2 (系统的超调很小)
=4(开始出现超调量)
=6
=8