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过程控制系统课程设计
设计题目加热炉温度控制系统
学生某某
专业班级自动化
学号
指导教师
，即可实现控制要求。在运行过程中，当物料出口温度受干扰影响改变时，温度检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比拟，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许X围内，且达到稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。
系统结构和控制流程图
根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示, 该系统主要由调节对象(加热炉)、检测元件(测温仪表)、变送器、调节器和执行器等5个局部组成, 构成单回路负反响温度系统。
其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；θ为物料出口温度，Qg为燃料流量。箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。
图3-1 加热炉温度控制系统结构图
根据控制要求和结构图绘制得加热炉温度控制系统整体控制流程图如如下图所示：
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图3-2 加热炉温度控制系统整体控制流程图
其中，调节器采用数字PID算法，Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。
控制系统设计
系统控制参数确定
被控参数选择
单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原如此：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反响控制目的的参数为被控参数；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被控参数；所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。
综合以上原如此，在本系统中选择物料的出口温度θ作为被控参数。该参数可直接反响控制目的。
控制参数选择
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，而操纵变量是克制干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。而控制参数选择的根本原如此为：
① 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数；
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② 在以上前提下，选择变化X围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制；
③ 在①的根底上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快；
综合以上原如此，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。
PID调节器设计
对温度的控制算法, 采用技术成熟的PID 算法, 对于时间常数比拟大的系统来说, 其近似于连续变化, 因此用数字PID 完全可以得到比拟好的控制效果。简单的比例调节器能够反响很快, 但不能完全消除静差, 控制不准确, 为了消除比例调节器中残存的静差, 在比例调节器的根底上参加积分调节器, 积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果, 在差不变的情况下, 积分器还在输出直到误差为零, 因此参加积分调节器相当于能自动调节控制常量, 消除静差, 使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差, 但使系统响应速度变慢。
进一步改良调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差, 并对误差的变化作出响应, 于是在PI调节器的根底上再加上微分调节器, 组成比例、积分、微分( PID)调节器, 微分调节器的参加将有助于减小超调, 克制振荡, 使系统趋于稳定, 同时加快了系统的稳定速度,缩短调整时间, 从而改善了系统的动态性能, 其控制规律的微分方程为:
传递函数为：
用PID 控制算法实现加热炉温度控制是这样一个反响过程: 比拟实际物料出口温度和设定温度得到偏差, 通过对偏差的处理获得控制信号, 再去调节加热炉的燃料流量, 从而实现对炉温的控制, 由于加热炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象, 所以式中Kp、K d 和K i的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。
控制仪表的选型和配置
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检测元件
温度的测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。本系统选择接触式测温元件。其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，本系统选择热电偶作为测温元件，其电路原理图如如下图所示：
图5-1 热电偶电路原理图
变送器
变送器选型
本系统中的变送器用于温度