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《控制系统》课程设计 课题：加热炉温度控制系统 系 别：电气与电子工程系 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 2011 年1 月7 日 成绩评定· 一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。 二、评分（按下表要求评定） 评分项目 设计报告评分 答辩评分 平时表现评分 合 计 （100分） 任务完成 情 况 （20分） 课程设计 报告质量 （40分） 表达情况 （10分） 回答问题 情 况 （10分） 工作态度与纪律 （10分） 独立工作 能力 （10分） 得分 课程设计成绩评定 一、设计目的： 在课程设计过程中，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。同时也使学生加深理解所学的理解知识，提供运用所学知识的能力，按照给定的设计资料和设计要求，使学生掌握电气控制系统设计的基本技能，增强独立分析与解决问题的能力。 二、设计要求： 1、绘制加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图。 2、以加热炉温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与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、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。 4、根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点 三、总体设计： 1、加热温度控制系统总体结构图 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，以达到控制温度的目的。 图1 加热炉温度系统 但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的要求。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。 2、加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图 图2 加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图 3、串级控制系统 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，以达到控制温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的要求。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，以加热炉温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。 图3 加热炉温度串级控制系统结构图 串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由加热炉温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图4所示。 图4 加热炉温度串级控制系统结构方框图 4、主、副控制器参数整定及Simulink仿真 主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI控制规律。 副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。 在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。 所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为： （1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。 （2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。 （3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。 （4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。 对于该温度串级控制