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1、过程控制课程设计 过程控制与自动化仪表 课程设计 设 计 题 目 熔炉温度控制系统 指 导 教 师 专 业 班 级 学 号 日 期 过程控制与自动化仪表课程设计任务书题目熔炉温度控制系统设计要求在模壳浇铸、焙烧时常使用熔炉，为保证产品质量，需对炉温加以控制。在已知熔炉阶跃响应下，试设计一个，的温度控制系统，并用Matlab仿真设计结果。设计主要内容 （1）系统工艺描述。（2）根据实验数据建立熔炉的数学模型。（3）设计符合要求的控制系统，整定参数。（4）用Matlab仿真设计结果，得出结论。1. 绪论过程控制是应用性和实践性较强的一门课，许多的重要概念和方法需要通过实验才能更好掌握。通过仿真研究

2、各种控制系统和复杂控制算法，简单快捷。过程控制系统仿真就是以过程数学模型为基础，对过程控制系统进行实验、分析、评估和预测研究的一种技术和方法。Matlab的控制系统相关工具箱及Simulink的问世，给控制系统的分析和设计带来了极大地方便，已成为风行国际的、有力的控制系统计算机辅助分析、设计工具。Simulink是一个交互式动态系统建模、仿真和分析图形环境，提供一个建立控制系统方框图，并对系统进行仿真的环境。此次设计将以“熔炉温度控制系统”为例，完成在Simulink基础上的仿真。2. 铝锭生产工艺描述一、铝锭一般生产过程：先采出铝土矿，经水洗、磨细等流程生产出铝矿粉，再经焙烧等四道复杂工艺得

3、到氧化铝，生产氧化铝的铝土矿主要有三种类型：三水铝石、一水硬铝石、一水软铝石。由于三种铝土矿的特点不同，各氧化铝生产企业在生产上采取了不同的生产工艺，主要有拜耳法、碱石灰烧结法和拜尔烧结联合法三种。通常高品位铝土矿采用拜耳法生产，中低品位铝土矿采用联合法或烧结法生产。拜尔法由于其流程简单，能耗低，已成为了当前氧化铝生产中应用最为主要的一种方法，产量约占全球氧化铝生产总量的95%左右。氧化铝在强电流的作用下，电解出铝金属，这道流程就叫电解铝；铝锭铸造工艺均采用铝液注入模具中，待冷却成铸坯后取出，注入过程是产品好坏的关键步骤。铸造过程也即为由液态铝结晶成固态铝的物理过程。铸造铝锭工艺流程大致如下：

4、出铝扒渣检斤配料装炉精练浇铸重熔用铝锭成品检查成品检斤入库出铝扒渣检斤配料装炉精练浇铸合金锭铸造合金锭成品检查成品检斤入库常用的浇铸方式分为连续浇铸和竖式半连续浇铸二、铝锭常见的缺陷：气孔。主要是由于浇铸温度过高，铝液中含气较多，铝锭表面气孔(针孔)多，表面发暗，严重时产生热裂纹。夹渣。主要是由于一是打渣不净，造成表面夹渣；二是铝液温度过低，造成内部夹渣。裂纹。冷裂纹主要是浇铸温度过低，致使铝锭结晶不致密，造成疏松甚而裂纹。热裂纹则由浇铸温度偏高引起。冷隔。形成冷隔主要是由于结晶器内铝液水平波动过大，浇铸温度偏低，铸锭速度过慢或铸造机震动、下降不均而引起的表面粗糙。由于结晶器内壁不光滑，润滑效

5、果不好，严重时形成晶体成分偏析。主要是铸造合金时搅拌不均匀引起的。波纹和飞边。主要是操作不精细，铝锭做的太大，或者是浇铸机运行不平稳造成。表面的铝瘤。或由于铁硅比太大，冷却不均产生的偏析现象。漏铝和重析。主要是操作问题，严重的也造成瘤晶。本课题研究熔炉熔化氧化铝用于浇铸的熔化过程，为保证产品质量，需对炉温加以控制。若炉温过高，将会使铝锭产生气孔、热裂纹等缺陷。若炉温过低也会产生内部夹渣、冷裂纹、冷隔等缺陷。因此对炉温控制，使其，即可基本满足生产要求。 3. 熔炉建模一、对一个铝锭生产熔炉进行如下实验：在温度控制稳定到630时，在开环状态下将执行器的输入燃料油增加大约20%，每2min记录一次炉

6、温直到其达到新的稳定温度。所得熔炉阶跃响应如下：表3-1 熔炉建模阶跃响应t/min024681012141618 y/00.521.964.235.507.308.429.2810.0610.78t/min20222426283032343638 y/11.2511.7312.1012.4512.7412.9513.0813.1513.1813.18二、在Matlab中绘制熔炉阶跃响应曲线： t=0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38; y=0 0.52 1.96 4.23 5.50 7.30 8.42 9.28 10.0

7、6 10.78 11.25 11.73 12.10 12.45 12.74 12.95 13.08 13.15 13.18 13.18; plot(t,y);得熔炉阶跃响应图：图3-1 熔炉建模阶跃响应曲线三、用 cftool;指令对其进行光滑曲线拟合:图3-2 熔炉建模阶跃响应拟合曲线取。图3-3 熔炉建模阶跃响应拟合曲线取点得s。图3-4 熔炉建模阶跃响应拟合曲线取点得s。由知对象为二阶，根据公式： 得,即对象传函： ()由作图法二阶惯性近似为有延时的一阶惯性为：4. 控制系统设计4.1 单回路PID调节一、单回路控制示意图：图4-1 单回路控制示意图二、其控制原理如下：图4-2 单回路控

8、制框图三、控制仪表选择：DDZ-型温度变送器：因为正常工作点是660，选变送器的最大量程为700，最小为580，根据所需要的测量范围选择一体化温度变送器pt100-IEC751,量程是-100 850。调节阀：由于调节阀是用于燃料油流量的调节，选择气动调节阀，燃料油粘度较大，残渣比较多，为减弱腐蚀，防止堵塞，选用蝶形阀，再配合选用相应的电气转换仪表使用。选择EPC1110-AS-OG/I电器转换器，参数如下：表4-1 EPC1110-AS-OG/G参数输入信号输出信号线形度最大流量420mA20 100kpa跨度的1%4.8t/ h阀工作方式：从安全角度考虑，调节器信号突然消失时，调节阀应关闭

9、，故选用气开阀。调节器：为使系统尽快达到稳定值，调节器选择PID调节方式。为使系统为负反馈，调节器应选反作用。控制仪表选择完毕，则：得广义对象：四、调节器PID参数整定：按单回路PID参数整定方法整定，选择反应曲线法：使系统开环，用Simulink仿真：图4-3 单回路PID参数整定仿真图得其阶跃响应为：图4-4 单回路PID参数整定阶跃响应由图，用作图法求得，由得于是查书过程控制与自动化仪表表5-5有：4.2串级控制调节一、串级控制示意图：图4-5 串级控制示意图二、其控制原理如下：图4-6 串级控制框图三、控制仪表选择：选择与单回路相同的温度变送器和调节阀，设计副对象为，副回路反应速度应快

10、，故采用P调节，为使副回路为负反馈，则副调节器为反作用；设计主对象为主回路控制应使主控量无残差故采用PID调节，为使主回路为负反馈，将副回路看作“正”的环节，则主调节器为反作用。四、主副调节器参数整定：采用两步法整定主副调节器参数，具体整定过程为：（1）置主调节器，系统输入一阶跃信号，副调节器由小变大调节使系统响应衰减比为时，记录此时值。用Simulink仿真如下：图4-7 串级控制参数整定副调节器仿真图图4-8 串级控制参数整定副调节器响应曲线于是查书过程控制与自动化仪表表5-3有：副调节器=20。（2）置副调节器= 20 ，置主调节器，系统输入一阶跃信号，主调节器由小变大调节使系统响应衰减

11、比为时，记录此时值和峰值时间，用Simulink仿真如下：图4-9 串级控制参数整定主调节器仿真图图4-10 串级控制参数整定主调节器响应曲线主调节器，峰值时间于是查书过程控制与自动化仪表表5-3有：，因此， 5 控制系统仿真5.1 单回路PID系统仿真Simulink搭建系统：图5-1单回路PID仿真图调节输入某一阶跃使系统从630的稳态用单回路PID调节到铝的熔点660:图5-2单回路PID仿真阶跃响应曲线在1000s时系统稳定，此时加入一干扰：图5-3单回路PID仿真阶跃响应曲线带干扰分析仿真曲线，设计该系统满足要求的指标，但对干扰的抑制能力较小。5.2串级控制系统仿真Simulink搭

12、建系统：图5-4 串级控制仿真图调节输入某一阶跃使系统从630的稳态用串级控制调节到铝的熔点660时的阶跃响应：图5-5 串级控制仿真阶跃响应曲线在500s时加入干扰：图5-6 串级控制仿真阶跃响应曲线带副回路干扰在500s时加入干扰:图5-7 串级控制仿真阶跃响应曲线带主副回路干扰分析仿真曲线，串级控制各方面性能均优于单回路PID控制，且串级控制对副回路的干扰有很强的抑制力。但单回路PID实现比串级简单方便。通过以上分析，串级控制系统可以更好的实现工程要求，有效克服扰动，保证了系统的稳定性和快速性。串级控制系统对副回路扰动有很强的克服能力，对回路参数变化的自适应能力强。综上所述，本设计选择串级控制系统。 6 参考文献1 铝锭生产工艺描述. XX百科.2 熔炉建模. XX文库.3 潘永湘等. 过程控制与自动化仪表M. 机械工业出版社，2015年1月.4 王沫然.MATLAB与科学计算M.电子工业出版社,2009年2月.