加热炉温度控制系统.docx
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加热炉温度控制系统
第1章绪论
1.1综述
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如：
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
1.2加热炉温度控制系统的研究现状
随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。
单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用，在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，广泛使用于加热炉、热处理炉、反应炉等。
温度是工业对象中的一个重要的被控参数。
由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同，例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。
传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。
不仅如此，传统的控制方式不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：
PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。
随着单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。
国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表。
并在各行业广泛应用。
它们主要具有如下的特点：
一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；--是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。
借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。
有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
1.3自动控制理论的概述
随着科学技术的进步，自动控制技术在各个应用领域中的应用已日渐广泛，不但使得生产设备或生产过程实现自动化，大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要的作用。
自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。
自动控制是相对人工控制概念而言的。
指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。
它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。
到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常系统的分析和设计问题。
自动控制理论的发展历程如下：
1．40年代--60年代初
需求动力：
市场竞争,资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。
主要特点：
此阶段主要为单机自动化阶段，主要特点是:
各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。
典型成果和产品：
硬件数控系统的数控机床。
2．60年代中--70年代初期
需求动力：
市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。
主要特点：
此阶段主要以自动生产线为标志，其主要特点是：
在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。
典型成果和产品：
用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。
3．70年代中期--至今
需求动力：
市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。
主要特点：
自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点是：
CIM已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受；CIM也是一种实现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。
所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是:
数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。
同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。
典型成果和产品：
CIMS工厂，柔性制造系统（FMS）。
随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应自动控制、宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。
主要研究具有高性能，高精度的多变量多参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。
目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。
为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。
在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。
而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。
在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。
第2章加热炉温度控制系统工艺流程
2.1生产工艺介绍
加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。
随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。
加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。
本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。
物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。
加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。
图2-1加热炉工艺流程图
2.2 控制要求
加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。
按照这些控制要求，加热炉设备将有主要的控制要求：
加热炉燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应物料负荷的需要，保证燃烧的经济型和加热炉的安全运行，使物料温度与燃料流量相适应，保持物料出口温度在一定范围内。
第3章加热炉总体设计
3.1概述
3.1.1系统控制方案
随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。
本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。
采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。
PID调节器的比例调节, 可产生强大的稳定作用; 积分调节可消除静差; 微分调节可加速过滤过程, 克服因积分作用而引起的滞后。
控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。
本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，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较，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，处于允许范围内，且达到稳定。
由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。
3.1.2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个部分组成, 构成单回路负反馈温度系统。
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。
Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。
图3-1加热炉温度控制系统结构图
图3-2加热炉温度控制系统整体控制流程图
3.2设计要求
已知加热炉传递函数为：
3.1
调节阀传递函数为：
3.2
温度检测变送单元传递函数为：
3.3
要求：
针对加热炉温度系统设计单回路控制方案
画出控制系统方框图及实施方案图；
设计PID调节器，实现对加热炉温度的无余差控制，设计包括PID调节规律的选择，及PID参数的整定，要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何）；
采用MATLAB对单回路控制系统进行仿真，仿真分三种情况：
无干扰情况；
总进料量有扰动情况，且扰动为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声，进料量扰动通道的传递函数为
；
燃气阀前压力有扰动情况，且扰动为在系统单位阶跃给定下投运15s后施加的均值为0、方差为0.02的白噪声。
要求对仿真结果进行评述。
针对总进料量为主要扰动且不可控的情况设计前馈-反馈控制方案
画出控制系统方框图及实施方案图，并对方案予以简要说明；
设进料量扰动通道的传递函数为
，试设计相应的控制器（包括控制规律及控制参数的确定）；
采用MATLAB对前馈-反馈控制系统在有、无进料量扰动情况下的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。
针对燃料气阀前压力为主要扰动且不可控的情况设计串级控制方案
画出控制系统方框图及实施方案图，并对方案予以简要说明；
设燃气流量检测变送环节的传递函数为
，试设计相应的控制器（包括控制规律及控制参数的确定）；
采用MATLAB对串级控制系统在有、无燃气阀前压力扰动情况下的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。
3.3工作原理
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
PID控制公式如下u（t）=Kp*e（t）+Ki∑e（t）+Kd[e（t）–e（t-1）]+u0比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
3.4PID算法简介
3.4.1概述
PID调节是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写，是连续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。
PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。
在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变PID的结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节等。
尽管凭着单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟控制系统，但是，在长期生产实践中，模拟PID控制算法所积累的经验并未被人们遗忘，而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成一种新型PID控制方式，称之为数字PID控制。
3.4.2PID算法的数字化
PID算法的数字化，其实质就是将连续形式的PID微分方程式转化为离散形式的PID差分方程。
在模拟系统中，PID算法的表达式为：
3.4
式中，u（t）-调节器的输出信号；e（t）-调节器的偏差信号，等于给定值与测量值之差；
Kp-调节器的比例系数；Ti-调节器的积分时间；Td-调节器的微分时间。
控制点目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：
增量式算法，位置式算法，微分先行。
这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。
实际上，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质区别。
增量型算法仅仅是就是方法的改进，而没有改变位置型算法的本质。
3.4.3PID调节器设计
对温度的控制算法,采用技术成熟的PID算法,对于时间常数比较大的系统来说,其近似于连续变化,因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。
简单的比例调节器能够反应很快,但不能完全消除静差,控制不精确,为了消除比例调节器中残存的静差,在比例调节器的基础上加入积分调节器,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,因此加入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。
进一步改进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调节器的基础上再加上微分调节器,组成比例、积分、微分（ PID）调节器,微分调节器的加入将有助于减小超调,克服振荡,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:
3.5
用PID 控制算法实现加热炉温度控制是这样一个反馈过程:
比较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、Kd和Ki的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。
3.4.4PID算法的运用
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。
因此，在计算机控制系统中，必须首先对式进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表达。
对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。
简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入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。
进一步改进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调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分（PID）调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，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，其控制规律为：
3.6
单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律可以通过数值公式
3.7
计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。
我们变换上式得：
3.8
把△ei =ei-ei-1,△2ei=△ei-△ei-1带人上式得：
3.9
式中ei=W—Yi，W为设定值，Yi为第i次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti，微分系数D=Td/T，T为采样周期，以上式来编程比较方便。
用PID控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：
比较实际温度和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制，由于电阻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、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。
本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：
1．ei大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量获得比较快的动态响应。
2．ei小于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和Pp，然后根据算法公式计算出控制变量。
3.5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。
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2-3所示：
图3-3加热炉温度串级控制系统结构方框图
第4章控制器参数整定及Simulink仿真
4.1串级控制系统性能分析
串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。
串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。
对串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线对比可知，串级控制系统由于增加了副控制回路，使控制系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应能力都得到明显改善。
其性能可归纳为：
1、可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。
由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作
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