过程控制课程设计.docx
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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：
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/min
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
y/
0
0.52
1.96
4.23
5.50
7.30
8.42
9.28
10.06
10.78
t/min
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
y/
11.25
11.73
12.10
12.45
12.74
12.95
13.08
13.15
13.18
13.18
二、在Matlab中绘制熔炉阶跃响应曲线：
>>t=[02468101214161820222426283032343638];
>>y=[00.521.964.235.507.308.429.2810.0610.7811.2511.7312.1012.4512.7412.9513.0813.1513.1813.18];
>>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单回路控制框图
三、控制仪表选择：
DDZ-Ⅲ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4-1EPC1110-AS-OG/G参数
输入信号
输出信号
线形度
最大流量
4~20mA
20~100kpa
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，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，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.
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