熔炉温度控制系统过程控制课程设计

辽宁工程技术大学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李楠专业班级自动化12级3班学号1205010303姓名代奎日期2015/6/10课程设计成绩评定表学期2014/2015学年第2学期姓名代奎专业自动化班级2012级3班课程名称过程控制与自动化仪表设计题目熔炉温度控制系统成绩评分项目优良中及格不及格1设计态度非常认真认真较认真一般不认真2设计纪律严格遵守遵守基本遵守少量违反严重违反3独立工作能力强较强能独立设计完成基本独立设计完成不能独立设计完成设计表现4上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天迟交一天以上5设计内容设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误6设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版很好较规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大设计说明书7封面、目录、参考文献完整较完整基本完整缺项较多不完整8绘图效果很出色较出色一般较差很差图纸9布局合理、美观较合理基本合理有些混乱布局混乱10绘图工程标准符合标准较符合标准基本符合标准个别不符合标准完全不符合标准评定说明不及格标准设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；优、良、中、及格标准以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。最终成绩评定教师签字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100E）（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。目录1绪论12铝锭生产工艺描述23熔炉建模44控制系统设计641单回路PID调节642串级控制调节85控制系统仿真1151单回路PID系统仿真1152串级控制系统仿真126参考文献151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。10E）（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C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31熔炉建模阶跃响应T/MIN024681012141618Y/C005219642355073084292810061078T/MIN20222426283032343638Y/1125117312101245127412951308131513181318二、在MATLAB中绘制熔炉阶跃响应曲线T02468101214161820222426283032343638Y0052196423550730842928100610781125117312101245127412951308131513181318PLOTT,Y得熔炉阶跃响应图图31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32熔炉建模阶跃响应拟合曲线取。541008YT27504YT21）（）（，）（图33熔炉建模阶跃响应拟合曲线取点1T得S。14560187T图34熔炉建模阶跃响应拟合曲线取点2T得S。4106347T2由知对象为二阶，T/021根据公式/6590830CYK121TT5741T得,即对象传函SSK0,369,502102S693GP）（/C由作图法二阶惯性近似为有延时的一阶惯性为90SPE1265SG）（4控制系统设计41单回路PID调节一、单回路控制示意图V1P1燃料油进料口浇铸液出口炉膛TTC图41单回路控制示意图二、其控制原理如下GCSGVSGPSGMSYTRTFT图42单回路控制框图三、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PT100IEC751,量程是100850。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EPC1110ASOG/I电器转换器，参数如下表41EPC1110ASOG/G参数输入信号输出信号线形度最大流量420MA20100KPA跨度的148T/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MAKV/256401C1387M得广义对象120369512069GSSS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43单回路PID参数整定仿真图得其阶跃响应为图44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180ST90SPE1265SG）（过程控制与自动化仪表表55有35796508KP10S92TI45D）（）（8S37SGC42串级控制调节一、串级控制示意图V1P1燃料油进料口浇铸液出口炉膛T1TT1CT2CT2T图45串级控制示意图二、其控制原理如下GC2SGVSGP2SGM2SYTRTGP1SGF2SGF1SGM1SGC1S图46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16903SSGP2）（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102S659GP1）（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0T1KDIP，副调节器由小变大调节使系统响应衰减比为时，记40TTR10/N录此时值。用SIMULINK仿真如下P图47串级控制参数整定副调节器仿真图图48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53有副调节器20。PK（2）置副调节器20，置主调节器，系统输入一阶跃信号，PK0TDI，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P1/NP值时间，用SIMULINK仿真如下T图49串级控制参数整定主调节器仿真图图410串级控制参数整定主调节器响应曲线主调节器，峰值时间10KP65STP于是查书过程控制与自动化仪表表53有，12508KP78TPI2604TPD因此，SGC）（）（）（26S115控制系统仿真51单回路PID系统仿真SIMULINK搭建系统图51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140TTRC节到铝的熔点660C图52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1025FTT图53单回路PID仿真阶跃响应曲线带干扰分析仿真曲线，设107560750STSE）（计该系统满足要求的指标，但对干扰的抑制能力较小。52串级控制系统仿真SIMULINK搭建系统图54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140TTRC到铝的熔点660时的阶跃响应C图55串级控制仿真阶跃响应曲线在500S时加入干扰0TF512F21）（，TT图56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501TTF5012F21）（，TT图57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105360330STSE）（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