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基于西门子PCS7的加热炉炉温预测控制

作　者: 张芳杰
导　师: 崔桂梅
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 步进式加热炉 PCS7 温度控制模型预测控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

步进式加热炉是钢铁企业中热轧生产工艺的主要设备之一，其主要任务是为钢坯轧制工序段提供加热质量满足轧制工艺所要求的钢坯。步进加热炉作为轧制工艺的关键设备，其控制水平直接影响到钢坯的加热质量，产量和生产成本。步进加热炉是一个复杂的工业被控对象，具有大惯性、纯滞后、非线性、外界扰动因素多等特点，以往的加热炉采用传统PID控制，Wincc组态软件进行监控，虽然这种控制方法一直在使用，但是针对加热炉这些复杂的特点，传统PID很难达到良好的控制效果，炉温波动仍然很大，炉温控制不能趋于平稳。所以针对加热炉的大惯性、纯滞后的特点和目前的控制状况，本文采用基于模型的预测控制算法模块作为炉温预测控制器对步进式加热炉的炉温进行控制。本文介绍了步进式加热炉的结构、工艺和控制要求，归纳了步进式炉的控制现状，分析了步进式加热炉的过程控制系统，并针对存在的问题进行以下几个方面的研究：第一，针对步进式加热炉控制过程中存在的大惯性和纯滞后的特点，学习了模型预测控制原理，应用Matlab工具箱辨识加热炉的模型参数和燃料的流量控制模型参数，并应用Matlab软件对模型预测控制理论进行仿真研究。第二，对加热炉的温度控制进行传统PID控制和MPC预测控制进行仿真比较，验证了MPC的抗干扰性和设定值的跟随特性。第三，系统的学习了SIMATIC PCS7V7.1软件，学习PCS7中先进过程控制库中的功能模块和使用方法，有了深层次的消化吸收，并学习了在PCS7系统中如何创建工程项目的方法步骤。结果表明，对加热炉进行模型预测控制使炉温能够快速跟随给定并达到稳定状态，这对日后研究加热炉炉温优化工作打下了坚实的基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
引言  10-11
1 绪论  11-19
  1.1 步进式加热炉概述  11-12
  1.2 国内外加热炉控制系统的研究与应用现状  12-14
    1.2.1 国外加热炉控制系统的研究和应用现状  12-13
    1.2.2 国内加热炉控制系统的研究和应用现状  13-14
  1.3 PCS7 过程控制系统  14-17
    1.3.1 PCS7 过程控制系统简介及其主要特点  15-16
    1.3.2 PCS7 过程控制系统的组成  16-17
  1.4 课题选题背景和研究意义  17-18
  1.5 本章小节  18-19
2 步进式加热炉工艺概述  19-24
  2.1 步进式加热炉工艺  19-20
  2.2 加热炉本体  20-22
    2.2.1 炉型结构  20-21
    2.2.2 步进式加热炉主要技术特点  21-22
  2.3 步进式加热炉整体设计规范  22-24
    2.3.1 工业控制系统的设计原则  22
    2.3.2 步进式加热炉控制系统设计的总体要求  22-24
3 模型预测控制概述  24-32
  3.1 先进过程控制 (APC)  24
  3.2 模型预测控制的基本原理(MPC)  24-32
    3.2.1 预测模型  26-28
    3.2.2 滚动优化  28-29
    3.2.3 反馈校正  29-31
    3.2.4 参考轨迹  31-32
4 步进式加热炉控制系统设计  32-47
  4.1 PCS7 软件系统介绍  32-34
    4.1.1 SIMATIC 管理器(SIMATIC Manager)  32-33
    4.1.2 硬件组态软件(HW Config)  33
    4.1.3 连续功能图软件 (CFC)  33
    4.1.4 硬件网络组态软件 (NetPro )  33
    4.1.5 Wincc 上位机监控系统  33-34
  4.2 步进式加热炉控制系统的任务  34-46
    4.2.1 步进式加热炉过程控制系统研究  35-38
      4.2.1.1 炉温控制  35-37
      4.2.1.2 燃料流量控制  37-38
    4.2.2 加热炉炉温模型辨识  38-39
    4.2.3 燃料流量模型辨识  39-40
    4.2.4 控制系统的仿真  40-46
  4.3 本章小结  46-47
5 加热炉温度控制系统的 PCS7 实现  47-55
  5.1 硬件设置  47-48
    5.1.1 硬件设置检查  47
    5.1.2 编程器/计算机界面设置  47-48
  5.2 创建加热炉控制系统（Furnace）的项目  48-50
  5.3 组态硬件  50-52
  5.4 加热炉项目层次的设置  52
  5.5 建立 CFC 功能图  52-54
  5.6 建立 SFC 功能图  54
  5.7 操作员站的建立  54-55
结论  55-56
参考文献  56-59
在学研究成果  59-60
致谢  60

基于西门子PCS7的加热炉炉温预测控制

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