前馈系统及其在工业中的应用--以换热器为例.doc

过程控制系统设计小组分组设计第二组分组设计作业前馈控制系统及其在工业中的应用 以换热器为例 2011年10月19日完成 目录1.小组分工1.1 任务布置1.2 团队合作2.前馈控制系统知识介绍2.1 前馈控制及其基本概念2.2 前馈-反馈控制系统3.前馈控制系统实例分析3.1 实例选择3.2 题目拟定以及初步分析3.3 控制系统硬件选型3.4 控制系统的仿真 4.总结5.参考文献1 小组分工It is TEAMWORK that works！1.1任务布置此次小组设计共有五名同学参加，分别是：其中组长为x同学，并由顾同学负责任务的布置和检查，以及汇总。每个成员任务如下:x同学负责任务的布置以及检查汇总工作，并总结各人的工作完成上课演示的PPT以及上交的WORD文档；并和梁博文同学一起完成硬件选型工作。x同学（男）负责对书本上以及参考文献的上关于前馈控制的知识进行汇总以及概括总结，作为分组设计第一部分内容“前馈控制及其工作原理介绍”。并寻找实际前馈控制中控制通道，干扰通道的传递函数。x同学负责前馈控制的实例选择。通过选择实际情况下的应用案例，选择我们前馈控制的实际案例分析并对此案例作出初步的控制目标选定，控制方案选定，控制系统框图的选定。x同学负责前馈控制的硬件选定。通过对控制目标，控制任务的确定，在实际控制元件中找出符合此次控制任务的适宜元件。x同学（女）负责仿真系统的完成。通过控制系统方框图的选定，在Simulink仿真环境下对实例进行仿真，选定合适参数，完成仿真结果。1.2 团队合作此次小组任务是通过团队合作的形式完成，并不只是每个人完成各自的工作即可。具体团队合作形式如下;1.每位小组成员的工作是相互联系的。每个成员工作完成的好坏直接影响到其他同学的工作是否能够及时有效的完成。例如：x同学（男）的传递函数选取会影响到x同学的仿真系统的设定；x同学的实例选取是所有实例分析的基础，只有他的工作完成才能进一步对换热器系统控制这一实例进行进一步的分析；而x同学的硬件实施直接受杨同学选定实际案例的影响。2.每一位同学的工作都是在其他同学的共同帮助之下完成的。我们小组不仅在课上讨论，课下也有数次的小组讨论，每个人得到自己的规定任务之后在规定时间之内完成并在下一次会议之前上交由顾组长汇总。小组会上将汇总之后的初稿进行共同修改和完善，各位同学将自己在完成自己任务时的心得体会进行分享，并对其他同学的阶段成果做出建议，直至所有工作完成。总之，这次小组活动是一次团队合作的结果。我们每个人都努力为这一次小组任务做出了自己的贡献，在此一并感谢。2前馈控制器及其工作原理介绍21前馈控制器及其工作原理介绍2.1.1.前馈系统的基本概念 不同于反馈控制，是按照引起被控变量的变化的干扰大小进行控制的。控制系统中需要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并且能测出时，控制器就能发出控制信号并使控制器做出相应变化，使两者抵消于被控变量发生偏差之前。图1 前馈系统基本框图2.1.2 前馈控制的主要特点和反馈控制系统比较，前馈系统的主要特点如下：(1).前馈控制属于“开环”控制系统，输出变量不会经反馈回路影响到补偿器的输出。(2).前馈控制按照干扰作用大小进行控制 ，比反馈控制及时、有效(3).前馈控制系统的补偿量的设计可以实现“不变性”的原理。(4).一种前馈作用只能控制某一特定干扰 (5).前馈控制要使用专用的前馈控制器2.1.3 前馈控制的主要形式前馈控制的传递函数为：其中： 为前馈控制器的传递函数 为外部干扰通道的传递函数 为控制阀传递函数 为被控对象控制通道的传递函数(1）静态前馈控制前馈控制器的输出只是输入量的函数，干扰通道和控制通道的动态特性相同时，控制器采用比例控制，即为静态前馈控制。是前馈模型中最简单的形式。控制模型如下： 图2 前馈系统静态控制模型静态前馈控制器是一个比例环节。（2）动态前馈控制 动态前馈的实现基于不变性原理,动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，但结构往往比较复杂,需要专门的控制装置，系统运行、整定也比较复杂；只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难以满足、且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才考使用动态前馈方案。动态前馈满足绝对不变性： 常见扰动通道和控制通道特性为带纯滞后一阶惯性环节。故有：一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用:2.1.4 前馈控制的缺点前馈系统的缺点如下(1).补偿结果无法检测；(2).难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置；(3).一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量2.1.5 前馈控制的应用条件前馈控制主要的应用场合有以下几种情况：(1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。(2）主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰量可以运用检测变送装置将其在线转化为标准的电或气的信号；所谓不可控，主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定。(3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。2.2前馈-反馈控制系统（FFC一FBC）2.2.1 前馈系统的实际偏差在理论上，前馈控制可以实现受控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因，前馈控制系统依然会存在偏差，原因如下：（1）实际的工业对象会存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要干扰作前馈通道。这样设计的前馈控制器对其它干扰是丝毫没有校正作用的。（2）受前馈控制模型精度限制。（3）用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节或纯微分环节时，它们在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器只能是近似的：如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节。2.2.2 前馈-反馈控制系统前馈控制系统中，不存在受控变量的反馈，也即对于补偿的效果没有检验的手段。因此，如果控制的结果无法消除受控变量的偏差，系统也无法获得这一信息而作进一步的校正。为了解决前馈控制的这以局限性，在工程中往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈反馈控制系统。这样既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对受控变量最终检验的长处，是一种适合化工过程控制、较有发展前途的控制方法。图3 典型前馈-反馈控制系统方框图2.2.3 前馈-反馈的优点（1）只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯前馈控制系统。（2）降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。（3）比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快的特点。 3 前馈控制系统实例分析3.1 实例选择近年来，国内外已将前馈控制方式逐步应用于工业生产过程的控制，例如精馏塔、化学反应器、锅炉等设备和换热器工质出口温度控制等生产过程，并取得了良好的效果.尤其在微型计算机问世以来，前馈控制工业应用的前景更为广阔.3.1.1 前馈控制系统实例的选择经过小组讨论，我们决定以换热器控制系统作为我们的前馈控制系统的实例，理由如下：(1).我们对于换热器的知识较为完备，而换热器的工作原理也相对简单。 (2).换热过程中，由于工质进口流量对其出口温度影响剧烈，因此其流量的变化必须严格监控，此时宜选用前馈控制。 综合以上考虑，我们选择对换热器的换热过程实施前馈控制，作为我们的实例分析题目。 3.2 题目拟定以及初步分析3.2.1 换热器控制实例某发电厂计划回收热废水中的热量来加热冷水作为其员工的洗澡用水。采用管壳式换热器加热冷水。其中某一管道中的冷水以每小时不超过5立方米的流量流经某一管壳式换热器。热废水温度约为70，上下浮动约2，被加热冷水初温为20 ，热废水入换热器管道半径为10mm，冷水入换热器管道半径为8mm。要求： 加热后水温恒定为40，温差不超过2。 图4 换热器控制实例模型3.2.2 初步分析题目分析如下： (1).出于人体对温度的灵敏感应考虑，加热后的水温应保持在40，误差不超过2。 (2).冷水的流量变化较大且不可控，属于主要扰动因素。其流量变化时，加热用废水的流量需要尽快随之调整，以使出口水温不发生明显波动。 (3).热废水温度也存在波动性，属于次要因素，但考虑时不能忽略。 综合以上要求，可设定对此控制系统的要求为： (1).加热后水温为40，误差不超过2，即5左右。 (2).出口水温温度浮动不能太大，对热废水流量的调节速度要尽可能的快。故变量选择如下：被控变量：选择为被加热的水的出口温度控制变量：选择为加热热水的流量对进口冷水的流量实施前馈控制 引入PID反馈调节，克服对换热性能指标起干扰作用的其他次要因素，如换热过程中热损失，热废水温度的变化等，使系统控制更加完善。因此我们选择前馈-反馈控制系统作为我们采用的控制系统。采用前馈-反馈复合控制系统，干扰量是冷水流量的变化。冷水流量的变化影响出口温度。因此测量冷水流量变化以得到集中的干扰信号，将此模拟信号通过功能单元转换为数据信号，经电脑函数运算进行计算机前馈补偿控制，将控制信号作用在加法器上之后传递至动力阀，调节动力阀门开度大小改变热流体流量大小，以补偿冷流体流量的变化部分，使得热水与冷水换热使冷水达到要求的温度指标；同时，对换热性能指标起干扰作用的还有别的次要因素，例如热废水的温度等。为使系统控制完善，引入PID反馈调节，以实现稳定无干扰运行，所以对换热器出口流体温度进行测量，将测量结果信号传入PID控制器进行调节控制，之后将PID控制信号传入加法器与干扰补偿信号共同作用于动力阀门实现对热废水流量的调节。控制框图如下：图5 简化控制模型 把前馈和反馈结合起来，使前馈控制克服反馈控制不易克服的主要干扰，加快了克服干扰的速度。而对其他的次要干扰则进行反馈控制，不仅可以降低前馈控制模型的精度要求，实现比较简单的通用模型；而且当负荷变化时，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的适应能力。为实现该换热器的控制方案，需先得到换热器的动态特性。化工对象的动态特性通常可以用一个高阶的微分方程来描述，不少场合还具有非线性或分布参数的问题，这样便导致了前馈动态模型的极度复杂化。为了便于工业上的应用和调整，特别是应用常规仪表实施前馈控制的场合，对前馈动态模型的简化具有重要意义。一个非周期过阻尼的对象采用一个一阶或二阶容量滞后加一个纯滞后作近似，对于相当一部分化工对象已足够精确。这样便为前馈动态模型的简化提供了依据。一些地方建议采用超前滞后环节，即：来简化前馈调节器的模型，便于常规仪表的实施。根据文献4，可得该系统的通道传递函数如下：调节通道;冷水流量通道：3.3 控制系统的硬件选型由上文控制框图可知，实现该控制方案在前馈补偿通道需要流量测量变送器和前馈补偿器，而在反馈通道需要温度测量变送器和PID控制器。 选型的原则是每个元器件的精度在题目要求的精度之上，并且要价格尽可能低廉。3.3.1 温度测量器的选择我们对温度测量仪器进行了选择之后，选定安徽天长仪器仪表厂表厂生产的WZC-120铜装配热电阻。 装配简单，更换方便。装配式热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的.当被测介体中有温度剃度存在时,所测的温度是感温元件所在范围介质中的平均温度。该电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算等配套使用。直接测量各种生产过程中的-50C100C范围内液体和气体介质以及固体表面温度。 其特点如下：压簧式感温元件，抗振性能好；测温精度高；机械强度高，耐压性能好； 进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。主要参数如下：测量温度-50100允许误差(0.30+0.005) ltl防喷式，保护管直径为16mm图6 装配式热电阻示意图图7 热电阻结构图图9 单只热电阻安装方法3.3.2温度变送器的选择选择安徽天康公司生产的通用型智能温度变送器如图10所示，接线端子如图11所示：图10 温度变送器实体图图11 接线端子图其性能简介如下：输入单路或双路热电偶、热电阻信号，变送输出隔离的单路或双路线性的电流或电压信号，并提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。技术特点如下：本产品采用了先进的数字化技术，具备了传统模拟仪表所不具备的多项先进性能，在对高、低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现，即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用，同时，数字化技术的应用彻底克服了传统温度变送器线性差的缺点，内部采用数字化调校、无零点及满度电位器、自动动态校准零点、温度飘移自动补偿等诸多先进技术，并符合IEC61000-4-4:1995中所规定的第四类(恶劣工业现场)环境对产品的抗电磁干扰要求,这一系列技术的应用使产品的稳定性及可靠性得到科学的保证。 以上各项技术领先国际先进水平. 其适用性如下：可以与单元组合仪表及DCS、PLC等系统配套使用，在油田、石化、制造、电力、冶金等行业的重大工程中有着广泛应用。其技术参数如下：系统传输准确度：0.2%FS温度漂移：0.0015%FS/冷端温度补偿准确度：0.1% 测量热电阻时允许的引线电阻：50工作温度：工业级标准 -10+55电流输出允许外接的负载阻抗:4-20mA输出时0500；0-10mA输出时01K需要更大的负载能力请在订货时说明。电磁兼容:符合IEC61000-4-4:1995中所规定的第四类(恶劣工业现场)环境对产品的抗电磁干扰要求.输入/输出/电源/通讯/双路间绝缘强度：1500V.ac储运环境温度：-40+80相对湿度：10-90RH（40时）供电电源：交流： AC 95265V直流：DC12V32V（反接保护）输入功率：0.91.8W（与型号有关，详见本手册附录中关于输入功率的计算方法）通讯接口：RS232 或 RS485，MODBUS软件协议（选配）。外形尺寸：宽高深：22.5100115mm净 重：140g20g型 号说 明SK-D-通用型温度变送器输入回路缺省为单回路D双回路（相隔离）第一路输出4-20mA21-5V30-10mA40-5V50-10V第二路输出缺省为无第二输出14-20mA21-5V30-10mA40-5V50-10V供电方式缺省为交流20VD直流24V选择输出信号15V直流电。7,8接口短接。3.3.3流量测量变送器选用江苏苏科仪表有限公司生产的SKLUCB型插入式涡街流量计如图12所示。图12 SKLUCB流量测量变送器工作原理如下：按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定在截面一点的速度测量法)，采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或420mADC电流信号。 仪表特点如下：(1).可测量蒸汽,气体,液体的体积流量和质量流量；(2). 无机械运动部件,测量精度高,结构紧凑维护方便；(3).压力损失小,量程范围宽；范围度达1:25；(4).采用消扰电路和抗振传感头；(5).采用消扰电路和抗振传感头，使仪表具有一定抗环境振动性能；(6).可测介质温度达+250。(7).可实现不断流拆装传感器，可实现放大器与传感器分离（分离距离15m）；技术参数如下： 公称通径（mm） 2501500 仪表材质 1Cr18Ni 9Ti 公称压力（Mpa） PN1.6Mpa；PN2.5Mpa被测介质温度（） 40+250 环境条件 温度10+55，相对湿度590，大气压力86106Kpa 精度等级 示值的2.5% 量程比 1:10；1:15 阻力损失系数 Cd2.6 输出信号 传感器：脉冲频率信号0.1 3000Hz 低电平1V 高电平6V变送器：两线制4 20mADC电流信号 供电电源 传感器：、+24VDC变送器：+24VDC现场显示型：仪表自带3.2V锂电池 信号传输线 KVVP30.3（三线制），20.3（二线制） 传输距离 500m 信号线接口 内螺纹M201.5防爆等级 ExdIIBT6防护等级 IP65允许振动加速度 1.0g 3.3.4 调节器选型调节器又称为控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值（给定值）相比较后得到偏差，再利用一定的调节规律产生输出信号，提供给执行器推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。调节器一般接受来自变送器的电流输出信号，变为电压信号后与给定值进行比较，产生偏差信号e。该偏差信号经PID运算电路处理后，再由输出电路送出调节信号电流Io，以使执行器产生相应的动作。 其工作原理框图如下：图13 调节器工作原理框图调节器按整定方式分为 普通型：参数的整定只能就地进行，可以用调整电位器的阻值或用波段开关切换电阻（或）电容来改变整定参数；电压整定型：整定参数P、TI、TD受外给电压控制，因此可以做到远程整定、第三参数整定、自整定等。 图14 PID调节器组成框图（1）.输入电路：一般调节器的输入电路包括偏差检测电路、内给定稳压电源电路、内外给定切换开关、正反作用开关及滤波电路等，如图所示。输入电路的主要作用是将输入与给定信号比较得到偏差信号，并进行电平移位。相应的电路图如下：图15 输入电路图（2）.PID运算电路：根据整定好的参数用以对偏差信号进行比例、微分和积分的运算。PID运算电路是控制器的核心部分。DDZ-型控制器的运算电路是PD与PI两个运算电路串联组成的，电路图如下：图16 PID运算电路控制图（3）.输出电路：为调节器提供输出信号，是一个电压-电流转换器，将PID电路在1-5V间变化的输出电压转变为4-20mA的电流输出，并同时承担电平移动的任务。其电路图如下，由运算放大器F104与复合晶体管组成。图17 输出电路（4）.手动操作电路：DDZ型控制器有自动(A)、软手动(M)和硬手动(H)三种工作状态，并通过联动开关进行切换。“手动与自动”可以借助手动-自动切换开关进行切换。即根据需要进行人工干预。 下图即为DDZ型仪表自动-手动切换电路。图18 DDZ型仪表自动-手动切换电路（5）.测量及给定指示电路。为了便于操作，控制器面板上设有指示电表，指示给定和测量信号的大小 ，DDZ型控制器中指示方式有两种，一种称为偏差指示，一种称为全刻度指示，（6） .输出限幅电路：为保证调节阀不处于危险开度而设定。 选择通用型智能温度变送器，江苏金湖苏科仪表公司生产。而前馈控制器采用简单的超前/滞后形式的前馈补偿器，它可以用计算机实现，也可以用PID调节器改装得到。图19 SK808/900系列智能PID调节仪背后接口如下所示：（注：1,2接线口输入信号并非一定是15V直流电，可以进行调整，输入信号见选型表）图20 控制器接口图主要技术指标如下：基本误差：0.5FS或 0.2FS1个字 分 辨 力：1/20000、14位A/D转换器 显示方式：双排四位LED数码管显示 采样周期：0.5S 报警输出：二限报警，报警方式为测量值上限、下限及偏差报警，继电器输出触点容量 AC220V/3A 控制输出：继电器触点输出 固态继电器脉冲电压输出（DC12V/30mA） 单相/三相可控硅过零触发 单相/三相可控硅移相触发 模拟量420mA、010mA、15V、05V 控制输出 通讯输出：接口方式-隔离串行双向通讯接口RS485/RS422/RS232/Modem 波特率-3009600bps内部自由设定 馈电输出：DC24V/30mA 电 源：开关电源 85265VAC 功耗4W以选型表： 代码 说明 SK-808/900智能PID调节仪 外型尺寸 A 横式16080125mm A/S 竖式80160125mm B 方式9696110 mm C 横式9648110 mm C/S 竖式4896110 mm D 方式7272110 mm 报警输出 B B1-1个报警点，B2-2个报警点 控制输出 N 无控制输出 L 继电器控制输出 G 固态继电器输出 K1 单相可控硅过零触发 K2 三相可控硅过零触发 K3 单相可控硅移相触发 K4 三相可控硅移相触发 X1 4-20mA输出 X2 0-10mA输出 X3 1-5V输出 X4 0-5V输出 通讯输出 P 微型打印机 R 串行通讯RS232 S 串行通讯RS485 变送器配电电源 无馈电输出 V12 带DC12V馈电输出 V24 带DC24V馈电输出 供电电源 220VAC供电 W DC24V供电 输入信号 Sn 见输入信号类型表 输入类型表 参数提示符 输入信号内容 参数提示符 输入信号内容 tc-K K型 rtd 0-400 tc-S S型 1000 Pt1000 tc-E E型 bA1 BA1 tc-b B型 bA2 BA2 tc-t T型 0-50 0-50mA tc-n N型 0-5V 0-5V tc-j J型 1-5V 1-5V P100 Pt100 0-20 0-20mA C100 Cu100 0-10 0-10mA Cu50 Cu50 4-20 4-20mA 最终选择型号如下：尺寸7272110 mm，420mA给定信号以及输出控制信号。24V直流电源供电，无馈电输出由于输入信号可以选择，因此，温度控制器（反馈控制器）选择15V直流电压输入信号， 流量控制器（前馈控制器）选择流量计输入的420mA信号。3.3.5控制阀的选型控制阀由执行机构和调节机构组成。执行机构可分解为两部分：力或力矩转换部件和位移转换部件。将控制器输出信号转换为控制阀的推力或力矩的部件称为力或力矩转换部件；将力或力矩转换为直线位移或角位移的部件称为位移转换部件。调节机构将位移信号转换为阀芯和阀座之间流通面积的变化，改变操纵变量的数值。下图是控制阀组成部分的框图：图21 控制阀组成部分框图执行机构有不同的类型，按所使用能源，执行机构分为气动、电动和液动三类。按执行机构输出的移动方向，执行机构分为正作用和反作用执行机构。正作用执行机构在输入信号增加时，阀杆向外移动。反作用执行机构在输入信号增加时，阀杆向内移动。按执行机构输出位移的类型，执行机构分为直行程执行机构、角行程执行机构和多转式执行机构。按执行机构输出和输入的动作特性，执行机构分为比例式、比例积分式等类型。调节机构也有不同的类型。通常，将调节机构称为阀。按结构分类，调节机构分为直通单座阀、直通双座阀、三通阀、角形阀、高压阀、隔膜阀、套筒阀、球阀、偏心旋转阀、闸阀和蝶阀等。大多数普通的阀门可添加有关阀门附件，例如执行机构、阀门定位器、阀门位置检测传感器等。按流量特性，调节机构分为线性阀、等百分比阀和快开阀等。按阀芯的形式，调节机构分为直行程和角行程阀芯等。直行程阀芯，分平板式、柱塞式、窗口式、多级式和套筒式等。角行程阀芯分为偏心旋转式、球式、V形切口式和蝶式等。除了执行机构和调节机构外，控制阀还可添加一些附件来配合控制阀的动作，包括阀门定位器、手轮机构、信号转换装置、阀位检测、传送装置和自锁装置等，这些附件使控制阀的功能更完善，使用更方便，应用更灵活，性能更优越。从控制系统整体看，一个控制系统控制得好不好，都要通过控制阀来实现。由于下列原因，控制阀变得十分重要。（1）控制阀是节流装置，属于动部件，与检测元件和变送器、控制器比较，在控制过程中，控制阀需要不断改变节流件的流通面积，使操纵变量变化，以适应负荷变化或操作条件的改变。因此，对控制阀阀组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高要求。例如，密封会使控制阀摩擦力增加，控制阀死区加大，造成控制系统控制品质变差等。（2）控制阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因，它不仅造成资源或物料的浪费，也污染环境，引发事故。（3）控制阀的阀内件与过程介质直接接触，和检测元件与过程介质接触的不同之处如下 a控制阀阀组件的接触介质可能与检测元件的接触介质不同，对控制阀的耐腐蚀性、强度、刚度、材料等有更高要求。 b检测元件可采用隔离液等方法与过程介质隔离，但控制阀通常与过程介质直接接触，很难采用隔离的方法与过程介质隔离。（4）控制阀的节流使能量在阀内件内部被消耗，因此，降低能耗，降低控制阀的压力损失，和保证较好的控制品质之间要合理选择和兼顾。（5）控制阀对流体进行节流的同时也造成噪声。例如，当阀出口压力低于液体的蒸汽压力时，造成闪蒸；当阀下游压力高于液体蒸汽压力时，造成汽蚀。控制阀造成的噪声和控制阀流路的设计、操作压力、被控介质特性等有关，因此，降低噪声，降低压力损失等对控制阀提出更高要求。（6）控制阀的适应性强。它被安装在各种不同的生产过程，生产过程的低温、高温、高压、大流量、微小流量等操作条件需要控制阀具有各种不同的功能，控制阀应能够适应不同应用的要求。（7）检测元件和变送器、控制器等发展快，投入的人力和物力多。相对来看，通常认为控制阀结构简单，因此，对控制阀投入研究和开发的人力和物力相对不足。我们选择上海一环公司生产 电动三通合流分流调节阀（选择分流作用，电开式）。选择三通合流分流调节阀的理由如下：在此控制系统中，流入控制管道的热废水总流量是不可控制的，而可控的是流入换热器的热废水的量。而当热废水总流量大于流入换热器热水总流量时，多余热废水需要流走至下一工序而不是被堵在阀门之外。因此选择普通单通道阀门就并不合适。故选用三通合流分流阀。图22电动三通合流分流调节阀实物图性能指标如下阀体、阀盖：WCB、HT200、ZG230-450、ZG1Cr18Ni9Ti 阀芯、阀座1Cr18Ni9Ti、司钛莱合金堆焊 填料聚四氟乙烯、不锈钢波纹管 阀杆推杆2Cr13、1Cr18Ni9Ti 衬套2Cr13 垫片橡胶石棉板、1Cr18Ni9Ti、石墨缠绕垫片 固有流量特性直线、抛物线 工作温度() 普通型:铸铁：-20200、 铸钢：-40250、 铸不锈钢：-60250 散热型:-40450、 铸不锈钢: -60450 介质温度（） 200以下（对合流阀而言） 固有可调比R30：1 公称压力PN (Mpa) 1.6、 4.0、 6.4 允许泄漏量硬密封：级、 软密封：级 作用方式 电开式、电关式 信号范围（mA.DC）010、 420 电源电压220V、 50HZ 最终选型指标如下： 选用普通型电开式，公称压力1.6MPa流量特性：抛物线型 输入信号范围：420mA 直流电对于该控制系统，当被控变量即冷流体出口温度升高时，应该使操纵变量即热流体的流量减小，故是一个反作用系统。而测量变送器一般都是正作用的，本次设计中，被控对象是正作用的，执行器选择电开（相对于流入换热器这一管路而言）式的正作用阀，当执行器输入信号故障或无信号输入时时，信号电流为0，阀门最小，流入换热器的热水的量最少，降低被加热水出水温度，起到一定安全保护作用。前馈选择正作用的控制器，反馈选择反作用的控制器。3.3.6 防爆考虑 此系统无需考虑防爆系统，无论是被加热的冷水，还是加热用的工业废水，其从水中挥发出的易爆物的浓度很低，故不需考虑防爆作用。3.3.7硬件汇总清单实现此次设计所需的硬件设备如下:编号名称型号数量备注1测温器WZC-120铜装配热电阻12温度变送器SK-WD通用型智能温度变送器13流量测量变送计SKLUCB型插入式涡街流量器 14控制器SK808/900系列智能PID调节仪2其中之一需改装5执行器电动三通合流分流调节阀1分流作用，电开式3.3.8 连接方式连接方式如图所示：图23 控制系统硬件连接方式图中两根线相连的元件代表两线制信号输入/输出。流量测量信号，流量控制器接收以及控制信号，温度控制器控制信号为420mA直流电信号，温度变送输出信号，温度控制器（反馈控制器）接收信号为15V直流电信号。数字为变送器或控制器接口编号，+,-号代表正负极。流量测量变送器，温度变送器，控制器均以24V直流电压为电源并接地，控制器给定420mA直流电。变送器7,8号接口短接。给水阀所得信号由前馈以及反馈控制系统得到的两路控制信号由与门叠加后所得。给水阀接入220V交流电为电源并接地。 图中各硬件电源接口，接地线，控制器给定信号输入线，未流入换热器的热废水管道等略去。3.4 控制系统的仿真3.4.1 仿真分析该换热器可看成双容控制对象，改变冷物料的流量会先改变金属管子的表面温度，管子会吸收热量，它有一个蓄热容积，管子内的物料又有一个蓄热容积，所以这个换热器是一个双容对象。工业工程中，受控对象容积数目可以很多，每个容积大小也不相等，传递函数的一般形式为为了分析和设计问题简化，常将对象特性近似成根据参考文献在该系统中，调节通道的传递函数是冷水流量通道的传递函数是在Simulink仿真环境里， 建立的仿真模型如下：图24 Simulink仿真示意图与下图对比可以清晰看出各组件的作用，其中的通过调节双向开关可以改变前馈、反馈或前馈-反馈复合控制系统的选择。 图25 前馈-反馈示意图3.4.2 仿真系统参数整定（1）.反馈控制系统在过程自动控制系统中，反馈控制是应用最广泛的控制方式。其控制系统基于反馈控制原理，采用闭环结构，不论产生偏差的根源何在，均根据偏差进行调节，只要外作用(扰动)能平稳下来，控制回路最终能使偏差消除或基本消除。反馈控制作用与引起偏差的原因无关，具有普遍适应性的优点。选择常用的PID反馈控制器，参数的整定采用经验试凑法。调节比例系数 、积分系数 、微分系数 ，到获得满意的波形。整定结果： =0.01 =0.001 =0.002图26 反馈控制结果示意图从上图可以看出，反馈控制的稳态误差为零，可以将被加热物料的出口温度很好的维持在40，稳态时间大概为110s，但是该控制最大的缺陷是最大偏差很大，超出调节器的调节范围，不能达到要求的控制效果。反馈控制根本无法将扰动的影响克服在被调量偏离其给定值之前；故反馈控制存在被动性，从而限制了控制质量的进一步提高。因此，反馈控制对大延迟和多干扰的过程，调节品质往往很难令人满意。1. 前馈控制系统前馈控制与反馈控制的显著区别是前馈控制需要对扰动信号进行检测，只要扰动信号一出现就进行控制，也就有可能在干扰对被调量产生影响并使其偏离设定值而产生偏差之前进