换热器温度控制系统过程控制副本

1、辽 宁 工 业 大 学 过程控制系统 课程设计（论文） 题目：换热器温度控制系统的设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化102班 学 号： 100302042 学生姓名： 邢宏欢 指导教师： （签字）起止时间：2013.6.25-2013.7.4 课程设计（论文）任务及评语学 号 100302042学生姓名邢宏欢专业班级自动化102班课程设计换热器温度控制系统的设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计换热器温度控制系统换热器温度控制系统，通过换热器用蒸汽对冷物料进行加热，使换热器出口温度为某一定值。工艺要求换热器出口温度在185±2以内，

2、引起出口温度变化的扰动有:冷物料的流量与初温、蒸汽压力波动等，其中最主要的扰动是冷物料的流量Q。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、仿真分析/实验测试分析；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数测量范围：0-250控制温度：185±2最大偏差：8；进度计划1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、

3、仿真分析/实验测试分析；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日院（系）：电气工程学院 教研室：自动化教研室注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张己成为一个世界性的问题。近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾依然十分尖锐。我国的能源利用率很低，只有28%左右。由此可见，我国在节能方面存在着很大的潜力。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两个方面:一是在生产工艺流程中

4、使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消耗，同时，提高换热器的控制效果，也可以充分满足工业生产对于温度的需求，显著提高产品的质量;另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著的提高设备的热效率。因此，换热器的正确使用、合理设计、控制性能改善等对能源有效利用及开发有着十分重要意义。换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。这个对象的特点是：热流体和冷流体通过对流热传导进行换热，从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。本设计采用一带有Smith预估补偿的模糊串级控制器的控制系统，主控变量为换热管出口温度，副变量为冷水流量。对换热器出口温度偏差

5、、偏差变化率和冷流体的流量值模糊化,使换热器热流体出口温度控制过渡过程平稳，具有较传统PID串级控制算法过渡时间缩短，超调量减少，抗干扰能力强等特点。目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合。关键词：换热器；加热；Smith预估补偿；PID控制目 录第1章 绪论1第2章 换热器温度控制系统设计的论证方案22.1 课程设计的方案论证222换热器温度控制系统结构及框图2第3章 换热器温度控制系统内容的设计43.1温度变送器的选择43.2流量变送

6、器的选择43.3执行器(调节阀)的选择53.4调节器的选择7第4章 系统测试与分析/实验数据及分析9第5章 课程设计总结11参考文献12第1章 绪论本文以用蒸汽液化给工艺介质加热为代表介绍换热器温度控制系统，针对工艺介质出口温度的主要干扰进行分析，并对扰动实施反馈控制以达到控制目的。具体要求为：变送器选择、执行器选择、控制器控制方案选择；仪表的工作原理及性能指标，仪表间的配接说明。简单控制系统是指那些只有一个被控量、一个操作量，只用一个控制器和一个调节阀所组成的控制回路。根据题目所提供的系统原理图，可知改系统只需用简单控制系统既能完成控制要求。被控参数选择被加热物料出口温度，而不选冷物料为被控

7、参数，只要是因为本系统主要干扰是冷物料流量的变化，若选冷物料入量为被控参数，扰动进入的位置离被控参数太近，干扰对被控参数的影响大，控制品质差。但若选择被加热物料出口温度为被控参数，蒸汽入量为控制参数，则可以使主要干扰进入系统的位置远离被控参数，从而干扰对被参数的影响不，提高了系统的控制品质。控制参数选择蒸汽入量。若系统出现故障时，应立刻关闭蒸汽进入换热器，以免蒸汽进入过多，使温度过高，烧坏换热器。从系统整体来看，扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。因此，选蒸汽入量为控

8、制参数。综上所诉，选择简单控制系统作为换热器温度控制系统的方案。第2章 换热器温度控制系统设计的论证方案2.1 课程设计的方案论证根据题目要求并通过阅读大量资料，有二种方案可以实现换热器温度控制系统：方案一:为了克服干扰对系统的影响，选择串级系统。其中被加热物料出口温度为被控参数、冷物料为控制参数。方案二:选择前馈-反馈系统。其中被加热物料出口温度为被控参数、蒸汽入量为控制参数，为了克服主要扰动(冷物料的流量Q)的干扰，在单闭环控制的基础上，加入对冷物料流量的检测，与单闭环控制构成前馈-反馈系统。以上两个方案都可以实现对换热器的控制，方案一使用串级控制系统，冷物料为控制参数，但是冷物料的流量不

9、稳定，当扰动进入副回路时，副回路可以迅速克服干扰，从而大大减小副回路干路对主参数的影响，但是副回路也是负反馈系统，不能将扰动的影响消除在偏差出现以前。如果选蒸汽为控制参数，则冷物料流量的干扰可以通过前馈来减小对被控制参数的影响，前馈系统的控制原理是当系统出现扰动时，立即将其测量出来，能过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响，将扰动的影响消除在偏差信号出现之前，控制及时。被控参数选择被加热物料出口温度，而不选冷物料为被控参数，只要是因为本系统主要干扰是冷物料流量的变化，若选冷物料入量为被控参数，扰动进入的位置离被控参数太近，干扰对被控参数的影响大，控制品质差。但若

10、选择被加热物料出口温度为被控参数，蒸汽入量为控制参数，则可以使主要干扰进入系统的位置远离被控参数，从而干扰对被参数的影响不，提高了系统的控制品质。控制参数选择蒸汽入量。若系统出现故障时，应立刻关闭蒸汽进入换热器，以免蒸汽进入过多，使温度过高，烧坏换热器。从系统整体来看，扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。因此，选蒸汽入量为控制参数。通过对以上两种方案的比较，选择方案二作为换热器温度控制系统的方案。22换热器温度控制系统结构及框图前馈系统的工作原理是：当系统出现扰动时，

11、立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。为了克服前馈控制的局限性，本系统将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈-反馈复合控制系统。这样既发挥了前馈控制及时克服主要干扰对被控参数影响的优点，又保持了反馈控制抑制各种干扰的优势，同时也降低了对前馈器的要求。系统总体结构如图2.2所示。 图2.2 前馈-反馈控制系统图中，TT和FT为温度变送器和流量变送器，TC和FC为温度控制器和流量控制器。根据前馈-反馈系统划的系统框图。如图2.3所示。 图2.3 控制系统框图 其中F(S):为冷物料流量干扰 Gm(S):温度变送器传递函数 Gc(S):温度控制器传

12、函数 Gv(S):执行器传递函数 Gp(S):控制参数传递函数 Gm1(S):流量执行器传递函数 Gf(S):前馈控制器传递函数 Y(S):被控参数传递函数 第3章 换热器温度控制系统内容的设计3.1温度变送器的选择 根据本系统技术要求测量范围在0-250，控制温度在185±2，因此选用Pt100、热电偶一体化温度变送器。Pt100、热电偶一体化温度变送器测温探头采Pt10铂电阻,J、K、E、热电偶，精度高,稳定性好、集传感变送于一体，结构紧凑，安装方便,精度高、功耗低 电流输出型适合长距离传送,抗电磁干扰电路设计，保证变送器在受到各种干扰下能够安全可靠的工作，适于现代电磁污染严重的

13、环境使用，整体密封性能良好，温度量程和外形尺寸可以按户要求订货,灵活方便、产品结构设计合理，过程连接接口灵活方便，体积小，重量轻，安装位置任意、壳体保护材料多样化，适应多种介质测量。Pt100、热电偶一体化温度变送器主要技术指标：温度测量范围：0300  输出信号：420mA、0-5V 负载电阻：500 供电电源：24V DC 功耗：1W 基本误差：0.20.5 FS 3.2流量变送器的选择经过对本系统的分析及主要性能指标，选用LWC插入式涡轮流量计，型号为LWC插入式。一LCW插入式涡轮流量计的特点压力损失小，叶轮具有防腐功能，采用

14、先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强、功耗低、性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于±0.02% 仪表系数可由按键在线设置，并可显示在LCD屏上，LCD屏直观清晰，可靠性强。采用EEPROM对累积流量、仪表系数掉电保护，保护时间大于10年。采用高性能MCU中央处理器，完成数据采集处理显示输出、累积流量瞬时流量同屏显示方便的人机界面实现， 以标准485形式进行数据传输。采用全硬质合金（碳化钨）屏蔽式悬臂梁结构轴承，集转动轴承与压力轴承于一体，大大提高了轴承寿命，并可在有少量泥沙与污物的介质中工作。采用1Cr18Ni9Ti全不锈钢结构，（涡轮采用2Cr13）

15、防腐性能好。容易维修，有自整流的结构，小型轻巧，结构简单，可在短时间内将其组合拆开，内部清洗简单。有较强抗磁干扰和振动能力、性能可靠、寿命长。下限流速低,测量范围宽，现场显示型液晶屏显示清晰直观，功耗低，3V锂电池供电可连续运行5年以上，耐腐蚀，适用于酸碱溶液。二技术参数公称口径：管道式：DN4DN200 插入式：DN100DN2000 精度等级：管道式：±0.5级，±1.0级 插入式：±1.5级、±2.5级 环境温度：-2050 介质温度：测量液体：-20120 测量气体：-2080大气压力：86KPa106KPa 公称压力：1.6 Mpa 、2.5M

16、pa 、6.4Mpa 、25Mpa防爆等级：ExdIIBT4 连接方式：螺纹连接、法兰夹装、法兰连接、插入式等 直管段要求：气体：上游直管段应10DN，下游直管段应5DN 液体：上游直管段应20DN，下游直管段应5DN 插入式：上游直管段应20DS，下游直管段应7DS（DS为管道实测内径） 显示方式：（1）远传显示： 脉冲输出、电流输出(配显示仪表) （2）现场显示：8位LCD显示累积流量，单位(m3)4位LCD显示瞬时流量，单位(m3/h)、电池电量、频率、流速 （3）温度压力补偿型： A、显示标准瞬时流量及标准累计流量 B、显示当前压力、温度、电池电压 输出功能：（1）脉冲输出，p-p值由

17、供电电源确定 （2）420mA两线制电流输出 （3）单位体积脉冲输出及传感器原始脉冲输出 （4）带有RS485通迅接口 供电电源：（1）524VDC （2）标准型3V锂电池安装于仪表内部可连续使用八年以上 （3）温压补偿型3V锂电池安装于仪表内部可连续使用四年以上 传输距离：传感器至显示仪距离可达500m3.3执行器(调节阀)的选择调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。通过调节阀的选择原则，及本系统的

18、要求，选择ZZWPE温度自力式电子型调节阀。自力式电控温度调节阀（适用于较大口径及导热油控制），该阀最大的特点只需普通220V电源，利用被调介质自身能量，直接对蒸汽、热气、热油与气体等介质的温度实行自动调节和控制，亦可使用在防止对过热或热交换场合,该阀结构简单,操作方便,选用调温范围广、响应时间快、密封性能可靠,并可在运行中随意进行调节,因而广泛应用于化工、石油、食品、轻纺等部门。自力式电控温度调节阀公称通径由20至200mm，公称压力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用温度范围由-20350，接受信号为010mA.DC或420mA.DC来改变被调介质流量，使被控工艺参数保持在给定值，

19、其中单座调节型适用于压差较小，介质粘度较大或稍有颗粒杂质场合。套筒调节型适用于压差较大场合。一自力式电控温度调节阀技术参数1公称通径(阀座直径mm)：10、12、15、25、80、100、125、150等。2公称压力(Mpa)：1.0、1.4、4.0、6.43固有流量特性：直线、等百分比4信号范围：0-10V或4-20mA5作用方式：气开、气关二主要性能指标1其本误差：±2.5%2回差：2.0%3死区：3.0%4.额定行程偏差：±2.5%5额定没量系偏差：±10.0%四本系统调节阀选择如下特性1气开、气关的选择： 本系统为换热器温度控制系统，因此，换热器内温度不能

20、过长期过热，否则会烧坏换热器，所以应选择气开阀。2流量特性的选择此调节阀只有直线、等百分比两种流量特性，对于本系统应选择等百分比型流量特性。因为等百分比型阀门在小开度时控制作用和在大开度时控制能力相等，这对于蒸汽的控制是有利的。3Dg、dg的选择 Dg=100mm；dg=155mm3.4调节器的选择一调节器控制规律的选择调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标

21、的要求。比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作用的应用受到了限制。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。比例控制规律(P)的微分方程数学模型为： （3.4.1）比例积分(PI)控制规律，由于引入积分作用能消除余差，所以当过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，采用比例积分控制规律可以获得较好的控制质量。但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容

22、易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。比例积分(PI)控制规律的微分方程数学模型为： （3.4.2）比例微分(PD)控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的控制质量。但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。比例微分(PD)控制规律的微分方程数学模型为： （3.4.3）比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求

23、控制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。比例积分微分(PID)控制规律的微分方程数学模型为： （3.4.4） 其中：为调节器的输出号 ：放大倍数 ：积分时间常数 ：微分时间常数：设定值与测量值偏差信号通过以上几种调节规律的分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分(PID)控制规律。二调节器正反作用的选择调节器有正作用和反作用调节器两种。调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。被控过程的特性也分正、反两种。即当被控过程的输入量增加(或减小)时，其输出(被控参数)亦增加(或减小)，此时称此被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称此过程为反作用。本系统中，调节阀以确定为气开阀，为正，而当阀开度增加时，随着开度的增加蒸汽入理增加，从而使冷物料的温度生高，即对象温度生高，所以温度调节器为反作用。而当扰动出现时，FT检测到的流量增大，对象温度降低，所以流量控制器为正作用。第4章 系统测试与分析/实验数据及分析第5章 课程设计总结本次课设是换热器温度控制系统，主要作用是实现以冷物料的加热，因此用单回路闭环系统就可实现对换热器出口温度控制。但同冷物料流