网前箱温度控制系统的设计

1、辽 宁 工 业 大 学 过程控制系统 课程设计（论文）题目：网前箱温度控制系统的设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 2013.7.3-2013.7.12 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 自动化 学 号 学生姓名 专业班级 设计题目网前箱温度控制系统的设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参参数实现功能某造纸厂网前箱温度控制系统。纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸气加热至72左右，经过立筛，圆筛去除杂质后到网前箱，再经铜网脱水。为保证纸张质量，要求网前箱温度保持61左右，允许偏差

2、不超过±1。从混合器到网前箱纯时延达90秒。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：0-100；混合器出口控制温度：72±2 最大偏差：5； 网前箱出口控制温度：61±1 最大偏差：2；进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成）2、确定系统的控制方案，绘制工艺节点图、方框图。（1天，实验室

3、完成）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天，分散完成）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天）5、MATLAB仿真分析或实验测试分析、答辩。（3天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）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 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要造纸厂生产过程中，纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸气加热至72左右，经过立筛，圆筛去除杂质后到网前箱，再经铜网脱水。网前箱温度控制系统正是以网前箱的出口温度为主被控变量，通过控制温度来控制

4、造纸厂生产出来的纸张质量。本设计的副被控变量是进入混合器的蒸汽流量。当检测变送仪表检测到网前箱出口温度的变化时，信号传送给温度控制器，进而控制进入混合器的蒸汽流量。如同其他生产实践的诸多领域一样，温度在网前箱温度控制系统中有着举足轻重的地位。而实际生产的各个环节又有许多不确定性，因此系统要有更为先进的控制技术和控制理论。因此，本课程设计结合PID控制，通过对蒸汽量的控制，网前箱出口温度为主被控变量，混合器出口温度为副被控变量，调节阀选气开阀，主副调节器均为反作用，用串级控制系统实现对网前箱温度的控制，以满足生产工艺上的需求。关键词：网前箱出口温度；混合器出口温度；串级控制；PID控制；仿真分析

5、目 录第1章 绪论.11.1网前箱温度控制系统概述.1 1.2工艺设计要求.1第2章 课程设计方案的设计.2 2.1 整体设计方案.22.1.1单回路控制系统.22.1.2串级控制系统.32.2方案的比较与确定.4 方案比较.4 方案的确定.4 2.3串级控制系统的特点.4第3章 串级控制系统的分析设计.6 3.1设计方案的方框图及其特性 .6设计主回路.7设计副回路.73.2控制器的控制规律及正反作用方式.7主副调节器的控制规律.7主副调节器的正反作用方式.83.3.器件的具体型号和参数.83.3.1检测元件的选择.83.3.2调节阀的选择.9第4章 实验数据分析.10第5章 课程设计总结.

6、11参考文献.12第1 章 绪 论1.1网前箱温度控制系统概述网前箱温度控制系统是以网前箱的出口温度为主被控变量，通过控制温度来控制造纸厂生产出来的纸张质量。在生产过程中，纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸气加热至72左右，经过立筛，圆筛去除杂质后到网前箱，再经铜网脱水。其中，混合器和网前箱在造纸工业中中是非常重要的换热设备。混合器控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。因此，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证网前箱的热效率最高。1.2工艺

7、设计要求造纸厂纸浆由混合箱送往网前箱的工艺流程如下：调配好的中浓度纸浆由泵从储槽送至混合箱，在混合箱中与过滤网过滤后的白水混合，配成低浓度白水混悬浮液，并被蒸汽加热至72左右，经立筛、圆筛除去杂质后送至网前箱，在一一定速度喷向造纸网脱水。为保证质量，网前箱温度应保持在61左右。混合箱至网前的纯滞后时间有90s，如果纸浆波动35Kg/min，网前箱纸浆温度偏差最大为8.5，过渡时间为450s，故工艺上要求：1.网前箱纸浆温度保持在61±12.混合箱温度保持在72±13.温差大于±3会自动报警第2章 课程设计方案的设计2.1 整体设计方案本设计的整体设计思路是：利用对

8、蒸汽量的控制最终实现对网前箱温度的控制。该控制分为主回路控制与副回路控制两部分。在网前箱出口设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器控制蒸汽阀的流量，此控制主回路被控参数控制；在混合器出口设置副回路温度传感器，由其带动副回路温度传感器以消除干扰。这样便构成了以网前箱出口温度为主被控变量，以混合器出口温度为副被控变量的串级控制系统。以下介绍二种控制方案，稍后加以比较。 单回路控制系统网前箱中温度作为被控参数，经过温度变;送器传送到比较器，与设定值比较后控制蒸汽调节阀的蒸汽量，从而实现网前箱的温度控制。单回路反馈控制控制系统结构框图如下：RGcGvGpGmT图2.1单回路反馈控制控制系统结构

9、框图网前温箱温度控制系统：温度控制器Gc设定为61，,根据网前箱出口温度与设定值的偏差进行控制。可是当混合器环节出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响，故控制质量差。当生产工艺对网前箱出口温度要求严格时，单回路控制系统很难满足要求。被控变量：网前箱出口温度；操纵变量：蒸汽流量。 混合器T C T TT图2.2单回路网前箱温度控制系统工艺节点图 串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。串级控制系统中，中间被控变量是混合器温度，而操纵变量是蒸汽变量；当混合器温度变化时，副测量变送器

10、可以及时动作克服干扰。串级控制系统结构框图和工艺节点图见图3和图4如下：Gc1Gc2GvGp2Gp1Gm1Gm2RT图2.3 串级控制系统结构框图 混合器网 前 箱T1TT1CT2TT2CR图2.4串级控制系统工艺节点图2.2方案的比较与确定方案比较方案一：控制系统简单、易于实现且费用较低，但单回路控制系统在有干扰时，Gc输出信号改变阀门开度，进而改变蒸汽流量，在混合器中与纸浆和水混合后，混合器温度改变，再通过立筛和圆筛，最终改变网前箱出口温度。该过程时间常数大，由于混合箱至网前箱的纯滞后时间有90s，如果纸浆流量波动35Kg/min，网前箱纸浆温度最大偏差将高达8.5，过渡时间则长达450s

11、。因此等到网前箱出口温度改变后，在改变操纵变量，制止不及时，变差在较长时间内不能被消除，故该控制系统控制超调量大，稳定性低，控制质量差。方案二：串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰能彻底的加以消除。由于主副回路相互配合、相互补充，对主被控制对象有更好的控制效果，减小对象的时间常数，提高了抗干扰能力，并对负荷或操作条件的改变具有一定的自适应能力，使控制质量显著提高。但其缺点是所用仪器较多，费用较高。 方案的确定由于网前箱出口温度对于保证产品的指

12、标是非常重要的，控制效果好，既能保证产品质量又能提高质量。控制不理想的原因在于被控对象十分复杂：蒸汽的流量变化造成温度波动很大；处理量（纸浆）频繁提降也会造成网前箱温度的波动；混合器的温度存在较大的滞后。可以看出，网前箱温度控制系统是一个时变，大时滞，多干扰的复杂系统。从系统工作特性可以看出，蒸汽量的多少是网前箱温度变化的决定因素。但其变化过程是：蒸汽量的变化首先引起混合器的温度变化，由于混合器温度差生变化，进而引起网前箱温度的变化。由此可见对网前箱温度的控制采用混合器温度与网前箱温度进行串级控制的控制方案是合理而且可行的，这种方案也有助于对一系列干扰的克服。2.3串级控制系统的特点在系统结构

13、上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副回路调节器的设定值，系统通过副回路调节器输出控制执行器动作，实现对参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确的控制在工艺规定范围之内。在控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。串级控制系统有以下优点：1. 改善过程的动态特性，提高系统控制质量。 2. 能迅速克服进入副回路的二次扰动。 3. 提高系统的工作频率。 4. 对负荷变化的适应性较强。第3

14、章 串级控制系统的分析与设计3.1设计方案的方框图及其特性串级控制系统的结构框图如下：图3.1串级控制系统的结构框图各参数的含义: :主回路干扰。：副回路干扰。 ：主回路温度变送器传递函数。 ：副回路温度变送器传递函数。 ：主回路温度控制器传递函数。 : 副回路温度控制器传递函数。 : 主回路执行器传递函数。 : 副回路执行器传递函数。 : 主回路控制参数传递函数。 : 副回路控制参数传递函数。 ：被控参数传递函数。 ：偏差传递函数。假设回路中各环节的传递函数分别为： 经整理后可得：因为： 所以，在此控制系统中，等效副回路对象的时间常数和放大倍数都缩小了，而且随着副回路控制放大倍数Kc2的增大

15、，这种效果会更明显。这相当于在系统中引入了一个起超前作用的微分环节，使系统的响应速度加快，控制更为及时，有利于提高系统品质和系统可控性。设计主回路网前温箱控制系统是以网前箱温度为主要被控参数的控制系统。其他被控参数有混合器温度，立筛温度，圆筛温度等。温度调节器对被控参数（网前箱温度）精确控制与温度调节器对来自蒸汽干扰的及时控制相结合，现根据混合器温度的变化，改变蒸汽流量，快速消除来自蒸汽的干扰对混合器温度的影响；然后再根据网前箱温度与设定值的偏差，改变温度调节器，进一步调节蒸汽流量，使网前箱温度恒定，达到温度控制的目的。设计副回路副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。蒸汽由于其流量变化，对控

16、制过程产生极大的干扰。因此，我们选择混合器温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调节副参数混合器的温度能够有效的影响主参数网前箱的温度，提高了主参数的控制效果。3.2控制器的控制规律及正反作用方式主副调节器的控制规律在串级控制系统中，主、副调节器起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在网前箱温度串级控制中，我们选择网前箱温度为主要被控参数，温度对纸浆的质量影响较大，因为网前温箱串级控制系统有较大滞后，所以，选择PI调节作为主调节器的调节规律。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可在一定范围内变

17、化，可有残差，所以副调节器调节规律选择P控制即可。主副调节器的正反作用方式一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。副调节器作用方式的确定出于生产工艺安全考虑，蒸汽调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止蒸汽进入混合器，确保设备安全，调节阀Kv>0,然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，蒸汽量增大，混合器温度上升，所以Ko2>0。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。主调

18、节器作用方式的确定混合器温度升高，网前箱温度也升高，住被控过程Ko1>0。为保证主回路为负反馈个，各环节放大系数乘积必须为正，所以主调节器的放大系数K1>0，主调节器作用方式为反作用方式。例如图3所示，网前箱温度串级控制系统示意图，从设备安全角度考虑，调节阀应该选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用方式。反之，为副作用方式。测量变送单元作用方式均为正。3.3.器件的具体型号和参数检测元件的选择检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控

19、制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。检测、变送器选择的几个基本原则如下：尽可能选择测量误差小的测量元件。尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。正确采用微分超前补偿。合理选择测量点位置并正确安装。对测量信号作必要的处理。本系统需要两个温度传感器，一个安装在混合器内；另一个安装在网前箱出口处。根据测量精度和测量范围等要求，选用铂热电阻PT100为温度传感器，选择JCJ100G为温度变送器。PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0时它的阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。

20、它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。调节阀的选择由前文得，从生产工艺安全出发，蒸汽调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断蒸汽进入混合器，确保设备安全为了保证。调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。选择动闸阀Z

21、641H。气动闸阀Z641H主要性能参数：公称压力:1.6,.0.6.4MPa使用温度：-29425（碳钢）-40550（不锈钢）公称通径：DN50800mm阀体材质:304.306.316L.WCB.HT200连接法兰：JB/T79GB913HG20592适用介质：空气、水、蒸汽、油及硝酸、醋酸等腐蚀性流体作用方式：切断型，调节型,手动控制电源电压：220VAC、24VAC输入信号:420mA/15VDC020mA/010VDC第4章 实验数据分析网前箱温度控制系统的仿真图与阶跃响应图见图5和图6图4.1网前箱温度控制系统的仿真图图4.2阶跃响应曲线图由图可知，在引入了微分作用之后，响应曲线

22、趋于平稳的时间较短，响应速度较快，系统稳定性较强。第五章 总结设计策略是由整体到部分，再从部分到整体。首先对造纸厂网前箱温度控制的生产过程了解主要环节，选取副被控变量，先确定控制框图，再推出工艺节点图；确定控制器的控制规律和正反作用方式后，选取检测元件，然后选取器件的型号和参数。检查无误后，最后利用MATLAB仿真验证设计结果的合理性。由于设计内容是网前箱温度控制系统，它的主要作用是实现纸浆的加热，因此用单回路闭环系统就可以实现对换热器出口温度的控制。但是，纸浆流量具有不稳定性，这是本系统的最主要扰动，为了克服纸浆流量变化对被控参数的影响，在单回路闭环系统的基础上串入副回路控制，构成串级控制系统，即利用对蒸汽量的控制最终实现对网前箱温度的控制。该控制分为主回路控制与副回路控制两部分。在网前箱出口处设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器控制蒸汽阀的流量，此控制主回路被控参数控制；在混合器出口设置副回路温度传感器，由其带动副回路温度传感器以消除纸浆流量所带来的干扰。其中温度变送器极用Pt100、热电偶一体化温度变送器，调节阀为气开形式，温度控制器为反作用，流量控制器为正作用。这样便构成了以网前箱出口温度为主被控变量，以混合器