测控课程设计

1、一、 前言 课程设计是专业人才培养过程中一个重要环节，它综合培养学生应用学过的知识，对给定的题目进行工程设计。本次测控仪表及装置课程设计是对测控仪表及装置这门课的总结，同时使学生进一步了解仪表及装置的有关知识，了解测控仪表与装置的设计方法与步骤。本次课程设计为期一周，具体设计内容及要求如下： 1、设计一加热炉出口温度（500±5）测控系统。 2、要求组成单回路控制系统，并画出控制流程图。 3、检测仪表要求就地指示并远传。对检测仪表进行选型及详细论证，说明其原理及安装使用注意事项等，画出安装图。4、对控制仪表及执行机构进行选型并论证。5、列出仪表设备清单。6、按以上要求写出详细设计报告

2、。 本设计是将加热介质的入口温度和出口温度相结合，通过温度检测及变送仪表等单元，反馈到温度控制器，最终实现出口温度的快速调节，同时测量正平衡法参数实现加热炉热效率的同步测算，并设计了一种快速调节加热炉出口温度和测算加热炉效率的自动控制系统。二、绪论 加热炉为石油化工生产中重要的加热设备和耗能设备，加热炉的运行状况直接关系到生产安全和能量合理利用。由于加热介质流量、加热介质进出口温度以及外界环境等运行条件的瞬态响应，要使运行能耗费用最低，要求自动控制系统运行参数必须作出相应的调整。影响加热炉热效率的主要参数有空气过剩系数、加热炉负荷率、加热介质流量和温度等。如何针对具体的运行条件，选择最佳运行参

3、数，加热炉控制系统和设备的自动化程度高低是最重要的因素之一。 随着自动控制系统和设备的日益完善，控制系统的控制策略越来越起着重要的作用。现行的加热炉自动控制系统往往采用控制加热介质的出口温度来控制燃气量，造成了实际生产中燃气量的控制存在滞后性，对生产的安全构成隐患和威胁，而且在加热炉测量系统中往往没有考虑加热炉热效率的影响，导致无法快速测算锅炉的能耗。 本次设计分析了目前石油化工生产中常用加热炉的工艺流程，利用在加热燃料油管道上的一个调节阀，控制燃料油流量，以达到控制加热炉出口温度。但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制

4、质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。三、加热炉出口温度控制系统设计图所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。图1 加热炉出口温度系统设计要求1、绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。 2、画出单回路控制系统控制流程图。 3、检测仪表要求就地指示并远传。对检测仪表进行选型及详细论证，说明其原理及安装使用注意事项等，画出安装图。4、

5、对控制仪表及执行机构进行选型并论证。5、列出仪表设备清单。6、按以上要求写出详细设计报告。设计方案温度控制器控制阀炉膛炉膛壁温度检测、变送仪表加热炉出口1、加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图 图2 加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图图2所示为加热炉工艺过程：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。2、控制系统的设计加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的

6、目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图3主控制器副控制器调节阀炉膛出口主检测、变送仪表副检测、变

7、送仪表炉膛壁图3 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图3、 主、副控制器的选择及参数整定主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI控制规律。副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实

8、践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/20.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。（4

9、）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数TI，即可得到改善。对于该温度串级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配。根据表1，可以大致确定副控制器的增益Kc2及比例带。表1 常见对象的副控制器比例带的经验法副控制器对象 温 度 压 力流 量液 位比例带 2060307040802080增益Kc2 1.75.01.43.01.252.51.255.0根据本设计，适当选取Kc2=3.5（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，考虑到4：1衰减太慢，因此采用10：1衰

10、减曲线法整定主控制器参数。一般地取Kv=1,将X=45（学号最后三位）带入可计算出主对象的传递函数。4、控制系统性能分析本次设计采用串级控制系统，系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。 对串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应对比可知，串级控制系统由于增加了副控制回路，使控制系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应能力都得到明显改善。其性能可归纳为： 1、可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用也加快，对一次扰动的抑制能力也得到提高。 2、提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更窄，从而提高了系统工作频率。3、提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性，减少了时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能得到明显改善。4、对负荷干扰或操作条件的变化有一定的自适应能力。包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱。但串级控制系统也存在一些不足：只有