管式换热器恒温控制系统设计

课程设计名称：过程控制与自动化仪表课程设计题目：管式换热器恒温控制系统设计专业：电气工程及其自动化班级：自动化姓名：学号：课程设计任务书设计题目管式换热器恒温控制系统设计设计任务在工业生产用，往往需要对液体进行温度控制。换热器的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。本次设计主要是通过了解换热器的工作原理,通过对控制对象，被控对象，调节器，调节阀等相关参数的选择,来实现换热器恒温工作的最佳实现。三、设计计划过程控制与自动化仪表课程设计共计1周内完成。第1～2天查资料，熟悉题目；第3～5天方案分析，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；第6天准备答辩；第7天答辩。四、设计要求1、设计工作量为按要求完成设计说明书一份；2、设计必须根据进度计划按期完成；3、设计说明书必须经知道教师审查签字方可答辩。指导教师：教研室主任：时间：年月日xxxxxx大学课程设计成绩评定表学期姓名专业电气工程及其自动化班级课程名称过程控制与自动化仪表课程设计设计题目管式换热器恒温控制系统设计评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时间年月日备注摘要过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。当前，过程控制已进入全新的、基于网络的计算机集成过程控制时代。DIPS是以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理与控制为主要内容，将过去传统自动化的“孤岛”模式集成为一个有机整体，而网络技术、数据库技术、分布式控制、先进过程控制策略、智能控制等则成为实现CIPS的重要基础。可以预见，过程控制将在我国现代化建设过程中得到更快的发展和发挥越来越重要的作用。本设计以过程控制理论为基础，全面阐述在工业生产过程中，换热器温度控制系统的设计过程，包括对被控参数、控制参数、调节器和调节阀的选定、调节器参数整定等相关方面的设计。关键词：过程控制；工业生产；换热器目录1前言················································································12控制方案的确定·······························································22.1恒温控制系统生产工艺要求···················································22.2控制参数与被控参数的选择···················································22.2.1被控参数的选择·································································22.2.2控制参数的选择·································································22.3系统原理图及方框图····························································22.3.1控制系统控制结构图····························································22.3.2系统框图·········································································33测量仪表的选择·······························································43.1变送器的选择····································································43.2调节阀的选择····································································43.2.1调节阀的启开气关形式·························································43.2.2调节阀的流量特性······························································43.2.3调节阀的理想流量特性·························································53.3调节器的选择································································53.3.1调节规律的选择·································································53.3.2调节器仪表的选择······························································53.3.3调节器的内部结构······························································64调节器的参数整定··························································115结论···············································································126设计体会········································································13参考文献···········································································141前言20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。当前，过程控制已进入全新的、基于网络的计算机集成过程控制时代。DIPS是以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理与控制为主要内容，将过去传统自动化的“孤岛”模式集成为一个有机整体，而网络技术、数据库技术、分布式控制、先进过程控制策略、智能控制等则成为实现CIPS的重要基础。可以预见，过程控制将在我国现代化建设过程中得到更快的发展和发挥越来越重要的作用。本设计以过程控制理论为基础，阐述在工业生产过程中，换热器温度控制系统的设计过程，包括对被控参数、控制参数、数学模型的建立、调节器和调节阀的选定、调节器参数整定等相关方面的设计。2控制方案的确定2.1恒温控制系统生产工艺要求在工业生产用，往往需要对液体进行温度控制。图2-1是管式换热器恒温控制系统的结构图。其工艺要求用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度，并将热水温度维持在一定范围内()。图2-1管式恒温控制系统原理图2.2控制参数与被控参数的选择2.2.1被控参数的选择被控参数的选择对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。如果被控参数选取不当，无论是此何种控制方法，还是采用何种先进的检测仪表，都难以达到预期的控制效果。对于本系统，由于要对经换热器后的热水的温度进行控制，所以根据生产工艺的要求，选取换热器出口温度作为直接被控参数。设置合理的调节器对换热器的出口温度进行控制。2.2.2控制参数的选择由换热器控制系统的工作原理可知，影响影响换热器的出口温度的参数有两个，一个是冷水的流入量，再一个是热蒸汽的流入量。调节这两个参数均可以控制换热器出口的温度。但是根据生产工艺可知，流入乙烯裂解气的流量是一定的，所以选取热蒸汽的流入量作为控制参数。2.3系统原理图及方框图2.3.1控制系统控制结构图恒温控制系统结构图如图2-2所示图2-2系统控制结构图2.3.2系统框图控制系统框图如图2-3所示X(s) Y(s) 图2-3控制系统框图3测量仪表的选择3.1变送器的选择根据生产工艺的要求，宜选用DDZ-III型仪表。采用24V直流电源集中统一供电，整套仪表可构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元─安全保持器，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表无论在正常运行，还是在事故状态下，都不会引爆，仪表的安全性、可靠性显著提高。采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mA直流电流，控制室联络信号为1-5V直流电压，信号电流和信号电压的转换电阻为250Ω。测温原件及变送器的选择。因为被控温度在150以下，故选用热电阻温度计。为提高精度，采用三线制接法，并配用温度变送器。3.2调节阀的选择3.2.1调节阀的启开气关形式气开是指当气压信号p>0.02MPa时，阀由关闭状态逐渐打开；气关则相反，即当气压信号p>0.02MPa时，阀由全开状态逐渐关闭。由于执行机构有正、反作用两种方式，阀体也有正、反两种形式。所以，执行期的“气开”、“气关”有四种构成方式，如图3-1所示：图3-1气开、气关示意图调节阀的气开、气关选择，主要从工艺生产的安全来考虑。换句话说，当发生断电或其他故障引起控制信号中断是，执行器的工作状态应避免损坏设备和伤害操作人员。对于本系统，当控制信号为零时，要求蒸汽的进入量亦为零，避免当控制信号中断时，换热器由于进入的热蒸汽使其温度过高而发生事故。故调节阀应选用气开式调节阀。3.2.2调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门的相对开度数学表达式为3.2.3调节阀的理想流量特性理想流量特性是指调节阀前后压差保持不变时得到的流量特性（1）直线流量特性：指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。其数学表达式为（2）对数流量特性（等百分比）流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系，其数学表达式为：（3）快开流量特性是在小开度时，就有较大流量，随着开度的增加，流量很快就增加到最大，此后再增加开度，流量的变化很小。其数学表达式为：综合以上调节阀的流量特性分析可知，选用对数流量特性的调节阀更为适宜。3.3调节器的选择3.3.1调节规律的选择在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，简称PID。即使是科学技术飞速发展、许多新的控制方法不断涌现的今天，PID仍作为最基本的控制方式显示出强大的生命力。其数学表达式为：其相应的传递函数为：其中为比例度，为积分时间，为微分时间PID调节提高了系统的误差度，为动态性能改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动态两个方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。所以本设计采用PID调节规律。3.3.2调节器仪表的选择根据设计要求，选用DDZ-III型PID基型调节器DDZ-III调节器的主要技术参数有：测量信号：1-5VDC；外给定信号：4-20mADC;内给定信号：1-5VDC；测量与给定的指示精度：1%;输入阻抗影响：满刻度的0.1%输出保持特性：-0.1%/h;输出信号：4-20mADC;调节精度：0.5%;负载电阻：205-7503.3.3调节器的内部结构由图3-2输入电路可知，给定信号和以零伏（地）为基准的，分别通过两对并联输入电阻R加到运算放大器的正、反输入端，其输出是以10V为基准的电压信号，它一方面作为下一级电路的输入，另一方面则取出输出电压的一半通过反馈电阻反馈到输入端。图3-2输入电路设放大器为理想的放大器，其输入阻抗为无穷大，T点与F点同电位，即,由和，可得：经整理有：由以上过程可知：输入电路能实现测量值与给定值的相减，获得放大两倍的偏差信号。输入电路将两个以零伏为基准的输入电压，转换成以电平为基准的偏差电压，实现了电平的移动。比例积分电路如图3-3所示。它接收以10V为基准的电信号，进行PI运算后，输出以10V为基准的1-5V电压，送至输出电路。根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换为：（3-1）式中，m=1或m=10.对于运算放大器，则有：（3-2）式中，为放大器增益。将式(3-1)代入式(3-2)，经整理后可得：由于，所以有,若忽略不计，则有：（3-3）式中，为积分增益，;为积分时间，。式（3-3）为具有饱和特性的比例积分调节器的传递函数。由式（）可见，由于增加了积分时间环节，积分时间有两档。当置于‘’档时相当于m=1；当置于‘0’档时相当于m=10.a）b）图3-3简化的比例积分电路：a）‘1’b）‘10’调节器的输出电路如图3-4所示。其输入信号是经过PI运算、以电平为基准的1-5VDC的电压信号，输出是经过一端接地的负载电阻的4-20mADC电流。图3-4输出电路在图3-3所示电路中，设,,则用理想放大器的分析方法可得：(3-4)由式（3-4）中的第二式可得（3-5）根据、式（3-4）中的第一式和式（3-5）可得（3-6）又直接从图中可知（3-7）由式（3-6）和（3-7）解得（3-8）若忽略反馈支路中的电流和晶体管基极电流，则有（3-9）进而有（3-10）若，当=1-5V时，输出电流则为4-20mADC,其输入/输出的传递系数为。理论分析表明，晶体管基极电流一般可以忽略，但若忽略反馈支路中的电流时则会产生较大的输出误差。由图可知，反馈支路中的电流为：（3-11）以时为例，的值可由式（3-7）计算，即：（3-12）而的值由式（3-4）中的计算，即：（3-13）将、的值代入式（3-11），可得：（3-14）可见约占的6.4%，忽略它将产生较大的输出误差。为了提高转换精度，应使。可以证明，当时，便可精确地获得转换关系式（3-10）。通过上面的讨论，输入电路、PI运算电路、输出电路的传递函数都以获得，整个调节器结构框图如图3-3所示：图3-4调节器整机结构图其整机传递函数为：4调节器的参数整定调节器的参数整定主要有工程整定法、最佳整定法和经验法三种。其中，工程整定法又有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。本设计主要利用临界比例度法对调节器参数进行整定。临界比例度法是一种闭环整定方法。由于改方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，其方法简单、实用方便，因而获得了广泛应用。具体整定步骤如下：系统的特征方程:令带入系统特征方程得：其中于是求出和由表4-1求出待整定参数、、表4-1临界比例度法的参数计算表整定参数调节规律P2PI2.20.85PID1.70.50.135结论在过程控制系统的分析和设计中，深入了解被控过程的工艺特点及其要求非常重要。不同的被控过程在控制方式和控制品质方面存在差异，即使是同一类型的被控过程，由于其规模、容量、干扰来源及性质等不同，控制差异也会存在差异。在本设计中，充分考虑丙烯换热器温度控制系统的生产工艺要求，对各项参数都进行了详细的讨论。其中，被控参数选择换热器出口温度作为直接被控参数，控制参数选择液态丙烯的进入流量，调节阀选择PID调节规律，选择DDZ-III型温度调节器，采用气关式对数流量特性调节阀。最后利用临界比例度法对该控制系统做了调节器的参数整定。是该控制系统最终达到了预期的控制目标。6设计体会经过一周的努力，我终于完成了本次课程设计的设计任务。在设计的过程中,遇到了许多理论上的和实际上的问题,发现平时的理论课学习还不够充分和扎实,理论和实际相脱节.经过本次设计,在实际应用问题上充分运用了理论知识做指导,而这次设计也为理论做了广泛的延伸和深化.设计时遇到了许多问题,在这里要感谢指导老师的帮助与指导,使我完成了整个设计,使我更加对课程设计增强了兴趣,巩固我的知识储备,使我在实际中得到锻炼,更加增进我集体协作的精神.通过设计，锻炼了我的动手能力，开发了我的思维，课程设计使我们每一个学生针对这一技术工作的实践上升到一个高度，认识到从事技术工作应持有的工作态度和应具备的知识素质，还有利于促进我们今后的自觉学习，为适应将来的工作打好坚实的基础。我希望以后能多有这样的机会做课程设计，使我在熟悉课本知识的同时提高工作效率，培养自己独立设计能力,培养自己成为一个全面发展的应用型人才。参考文献[1]潘永湘，杨延西，赵跃.《过程控制与自动化仪表》（第2版）.北京：机械工业出版社，2021.[2]杨立明，张光新.化工自动化及仪表[M].北京:化学工业出版社，2021.[3]王树清，等.工业过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2021.

论大学生写作能力写作能力是对自己所积累的信息进行选择、提取、加工、改造并将之形成为书面文字的能力。积累是写作的基础，积累越厚实，写作就越有基础，文章就能根深叶茂开奇葩。没有积累，胸无点墨，怎么也不会写出作文来的。写作能力是每个大学生必须具备的能力。从目前高校整体情况上看，大学生的写作能力较为欠缺。一、大学生应用文写作能力的定义那么，大学生的写作能力究竟是指什么呢？叶圣陶先生曾经说过，“大学毕业生不一定能写小说诗歌，但是一定要写工作和生活中实用的文章，而且非写得既通顺又扎实不可。”对于大学生的写作能力应包含什么，可能有多种理解，但从叶圣陶先生的谈话中，我认为：大学生写作能力应包括应用写作能力和文学写作能力，而前者是必须的，后者是“不一定”要具备，能具备则更好。众所周知，对于大学生来说，是要写毕业论文的，我认为写作论文的能力可以包含在应用写作能力之中。大学生写作能力的体现，也往往是在撰写毕业论文中集中体现出来的。本科毕业论文无论是对于学生个人还是对于院系和学校来说，都是十分重要的。如何提高本科毕业论文的质量和水平，就成为教育行政部门和高校都很重视的一个重要课题。如何提高大学生的写作能力的问题必须得到社会的广泛关注，并且提出对策去实施解决。二、造成大学生应用文写作困境的原因：（一）大学写作课开设结构不合理。就目前中国多数高校的学科设置来看，除了中文专业会系统开设写作的系列课程外，其他专业的学生都只开设了普及性的《大学语文》课。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，而我们的课程设置仅把这一任务交给了大学语文教师，可大学语文教师既要在有限课时时间内普及相关经典名著知识，又要适度提高学生的鉴赏能力，且要教会学生写作规律并提高写作能力，任务之重实难完成。（二）对实用写作的普遍性不重视。“大学语文”教育已经被严重地“边缘化”。目前对中国语文的态度淡漠，而是呈现出全民学英语的大好势头。中小学如此，大学更是如此。对我们的母语中国语文，在大学反而被漠视，没有相关的课程的设置，没有系统的学习实践训练。这其实是国人的一种偏见。应用写作有它自身的规律和方法。一个人学问很大，会写小说、诗歌、戏剧等，但如果不晓得应用文写作的特点和方法，他就写不好应用文。（三）部分大学生学习态度不端正。很多非中文专业的大学生对写作的学习和训练都只是集中在《大学语文》这一门课上，大部分学生只愿意被动地接受大学语文老师所讲授的文学经典故事，而对于需要学生动手动脑去写的作文，却是尽可能应付差事，这样势必不能让大学生的写作水平有所提高。（四）教师的实践性教学不强。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，但在教学中有不少教师过多注重理论知识，实践性教学环节却往往被忽视。理论讲了一大堆，但是实践却几乎没有，训练也少得可怜。阅读与写作都需要很强的实践操作，学习理论固然必不可少，但是阅读方法和写作技巧的掌握才是最重要的。由于以上的原因，我们的大学生的写作水平着实令人堪忧，那么如何走出这一困境，笔者提出一些建议，希望能对大学生写作水平的提高有所帮助。三、提高大学生应用写作能力的对策（一）把《应用写作》课设置为大学生的必修课。在中国