管式加热炉温度串级控制系统设计

目录前言............................................................................................……….……2第一章管式加热炉温度控制系统设计的目的意义………...31.1管式加热炉简介………………..…………….31.2目的及意义………………...…3第二章管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求……………..…….4第三章总体设计方案………….53.1方案比拟…………….……….53.2方案选择…………………..…6第四章串级控制系统分析………………..…..74.1主回路设计.............................................................................................74.2副回路选择.............................................................................................74.3主、副调节器规律选择..........................................................................74.4主、副调节器正反作用方式确定...........................................................84.5控制器参数工程整定..............................................................................8第五章各仪表的选取及元器件清单............................................................85.1温度变送器.............................................................................................85.2温度检测元件.........................................................................................95.3调节阀……………………....115.4联锁保护….…………………….…….........11第六章MATLAB仿真实验……..…………..126.1副回路的整定.......................................................................................126.2主回路的整定........................................................................................136.3整体参数整定.........................................................................................13第七章问题及解决方法………………….….16第八章心得体会………………16【参考文献】前言——国内外控制系统开展情况1.国外控制系统的开展情况自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛开展以及自动控制理论和设计方法开展的推动下，国外温度控制系统开展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1、适应于大惯性、大滞后等复杂控制系统的控制。2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的控制系统的控制。3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的控制系统的控制。4、这些控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范围广泛。5、控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速开展。2.国内控制系统的开展概况随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益剧烈，产品的质量和功能也向更高的档次开展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及平安生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术开展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个开展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个开展阶段,它们是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的开展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。目前，过程控制正朝高级阶段开展，不管是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制开展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向开展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为根底，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、方案、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。第一章设计的目的意义1.1管式加热炉简介管式加热炉一般由四个主要局部组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1.1所示：图1.1管式加热炉通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热局部。辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的局部。这局部直接受火焰冲刷，温度很高〔600-1600℃〕，是热交换的主要场所〔约占热负荷的70-80%〕。燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。1.2设计目的及意义管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度到达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。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，到达减排的目的。第二章管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序〔分馏或裂解〕的顺利进行。加热炉的工艺流程图如图2.1所示。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度θ1。在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以到达调节温度θ1的目的。图2.1管式加热炉工艺流程图引起温度θ1改变的扰动因素很多，主要有：〔1〕燃料油方面〔它的组分和调节阀前的油压〕的扰动D2；〔2〕喷油用的过热蒸汽压力波动D4；〔3〕被加热油料方面〔它的流量和入口温度〕的扰动D1；〔4〕配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调节阀动作到温度θ1改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反响很缓慢。工艺上对出口温度θ1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。第三章总体设计方案3.1方案比拟3.1.1简单控制系统温度调节器TC是根据原料油的出口温度θ1与设定值的偏差进行控制。当燃料局部出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数θ1的影响控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度θ1要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。被控变量：原料油出口温度；操控变量：燃料流量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。图3.1管式加热炉温度控制系统图3.2管式加热炉出口温度单回路控制系统框图3.1.2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。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TC可以及时动作，克服干扰。图3.3管式加热炉温度串级控制系统图3.4管式加热炉出口温度串级控制系统框图3.2方案选择方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改正程时间常数大，可到达15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，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、初调、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干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器〔调节器〕，增加的投资并不多〔对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器〕，但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。第四章串级控制系统分析4.1主回路设计加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调节器对被控参数θ1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，到达温度控制的目的。4.2副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的控制效果。4.3主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。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根本出发点。在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。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，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。4.4主、副调节器正反作用方式确定由生产工艺平安考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备平安，调节阀的Kv﹥0。主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反响，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反响，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。4.5控制器参数工程整定1串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、一步整定法和逐步逼近法。1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按照一般单回路孔控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最正确整定的一种方法。我们选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。第五章各仪表的选取及元器件清单5.1温度变送器DDZ-III型仪表采用了集成电路和平安火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和平安性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有以下主要特点：〔1〕采用国际电工委员会〔IEC〕推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4～20mA，控制室联络信号为DC1～5V，信号电流与电压的转换电阻为250。〔2〕广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。〔3〕整套仪表可构成平安火花型防爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了平安栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。DDZ-III型PID调节器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调节器接收变送器送来的测量信号(DC4～20mA或DC1～5V〕，在输入电路中与给定信号进行比拟，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4～20mA直流电流输出。图5.1给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构根本相同。本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器。图5.1DDZ-III型调节器结果框图5.2温度检测元件热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势〔mV〕信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图5.2所示。用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比拟稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的链接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容无视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果缺乏，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，如图5.3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。图5.2补偿导线的作用图5.3热电阻三线制接法5.3调节阀由前面可以知道，从生产工艺平安出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备平安为了保证。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。5.4联锁保护联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等局部组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到控制。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供应量以防回火。第六章MATLAB仿真实验主对象传递函数：副对象的传递函数：在MATLAB中画出仿真框图，如图6.1所示：图6.1系统仿真图6.1副回路的整定将比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图6.2所示：图6.2仿真曲线16.2主回路的整定保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度P1S，记取过渡过程的振荡周期T1S。当衰减比为4：1时，比例度为98，振荡周期为为56.3，此时主回路的仿真曲线如图6.3所示:6.3仿真曲线26.3整体参数整定按已求得的P1S、T1S和ll值，结合已选定的调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。经计算以后，主、副调节的参数设置如图6.4、6.5所示：图6.4整定参数设置1图6.5整定参数设置2当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副参数的控制品质差一点也是可以接受的。主、副调节器参数整定好以后系统输出图如图6.6所示。对设定值施加干扰信号以后，系统输出如图6.7所示。图6.6整定完成后系统输出图图6.7施加干扰时系统输出图第七章问题及解决方法在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。刚开始的时候，对管式加热炉与串级控制系统只有个大概的了解，我去图书馆仔细查阅了介绍过程控制系统的相关书籍，并在网上搜类似的设计来参考，详细了解其工作原理，并对管式加热炉控制系统的设计有一个大概的构思。方案的选取也是一个问题，但通过综合分析，与同学互相讨论，觉得如果要对温度控制要求高，必须得选串级控制系统，才能到达控制的相关要求。然后参考专业书籍，选取元器件，列好清单。在画系统结构图这一方面，一些是用画图工具画出来的，但由于时间与经验上的关系，有一局部是从相关资料上截下来的图，这是以后做课程设计时需要改良提高的地方。当然，对一篇课程设计来说，格式也是一个重要的方面，我仔细按着知道老师的格式要求，认真编辑，到达好的效果。在做课程设计的过程中，不断发现新的问题，不断去寻找好的解决方法，不断去改变，改良，才能让自己得到