換熱器出口溫度設(shè)置.doc

精品文檔摘要 目前,換熱器控制中大多數(shù)仍采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)及傳統(tǒng)的PID控制,以加熱（冷卻）介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段,以被加熱（冷卻）工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)。但是，由于換熱系統(tǒng)這種被控對(duì)象具有純滯后、大慣性、參數(shù)時(shí)變的非線性特點(diǎn)，傳統(tǒng)的PID控制往往不能滿足其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求。使換熱器普遍存在控制效果差，換熱效率低的現(xiàn)象，造成能源的浪費(fèi)。如何提高換熱器的控制效果，提高換熱效率，對(duì)于緩解我國(guó)能源緊張的狀況，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義 本課題是針對(duì)換熱器實(shí)驗(yàn)設(shè)備溫度控制改進(jìn)提出的。設(shè)計(jì)中首先通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段換熱器出口溫度控制的特點(diǎn)進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)了制約控制效果進(jìn)一步提高的瓶頸，為下一步改善換熱器的控制效果提供了理論依據(jù)。然后根據(jù)換熱系統(tǒng)組成、控制流程的特點(diǎn)對(duì)換熱器溫度控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。再根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，聯(lián)系換熱器溫度控制的特點(diǎn)，給出了相應(yīng)的控制策略，提出了串級(jí)控制及前饋控制或串級(jí)反饋，前饋反饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)，來(lái)滿足對(duì)于存在大的負(fù)荷干擾且和控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。關(guān)鍵字：換熱器、數(shù)學(xué)模型、PID 、出口溫度控制、串級(jí)控制前言換熱器是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備。隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開(kāi)發(fā)和能源問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用，有時(shí)甚至是決定性的作用。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時(shí)，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以及全球發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和出口市場(chǎng)對(duì)換熱器的需求量將會(huì)保持增長(zhǎng)，客觀上為我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。從市場(chǎng)需求來(lái)看，在國(guó)家大力投資的刺激下，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)仍將保持較快發(fā)展。石油化工、能源電力、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，大型乙烯項(xiàng)目、大規(guī)模的核電站建設(shè)、大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中多晶硅產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)、大型環(huán)境保護(hù)工程的開(kāi)工建設(shè)、海水淡化工程的日益成熟，都將對(duì)換熱器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的拉動(dòng)。未來(lái)?yè)Q熱器將會(huì)朝著更加節(jié)能環(huán)保和美觀實(shí)用的角度不斷創(chuàng)新與發(fā)展，短時(shí)期鋼制柱式散熱器和銅鋁復(fù)合散熱器任將會(huì)是市場(chǎng)主流產(chǎn)品與選擇。.精品文檔1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)概述1.1設(shè)計(jì)目的換熱器作為石油、化工、輕工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備，除本身設(shè)計(jì)上應(yīng)達(dá)到一定的性能指標(biāo)外，在對(duì)它的控制上也應(yīng)達(dá)到工藝的要求指標(biāo)。尤其是對(duì)它的出口溫度控制，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的安全。因此，設(shè)計(jì)出一套高性能的控制系統(tǒng)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，本文正是基于這一目的，對(duì)換熱器出口溫度控制進(jìn)行了研究。當(dāng)前，換熱器出口溫度控制還面臨兩大急需解決的問(wèn)題：1、結(jié)構(gòu)龐大,成本昂貴，極大地阻礙了換熱器工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程；2、過(guò)渡段的銜接不合理，導(dǎo)致部分熱管處于不工作和非正常工作狀態(tài)。要解決好上述問(wèn)題的關(guān)鍵是優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)有兩個(gè)途徑：一是對(duì)換熱器出口溫度控制方案的強(qiáng)化研究；二是合理預(yù)測(cè)工業(yè)環(huán)境下對(duì)換熱器出口溫度的干擾因素，研制出新型的抗干擾方法，二者的優(yōu)化組合研究是今后換熱器出口溫度控制優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的方向。過(guò)渡段的強(qiáng)化傳熱對(duì)優(yōu)化換熱器出口溫度起著非常重要的作用。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于換熱器管板受水分沖刷、氣蝕和微量化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，線路老化等原因?qū)е鲁杀镜脑黾?。通過(guò)福世藍(lán)高分子復(fù)合材料的耐腐蝕性和抗沖刷性，在以后的定期維修時(shí)，也可以涂抹福世藍(lán)高分子復(fù)合材料來(lái)保護(hù)裸露的金屬；即使使用后出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，也可以通過(guò)福世藍(lán)技術(shù)及時(shí)修復(fù)，避免了長(zhǎng)時(shí)間的堆焊維修影響生產(chǎn)2。正是由于此種精細(xì)化的管理，才使得換熱器滲漏問(wèn)題出現(xiàn)的概率大大降低，不僅降低了換熱器的設(shè)備采購(gòu)成本，更保證了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)時(shí)間，提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。換熱器出口溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用取得成功，并已收到了令人滿意的實(shí)際效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的參數(shù)表明，因而在某些特定工況條件下的應(yīng)用也是無(wú)法取代的?；厥绽昧蠛哪芄I(yè)(冶金、化工、煉油、玻璃、水泥及陶瓷)的高溫余熱，使這些領(lǐng)域的能源利用率達(dá)到一個(gè)新的水平。由以上可以預(yù)見(jiàn)，換熱器出口溫度控制將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。通過(guò)大量資料獲悉：目前在國(guó)內(nèi)，對(duì)換熱器出口溫度的控制主要是雙重控制和串級(jí)控制。在一些要求不高的場(chǎng)合，則多采用單回路反饋控制，所采用的算法也多是常規(guī)的PID算法。1.2設(shè)計(jì)主要內(nèi)容本文首先介紹換熱器的結(jié)構(gòu)裝置及換熱器的工藝流程，然后根據(jù)換熱器的特點(diǎn)選擇控制方案并進(jìn)行了PID算法的研究，最后進(jìn)行仿真分析。本論文的結(jié)構(gòu)安排和主要內(nèi)容如下：第一章首先指出了課題的背景、目的和主要研究?jī)?nèi)容。第二章介紹了換熱器工作原理及工藝流程，及換熱器的類型。第三章介紹了控制系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)介紹怎樣選擇PID控制器，然后對(duì)其算法原理特點(diǎn)等一一做了介紹，并對(duì)其參數(shù)整定做了講解以便之后的仿真工作，并在這章中進(jìn)行了控制方案的設(shè)計(jì)。第四章針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真工作。首先介紹了MATLAB/simulink。之后對(duì)單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)建立simulink模型，仿真出圖，觀察控制系統(tǒng)的特性，進(jìn)一步了解各個(gè)控制系統(tǒng)。最后對(duì)所做工作進(jìn)行總結(jié)得出結(jié)論。2 換熱器概述2.11換熱器工藝流程換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖2.1圖2.1換熱器出口溫度控制系統(tǒng)圖可以看出系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級(jí)離心泵、變頻器、渦輪流量傳感器、溫度傳感器等設(shè)備。根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將其分為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級(jí)控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)。溫度控制過(guò)程有如下特點(diǎn)：換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和被控對(duì)象（出口溫度）組成閉合回路。被調(diào)參數(shù)（換熱器出口溫度）經(jīng)檢驗(yàn)元件測(cè)溫并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測(cè)量信號(hào)，測(cè)量值與給定值的差值的送入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出控制作用。2.1.2 換熱器工作原理?yè)Q熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程如下：冷流體和熱流體分別通過(guò)換熱器的殼程和管程，通過(guò)熱傳導(dǎo)，從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫度，通過(guò)循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。冷流體通過(guò)多級(jí)離心泵流經(jīng)換熱器的殼程，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環(huán)使用。2.1.3 換熱器類型換熱器的分類良多，可以按傳熱原理、結(jié)構(gòu)和用途等進(jìn)行分類，按其結(jié)構(gòu)分類主要有管殼式和板式兩種。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。1、間壁式換熱器的類型 夾套式換熱器 這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;但其加熱面受容器壁面限制,傳熱系數(shù)也不高.為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻,可在釜內(nèi)安裝攪拌器.當(dāng)夾套中通入冷卻水或無(wú)相變的加熱劑時(shí),亦可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其它增加湍動(dòng)的措施,以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù).為補(bǔ)充傳熱面的不足,也可在釜內(nèi)部安裝蛇管. 夾套式換熱器廣泛用于反應(yīng)過(guò)程的加熱和冷卻。沉浸式蛇管換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀,并沉浸在容器內(nèi)的液體中.蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能承受高壓,可用耐腐蝕材料制造;其缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低,管外給熱系數(shù)小.為提高傳熱系數(shù),容器內(nèi)可安裝攪拌器。噴淋式換熱器 這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動(dòng),冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下,故也稱噴淋式冷卻器.噴淋式換熱器的管外是一層湍動(dòng)程度較高的液膜,管外給熱系數(shù)較沉浸式增大很多.另外,這種換熱器大多放置在空氣流通之處,冷卻水的蒸發(fā)亦帶走一部分熱量,可起到降低冷卻水溫度,增大傳熱推動(dòng)力的作用.因此,和沉浸式相比,噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。套管式換熱器 套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管,并由U形彎頭連接而成.在這種換熱器中,一種流體走管內(nèi),另一種流體走環(huán)隙,兩者皆可得到較高的流速,故傳熱系數(shù)較大.另外,在套管換熱器中,兩種流體可為純逆流,對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力較大。套管換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能承受高壓,應(yīng)用亦方便(可根據(jù)需要增減管段數(shù)目). 特別是由于套管換熱器同時(shí)具備傳熱系數(shù)大,傳熱推動(dòng)力大及能夠承受高壓強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),在超高壓生產(chǎn)過(guò)程(例如操作壓力為3000大氣壓的高壓聚乙烯生產(chǎn)過(guò)程)中所用的換熱器幾乎全部是套管式。管殼式換熱器 管殼式(又稱列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器,它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內(nèi)部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體,一種在管內(nèi)流動(dòng),其行程稱為管程；一種在管外流動(dòng),其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數(shù),通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束,使湍動(dòng)程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤(pán)形兩種,前者應(yīng)用更為廣泛.。流體在管內(nèi)每通過(guò)管束一次稱為一個(gè)管程,每通過(guò)殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體的速度,可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板,將全部管子平均分隔成若干組。這樣,流體可每次只通過(guò)部分管子而往返管束多次,稱為多管程。同樣,為提高管外流速,可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使流體多次通過(guò)殼體空間,稱多殼程。在管殼式換熱器內(nèi),由于管內(nèi)外流體溫度不同,殼體和管束的溫度也不同。如兩者溫差很大, 換熱器內(nèi)部將出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力,可能使管子彎曲,斷裂或從管板上松脫。因此,當(dāng)管束和殼體溫度差超過(guò)50時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏夭钛a(bǔ)償措施,消除或減小熱應(yīng)力。2、混合式換熱器 混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場(chǎng)合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金企業(yè)、動(dòng)力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其它許多生產(chǎn)部門(mén)中。按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型： (1) 冷卻塔(或稱冷水塔)在這種設(shè)備中，用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方法，將生產(chǎn)中已經(jīng)提高了溫度的水進(jìn)行冷卻降溫之后循環(huán)使用，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。例如熱力發(fā)電廠或核電站的循環(huán)水、合成氨生產(chǎn)中的冷卻水等，經(jīng)過(guò)水冷卻塔降溫之后再循環(huán)使用，這種方法在實(shí)際工程中得到了廣泛的使用。 (2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)在工業(yè)上用這種設(shè)備來(lái)洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多?？照{(diào)工程中廣泛使用的噴淋室，可以認(rèn)為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，而且還可對(duì)其進(jìn)行加熱處理。但是，它也有對(duì)水質(zhì)要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點(diǎn)：所以，目前在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設(shè)備使用。但是，在以調(diào)節(jié)濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用! (3)噴射式熱交換器在這種設(shè)備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進(jìn)行傳熱，并一同進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管的出口達(dá)到同一壓力和溫度后送給用戶。 (4)混合式冷凝器這種設(shè)備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。3.蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器用于進(jìn)行蓄熱式換熱的設(shè)備。內(nèi)裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時(shí)用金屬波形帶等）。換熱分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段，熱氣體通過(guò)火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來(lái)。第二階段，冷氣體通過(guò)火格子，接受火格子所儲(chǔ)蓄的熱量而被加熱。這兩個(gè)階段交替進(jìn)行。通常用兩個(gè)蓄熱器交替使用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一器時(shí)，冷氣體進(jìn)入另一器。常用于冶金工業(yè)，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學(xué)工業(yè)，如煤氣爐中的空氣預(yù)熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。蓄熱式換熱器一般用于對(duì)介質(zhì)混合要求比較低的場(chǎng)合。2.1.4 換熱器工作特點(diǎn)1、間壁式換熱器：所謂間壁式換熱器，是指兩種不同溫度的流體在固定的壁面（稱 為傳熱面）相隔的空間里流動(dòng)，通過(guò)壁面的導(dǎo)熱和壁表面的對(duì)流換熱進(jìn)行熱量的傳遞。 間壁式換熱器的傳熱面大多采用導(dǎo)熱性能良好的金屬制造。在某些場(chǎng)合由于防腐的需要，也有用非金屬（如石墨，聚四乙烯等）制造的。這是工業(yè)制造最為廣泛應(yīng)用的一類換熱器。2、混合式換熱器：利用冷、熱流體直接混合的作用進(jìn)行熱量的交換。這類交換器 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格前便宜、常做成塔狀。例如：冷水塔（涼水塔）、造粒塔、氣流干燥 裝置、流化床等。3、蓄熱式換熱器：在這類換熱器中，能量傳遞是通過(guò)格子磚或填料等蓄熱體來(lái)完 成的。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單位體積傳熱面大，故較適用于氣氣熱交換 的場(chǎng)合。主要用于石油化工生產(chǎn)中的原料氣轉(zhuǎn)化和空氣余熱。3 換熱器出口溫度控制方案的設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)組成3.1.1 被控對(duì)象在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般指被控制的設(shè)備或過(guò)程為對(duì)象，如反應(yīng)器、精餾設(shè)備的控制，或傳熱過(guò)程、燃燒過(guò)程的控制等。從定量分析和設(shè)計(jì)角度，控制對(duì)象只是被控設(shè)備或過(guò)程中影響對(duì)象輸入、輸出參數(shù)的部分因素，并不是設(shè)備的全部。例如：在精餾過(guò)程控制中，定回流控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，只涉及到設(shè)備的回流管道；塔釜液位控制系統(tǒng)的對(duì)象，只與塔釜有關(guān)。在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中，工程上也有稱被控參數(shù)為對(duì)象的，如流量控制、壓力控制和溫度控制等。控制系統(tǒng)中，作為廣義的控制對(duì)象，除控制器（調(diào)節(jié)器）以外的執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）及測(cè)量變送裝置都包括在內(nèi)。作為狹義的控制對(duì)象，其端部參數(shù)(輸入、輸出)有被控參數(shù)、控制參數(shù)和擾動(dòng)參數(shù)，它們通過(guò)控制對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)而相互聯(lián)系5。在被控制的設(shè)備或過(guò)程中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選取的被控參數(shù)和控制參數(shù)不同。通常選擇夾套中冷卻液流量數(shù)為控制參數(shù)，而被控參數(shù)的選擇可有多種方案。最常見(jiàn)的控制方案是選取反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度作為被控參數(shù)，此時(shí)的控制對(duì)象應(yīng)包括夾套在內(nèi)，冷卻液與反應(yīng)物之間傳遞熱量的速率、反應(yīng)流體的質(zhì)量及其熱性能等，都影響對(duì)象的特征6。這些因素也就影響到控制系統(tǒng)的品質(zhì)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。有些場(chǎng)合也可利用反應(yīng)器內(nèi)的壓力作為被控參數(shù)，以間接達(dá)到快速、靈敏地控制反應(yīng)溫度的目的。這種情況的對(duì)象特性除考慮反應(yīng)器本身外，還要涉及溶液蒸氣壓與溫度的關(guān)系、反應(yīng)器中氣相壓力與反應(yīng)溫度的關(guān)系等。 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，控制參數(shù)也可能有多種選擇，例如在蒸汽加熱器的溫度控制中，蒸汽量和凝液量都可作為控制參數(shù)。選擇時(shí)必須考慮工藝合理、經(jīng)濟(jì)、響應(yīng)快速等因素。當(dāng)控制參數(shù)變動(dòng)后，控制對(duì)象特性同樣也要變化。3.1.2 測(cè)量變送器應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器稱為變送器 。變送器是把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R(shí)別的信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。至于有時(shí)候與傳感器通用是因?yàn)楝F(xiàn)代的多數(shù)傳感器的輸出信號(hào)已經(jīng)是通用的控制器可以接收的信號(hào)，此信號(hào)可以不經(jīng)過(guò)變送器的轉(zhuǎn)換直接為控制器所識(shí)別。所以，傳統(tǒng)意義上的“變送器”意義應(yīng)該是：“把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以被控制器或者測(cè)量?jī)x表所接受標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的儀器”。在自控中：信號(hào)源-傳感器-變送器-運(yùn)算器控制器-執(zhí)行機(jī)構(gòu)-控制輸出。 變送器種類很多，總體來(lái)說(shuō)就是由變送器發(fā)出一種信號(hào)來(lái)給二次儀表使二次儀表顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。將物理測(cè)量信號(hào)或普通電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備。一般分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。3.1.3 執(zhí)行器控制系統(tǒng)正向通路中直接改變操縱變量的儀表，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行器是自動(dòng)化技術(shù)工具中接收控制信息并對(duì)受控對(duì)象施加控制作用的裝置。執(zhí)行器也是控制系統(tǒng)正向通路中直接改變操縱變量的儀表，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成7。分類： 1、執(zhí)行器按所用驅(qū)動(dòng)能源分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓執(zhí)行器三種。 2、按輸出位移的形式，執(zhí)行器有轉(zhuǎn)角型和直線型兩種。 3、按動(dòng)作規(guī)律，執(zhí)行器可分為開(kāi)關(guān)型、積分型和比例型三類。 4、按輸入控制信號(hào)，執(zhí)行器分為可以輸入空氣壓力信號(hào)、直流電流信號(hào)、電接點(diǎn)通斷信號(hào)、脈沖信號(hào)等幾類。3.1.4 控制器1、 PID控制器的介紹PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元、積分單元和微分單元組成。通過(guò)Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過(guò)程反復(fù)的情況下，一個(gè)PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。顧名思義，P指是比例（Proportion），I指是積分（Integral），D指微分（Differential）。在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，輸入信號(hào)為正，要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，反饋信號(hào)也為正（PID算法時(shí)，誤差=輸入-反饋），同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反饋信號(hào)越大。要想搞懂PID算法的原理，首先必須先明白P、I、D各自的含義及控制規(guī)律：1、比例控制器比例控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單而且調(diào)整方便，但它會(huì)產(chǎn)生余差.余差的大小隨開(kāi)環(huán)增益的增加而減小。比例控制適用于低階過(guò)程，對(duì)于一個(gè)具有大時(shí)間常數(shù)的過(guò)程,因?yàn)檫^(guò)程的穩(wěn)定裕度大，往往允許有很大的開(kāi)環(huán)增益。另外對(duì)于具有積分環(huán)節(jié)的對(duì)象，使用比例控制器不會(huì)產(chǎn)生余差，而采用PI控制器卻會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性嚴(yán)重惡化，因此具有積分環(huán)節(jié)的對(duì)象特別適合比例控制器。 比例控制器多用于就地控制以及允許有余差存在的場(chǎng)合。例如，大多數(shù)液位控制系統(tǒng)不必要嚴(yán)格控制，只要儲(chǔ)罐不出現(xiàn)滿溢或抽干，因此比例控制特別適用。2、比例積分控制器 積分會(huì)消除余差，所以當(dāng)比例控制產(chǎn)生的余差超過(guò)限定值時(shí)，可適用比例積分控制器。在反饋控制器中,約有75%是采用PI作用的。 一般液位或壓力控制系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)的要求不嚴(yán)，它追求的是平均值的控制，所以可用比例控制。但流量或快速壓力系統(tǒng)，幾乎總是采用PI控制。這些系統(tǒng)的廣義對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較接近，穩(wěn)定裕度小，因而所用比例度大，開(kāi)環(huán)靜態(tài)增益小，不用積分會(huì)產(chǎn)生很大余差。另外由于滯后小，運(yùn)行周期短，積分時(shí)間可以取得很小，比例作用隨偏差的產(chǎn)生會(huì)瞬時(shí)變化，而積分作用總是有些滯后，所以有了積分作用并相應(yīng)地將比例作用調(diào)弱，還有利于減少高頻噪聲的影響。3、比例積分微分控制器 PI作用消除了余差，但降低了響應(yīng)速度。對(duì)于多容過(guò)程，它的響應(yīng)速度本身就很慢，加入PI控制器后，就變得更加緩慢了，在這種情況下加入微分作用，用它來(lái)補(bǔ)償容量滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善，從而允許使用高的增益，并提高了響應(yīng)速度。 由于溫度控制和成分控制屬于緩慢和多容的過(guò)程。所以常使用PID控制。不過(guò)在具有高頻噪聲的場(chǎng)合，不宜使用微分，除非先對(duì)噪聲進(jìn)行濾波。4、 PID控制器的設(shè)計(jì)PID控制的應(yīng)用范圍非常廣泛,對(duì)于不同的控制對(duì)象，控制器的性能要求往往差異很大。一般來(lái)說(shuō)，PID控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程需要滿足以下幾個(gè)方面的要求：(1)設(shè)計(jì)得到的PID控制器滿足性能指標(biāo)；(2)基于可知的/可獲得的過(guò)程知識(shí)；(3)滿足計(jì)算能力的限制，設(shè)計(jì)所需要的資源是可獲取的。(4) 參數(shù)選擇和調(diào)節(jié)原則在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID 控制技術(shù)。PID 控制，實(shí)際中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。(1)比例P控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。(2)積分I控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分D控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。在PID 參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)如果能夠有理論的方法確定PID 參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，更多的是通過(guò)湊試法來(lái)確定PID 的參數(shù)。增大比例系數(shù)P 一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時(shí)間I 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。增大微分時(shí)間D 有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小，然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。如果在上述調(diào)整過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間D 設(shè)置為0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。當(dāng)響應(yīng)曲線沒(méi)有超調(diào)量，應(yīng)該增加比例系數(shù)P 使響應(yīng)有一定的超調(diào)量。當(dāng)響應(yīng)曲線超調(diào)量太大，應(yīng)該減小比例系數(shù)P 使響應(yīng)的超調(diào)量減小。當(dāng)響應(yīng)曲線有一定超調(diào)量，但是由于積分時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致響應(yīng)無(wú)法平穩(wěn)，應(yīng)該減小積分時(shí)間。當(dāng)響應(yīng)曲線超調(diào)量偏大，積分時(shí)間偏小導(dǎo)致響應(yīng)振蕩，應(yīng)該適當(dāng)減小比例系數(shù)和適當(dāng)增大積分時(shí)間。按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。控制器分組合邏輯控制器和微程序控制器，兩種控制器各有長(zhǎng)處和短處。組合邏輯控制器設(shè)計(jì)麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦設(shè)計(jì)完成，就不能再修改或擴(kuò)充，但它的速度快。微程序控制器設(shè)計(jì)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，修改或擴(kuò)充都方便，修改一條機(jī)器指令的功能，只需重編所對(duì)應(yīng)的微程序；要增加一條機(jī)器指令，只需在控制存儲(chǔ)器中增加一段微程序，但是，它是通過(guò)執(zhí)行一段微程。組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構(gòu)成，完全靠硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)指令的功能8。3.2控制方案的設(shè)計(jì)3.2.1 單回路控制方案的設(shè)計(jì) 單回路控制系統(tǒng)由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成，系統(tǒng)原理方塊圖如圖3.1所示。圖3.1 單回路控制系統(tǒng)原理方塊圖對(duì)于載熱體無(wú)相變的換熱器來(lái)說(shuō)，大多采用以載熱體的流量為操作變量，其方案如圖3.2所示圖3.2換熱器單回路控制系統(tǒng)流程圖控制參數(shù)如下：1、被控變量y：換熱器管程出口溫度。2、給定值(或設(shè)定值)Ts：對(duì)應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實(shí)驗(yàn)中將換熱器管程出口溫度設(shè)置成40。3、測(cè)量值Tm：由溫度變送器TT檢測(cè)出的換熱器管程出口溫度實(shí)際值。4、操縱變量(或控制變量)：在本實(shí)驗(yàn)中為冷水流量，使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對(duì)冷水流量進(jìn)行控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)范圍：420mA；輸出：閥門(mén)開(kāi)度016mm。3.2.2 串級(jí)控制方案的設(shè)計(jì) 在過(guò)程控制中，串級(jí)是改善過(guò)程控制質(zhì)量極為有效的方法之一，在生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。串級(jí)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是將主變量穩(wěn)定在給定值上，副回路的引入大大提高了系統(tǒng)的工作性能，它在克服干擾的過(guò)程中起到粗調(diào)的作用，主回路則起到細(xì)調(diào)的作用，并最終保證主變量滿足工藝要求。兩個(gè)回路相互配合，充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，因而控制質(zhì)量必然高于單回路控制系統(tǒng)9。換熱器出口溫度的串級(jí)控制方案圖如圖3.3所示圖3.3換熱器串級(jí)控制流程圖1、串級(jí)的主要特點(diǎn)是:(1).對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有極強(qiáng)的克服能力(2).改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,提高了工作頻率(3).對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化具有一定的適應(yīng)能力2、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則(1).在單回路不能滿足要求的情況下可以采用串級(jí)控制。串級(jí)控制系統(tǒng)雖然可以有效抑制副回路中的干擾，但是串級(jí)系統(tǒng)比單回路控制復(fù)雜。因此只有在單回路控制不能達(dá)到滿意控制精度時(shí)才采用串級(jí)控制。(2).具有能夠檢測(cè)的副變量，且主要干擾要包括在副回路中。能從對(duì)象中引出可以檢測(cè)的副變量是設(shè)計(jì)串級(jí)系統(tǒng)的前提條件。由于串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副回路中的干擾的抑制作用明顯，因此需要將主要干擾或盡可能多的干擾包括在副回路中。(3).副對(duì)象的滯后不能太大，以保持副回路的快速響應(yīng)性能。根據(jù)前面對(duì)串級(jí)控制的分析可以看到，只有當(dāng)副對(duì)象的滯后不大，副回路具有快速響應(yīng)特性時(shí)，串級(jí)控制才能有效抑制回路中的干擾。(4).將對(duì)象中具有顯著非線性或時(shí)變特性的部分歸于副對(duì)象中10。串級(jí)控制系統(tǒng)由兩個(gè)控制器串聯(lián)而成，一個(gè)控制器的輸出用來(lái)改變另一個(gè)控制器的設(shè)定值，其方框圖如圖3.4所示 圖3.4 換熱器出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖3、控制參數(shù)如下： (1)被控變量y：換熱器管程出口溫度。(2)給定值(或設(shè)定值)Ts：對(duì)應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實(shí)驗(yàn)中將換熱器管程出口溫度設(shè)置成40。(3)測(cè)量值Tm：由溫度變送器TT檢測(cè)出的換熱器管程出口溫度實(shí)際值。(4)操縱變量(或控制變量)：在本實(shí)驗(yàn)中為冷水流量，使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對(duì)冷水流量進(jìn)行控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)范圍：420mA；輸出：閥門(mén)開(kāi)度016mm。(5)干擾變量f1：熱水循環(huán)系統(tǒng)的溫度變化。利用燃油爐間歇工作造成的溫度變化實(shí)現(xiàn)。(6)偏差信號(hào)e： 被控變量的實(shí)際值與給定值之差， e=Ts-Tm。Tm-換熱器出口溫度。 Ts-換熱器出口溫度設(shè)定值。3.2.3 前饋反饋控制方案的設(shè)計(jì)前饋控制是一種預(yù)測(cè)控制，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的了解，預(yù)測(cè)出下一階段系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給出控制信號(hào)，使干擾獲得補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出，消除誤差。前饋的缺點(diǎn)是在使用時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)有精確的了解，只有了解了系統(tǒng)模型才能有針對(duì)性的給出預(yù)測(cè)補(bǔ)償。但在實(shí)際工程中，并不是所有的干擾都是可測(cè)的，并不是所有的對(duì)象都是可得到精確模型的，而且大多數(shù)控制對(duì)象在運(yùn)行的同時(shí)自身的結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。所以僅用前饋并不能達(dá)到良好的控制品質(zhì)。這時(shí)就需要加入反饋，反饋的特點(diǎn)是根據(jù)偏差來(lái)決定控制輸入，不管對(duì)象的模型如何，也不管外界的干擾如何，只要有偏差，就根據(jù)偏差進(jìn)行糾正，可以有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。解決前饋不能控制的不可測(cè)干擾。前饋-反饋特點(diǎn)： 1、從前饋控制角度，由于增加了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型的精度要求，并能對(duì)未選做前饋信號(hào)的干擾產(chǎn)生校正作用。2、從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對(duì)主要干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減少對(duì)控制的負(fù)擔(dān)。前饋反饋綜合控制在結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)后，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度11。換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)流程圖和換熱器出口溫度前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖分別如圖3.5和圖3.6所示控制參數(shù)如下： 1、被控變量y：換熱器管程出口溫度。給定值(或設(shè)定值)Ts：對(duì)應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實(shí)驗(yàn)中將換熱器管程出口溫度設(shè)置成40。2、測(cè)量值Tm：由溫度變送器TT檢測(cè)出的換熱器管程出口溫度實(shí)際值。操縱變量(或控制變量)：在本實(shí)驗(yàn)中為冷水流量，使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對(duì)冷水流量進(jìn)行控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)范圍：420mA；輸出：閥門(mén)開(kāi)度016mm。3、干擾變量f1：熱水循環(huán)系統(tǒng)的溫度變化。利用燃油爐間歇工作造成的溫度變化實(shí)現(xiàn)。4、偏差信號(hào)e：被控變量的實(shí)際值與給定值之差， e=Ts-Tm。圖3.5 換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)流程圖 Tm-換熱器出口溫度。3.6 換熱器出口溫度前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖3.3 儀表選型1、.溫度的測(cè)量 選擇裝配式熱電偶如表3.1所示表3.1測(cè)量范圍及允許誤差范圍注: t為感溫元件實(shí)測(cè)溫度值 ()熱電偶的時(shí)間常數(shù)如表3.2所示。表3.2 熱電偶時(shí)間常數(shù)熱電偶工程壓力：一般是指在工作溫度下保護(hù)管所能承受的靜態(tài)外壓而破裂。熱電偶最小插入深度：應(yīng)不小于其保護(hù)套管外徑的8-10倍。表3.3熱電偶參數(shù)2、流量調(diào)節(jié)器 按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS07145(在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測(cè)定在截面一點(diǎn)的速度測(cè)量法)，采用埋入壓電晶體的渦街測(cè)速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(nèi)，將卡門(mén)旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號(hào)或420mA DC電流信號(hào)。技術(shù)參數(shù)表3.4 ：表3.4流量計(jì)技術(shù)參數(shù)3、執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥） ZAZQ(X)型電動(dòng)三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥有合流和分流兩種形式，由DKZ電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和三通合流或三通分流調(diào)節(jié)組成，以電源為動(dòng)力，接受統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)010mADC或420mADC驅(qū)使閥門(mén)只能對(duì)應(yīng)選用，但當(dāng)DN80時(shí)，和流閥可用于分流場(chǎng)合?？商娲鷥膳_(tái)單、雙座調(diào)節(jié)閥，節(jié)省投資，占據(jù)空間小。三通調(diào)節(jié)閥通常用于熱交換器的兩種介質(zhì)調(diào)節(jié)，及簡(jiǎn)單的配比調(diào)節(jié)13。選用電動(dòng)三通合流（分流）調(diào)節(jié)器 如圖所示。 4 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的仿真4.1 仿真軟件介紹4.1.1 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。 MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多。用戶可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。4.1.2 Simulink簡(jiǎn)介imulink是Matlab軟件下的一個(gè)附加組件，是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時(shí)它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來(lái)調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。Simulink仿真與分析的主要步驟按先后順序?yàn)闉?從模塊庫(kù)中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。Simulink為用戶提供了一個(gè)圖形化的用戶界面（GUI）。對(duì)于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過(guò)圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框一樣簡(jiǎn)單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點(diǎn)。不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與MATLAB、C或者FORTRAN語(yǔ)言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴(kuò)展了它的功能。4.2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的仿真分析4.2.1 單回路控制系統(tǒng)仿真1、參數(shù)選?。篕p=30，Td=90，1/Ti=1/5942、系統(tǒng)simulink模型為：圖4.1 單回路控制系統(tǒng)Simulink模型3、參數(shù)整定當(dāng)Kp=30出現(xiàn)等幅震蕩曲線，此時(shí)Tk=2.81，等幅震蕩曲線如圖4.2所示圖4.2 系統(tǒng)等幅震蕩曲線比例放大系數(shù)Kp=15，將Kp的值置為15，曲線如圖4.3所示圖4.3 系統(tǒng)P控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線比例放大系數(shù)Kp=13.5，積分時(shí)間常數(shù)Ti=2.3417曲線如圖4.4所示圖4.4 系統(tǒng)PI控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)表可知PID控制整定時(shí)，比例放大系數(shù)Kp=17.6417，積分時(shí)間常數(shù)Ti=1.405，微分時(shí)間常數(shù)為0.35125，曲線如圖4.5所示圖4.5 系統(tǒng)PID控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線4、分析由圖4.3 、圖4.4 、和圖4.5 對(duì)比看出，P控制和PI控制的階躍響應(yīng)上升速度基本相同，由于這兩種控制的比例系數(shù)不同，因此系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出值不同。PI控制的超調(diào)亮比P控制的要小，PID控制比P控制和PI控制的響應(yīng)速度快，但是超調(diào)量要大些。4.2.2 串級(jí)控制系統(tǒng)仿真1、對(duì)象為： (4.2) (4.3) (4.4)2、參數(shù)選?。篜ID C1： P=3PID C2： P=183、simulink模型（1）一次擾動(dòng)，延遲位于主回路 系統(tǒng)simulink模型為：圖4.6 傳輸延遲位于主回路的Simulink仿真框圖 當(dāng)Kc1=3，Tic1=30，Kc2=10時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4.7所示圖4.7 一次擾動(dòng)延遲位于主回路系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖（2）二次擾動(dòng)，延遲位于主回路系統(tǒng)simulink模型為：圖4.8 二次擾動(dòng)延遲位于主回路simulink模型當(dāng)Kc1=3，Tc1=30，Kc2=10時(shí)，加上二次階躍擾動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出曲線如圖4.9所示。圖4.9 系統(tǒng)二次階躍擾動(dòng)二次擾動(dòng)延遲位于主回路響應(yīng)曲線圖（3）一次擾動(dòng)，延遲位于副回路系統(tǒng)simulink模型為：圖4.10 二次擾動(dòng)傳輸延遲位于副回路中的Simulink仿真框圖（4）二次擾動(dòng)，延遲位于副回路 當(dāng)Kc1=3，Tc1=0，Kc2=0.8時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4.11所示圖4.11 一次擾動(dòng)傳輸延遲位于副回路中的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖 當(dāng)Kc1=3，Tc1=0，Kc2=0.8時(shí)，加上二次階躍擾動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出曲線如圖4.12所示圖4.12 系統(tǒng)二次擾動(dòng)傳輸延遲位于副回路中階躍響應(yīng)曲線圖4、分析對(duì)比延遲位于主回路中時(shí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的響應(yīng)曲線圖，以及延遲位于副回路中時(shí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的響應(yīng)曲線圖，可以明顯地看出，延遲位于主回路時(shí)，通過(guò)串級(jí)控制可以很好地消除其影響。4.2.3 前饋反饋控制系統(tǒng)仿真1、對(duì)象為：干擾通道傳遞函數(shù)為：、 (4.5)系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)： (4.6)給定部分傳遞函數(shù)為： (4.7)2、參數(shù)選?。篜ID： P=0.29，I=0.009控制通道1：Tran fun模塊：Disturb模塊： Forth模塊： 圖4.13 各模塊封裝圖3、simulink模型圖4.14 前饋反饋控制系統(tǒng)simulink模型 當(dāng)Kd=-2.5，Td1=5，Td2=8。若系統(tǒng)采用PID控制，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.15所示。圖4.15 系統(tǒng)前饋-反饋復(fù)合控制Simulink仿真結(jié)果最上方曲線為系統(tǒng)輸出波形，中間曲線為干擾波形，下方曲線為規(guī)范隨機(jī)干擾波形。4、分析前饋-反饋復(fù)合控制