換熱器比值控制課程設計

1、中北大學課程設計說明書各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設計圖紙中北大學課程設計說明書目 錄1、概述11.1換熱設備的分類11.2 換熱器的溫度控制原理22、被控對象特性研究32.1 被控變量的選擇32.2 操縱變量的選擇32.3 被控對象特性分析33、控制方案的選擇93.1換熱器的控制方法93.2 確定控制方案114、過程檢測控制儀表的選用124.1 流量測量儀124.2 執(zhí)行器（調節(jié)閥）144.3 調節(jié)器155、系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能165.1各個環(huán)節(jié)的傳函及參數(shù)的確定165.2系統(tǒng)仿真及pid參數(shù)整定165.3 系統(tǒng)性能分析196、課程設計總結207、參考文獻211、概述換熱器又叫做熱交換器（heat

2、exchanger），是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。本次課程設計我要完成換熱器出口溫度比值控制系統(tǒng)設計，比值控制系統(tǒng)的方框圖如下：q2流量對象控制閥控制器fc比值計算器 u測量變送器2 q1測量變送器1 圖1 比值控制系統(tǒng)方框圖其中，被控變量：出口溫度； 操縱變量：流量。1.1換熱設備的分類 換熱器是一種用來進行熱量交換的工藝設備，在工業(yè)生產中應用極為廣泛。它的作用是通過熱流體加熱冷流體，使工作介質達到生產工藝所規(guī)定的溫度要求，以利于生產過程的順利進行，同時避免生產過程中的浪費，以節(jié)約能源。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器

3、。按照傳熱方式的不同，換熱設備可分為三類：1、混合式換熱器：利用冷、熱流體直接混合的作用進行熱量的交換。這類交換器 的結構簡單、價格前便宜、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。2、蓄熱式換熱器：在這類換熱器中，能量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完 成的。蓄熱式換熱器結構緊湊、價格便宜、單位體積傳熱面大，故較適用于氣氣熱交換 的場合。主要用于石油化工生產中的原料氣轉化和空氣余熱。3、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，通過壁面的導熱和壁表面的對流換熱進行熱量的傳遞。 間壁式換熱器的傳熱面大多采用導

4、熱性能良好的金屬制造。在某些場合由于防腐的需要，也有用非金屬（如石墨，聚四乙烯等）制造的。這是工業(yè)制造最為廣泛應用的一類 換熱器。按照傳熱面的形狀與結構特點它還可分為：（1)管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等。 （2）板面式換熱器：如板式、螺旋板式，、板殼式等。 （3）擴展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強化的傳熱管等。 其中，在間壁式換熱器中，管殼式換熱器易于制造、生產成本較低、選材范圍廣、 傳熱表面的清洗比較方便、適應較強、處理量較大，具有高度工作可靠性，能夠承受高 壓、高溫。雖然在結構緊湊性，傳熱強度和單位傳熱面積的金屬耗量方面它確實有著缺點，但是由于其優(yōu)點，使之能在出現(xiàn)的

5、新興換熱器的今天，依然充滿生命力，居于統(tǒng)治地位。1.2換熱器的溫度控制原理換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換熱器的殼程和管程，通過熱傳導，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，通過循環(huán)泵流經換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設定值附近。冷流體通過多級離心泵流經換熱器的殼程，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環(huán)使用。在換熱器的冷熱流體進口處均設置一個調節(jié)閥，可以調節(jié)冷熱流體的大小。在冷流體出口設置一個電功調節(jié)閥，可以根據數(shù)入信號自動調節(jié)冷流體流量的大小,多級離心泵的轉速由變頻器來控制。換熱器溫度控制過程有如下特點：換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調節(jié)

6、器、執(zhí)行器和被控對象組成的閉合回路。被調參數(shù)經檢測元件測量并由溫度變送器轉換處理獲得測量信號，測量值與給定值的差值送入調節(jié)器，調節(jié)器對偏差信號進行運算處理后輸出控制作用。圖2 換熱器溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖2、被控對象特性研究換熱器是傳熱設備中較為簡單的一種，也是最常見的一種。通常它兩側的介質(工藝介質和載熱體)在換熱過程中均無相變。換熱器換熱的目的是保證工藝介質加熱(或冷卻)到一定溫度。為保證出口溫度平穩(wěn)，滿足工藝要求，必須對傳遞的熱量進行調節(jié)。2.1 被控變量的選擇被控變量是生產過程中希望保持在定值或按一定規(guī)律變化的過程參數(shù)。在換熱器出口溫度比值控制系統(tǒng)設計中，當然選擇出口溫度作為被控變量，

7、因為我們要得到流體穩(wěn)定的出口溫度。2.2 操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。將出口溫度維持在一定值，主要是對冷熱流體間傳遞的熱量進行控制，有控制載熱體流量、工藝介質的旁路流量、傳熱面積等多種方式?？紤]工藝合理性，我選擇對冷流體流量進行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。2.3被控對象的特性分析在本文中，以列管式逆流單程換熱器進行分析，令g1為熱流體的流量，g2為冷流體流量。t1i和t2i分別為熱流體和冷流體的入口溫度，t1o和t2o分別為熱流體和冷流體的出口溫度，而c1、c2分別為熱流體和冷流體的比熱容。靜態(tài)特性分析：對象的靜態(tài)特性就是要確定t1o

8、和t1i、t2i、t2o、g1、g2之間的函數(shù)關系。靜態(tài)特性的求得，可以作為控制方案設計時系統(tǒng)的擾動分析。靜態(tài)放大系數(shù)也能作為系統(tǒng)整定分析，以及控制閥流量特性選擇的依據。靜態(tài)特性推導的兩個基本方程式一熱量平衡關系式及傳熱速率方程式為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，則熱流體失去的熱量應該等于冷流體吸收的熱量，熱平衡方程為 （1-1）式中，為傳熱速率(單位時間內傳遞的熱量)；另外，傳熱過程中的傳熱速率為 （1-2）式中，為傳熱系數(shù)；為傳熱面積；為兩流體間的平均溫差。其中平均溫差對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值 （1-3）在 ，其誤差在5%以內，可采用算數(shù)平均值來代替。算術平均值為： （1-4

9、）對上述公式進行整理后得到： （1-5）上式為逆流、單程列管式換熱器靜態(tài)特性的基本表達式。其中各通道的靜態(tài)放大倍數(shù)均可由此式推出：(l)熱流體入口溫度對出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。對上式（1-5）進行增量化，令，則可得: （1-6） 由（1-6）式可求得通道的靜態(tài)放大倍數(shù)為: （1-7）該式表明，與之間為線性關系，其靜態(tài)放大倍數(shù)為小于1的常數(shù)。（2）冷流體入口溫度對熱流體出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。同樣對式（1-5）進行增量化，令，可得: （1-8）該式表明，之間也為線性關系。（3）熱流體流量對其出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)，通過對式（1-5）進行求導，求取靜態(tài)放大

10、倍數(shù)為: （1-9）由上式（1-9）可見，通道的靜態(tài)特性是一個非線性關系。從上式很難分清兩者之間的關系，因此，常用下圖來表示這個通道的靜態(tài)關系?？梢钥闯?，當較大時，曲線呈飽和狀，此時的變化，從靜態(tài)來看，對的影響微弱了。 (4)冷流體流量對熱流體出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。同樣可通過對式(1-5)求導，其結果與式（1-9）相似，兩者為一復雜的非線性關系。為此，也用圖來表示這個通道的靜態(tài)關系。圖2表示了這個關系，可以看出，當較大時，曲線呈飽和狀，此時的變化，從靜態(tài)來看，對的影響已經很小了。換熱器的動態(tài)特性分析：換熱器由于兩側都不發(fā)生相變化，一般均為分布參數(shù)對象。分布參數(shù)對象中輸出(即被控

11、變量)既是時間的函數(shù)，又是空間的函數(shù)，其變化規(guī)律需用偏微分方程來描述。現(xiàn)說明列管式換熱器動態(tài)特性的建立方法。為便于分析，對該管式換熱器作如下假設:1、間壁的熱容可以忽略;2、流體1和流體2均為液相，而且是層層流動;3、傳熱系數(shù)k和比熱容c為常數(shù);4、同一截面上的各點溫度相同。建立分布參數(shù)對象的數(shù)學模型，同樣是從熱量動態(tài)平衡方程入手，但這時必須取微元來分析問題，并假設這一微元中各點溫度相同。先分析流體1的熱量動態(tài)平衡問題。取長度為的圓柱體為微元，這一微元的熱量動態(tài)平衡方程可敘述為：（單位時間內流體1帶入微元的熱量)一(單位時間內流體1離開微元所帶走的熱量)+(單位時間內流體2傳給流體1微元的熱量

12、)=流體1微元內蓄熱量的變化率，即 （1-10）式中為換熱器的總長度;內管的圓周長;微元的表面積;流體1單位長度的流體質量; 微元體的質量程式中的，并適當?shù)恼?，得?（1-11） 同理，可得流體2的熱量動態(tài)平衡方程式 （1-12）時間和空間的邊界表達式為： （1-13） 上述兩個方程式（1-11）和（1-12）及其邊界條件（1-13）就是描述列管式換熱器行為的動態(tài)方程。要對這樣的動態(tài)方程進行精確的解析求解是很困難的。通常為了便于計算機實時控制和現(xiàn)代控制理論的應用，可以采用時間、空間離散化的方法，將上述連續(xù)偏微分方程轉換成相應的離散狀態(tài)空間模型。為了能說明傳熱對象的動態(tài)特性的基本規(guī)律，也可近似

13、應用一些經驗公式來描述。對于換熱器的動態(tài)特性，可以用下面的近似關系式來表示。(l)熱流體入口溫度，冷流體入口溫度對熱流體出口溫度的影響，即，的通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為: （1-14）式中：k各通道的靜態(tài)放大倍數(shù);分別為換熱器的容量和冷流體的流量;拉普拉斯運算子符號。(2)熱流體流量、冷流體流量對熱流體出口溫度的影響，即通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為: （1-15） 式中:k各通道的靜態(tài)放大倍數(shù)； （1-16） （1-17） 分別為熱流體和冷流體的儲存量和流量。由式（1-15）看出，過程通道的動態(tài)特性均可近似為帶有純滯后的二階慣性環(huán)種近似關系可以這樣理解，要從熱流體把熱量傳遞到冷流

14、體，必須先由熱流體傳給間壁，然后再由間壁傳給冷流體，這樣就成為二階慣性環(huán)節(jié)。此外，還考慮了由于停留時間所引起的純滯后。式（1-15）為一個近似的經驗表達式，因為二階環(huán)節(jié)的兩個時間常數(shù)不不僅取決于兩側流留時間，而且與列管的厚度、材質、結垢等情況有關，但是，這個式子一定程度上描述了換熱器動態(tài)特性的內在性質。在熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，熱流體流量不發(fā)生變化，冷流體和熱流體表示冷水和熱水。換熱器熱流體進出口溫度差在附近，冷流體進出口溫差在30左右。假設熱流體溫度由80降低到40，則根據以下數(shù)據:水的比熱水的密度取971.9，40時水的密度為992.2;換熱器冷卻面積殼體長度;熱流體流量;冷流體流量;根據

15、式經驗公式（1-15）可求得換熱器動態(tài)特性的基本規(guī)律，由式（1-9）求出增益k為:故換熱器溫度控制的數(shù)學模型為: （1-18）由上式可以看出系統(tǒng)的滯后時間常數(shù)為11.85s，換熱器出口溫度控制系統(tǒng)是慣性和時間滯后均較大的系統(tǒng)。3、控制方案的選擇3.1換熱器的控制方法換熱器是傳熱設備中較為簡單的一種，也是最常見的一種。通常它兩側的介質(工藝介質和載熱體)在換熱過程中均無相變。換熱器換熱的目的是保證工藝介質加熱(或冷卻)到一定溫度。為保證出口溫度平穩(wěn)，滿足工藝要求，必須對傳遞的熱量進行調節(jié)。調節(jié)熱量有以下幾種方式。1) 控制載熱體流量這個方案的控制流程如圖 1 所示。其控制原理可通過熱量平衡方程和

16、傳熱速率方程來分析。 圖3 換熱器控制流程圖由于冷流體的傳熱符合熱量平衡方程式，又符合傳熱速率方程式，通過對換熱器靜態(tài)特性分析部分的內容，因此有下列關系 （1-19）整理后得 （1-20）當從上式可看出，在傳熱面積、冷流體進口流量 、溫度 和比熱容 一定的情況下，影響冷流體出口溫度 的因素主要為傳熱系數(shù)及平均溫差?？刂戚d流體流量實質上是改變。若由于某種原因使降低，控制器 tc 將使控制閥門增大，載熱體流 量增加，傳遞的熱量增加，這就必然導致冷熱流體平均溫差升高，從而使工藝介質 的出口溫度增加。載熱體流量增加，一方面使溫差增加，另一方面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)數(shù)也會增加，但在通常情況下傳熱系統(tǒng)數(shù)變化不大，所以經

17、常忽略。因此這種方案實質上是通過改變來控制工藝介質的出口溫度的。改變載熱體流量是應用最為普遍的控制方案，多適用于載熱體流量的變化對溫度影響較靈敏的場合。當載熱體流量已經變得很大， 較小時，進入飽和區(qū)控制就很遲迍，此時不宜采用此方案。2) 控制載熱體旁路流量 當載熱體本身也是一種工藝物料，其流量不允許變化時，可采用此控制方案。它的控制原理也是利用改變溫差的手段來達到溫度控制的目的。這里采用三通控制閥來改變進入換熱器的載熱體流量與旁路流量的比例，這樣既可以改變進入換熱器的載熱體流量，又能保證載熱體總流量不受影響。3) 工藝介質的旁路控制當工藝介質的流量允許變化，而且換熱器的傳熱面有富余時，可將工藝

18、介質的一部分經換熱器，其余部分由旁路直接流到出口處，然后將兩者混合起來控制溫度。該控制方案中被控變量是冷流體和熱流體混合后的溫度，熱流體溫度大于設定溫度，冷流體溫度小于設定溫度，通過控制冷熱流體流量的配比，使混合 后的溫度等于設定溫度。從控制原理上來看，這種方案實際上是一個混合過程。所以反應及時，過程的滯后并不直接顯示出來，適用于停留時間較長的換熱器。但需注意的是換熱器必須有較大余量的傳熱面積，且載熱體一直處于最大流量，因此在通過換熱器的被加熱 介質流量較小時就不太經濟?？紤]經濟性，旁路的流量通常占總流量的 10%30%。4) 控制傳熱面積從傳熱速率方程 來看，使傳熱系數(shù) 和傳熱平均溫差 基本

19、保持不變，調節(jié)傳熱面積可能改變傳熱量，從而達到控制出口溫度的目的。此時調節(jié)閥裝在冷凝液的排出管線上。如果被加熱物料出口溫度高于給定值，說明傳熱量過大，可將 冷凝液控制閥關小，冷凝液就會積累起來，減少了有效的蒸汽冷凝面積，從而使傳熱量減 少，工藝介質出口溫度就會降低。反之，如果被加熱物料出口溫度低于給定值，可將冷凝 液控制閥開大，增大傳熱面積，使傳熱量相應增加。3.2確定控制方案通過對被控對象特性的研究以及對現(xiàn)有的常用的控制方法的分析，現(xiàn)擬采用比值控制對換熱器的出口溫度進行控制。由熱平衡公式（1-1）可知，當冷熱流體的流量成一定的比值關系時便可以保證按照兩流體出口溫度的變化量成一定比值關系，同時

20、假定冷熱流體入口處溫度、 都保持恒定，則此時，冷熱流體的溫度、便同時可以保持恒定。即有 （2-1）從而達到換熱器冷熱流體的溫度同時得到控制的目的。比值控制系統(tǒng)的屬于復雜控制系統(tǒng)，在比值控制系統(tǒng)中，具體又分為定比值控制系統(tǒng)與變比值控制系統(tǒng)。其中，定比值控制系統(tǒng)又可分為開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)控制系統(tǒng)與雙閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)中從動量無抗擾動能力，只能適用于比較平穩(wěn)且系統(tǒng)對比值關系要求不高的場合。實際生產過程中的從動量變化是不可避免的，因此在實際系統(tǒng)中很少采用開環(huán)比值控制系統(tǒng)。單閉環(huán)控制系統(tǒng)控制方案的優(yōu)點是能確保流量比值比較精確。其特點是：從動量是一個閉環(huán)隨動控制，主動量是開環(huán)的，結構比較簡

21、單。在工業(yè)生產過程自動化中得到廣泛的應用。但由于主流量可變，所以進入系統(tǒng)的總流量是不固定的。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)通過主動量控制回路來克服主動量擾動，實現(xiàn)對主動量的定值控制；通過從動量控制回路克服作用于從動量回路中的擾動，實現(xiàn)隨動控制。當擾動消除后，主、從動量都恢復到原設定值上，比值不變。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，能夠實現(xiàn)對主動量的抗擾動控制和定值控制，兩個閉合回路可以克服各自的外界干擾，使主、從動量均比較穩(wěn)定，從而使總物料量也比較平穩(wěn)，系統(tǒng)的運行比較平穩(wěn)。 它的另一方面的優(yōu)點是調整負荷比較方便，只需緩慢改變主動量控制回路的給定值，通過以上分析，考慮到生產過程中換熱器的實際生產環(huán)境，

22、主動量的變化波動不是很大，并且對最后的總流量沒有像反應器一樣要求嚴格，不允許變動，另外，考慮系統(tǒng)設計中所用儀表多少、設備的投資等因素，最終確定控制方案為單閉環(huán)比值控制。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖為：圖4 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖工藝流程圖：圖5 比值控制系統(tǒng)工藝流程圖4、過程檢測控制儀表的選用4.1流量測量儀因為此換熱器控制系統(tǒng)的兩流體均為液體，且換熱器管徑較大，則根據過程檢測技術及儀表第二章第五節(jié)流量檢測選用渦街流量計，插入式渦街流量傳感器適用口徑范圍為350-1200mm,所以選用ktlui型插入式渦街流量計，如圖所示：圖6 插入式渦街流量計工作原理：按國際標準化組織is07145(在環(huán)形截

23、面封閉管道中的流體流量測定在截面一點的速度測量法)，采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內，將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號或420madc電流信號。 表1 流量計技術參數(shù)公稱通經（mm）   2501500 儀表材質   1cr18ni 9ti 公稱壓力（mpa）   pn1.6mpa；pn2.5mpa被測介質溫度（）   40+250 環(huán)境條件  溫度10+55，相對濕度590，大氣壓力86106kpa 精度等級   示值的±2.5% 量

24、程比   1:10；1:15 阻力損失系數(shù)   cd<2.6 輸出信號  傳感器：脈沖頻率信號0.1 3000hz 低電平1v 高電平6v 變送器：兩線制4 20madc電流信號 4.2執(zhí)行器（調節(jié)閥）選擇kvqj系列電動單座、套筒調節(jié)閥。圖7 調節(jié)閥kvqj系列電動單座、套筒調節(jié)閥，接受調節(jié)儀表來的直流電流信號，改變被調介質流量，使被控工藝參數(shù)保持在給定值。廣泛應用于電力、冶金、化工、石油、輕紡、制藥、造紙等工業(yè)部門的生產自動化控制。本系列產品公稱通徑由20至200mm，公稱壓力有1.0、1.6、4.0、6.4mpa，使用溫度

25、范圍由-40450，接受信號為010ma.dc或420ma.dc。流量特性為線性或等百分比。配用不同的執(zhí)行機構可分為普通型和電子型兩種。表2 調節(jié)閥技術參數(shù)公稱通徑dn(mm)（閥座直徑dn）20253240506580110112115220額定流量系數(shù)直級11.822.844.466.91117.627.54469110等百分比11.622.54466.31016254063100額定行程(mm)162540公稱壓力pn（mpa）1.0 1.6 4.0 6.4固有流量特性直線 等百分比固有可調比50工作溫度t（）-20200 -40250 -40450 -60450信號范圍（ma.dc）0

26、10 420作用方式電關式 電開式使用環(huán)境溫度（）電動調節(jié)閥：-2070 伺服放大器：050使用環(huán)境條件電動調節(jié)閥：95% 伺服放大器：85%電源電壓220v 50hz 380v 50hz 24ac/dc4.3調節(jié)器選擇sk808/900系列智能pid調節(jié)儀圖8 sk808/900系列智能pid調節(jié)儀智能pid調節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量，并配合各種執(zhí)行器對電加熱設備和電磁、電力、氣動閥門進行pid調節(jié)和控制、報警控制、數(shù)據采集等。根據過程控制工程第四章比值控制可知，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)從動量回路控制器選用pi控制規(guī)律，再根據調節(jié)器參數(shù)工程整

27、定的相關內容，利用經驗試湊法，流量系統(tǒng)是典型的快過程，被控對象的容量滯后小，被控變量有波動，對于這種過程，不用微分作用，采用pi調節(jié)規(guī)律，且比例度要大，積分時間要小，通過對調節(jié)器參數(shù)經驗數(shù)據的使用，最終使控制系統(tǒng)的一些性能指標都相對較好。選取pid參數(shù)初始值為kc=1，ti=0.2，td=05、系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能5.1各個環(huán)節(jié)的傳函及參數(shù)的確定1）測量變送環(huán)節(jié)冷、熱流體流量測量儀表插入式渦街流量計為線性單元，動態(tài)滯后可忽略，用一階環(huán)節(jié)來近似： 式中kqm與測量儀表的量程有關，t1>=0為流量測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù) ，單位為分鐘，在實際過程中這些參數(shù)基本不變。這里假設儀表量程為010m3/

28、h，測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)t1=2min因而有,kqm=12)執(zhí)行器/控制閥其流量特性為線性或等百分比，動態(tài)滯后可忽略不計，而且 kv通常在一定范圍內變化，假設kv=(0.51.0)3)被控對象對于冷流體流量對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性分別為：假設kp1=1，t2=3，=3，kd1=14)比值器流量與測量信號呈線性關系，儀表的比值系數(shù)： 假設k=0.35.2 系統(tǒng)仿真及pid參數(shù)整定在matlab中的simulink工具箱組件中進行系統(tǒng)的仿真，所搭建的系統(tǒng)模型如下圖9所示。圖9 系統(tǒng)仿真圖pid參數(shù)初始值kc=1，ti=0.2，td=0，未整定之前系統(tǒng)的輸出曲線為：圖10 系統(tǒng)從動回路輸

29、出響應曲線pid參數(shù)整定：pid參數(shù)整定方法就是確定調節(jié)器的比例系數(shù)kp、積分時間ti和微分時間td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。一般可以通過理論計算確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比例度法和響應曲線法。此次參數(shù)整定選用臨界比例度法，這種整定方法是在閉環(huán)的情況下進行的。首先將控制器的積分作用和微分作用全部切除，將比例增益kc由小到大變化，對于每一個kc值做小幅度的設定值階躍變化，以獲得臨界情況下的等幅振蕩，按照下表的經驗算式求取控制器的最佳參數(shù)值。表3 臨界比例度法整定參數(shù)控制規(guī)律kctitdp0.5kcmax

30、pi0.45kcmax0.83pupid0.6kcmax0.5pu0.12pu(1)去除積分時間和微分時間，設定pid參數(shù)為：kc=1，ti=0，td=0圖11 系統(tǒng)設定值跟蹤響應（2）將kc由小到大變化，得到臨界情況下的等幅振蕩當kc=6.1時，響應曲線近似為等幅振蕩，如圖12所示。得到特征參數(shù)分別為：kcmax=6.1，pu=8根據表3，冷流體流量控制器選用pi控制規(guī)律，所以pid參數(shù)分別為：kc=0.6×6.1=3.66， ti=0.5×8=4, td=0.12×8=0.96圖12 近似等幅振蕩（kc=6.1）（3）pid參數(shù)整定完成后的響應曲線，如下圖：圖

31、13 出口溫度比值控制系統(tǒng)設定值跟蹤響應(kc=3.66， ti=4, td=0.96)由圖可得，響應曲線為4：1衰減振蕩曲線，整定參數(shù)非常理想。5.3系統(tǒng)性能分析衰減振蕩的過渡過程是人們所希望得到的一種穩(wěn)定過程，它能使被控變量在受到干擾作用后重新趨于穩(wěn)定，并且控制速度快、回復時間短。下面將以階躍響應曲線形式表示的質量指標進行分析,由圖13仿真圖可得:最終穩(wěn)態(tài)值c=3，b=1.2 b=0.31、衰減比衰減比表示振蕩過程的衰減程度，是衡量過渡過程穩(wěn)定程度的動態(tài)指標。它等于曲線中前后兩個相鄰波峰之比。 2、最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差指的是在單位階躍擾動下，最大振幅與最終穩(wěn)態(tài)值之和的絕對值。a=|b+

32、c|=1.2+3=4.23、超調量 在隨動控制系統(tǒng)中，超調量是一個反映超調情況和衡量穩(wěn)定程度的指標。式中，c表示最終穩(wěn)態(tài)值與其初值的差4、調節(jié)時間調節(jié)時間是從過渡過程開始到結束所需的時間。過渡過程要絕對地達到新的穩(wěn)態(tài)，理論上需要無限長的時間。一般認為當被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值附近或以內的區(qū)域，并保持在該區(qū)域內時，過渡過程結束，此時所需要的時間為調節(jié)時間。調節(jié)時間5、振蕩周期振蕩周期是指過渡過程的第一個波峰與相鄰的第二個同向波峰之間的時間間隔。t=8min6、峰值時間被控變量第一次達到最大值和最小值的時刻稱為峰值時間。7、上升時間過渡過程開始到被控變量第一次達到穩(wěn)態(tài)值的時間成為上升時間。6、課程設計總結本設計方案由于采用的是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其優(yōu)缺點在相應設計過程中已有所介紹。本設計方案能夠實現(xiàn)兩種物料流量的比值控制，從而保證溫度的恒定。