換熱器比值控制課程設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄1、概述11.1換熱設(shè)備的分類11.2 換熱器的溫度控制原理22、被控對(duì)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(duì)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(diào)節(jié)閥）144.3 調(diào)節(jié)器155、系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能165.1各個(gè)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(shè)計(jì)總結(jié)207、參考文獻(xiàn)211、概述換熱器又叫做熱交換器（heat

2、exchanger），是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。本次課程設(shè)計(jì)我要完成換熱器出口溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，比值控制系統(tǒng)的方框圖如下：q2流量對(duì)象控制閥控制器fc比值計(jì)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(shè)備的分類 換熱器是一種用來進(jìn)行熱量交換的工藝設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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(zhì)達(dá)到生產(chǎn)工藝所規(guī)定的溫度要求，以利于生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行，同時(shí)避免生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)，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(shè)備，又稱熱交換器

3、。按照傳熱方式的不同，換熱設(shè)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(jìn)行熱量的交換。這類交換器 的結(jié)構(gòu)簡單、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。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(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、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)

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(yīng)用的一類 換熱器。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(kuò)展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強(qiáng)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(chǎn)成本較低、選材范圍廣、 傳熱表面的清洗比較方便、適應(yīng)較強(qiáng)、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(jié)構(gòu)緊湊性，傳熱強(qiáng)度和單位傳熱面積的金屬耗量方面它確實(shí)有著缺點(diǎn)，但是由于其優(yōu)點(diǎn)，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(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。在換熱器的冷熱流體進(jìn)口處均設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。在冷流體出口設(shè)置一個(gè)電功調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)數(shù)入信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷流體流量的大小,多級(jí)離心泵的轉(zhuǎn)速由變頻器來控制。換熱器溫度控制過程有如下特點(diǎn)：換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)

6、器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成的閉合回路。被調(diào)參數(shù)經(jīng)檢測元件測量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號(hào)，測量值與給定值的差值送入調(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。圖2 換熱器溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖2、被控對(duì)象特性研究換熱器是傳熱設(shè)備中較為簡單的一種，也是最常見的一種。通常它兩側(cè)的介質(zhì)(工藝介質(zhì)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(zhì)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(duì)傳遞的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.1 被控變量的選擇被控變量是生產(chǎn)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(shè)計(jì)中，當(dāng)然選擇出口溫度作為被控變量，

7、因?yàn)槲覀円玫搅黧w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(duì)被控變量的影響，實(shí)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(duì)冷熱流體間傳遞的熱量進(jìn)行控制，有控制載熱體流量、工藝介質(zhì)的旁路流量、傳熱面積等多種方式。考慮工藝合理性，我選擇對(duì)冷流體流量進(jìn)行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。2.3被控對(duì)象的特性分析在本文中，以列管式逆流單程換熱器進(jìn)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(duì)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(guān)系。靜態(tài)特性的求得，可以作為控制方案設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的擾動(dòng)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(jù)。靜態(tài)特性推導(dǎo)的兩個(gè)基本方程式一熱量平衡關(guān)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(yīng)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(shí)間內(nèi)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(duì)于逆流、單程的情況為對(duì)數(shù)平均值 （1-3）在 ，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算數(shù)平均值來代替。算術(shù)平均值為： （1-4

9、）對(duì)上述公式進(jìn)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(dá)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(duì)出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。對(duì)上式（1-5）進(jìn)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(guān)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(duì)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(duì)式（1-5）進(jìn)行增量化，令，可得: （1-8）該式表明，之間也為線性關(guān)系。（3）熱流體流量對(duì)其出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)，通過對(duì)式（1-5）進(jìn)行求導(dǎo)，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(gè)非線性關(guān)系。從上式很難分清兩者之間的關(guān)系，因此，常用下圖來表示這個(gè)通道的靜態(tài)關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)較大時(shí)，曲線呈飽和狀，此時(shí)的變化，從靜態(tài)來看，對(duì)的影響微弱了。 (4)冷流體流量對(duì)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(duì)式(1-5)求導(dǎo)，其結(jié)果與式（1-9）相似，兩者為一復(fù)雜的非線性關(guān)系。為此，也用圖來表示這個(gè)通道的靜態(tài)關(guān)系。圖2表示了這個(gè)關(guān)系，可以看出，當(dāng)較大時(shí)，曲線呈飽和狀，此時(shí)的變化，從靜態(tài)來看，對(duì)的影響已經(jīng)很小了。換熱器的動(dòng)態(tài)特性分析：換熱器由于兩側(cè)都不發(fā)生相變化，一般均為分布參數(shù)對(duì)象。分布參數(shù)對(duì)象中輸出(即被控

11、變量)既是時(shí)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?，F(xiàn)說明列管式換熱器動(dòng)態(tài)特性的建立方法。為便于分析，對(duì)該管式換熱器作如下假設(shè):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(dòng);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(diǎn)溫度相同。建立分布參數(shù)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，同樣是從熱量動(dòng)態(tài)平衡方程入手，但這時(shí)必須取微元來分析問題，并假設(shè)這一微元中各點(diǎn)溫度相同。先分析流體1的熱量動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡方程可敘述為：（單位時(shí)間內(nèi)流體1帶入微元的熱量)一(單位時(shí)間內(nèi)流體1離開微元所帶走的熱量)+(單位時(shí)間內(nèi)流體2傳給流體1微元的熱量

12、)=流體1微元內(nèi)蓄熱量的變化率，即 （1-10）式中為換熱器的總長度;內(nèi)管的圓周長;微元的表面積;流體1單位長度的流體質(zhì)量; 微元體的質(zhì)量程式中的，并適當(dāng)?shù)恼恚茫?（1-11） 同理，可得流體2的熱量動(dòng)態(tài)平衡方程式 （1-12）時(shí)間和空間的邊界表達(dá)式為： （1-13） 上述兩個(gè)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(dòng)態(tài)方程。要對(duì)這樣的動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行精確的解析求解是很困難的。通常為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，可以采用時(shí)間、空間離散化的方法，將上述連續(xù)偏微分方程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的離散狀態(tài)空間模型。為了能說明傳熱對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的基本規(guī)律，也可近似

13、應(yīng)用一些經(jīng)驗(yàn)公式來描述。對(duì)于換熱器的動(dòng)態(tài)特性，可以用下面的近似關(guān)系式來表示。(l)熱流體入口溫度，冷流體入口溫度對(duì)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(yùn)算子符號(hào)。(2)熱流體流量、冷流體流量對(duì)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(chǔ)存量和流量。由式（1-15）看出，過程通道的動(dòng)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(guān)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(shí)間所引起的純滯后。式（1-15）為一個(gè)近似的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，因?yàn)槎A環(huán)節(jié)的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不不僅取決于兩側(cè)流留時(shí)間，而且與列管的厚度、材質(zhì)、結(jié)垢等情況有關(guān)，但是，這個(gè)式子一定程度上描述了換熱器動(dòng)態(tài)特性的內(nèi)在性質(zhì)。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(jìn)出口溫度差在附近，冷流體進(jìn)出口溫差在30左右。假設(shè)熱流體溫度由80降低到40，則根據(jù)以下數(shù)據(jù):水的比熱水的密度取971.9，40時(shí)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(jù)

15、式經(jīng)驗(yàn)公式（1-15）可求得換熱器動(dòng)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(xué)模型為: （1-18）由上式可以看出系統(tǒng)的滯后時(shí)間常數(shù)為11.85s，換熱器出口溫度控制系統(tǒng)是慣性和時(shí)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(shè)備中較為簡單的一種，也是最常見的一種。通常它兩側(cè)的介質(zhì)(工藝介質(zhì)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(zhì)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(duì)傳遞的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)熱量有以下幾種方式。1) 控制載熱體流量這個(gè)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(duì)換熱器靜態(tài)特性分析部分的內(nèi)容，因此有下列關(guān)系 （1-19）整理后得 （1-20）當(dāng)從上式可看出，在傳熱面積、冷流體進(jìn)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(shí)質(zhì)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(dǎo)致冷熱流體平均溫差升高，從而使工藝介質(zhì) 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(huì)增加，但在通常情況下傳熱系統(tǒng)數(shù)變化不大，所以經(jīng)

17、常忽略。因此這種方案實(shí)質(zhì)上是通過改變來控制工藝介質(zhì)的出口溫度的。改變載熱體流量是應(yīng)用最為普遍的控制方案，多適用于載熱體流量的變化對(duì)溫度影響較靈敏的場合。當(dāng)載熱體流量已經(jīng)變得很大， 較小時(shí)，進(jìn)入飽和區(qū)控制就很遲迍，此時(shí)不宜采用此方案。2) 控制載熱體旁路流量 當(dāng)載熱體本身也是一種工藝物料，其流量不允許變化時(shí)，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(dá)到溫度控制的目的。這里采用三通控制閥來改變進(jìn)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(jìn)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(zhì)的旁路控制當(dāng)工藝介質(zhì)的流量允許變化，而且換熱器的傳熱面有富余時(shí)，可將工藝

18、介質(zhì)的一部分經(jīng)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(shè)定溫度，冷流體溫度小于設(shè)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(shè)定溫度。從控制原理上來看，這種方案實(shí)際上是一個(gè)混合過程。所以反應(yīng)及時(shí)，過程的滯后并不直接顯示出來，適用于停留時(shí)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(zhì)流量較小時(shí)就不太經(jīng)濟(jì)?？紤]經(jīng)濟(jì)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(diào)節(jié)傳熱面積可能改變傳熱量，從而達(dá)到控制出口溫度的目的。此時(shí)調(diào)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(guān)小，冷凝液就會(huì)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(zhì)出口溫度就會(huì)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(yīng)增加。3.2確定控制方案通過對(duì)被控對(duì)象特性的研究以及對(duì)現(xiàn)有的常用的控制方法的分析，現(xiàn)擬采用比值控制對(duì)換熱器的出口溫度進(jìn)行控制。由熱平衡公式（1-1）可知，當(dāng)冷熱流體的流量成一定的比值關(guān)系時(shí)便可以保證按照兩流體出口溫度的變化量成一定比值關(guān)系，同時(shí)

20、假定冷熱流體入口處溫度、 都保持恒定，則此時(shí)，冷熱流體的溫度、便同時(shí)可以保持恒定。即有 （2-1）從而達(dá)到換熱器冷熱流體的溫度同時(shí)得到控制的目的。比值控制系統(tǒng)的屬于復(fù)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(dòng)量無抗擾動(dòng)能力，只能適用于比較平穩(wěn)且系統(tǒng)對(duì)比值關(guān)系要求不高的場合。實(shí)際生產(chǎn)過程中的從動(dòng)量變化是不可避免的，因此在實(shí)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(diǎn)是能確保流量比值比較精確。其特點(diǎn)是：從動(dòng)量是一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)控制，主動(dòng)量是開環(huán)的，結(jié)構(gòu)比較簡

21、單。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。但由于主流量可變，所以進(jìn)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(dòng)量控制回路來克服主動(dòng)量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)量的定值控制；通過從動(dòng)量控制回路克服作用于從動(dòng)量回路中的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制。當(dāng)擾動(dòng)消除后，主、從動(dòng)量都恢復(fù)到原設(shè)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?qū)崿F(xiàn)對(duì)主動(dòng)量的抗擾動(dòng)控制和定值控制，兩個(gè)閉合回路可以克服各自的外界干擾，使主、從動(dòng)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(yùn)行比較平穩(wěn)。 它的另一方面的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整負(fù)荷比較方便，只需緩慢改變主動(dòng)量控制回路的給定值，通過以上分析，考慮到生產(chǎn)過程中換熱器的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，

22、主動(dòng)量的變化波動(dòng)不是很大，并且對(duì)最后的總流量沒有像反應(yīng)器一樣要求嚴(yán)格，不允許變動(dòng)，另外，考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用儀表多少、設(shè)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?yàn)榇藫Q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(jù)過程檢測技術(shù)及儀表第二章第五節(jié)流量檢測選用渦街流量計(jì)，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(jì)，如圖所示：圖6 插入式渦街流量計(jì)工作原理：按國際標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(nèi)，將卡門旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號(hào)或420madc電流信號(hào)。 表1 流量計(jì)技術(shù)參數(shù)公稱通經(jīng)（mm）   2501500 儀表材質(zhì)   1cr18ni 9ti 公稱壓力（mpa）   pn1.6mpa；pn2.5mpa被測介質(zhì)溫度（）   40+250 環(huán)境條件  溫度10+55，相對(duì)濕度590，大氣壓力86106kpa 精度等級(jí)   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(hào)  傳感器：脈沖頻率信號(hào)0.1 3000hz 低電平1v 高電平6v 變送器：兩線制4 20madc電流信號(hào) 4.2執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）選擇kvqj系列電動(dòng)單座、套筒調(diào)節(jié)閥。圖7 調(diào)節(jié)閥kvqj系列電動(dòng)單座、套筒調(diào)節(jié)閥，接受調(diào)節(jié)儀表來的直流電流信號(hào)，改變被調(diào)介質(zhì)流量，使被控工藝參數(shù)保持在給定值。廣泛應(yīng)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(chǎn)自動(dòng)化控制。本系列產(chǎn)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(hào)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(jī)構(gòu)可分為普通型和電子型兩種。表2 調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)公稱通徑dn(mm)（閥座直徑dn）20253240506580110112115220額定流量系數(shù)直級(jí)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(diào)比50工作溫度t（）-20200 -40250 -40450 -60450信號(hào)范圍（ma.dc）0

26、10 420作用方式電關(guān)式 電開式使用環(huán)境溫度（）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：-2070 伺服放大器：050使用環(huán)境條件電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：95% 伺服放大器：85%電源電壓220v 50hz 380v 50hz 24ac/dc4.3調(diào)節(jié)器選擇sk808/900系列智能pid調(diào)節(jié)儀圖8 sk808/900系列智能pid調(diào)節(jié)儀智能pid調(diào)節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)電加熱設(shè)備和電磁、電力、氣動(dòng)閥門進(jìn)行pid調(diào)節(jié)和控制、報(bào)警控制、數(shù)據(jù)采集等。根據(jù)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(dòng)量回路控制器選用pi控制規(guī)律，再根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)工程整

27、定的相關(guān)內(nèi)容，利用經(jīng)驗(yàn)試湊法，流量系統(tǒng)是典型的快過程，被控對(duì)象的容量滯后小，被控變量有波動(dòng)，對(duì)于這種過程，不用微分作用，采用pi調(diào)節(jié)規(guī)律，且比例度要大，積分時(shí)間要小，通過對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的使用，最終使控制系統(tǒng)的一些性能指標(biāo)都相對(duì)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(gè)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(jì)為線性單元，動(dòng)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(guān)，t1>=0為流量測量環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) ，單位為分鐘，在實(shí)際過程中這些參數(shù)基本不變。這里假設(shè)儀表量程為010m3/

28、h，測量環(huán)節(jié)的時(shí)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(dòng)態(tài)滯后可忽略不計(jì)，而且 kv通常在一定范圍內(nèi)變化，假設(shè)kv=(0.51.0)3)被控對(duì)象對(duì)于冷流體流量對(duì)象，假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性分別為：假設(shè)kp1=1，t2=3，=3，kd1=14)比值器流量與測量信號(hào)呈線性關(guān)系，儀表的比值系數(shù)： 假設(shè)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(jìn)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(dòng)回路輸

29、出響應(yīng)曲線pid參數(shù)整定：pid參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp、積分時(shí)間ti和微分時(shí)間td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過理論計(jì)算確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例度法和響應(yīng)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(jìn)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(duì)于每一個(gè)kc值做小幅度的設(shè)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(jīng)驗(yàn)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(shí)間和微分時(shí)間，設(shè)定pid參數(shù)為：kc=1，ti=0，td=0圖11 系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng)（2）將kc由小到大變化，得到臨界情況下的等幅振蕩當(dāng)kc=6.1時(shí)，響應(yīng)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(jù)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(yīng)曲線，如下圖：圖

31、13 出口溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng)(kc=3.66， ti=4, td=0.96)由圖可得，響應(yīng)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(fù)時(shí)間短。下面將以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)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(dòng)態(tài)指標(biāo)。它等于曲線中前后兩個(gè)相鄰波峰之比。 2、最大動(dòng)態(tài)偏差最大動(dòng)態(tài)偏差指的是在單位階躍擾動(dòng)下，最大振幅與最終穩(wěn)態(tài)值之和的絕對(duì)值。a=|b+

32、c|=1.2+3=4.23、超調(diào)量 在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，超調(diào)量是一個(gè)反映超調(diào)情況和衡量穩(wěn)定程度的指標(biāo)。式中，c表示最終穩(wěn)態(tài)值與其初值的差4、調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間是從過渡過程開始到結(jié)束所需的時(shí)間。過渡過程要絕對(duì)地達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，理論上需要無限長的時(shí)間。一般認(rèn)為當(dāng)被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值附近或以內(nèi)的區(qū)域，并保持在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，過渡過程結(jié)束，此時(shí)所需要的時(shí)間為調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間5、振蕩周期振蕩周期是指過渡過程的第一個(gè)波峰與相鄰的第二個(gè)同向波峰之間的時(shí)間間隔。t=8min6、峰值時(shí)間被控變量第一次達(dá)到最大值和最小值的時(shí)刻稱為峰值時(shí)間。7、上升時(shí)間過渡過程開始到被控變量第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間成為上升時(shí)間。6、課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)方案由于采用的是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其優(yōu)缺點(diǎn)在相應(yīng)設(shè)計(jì)過程中已有所介紹。本設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)兩種物料流量的比值控制，從而保證溫度的恒定。