換熱器溫度控制系統(tǒng)-過程控制---副本

1、遼寧工業(yè)大學過程控制系統(tǒng) 課程設(shè)計（論文）注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算S：換熱器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計院（系）：電氣工程學院專業(yè)班級：自動化102班學 號： 100302042學生姓名：邢宏歡指導教師： （簽字）起止時間：2013. 6. 25-2013. 7.4課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學院教研室：自動化教研室學歡 宏 邢課程設(shè)計(論文)任務(wù) 人 Lf"5 - - 99 設(shè) 溫卞換JTBK別感削斤旳 018° 跡能熱溫郵歉務(wù)沖做濟鉗咲數(shù)囤阻塞 蔻功換器藝、任就胡就加逾織范溫偏 酚現(xiàn)計熱工溫計h送石伕F術(shù)M制大 槪實設(shè)換：初設(shè)1X

2、2.3.4XZ技測控最進度計劃指導教師評語及成績?nèi)?谿月 翩年 辯答 :疑 時成 平總i 5劈過程控制系統(tǒng)課程設(shè)汁（論文）摘要隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能量消耗量不斷增加，能源緊張己成為一個世界性的問題。 近兒年來，我國在節(jié)能方面雖然已取得很大的成績，但能源的供應(yīng)矛盾依然十分尖銳。 我國的能源利用率很低，只有28%左右。山此可見，我國在節(jié)能方面存在著很大的潛力。換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個方面:一是在生產(chǎn)工藝流程 中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗，同時，提 高換熱器的控制效果，也可以充分滿足工業(yè)生產(chǎn)對于溫度的需求，顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量; 另一方面

3、，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著的提高設(shè)備的熱效率。因此，換熱器的 正確使用、合理設(shè)計、控制性能改善等對能源有效利用及開發(fā)有著十分重要意義。換熱器作為一種標準工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部 門。這個對象的特點是：熱流體和冷流體通過對流熱傳導進行換熱，從而使換熱器物料 出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。本設(shè)汁采用一帶有Smith預(yù)佔補償?shù)哪：壙刂破鞯?控制系統(tǒng)，主控變量為換熱管出口溫度，副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、 偏差變化率和冷流體的流量值模糊化，使換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn)，具有 較傳統(tǒng)PID串級控制算法過渡時間縮短，超調(diào)量減少，抗干擾能力強等特點

4、。目前,換熱器控制中大多數(shù)仍采用傳統(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)，對于存在大 的負荷干擾且對于控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場合。關(guān)鍵詞：換熱器；加熱；Smith預(yù)估補償；PID控制目錄第1章緒論1第2章?lián)Q熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的論證方案22. 1課程設(shè)計的方案論證22. 2換熱器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖2第3章?lián)Q熱器溫度控制系統(tǒng)內(nèi)容的設(shè)計43.1溫度變送器的選擇43. 2流量變送器的選擇43. 3執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的選擇53. 4調(diào)節(jié)器的選擇7第4章系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析9第5章 課程設(shè)計總結(jié)11參考文獻12in第偉

5、 緒論本文以用蒸汽液化給工藝介質(zhì)加熱為代表介紹換熱器溫度控制系統(tǒng)，針對工藝介質(zhì) 出口溫度的主要干擾進行分析，并對擾動實施反饋控制以達到控制口的。具體要求為： 變送器選擇、執(zhí)行器選擇、控制器控制方案選擇；儀表的工作原理及性能指標，儀表間 的配接說明。簡單控制系統(tǒng)是指那些只有一個被控量、一個操作量，只用一個控制器和一個調(diào)節(jié) 閥所組成的控制回路。根據(jù)題LI所提供的系統(tǒng)原理圖，可知改系統(tǒng)只需用簡單控制系統(tǒng) 既能完成控制要求。被控參數(shù)選擇被加熱物料出口溫度，而不選冷物料為被控參數(shù)，只要是因為本系統(tǒng) 主要干擾是冷物料流量的變化，若選冷物料入量為被控參數(shù)，擾動進入的位置離被控參 數(shù)太近，干擾對被控參數(shù)的影響

6、大，控制品質(zhì)差。但若選擇被加熱物料出口溫度為被控 參數(shù)，蒸汽入量為控制參數(shù)，則可以使主要干擾進入系統(tǒng)的位置遠離被控參數(shù)，從而干 擾對被參數(shù)的影響不，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)?？刂茀?shù)選擇蒸汽入量。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)立刻關(guān)閉蒸汽進入換熱器，以免蒸 汽進入過多，使溫度過高，燒壞換熱器。從系統(tǒng)整體來看，擾動作用是由擾動通道對過 程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定值；控制作用是山控制通道對過程的 被控參數(shù)起主導影響，抵消擾動影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。因此，選蒸汽 入量為控制參數(shù)。綜上所訴，選擇簡單控制系統(tǒng)作為換熱器溫度控制系統(tǒng)的方案。i 5劈過程控制系統(tǒng)課程設(shè)汁（論文）第2章?lián)Q熱器溫

7、度控制系統(tǒng)設(shè)計的論證方案2. 1課程設(shè)計的方案論證根據(jù)題U要求并通過閱讀大量資料，有二種方案可以實現(xiàn)換熱器溫度控制系統(tǒng)： 方案一:為了克服干擾對系統(tǒng)的影響，選擇吊級系統(tǒng)。其中被加熱物料出口溫度為被 控參數(shù)、冷物料為控制參數(shù)。方案二:選擇前饋-反饋系統(tǒng)。其中被加熱物料出口溫度為被控參數(shù)、蒸汽入量為控 制參數(shù)，為了克服主要擾動（冷物料的流量Q）的干擾，在單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，加入對 冷物料流量的檢測，與單閉環(huán)控制構(gòu)成前饋-反饋系統(tǒng)。以上兩個方案都可以實現(xiàn)對換熱器的控制，方案一使用串級控制系統(tǒng)，冷物料為控 制參數(shù)，但是冷物料的流量不穩(wěn)定，當擾動進入副回路時，副回路可以迅速克服干擾， 從而大大減小副回路

8、干路對主參數(shù)的影響，但是副回路也是負反饋系統(tǒng)，不能將擾動的 影響消除在偏差出現(xiàn)以前。如果選蒸汽為控制參數(shù)，則冷物料流量的干擾可以通過前饋 來減小對被控制參數(shù)的影響，前饋系統(tǒng)的控制原理是當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量 出來，能過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影 響，將擾動的影響消除在偏差信號出現(xiàn)之前，控制及時。被控參數(shù)選擇被加熱物料出口溫度，而不選冷物料為被控參數(shù)，只要是因為本系統(tǒng) 主要干擾是冷物料流量的變化，若選冷物料入量為被控參數(shù)，擾動進入的位置離被控參 數(shù)太近，干擾對被控參數(shù)的影響大，控制品質(zhì)差。但若選擇被加熱物料出口溫度為被控 參數(shù)，蒸汽入量為控制參數(shù)，

9、則可以使主要干擾進入系統(tǒng)的位置遠離被控參數(shù)，從而干 擾對被參數(shù)的影響不，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)?？刂茀?shù)選擇蒸汽入量。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)立刻關(guān)閉蒸汽進入換熱器，以免蒸 汽進入過多，使溫度過高，燒壞換熱器。從系統(tǒng)整體來看，擾動作用是山擾動通道對過 程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定值；控制作用是山控制通道對過程的 被控參數(shù)起主導影響，抵消擾動影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。因此，選蒸汽 入量為控制參數(shù)。通過對以上兩種方案的比較，選擇方案二作為換熱器溫度控制系統(tǒng)的方案。2. 2換熱器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖前饋系統(tǒng)的工作原理是：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器, 根據(jù)

10、動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。為了克服前饋控制的局 限性，本系統(tǒng)將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋-反饋復合控制系統(tǒng)。這樣既發(fā) 揮了前饋控制及時克服主要干擾對被控參數(shù)影響的優(yōu)點，乂保持了反饋控制抑制各種干8i 5劈過程控制系統(tǒng)課程設(shè)汁（論文）擾的優(yōu)勢，同時也降低了對前饋器的要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2. 2所示。圖2. 2前饋-反饋控制系統(tǒng)7圖中，TT和FT為溫度變送器和流量變送器，TC和FC為溫度控制器和流量控制器。根據(jù)前饋-反饋系統(tǒng)劃的系統(tǒng)框圖。如圖2. 3所示。圖2. 3控制系統(tǒng)框圖其中F(S)：為冷物料流量干擾Ge (S):溫度控制器傳函數(shù)Gp(S):控制參數(shù)傳遞

11、函數(shù)Gf(S):前饋控制器傳遞函數(shù)G4S):溫度變送器傳遞函數(shù)Gv(S):執(zhí)行器傳遞函數(shù)Gml (S):流量執(zhí)行器傳遞函數(shù)Y(S):被控參數(shù)傳遞函數(shù)第3章 換熱器溫度控制系統(tǒng)內(nèi)容的設(shè)計3. 1溫度變送器的選擇根據(jù)本系統(tǒng)技術(shù)要求測量范圍在0-250°C,控制溫度在185±2°C,因此選用PtlOO、 熱電偶一體化溫度變送器。PtlOO、熱電偶一體化溫度變送器測溫探頭釆PtlOtt電阻,J、K、E、熱電偶，精度 高，穩(wěn)定性好、集傳感變送于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，精度高、功耗低電流輸出型適 合長距離傳送，抗電磁干擾電路設(shè)計，保證變送器在受到各種干擾下能夠安全可靠的工

12、作，適于現(xiàn)代電磁污染嚴重的環(huán)境使用，整體密封性能良好，溫度量程和外形尺寸可以 按戶要求訂貨，靈活方便、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，過程連接接口靈活方便，體積小，重量輕, 安裝位置任意、殼體保護材料多樣化，適應(yīng)多種介質(zhì)測量。PtlOO、熱電偶一體化溫度變送器主要技術(shù)指標：溫度測量范圍：0300°C輸出信號：420mA、0-5V負載電阻：500Q供電電源：24V DC功耗：1W基本誤差：0.2%0.5% FS3. 2流量變送器的選擇經(jīng)過對本系統(tǒng)的分析及主要性能指標，選用LWC插入式渦輪流量計，型號為LWC插 入式。LCW插入式渦輪流量計的特點壓力損失小，葉輪具有防腐功能，采用先進的超低功耗單片微機

13、技術(shù)，整機功能強、 功耗低、性能優(yōu)越。具有非線性精度補償功能的智能流量顯示器。修正公式精度優(yōu)于 ±0. 02%儀表系數(shù)可III按鍵在線設(shè)置，并可顯示在LCD屏上，LCD屏直觀清晰，可靠性強。 采用EEPROM對累積流量、儀表系數(shù)掉電保護，保護時間大于10年。釆用高性能MCU中 央處理器，完成數(shù)據(jù)采集處理顯示輸出、累積流量瞬時流量同屏顯示方便的人機界面實 現(xiàn)，以標準485形式進行數(shù)據(jù)傳輸。采用全硬質(zhì)合金（碳化磚）屏蔽式懸臂梁結(jié)構(gòu)軸承, 集轉(zhuǎn)動軸承與壓力軸承于一體，大大提高了軸承壽命，并可在有少量泥沙與污物的介質(zhì) 中工作。采用1318門9Ti全不銹鋼結(jié)構(gòu)，（渦輪釆用2Crl3）防腐性能好

14、。容易維修， 有自整流的結(jié)構(gòu)，小型輕巧，結(jié)構(gòu)簡單，可在短時間內(nèi)將其組合拆開，內(nèi)部清洗簡單。 有較強抗磁干擾和振動能力、性能可鼎、壽命長。下限流速低，測量范圍寬，現(xiàn)場顯示型 液晶屏顯示清晰直觀，功耗低，3V鋰電池供電可連續(xù)運行5年以上，耐腐蝕，適用于酸 堿溶液。二.技術(shù)參數(shù)公稱口徑：管道式：D4DY200插入式：DN100DN2000精度等級：管道式：±0.5級，±1.0級插入式：±1.5級、±2. 5級環(huán)境溫度：-20°C50°C介質(zhì)溫度：測量液體：-20°C120°C測量氣體：-20°C80°

15、C大氣壓力：86KPa106KPa公稱壓力：1. 6 Mpa、2. 5Mpa、6. 4Mpa、25Mpa防爆等級：ExdIIBT4連接方式：螺紋連接、法蘭夾裝、法蘭連接、插入式等直管段要求：氣體：上游直管段應(yīng)10DN,下游直管段應(yīng)25D液體：上游直管段應(yīng)20DN,下游直管段應(yīng)25DN插入式：上游直管段應(yīng)20DS,下游直管段應(yīng)27DS （DS為管道實測內(nèi) 徑）顯示方式：（1）遠傳顯示：脈沖輸出、電流輸出（配顯示儀表）（2）現(xiàn)場顯示：8位LCD顯示累積流量，單位（m3）4位LCD顯示瞬時流量，單位（m3/h）、電池電量、頻率、流速（3）溫度壓力補償型：A、顯示標準瞬時流量及標準累計流量B、顯示當前

16、壓力、溫度、電池電壓輸出功能：（1）脈沖輸tLb p-p值山供電電源確定（2） 420mA兩線制電流輸岀（3）單位體積脈沖輸出及傳感器原始脈沖輸出（4）帶有RS483通迅接口供電電源：（1）524VDC（2）標準型3V鋰電池安裝于儀表內(nèi)部可連續(xù)使用八年以上（3）溫壓補償型3V鋰電池安裝于儀表內(nèi)部可連續(xù)使用四年以上傳輸距離：傳感器至顯示儀距離可達300m33執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的選擇調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其特性好壞對控制質(zhì)量的影響是很大 的。山于其結(jié)構(gòu)較簡單乂較粗糙，所以往往不被人們所重視。實踐證明，在過程控制系 統(tǒng)設(shè)計中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會

17、嚴重影響 控制質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)閥的選擇原則，及本系統(tǒng)的要求，選擇ZZWPE溫度自力式電子型調(diào)節(jié)閥。 自力式電控溫度調(diào)節(jié)閥（適用于較大口徑及導熱油控制），該閥最大的特點只需普通220V 電源，利用被調(diào)介質(zhì)自身能量，直接對蒸汽、熱氣、熱油與氣體等介質(zhì)的溫度實行自動 調(diào)節(jié)和控制，亦可使用在防止對過熱或熱交換場合,該閥結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，選用調(diào)溫范 圍廣、響應(yīng)時間快、密封性能可靠，并可在運行中隨意進行調(diào)節(jié)，因而廣泛應(yīng)用于化工、 石油、食品、輕紡等部門。自力式電控溫度調(diào)節(jié)閥公稱通徑由20至200mm,公稱壓力有1. 0、1. 6、4. 0.6. 4MPa, 使用溫度范圍由-20°C350

18、6;C,接受信號為OlOmA. DC或420mA. DC來改變被調(diào)介質(zhì)流量, 使被控工藝參數(shù)保持在給定值，其中單座調(diào)節(jié)型適用于壓差較小，介質(zhì)粘度較大或稍有 顆粒雜質(zhì)場合。套筒調(diào)節(jié)型適用于壓差較大場合。自力式電控溫度調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)1. 公稱通徑（閥座直徑 mm）： 10、12、15、25、80、100、125、150 等。2. 公稱壓力（Mpa）: 1.0、1.4、4.0、6.43. 固有流量特性：直線、等百分比4. 信號范圍：0-10V或4-20mA5. 作用方式：氣開、氣關(guān)二.主要性能指標1. 其本誤差：±2.5%2. 回差：2.0%3. 死區(qū)：3.0%4. 額定行程偏差：

19、7;2.5%5. 額定沒量系偏差：±10.0%四.本系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選擇如下特性1. 氣開、氣關(guān)的選擇：本系統(tǒng)為換熱器溫度控制系統(tǒng)，因此，換熱器內(nèi)溫度不能過長期過熱，否則會燒壞 換熱器，所以應(yīng)選擇氣開閥。2. 流量特性的選擇此調(diào)節(jié)閥只有直線、等百分比兩種流量特性，對于本系統(tǒng)應(yīng)選擇等百分比型流量特 性。因為等白分比型閥門在小開度時控制作用和在大開度時控制能力相等，這對于蒸汽 的控制是有利的。3. Dgs dg的選擇Dg=100mm； dg=155mmi 5劈過程控制系統(tǒng)課程設(shè)汁（論文）3. 4調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器的作用是對來自變送器的測量信號與給定值比較所產(chǎn)生的偏差e(t)

20、進行比 例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)或比例積分微分(PID)運算，并輸出信號到執(zhí)行器。 選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設(shè)計 的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對控制質(zhì)量指標的要求。比例控制規(guī)律(P)是一種最基本的控制規(guī)律，其適用范圍很廣。在一般惜況下控制質(zhì) 量較高，但有余差。此外，當過程慣性時延較大時，山于純比例作用在起始段動作不夠 靈敏，因而超調(diào)量較大，同時加長了過渡過程時間，于是純比例作用的應(yīng)用受到了限制。 對于過程控制通道容量較大，純時延較小，負荷變化不大，工藝要求乂不太高的場合， 可選用比例控制作用。比例控制規(guī)律(P)的微分方程數(shù)學模型為：&

21、quot;=上f(341)比例積分(PI)控制規(guī)律，由于引入積分作用能消除余差，所以當過程容量較小，負 荷變化較大，工藝要求無余差時，采用比例積分控制規(guī)律可以獲得較好的控制質(zhì)量。但 是當過程控制通道的純時延和容量時延都較大時，山于積分作用容易引起較大的超調(diào)， 可能出現(xiàn)持續(xù)振蕩，所以要盡可能避免用比例積分控制規(guī)律，不然會降低控制質(zhì)量。通 常對管道內(nèi)的流量或壓力控制，采用比例積分作用其效果甚好，所以應(yīng)用較多。比例積分(PI)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為："刃)+右仙)如(3.4.2)比例微分(PD)控制規(guī)律，由于引入微分，具有超前作用，對于被控過程具有較大容 量時延的場合，會大大改善系統(tǒng)

22、的控制質(zhì)量。但是對于時延很小，擾動頻繁的系統(tǒng)，由 于微分作用會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴重時會使系統(tǒng)發(fā)生事故，所以應(yīng)盡可能不用微分作用。比例微分(PD)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為："=屮)+八竽心仁)比例積分微分(PID)作用是一種理想的控制作用，一般均能適應(yīng)不同的過程特性。當 要求控制質(zhì)量較高時，可選用這種控制作用的調(diào)節(jié)器。比例積分微分(PID)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為："=k 阿)+ 右 侖山 + T d(3.4.4)其中："：為調(diào)節(jié)器的輸出號匕：放大倍數(shù)Ti：積分時間常數(shù)：微分時間常數(shù)"：設(shè)定值與測量值偏差信號通過以上兒種調(diào)節(jié)規(guī)律的分析及本系統(tǒng)是溫度

23、控制為被控參數(shù)，溫度檢測本身具有 滯后性，為了彌補這個缺點，本系統(tǒng)選用比例積分微分（PID）控制規(guī)律。二.調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器有正作用和反作用調(diào)節(jié)器兩種。調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇同被控過程的特性 及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)。被控過程的特性也分正、反兩種。即當被控過程的輸 入量增加（或減?。r，其輸出（被控參數(shù)）亦增加（或減?。藭r稱此被控過程為正作用； 反之，當被控過程的輸入量增加時，其輸出卻減小，稱此過程為反作用。本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥以確定為氣開閥，為正，而當閥開度增加時，隨著開度的增加蒸 汽入理增加，從而使冷物料的溫度生高，即對象溫度生高，所以溫度調(diào)節(jié)器為反作用。 而當擾動出現(xiàn)時，F(xiàn)T檢測到的流量增大，對象溫度降低，所以流量控制器為正作用。11第4章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析i 5劈過程控制系統(tǒng)課程設(shè)汁（論文）第5章課程設(shè)計總結(jié)本次課設(shè)是換熱器溫度控制系統(tǒng)，主要作用是實現(xiàn)以冷物料的加熱，因此用單回路 閉環(huán)系統(tǒng)就可實現(xiàn)對換熱器出口溫度控制。但同冷物料流量不穩(wěn)定，是本系統(tǒng)的最主要 擾動，為了克服冷物料流量變化對被