基于廢水和蒸汽的換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之歐陽(yáng)家百創(chuàng)編

歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編遼寧工業(yè)大學(xué)歐陽(yáng)家百（2021.03.07）過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：基于廢水和蒸汽的換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院（系）：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：測(cè)控112學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2014.12.15-2014.12.26起止時(shí)間

2014.12.15-2014.12.26課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)號(hào)110301047 學(xué)生姓名 楊林 專業(yè)班級(jí)測(cè)控112設(shè)計(jì)題目基于廢水和蒸汽的換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)1論文>任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)換熱器溫度控制系統(tǒng)在某生產(chǎn)過程中，冷物料通過熱交換器用熱水（工業(yè)廢水）和蒸汽對(duì)其進(jìn)行加熱，工藝要求出口溫度為140±2℃。當(dāng)用熱水加熱不能滿足出口溫度要求時(shí)，則在同時(shí)使用蒸氣加熱。設(shè)計(jì)要求1、確定控制方案并繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖；2、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器（閥），給出具體型號(hào)和參數(shù)；3、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式，確定閥的流量特性和開閉形式；4、進(jìn)行模擬調(diào)試或仿真5、按規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份；設(shè)計(jì)說明書應(yīng)在4000字以上。技術(shù)參數(shù)測(cè)量范圍：0-180℃控制溫度：140±2℃最大偏差：5℃；工作計(jì)劃IJ1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天）2、確定系統(tǒng)的控制方案，繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖。（1天）3、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號(hào)和參數(shù)。（2天）4、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式（1天），調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)形式以及流量特性選擇。（1天）5、上機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模擬運(yùn)行或仿真、答辯。（2天）6、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（1天）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)iF壬1平時(shí)：論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字：總成績(jī)： 年月日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計(jì)算摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，在化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。針對(duì)用熱水和蒸汽的換熱器加熱冷物料的系統(tǒng)，采用分程控制系統(tǒng)作為控制方案，運(yùn)用兩個(gè)氣開式閥門，實(shí)現(xiàn)分程控制。該系統(tǒng)通過溫度變送器接收并傳送熱物料的溫度，根據(jù)出口溫度是否達(dá)到要求來控制蒸汽閥的開關(guān)，從而使物料出口溫度保持在一定的值上。該控制方案簡(jiǎn)單方便，易于操作，且能源利用率高。通過Matlab仿真，仿真結(jié)果證明該控制方案可以滿足要求，方案設(shè)計(jì)正確。關(guān)鍵詞：換熱器；分程控制；氣動(dòng)閥；Matlab目錄第1章緒論1第2章課程設(shè)計(jì)的方案論證2系統(tǒng)對(duì)象特性分析2系統(tǒng)方案論證2確定設(shè)計(jì)方案4第3章各種儀表的設(shè)計(jì)選擇5變送器的選擇設(shè)計(jì)5執(zhí)行器的選擇設(shè)計(jì)6控制器的選擇設(shè)計(jì)7PID控制算法9第4章系統(tǒng)仿真或模擬調(diào)試10第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)14第1章緒論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。換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。尤其在化工生產(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。它的主要功能是保證工藝過程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。在換熱器系統(tǒng)中，其出口介質(zhì)溫度的準(zhǔn)確地測(cè)量和有效控制是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)能和安全生產(chǎn)的重要條件。所以，換熱器出口物料的控制是工業(yè)過程很重要的研究課題。通過調(diào)節(jié)載熱體（蒸汽）的流量來控制換熱器出物料的溫度維持所需值，提高出口品質(zhì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，并最大限度地利用能源。目前，對(duì)換熱器出口物料的控制大都采用傳統(tǒng)的PID控制。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。在實(shí)際生產(chǎn)中有一種智能模糊控制技術(shù)，在換熱器出口物料的控制中，從基本模糊控制器的結(jié)構(gòu)、原理出發(fā)，分析影響系統(tǒng)性能的若干問題，對(duì)基本的模糊控制器的主要環(huán)節(jié)作了改進(jìn)，提出了基于自調(diào)整加權(quán)因子的智能積分模糊控制器，該控制器控制規(guī)則采用帶加權(quán)因子的解析表達(dá)式，并引入智能積分環(huán)節(jié)，通過MATLAB\SIMULINK工具仿真試驗(yàn)證明，該控制器提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能,且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、待整定參數(shù)少、控制規(guī)則簡(jiǎn)便、易實(shí)現(xiàn)、調(diào)試方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成功地實(shí)現(xiàn)了換熱器出口溫度的控制。設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程控制系統(tǒng)，必須充分注意提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，通過自動(dòng)控制手段來減少能量消耗，以提高經(jīng)濟(jì)效益。而在工業(yè)生產(chǎn)中，列如在印染、造紙醋酸乙烯等生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生很多廢液，如果將其任意排放，對(duì)環(huán)境將會(huì)造成嚴(yán)重污染，并破壞生態(tài)平衡。本設(shè)計(jì)要求用熱水和蒸汽用換熱器對(duì)冷物料進(jìn)行加熱，其中所使用的熱水即為工業(yè)廢水。這樣既將廢水得到了合理利用節(jié)省了能源，又減少了污染保護(hù)了環(huán)境，符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。

第2章課程設(shè)計(jì)的方案論證系統(tǒng)對(duì)象特性分析本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)換熱器溫度控制系統(tǒng)，冷物料通過熱交換器用熱水（工業(yè)廢水）和蒸汽對(duì)其進(jìn)行加熱，使換熱器出口溫度為某一定值。本設(shè)計(jì)工藝要求換熱器出口溫度在一個(gè)定值上，在正常情況下，熱水閥全開仍不能滿足出口溫度要求時(shí)，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)同時(shí)使蒸汽閥打開，以滿足出口溫度的工藝要求。被控控制對(duì)象為物料出口溫度，干擾因素是物料的流量。本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍：0-180℃控制溫度：140±2℃最大偏差：5℃；系統(tǒng)方案論證影響一個(gè)生產(chǎn)過程正常操作的因素很多，但并非對(duì)所有影響因素都要進(jìn)行控制。被控參數(shù)是一個(gè)輸出參數(shù)，應(yīng)為獨(dú)立變量，與輸入量之間應(yīng)有單值函數(shù)關(guān)系。對(duì)于換熱器過程控制系統(tǒng)，人們最關(guān)心的是對(duì)換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，而在這兩項(xiàng)當(dāng)中，溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)又處于首位。因?yàn)槌隹谒疁刂苯佑绊懏a(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全性，即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù)。本方案可以實(shí)現(xiàn)換熱器溫度控制系統(tǒng)。Q據(jù)設(shè)計(jì)要求并通過查閱資料，有兩種方案一：選擇分程控制系統(tǒng)。選擇出如料溫度作為被控參數(shù)，蒸汽和熱水作為控制參數(shù)。選用兩個(gè)閥門分別控制熱水和蒸汽，lr^T1W統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù)。本方案可以實(shí)現(xiàn)換熱器溫度控制系統(tǒng)。Q據(jù)設(shè)計(jì)要求并通過查閱資料，有兩種方案一：選擇分程控制系統(tǒng)。選擇出如料溫度作為被控參數(shù)，蒸汽和熱水作為控制參數(shù)。選用兩個(gè)閥門分別控制熱水和蒸汽，lr^T1W感器將物料出口溫度檢測(cè)傳給溫度控制器，，然后通過溫度控制器控制兩個(gè)閥門的開關(guān)動(dòng)作從而完成對(duì)物料的加熱。物料的出口溫度有溫度控制器監(jiān)控，通過電氣轉(zhuǎn)換器傳給閥門氣壓信號(hào)』制閥門的開度，從而將物料出口溫度控制在規(guī)定的數(shù)值。冷物工藝流程圖如2.1所示——J圖2.1分程控制系統(tǒng)流程圖方案二：選擇性控制系統(tǒng)。出口溫度作為被控參數(shù)，在運(yùn)行過程中，蒸歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編△L/汽和熱水選用隨出口溫度的變化求變化。正常情況下，選擇熱水來進(jìn)行加?熱，一旦出口溫度達(dá)不到要求，選用蒸汽加熱。其工藝流程圖如.2所示熱物料圖2.2選擇性控制系統(tǒng)流程圖確定設(shè)計(jì)方案經(jīng)過對(duì)比可以看到，選擇控制系統(tǒng)只能在熱水和蒸汽中選擇一個(gè)作為加熱介質(zhì)，無法滿足蒸汽熱水同時(shí)加熱。相反分程控制系統(tǒng)可以滿足要求，因此本設(shè)計(jì)選擇使用分程控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，溫度控制器采用反作用方式，蒸汽閥、熱水閥都采用氣開形式。在正常情況下，控制器輸出信號(hào)在一定范圍內(nèi)，熱水閥工作，蒸汽閥關(guān)閉，以節(jié)省蒸汽。當(dāng)換熱器受擾動(dòng)使出口溫度下降時(shí)，溫度控制器輸出器信號(hào)增加時(shí)，蒸汽閥開始打開，以滿足被加熱物，熱水閥全開仍無法穩(wěn)定出口溫度確保出口溫度溫度。測(cè)量值小于設(shè)定值，調(diào)節(jié)器輸出氣壓30.06MPa，熱水反應(yīng)開始前，閥打開，對(duì)物料熱。反映開始后，器的正作用，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出氣壓大于0.06MPa;口溫度尚未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，蒸汽閥打開，同時(shí)對(duì)冷物料加熱。變送器設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下所示。變送器圖2.3分程控制系統(tǒng)框圖第3章各種儀表的設(shè)計(jì)選擇3.1變送器的選擇設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求測(cè)溫范圍為0~180℃，可以采用熱電偶或熱電阻溫度變送器。經(jīng)過查閱資料，適合的有PT100熱電阻溫度變送器和T型熱電偶變送器。T型熱電偶儀表上最大可設(shè)溫度范圍為-200℃~400℃，熱電阻PT100的可用溫度范圍為-200℃―+200℃。PT100范圍比較接近，精度比T型熱電偶要高，而且熱電阻感溫接觸面積大，熱電偶感溫處只是一個(gè)點(diǎn)，因而PT100的準(zhǔn)確性要高。綜上選擇PT100溫度變送器，型號(hào)為L(zhǎng)M-PT100。該歐陽(yáng)家百創(chuàng)編變送器具體參數(shù)如下，實(shí)物圖如圖3.1所示。采集溫度范圍為一200℃―+200℃顯示精度0.1℃綜合精度0.3℃輸出信號(hào)：1~5V圖3.1L3.2執(zhí)“執(zhí)行，的執(zhí)行器的流量，［專業(yè)提出靜壓、h以及流通彳?環(huán)節(jié)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在常用卜制信號(hào)，直接調(diào)節(jié)流體直閥的選型按照工藝和自控卜各個(gè)方面：流體的性狀、網(wǎng)的動(dòng)作方式、管道配置、本設(shè)計(jì)采用分程控制，熱水和蒸汽分別采用一個(gè)調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)安全要求采取氣開形式，由于本控制系統(tǒng)的泄漏量要求嚴(yán)格，壓差較少，因此選用直通單座閥最為合適。經(jīng)過查閱資料，熱水閥選擇Z673H型氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，流量特性為直線流量特性。該產(chǎn)品在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中不斷消化與吸收國(guó)內(nèi)外類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝的先進(jìn)特點(diǎn)。不斷提高產(chǎn)品的科技含量，從一些技術(shù)細(xì)節(jié)著手，完善了閥門的綜合性能。該產(chǎn)品通過配用電磁閥等附件可以完成開、關(guān)兩位置的動(dòng)作的自動(dòng)控制，用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，特別適合于造紙行業(yè)在管道上作調(diào)節(jié)和節(jié)流使用。其技術(shù)參數(shù)如下：工作介質(zhì)：液體介質(zhì)工作壓力：0.015~0.2MPa環(huán)境溫度：-10~100℃工作電壓：220VAC蒸汽」采用頂部_'二敏、流體方便等優(yōu)|量、溫度、液位保持在給允許泄漏量爭(zhēng)性,該調(diào)節(jié)閥1量輕、動(dòng)作靈M生精確、拆裝參數(shù)如壓力、流閥前閥后壓差小歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編的高粘度，含有懸浮物和顆粒狀物質(zhì)流體的調(diào)節(jié)，可避免結(jié)焦、堵塞、便于自凈與清洗的場(chǎng)合。工作壓力：0.03~0.4MPa適用流體溫度：-200~450℃泄漏等級(jí)：IV級(jí)3.3控制器的選書控制器在自動(dòng)控9控過程時(shí)，其被控參:控制器則根據(jù)偏差大，分重要的。當(dāng)干擾作用于被之值偏離給定值而產(chǎn)生偏差。也出變化，并通過執(zhí)行器改變控制參數(shù)，使被控參數(shù)凹到第回，隊(duì)叩技淚干擾對(duì)被控參數(shù)的影響。所以控制器具有把在干擾作用下偏離給定值的被控參數(shù)重新拉回到給定值上的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求接控制系統(tǒng)，選擇DDZ-III型控制器。DDZ-III型控制器的作用是將變器送來的1?5VDC測(cè)量信號(hào)與1?5VDC給定信號(hào)進(jìn)行比較得到偏差信號(hào)，然后再將其偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出4?20mADC信號(hào)，最后通過執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)過程參數(shù)的自動(dòng)控制?？刂破鞯妮斎肫畲笥诹悖ā?gt;0）時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)變化量大于零（y>0），稱為正作用控制器。如控制器的輸入偏差小于零（￡<0）時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)變化量大于零（y>0），稱為反作用控制器。根據(jù)執(zhí)行器和生產(chǎn)過程的特性，為了構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，必須正確地確定控制器的正/反作用，否則整個(gè)控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行?？刂破魇沁x擇正作用還是反作用的，可通過正/反作用切換開關(guān)進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)控制器選用正作用綜上所述本設(shè)計(jì)選擇DT2031型控制器，選用正作用。該控制器為DDZ-III型儀表，其具體參數(shù)如下，實(shí)物圖如3.4所示。輸入信號(hào)：1?5V輸出信號(hào)：4?20mA工作電壓：220V.AC超前時(shí)間Tb：0~99.99%滯后時(shí)間Ts:0-99.99%微分增益Kd：0-100%

3.4PID控制算法PID控制是偏差比例(P),偏差積分(I)和偏差微分(D)控制的簡(jiǎn)稱。PID控制器作為線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)：e(t)=r(t)—y(t)將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，從而對(duì)被對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。在模擬調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律表達(dá)式如下：(3-1)U(t)=k[e(t)+XJ%(t)dt+Tdet)-]pT0 (3-1)i式中，u(t)—調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)e(t)—調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差kp一調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Ti—調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Td一調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間PID控制器各控制環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：為了及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t),以最快速產(chǎn)生控制作用，使偏差向減少的趨勢(shì)變化。積分環(huán)節(jié)：為了保證被控制量y(t)在穩(wěn)定時(shí)對(duì)給定量r(t)的無靜差控制，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則此時(shí)控制輸出量和控制偏差量都保持在某一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱決于積分時(shí)間常數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，選用的為分程控制系統(tǒng)，相當(dāng)于兩個(gè)單回路控制系統(tǒng)，對(duì)與每一個(gè)回路都是比例積分作用，其控制規(guī)律表達(dá)式為：U(t);k[e(t)+TJ%(t)dt](3-2)pT(3-2)第4章系統(tǒng)仿真或模擬調(diào)試本設(shè)計(jì)使用Matlab進(jìn)行仿真，根據(jù)前幾章的分析可知，當(dāng)只有熱水加熱時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，而當(dāng)熱水無法滿足要求同時(shí)用蒸汽加熱時(shí)，可將兩者合并，同樣可以看作單回路。兩個(gè)閥門上的傳遞函數(shù)為：歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編S+1(S+1整個(gè)系統(tǒng)中的主參數(shù)傳遞函數(shù)為：g= 1 e-5550s2+100s+1 (4-2)1_30叫-tDITii}ITinedonaiiuCarrtroLlerparsnstersFillerCDefficientInilisLcondition2根星FunctionBlock，計(jì)算nreferFai2PID中，得到PID設(shè)置參數(shù)如圖4也所示PIDCorrtrollerCantroLLer:PIDInzin1_30叫-tDITii}ITinedonaiiuCarrtroLlerparsnstersFillerCDefficientInilisLcondition2根星FunctionBlock，計(jì)算nreferFai2PID中，得到PID設(shè)置參數(shù)如圖4也所示PIDCorrtrollerCantroLLer:PIDInzinFEDAdvancedProparticinal(PJ=Darivartive(D):iritertiaL圖4.3仿真波形圖本設(shè)計(jì)時(shí)基于熱水和蒸汽的換熱器溫度控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，熱物料的出口溫度干擾因素為物料的流量，在仿真中加入干擾信號(hào)后，對(duì)其再次仿真，得到的干擾仿真波形圖如4.4所示。歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編歐陽(yáng)家百創(chuàng)編第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次設(shè)計(jì)是基于熱水和蒸汽的換交換器溫度控制