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目錄 目錄 1 1、題目 2 2、換熱器概述 2 2.1換熱器的用途 2 2.2換熱器的工作原理及工藝流程圖 2 3、控制系統(tǒng) 3 3.1控制系統(tǒng)的選擇 3 3.2工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖 3 4、被控對象特性研究 4 4.1 被控變量的選擇 4 4.2 操縱變量的選擇 4 4.3 被控對象特性 5 4.4 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 6 5、過程檢測控制儀表的選用 7 5.1 測溫元件及變送器 7 5.2 執(zhí)行器 9 5.3 調(diào)節(jié)器 10 5.4、儀表型號清單列表 11 6、系統(tǒng)方塊圖 11 7、調(diào)節(jié)控制參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能 12 7.1調(diào)節(jié)控制參數(shù) 12 7.2 PID參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真 13 7.3 系統(tǒng)性能分析 15 8、參考文獻(xiàn) 16 1、 題目 熱交換器出口溫度的控制。 2、 換熱器概述 2.1 換熱器的用途 換熱器又叫做熱交換器（heat exchanger），是化工、石油、動力、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。進(jìn)行換熱的目的主要有下列四種： ?.使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反應(yīng)或其他工藝過程很好的進(jìn)行；?.生產(chǎn)過程中加入吸收的熱量或除去放出的熱量，使工藝過程能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行；?.某些工藝過程需要改變無聊的相態(tài)；④.回收熱量。 由于換熱目的的不同，其被控變量也不完全一樣。在大多數(shù)情況下，被控變量是溫度，為了使被加熱的工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，常常取出溫度問被控溫度、調(diào)節(jié)加熱蒸汽量使工藝介質(zhì)出口溫度恒定。對于不同的工藝要求，被控變量也可以是流量、壓力、液位等。 2.2 換熱器的工作原理及工藝流程圖 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管程和殼程，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。冷流體通過多級離心泵流經(jīng)換熱器的殼程。在換熱器的冷熱流體進(jìn)口處均設(shè)置一個調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。 圖2 換熱器溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖 從傳熱過程的基本方程式可知，為了保證出口的溫度平穩(wěn)，滿足工藝生產(chǎn)的要求，必須對傳熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)傳熱量有以下幾條途徑： ?、調(diào)節(jié)載熱體的流量。調(diào)節(jié)載熱體流量大小，其實只是改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)K和平均溫差△Tm，對于載熱體在加熱過程中不發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱速率方程的熱系數(shù)K；而對于載熱體在傳熱過程中發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱方程中的△Tm。 ?、調(diào)節(jié)傳熱平均溫差△Tm。這種控制方案滯后較小反應(yīng)迅速，應(yīng)用比較廣泛。 ?、調(diào)節(jié)傳熱面積F。這種方案滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。 ④、將工藝介質(zhì)分路。該方案是一部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱,另一部分走旁路。 在設(shè)計傳熱設(shè)備自動化控制方案時，要視具體傳熱設(shè)備的特點和工藝條件而定。而在某些場合，當(dāng)被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度較低，采用低壓蒸汽作載熱體，傳熱面積裕量又較大時，為了保證溫度控制平穩(wěn)及冷凝液排除暢通，往往以冷凝器流量作為操縱變量，調(diào)節(jié)傳熱面積，以保持出口溫度恒定。 3、 控制系統(tǒng) 3.1控制系統(tǒng)的選擇 由于本次設(shè)計的任務(wù)控制換熱器被加熱物料出口溫度，工藝過程主要就是冷熱流體熱交換，且外來干擾因素主要是載熱體的流量變化，故選擇單回路控制系統(tǒng)便可以達(dá)到預(yù)定的控制精度。 3.2 工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖 單回路控制系統(tǒng)又稱為簡單控制系統(tǒng)，是有一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個控制器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計，投資少、便于施工，并能滿足一般的一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用，其方框圖如下圖所示。 圖1、 單回路控制系統(tǒng)方框圖 其中，被控變量：被加熱物料的出口溫度； 操縱變量：載熱體的流量。 如圖所示：測量元件及變送器對冷物料出口溫度進(jìn)行測量，得到測量值Ym并傳送給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器把Ym與內(nèi)部給定值 Ys比較得到偏差信號e按一定的調(diào)節(jié)運(yùn)算規(guī)律計算出控制信號，并將控制信u號傳送給執(zhí)行器，執(zhí)行器接收到控制信號u，自動的改變閥門的開度，改變蒸汽的流量。 4、被控對象特性研究 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，必須對傳遞的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。 4.1 被控變量的選擇 影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多,但并非對所有影響因素都要進(jìn)行控制.被控參數(shù)是一個輸出參數(shù),應(yīng)為獨立變量,與輸入量之間應(yīng)有單值函數(shù)關(guān)系.對于換熱器過程控制系統(tǒng),人們最關(guān)心的是對換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調(diào)節(jié),而在這兩項當(dāng)中,溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位.因為出口水溫直接影響產(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). 4.2 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，影響冷物料出口溫度的有很多因素，比說冷物料的流量，載熱體的流量，載熱體的溫度等。冷物料是工藝所需要的，不能選用冷物料作為被控變量，而若選載熱體溫度作為操縱變量，改變其溫度還需改變其他工藝過程如鍋爐的溫度，考慮工藝合理性，我選擇對熱流體流量進(jìn)行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。 4.3 被控對象特性 換熱器系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)中，其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分析，這個方案的控制流程圖如圖6。 圖6 換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖 為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，根據(jù)能量守恒定律，熱流體失去的熱量應(yīng)該等于冷流體吸收的熱量，熱量平衡方程為： 式中，q為傳熱速率（單位時間內(nèi)傳遞的熱量）；G為質(zhì)量流量；c為比熱容；T為溫度。式中的下標(biāo)處1為載熱體；2為冷流體；i為入口；o為出口。 傳熱過程中的傳熱速率為： 式中，K為傳熱系數(shù)；F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： 當(dāng)時，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算術(shù)平均值來代替，算術(shù)平均值表示為： 由于冷流體間的傳熱既符合熱量平衡方程，又符合傳熱速率方程，因此有下列關(guān)系 整理后得 從上式可以看出，在傳熱面積F、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是傳熱系數(shù)K以及平均溫差。 4.3 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)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)進(jìn)行比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)或比例積分微分(PID)運(yùn)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(biāo)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。在一般情況下控制質(zhì)量較高，但最后有余差。對于過程控制通道容量較大，純時延較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求又不太高的場合，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(xué)模型為： 比例積分(PI)控制規(guī)律，結(jié)合了比例控制反應(yīng)快，積分控制能消除余差。但是當(dāng)過程控制通道的純時延和容量時延都較大時，由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(xué)模型為： 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)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(yán)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(xué)模型為： 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(dāng)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(xué)模型為： 其中：：為調(diào)節(jié)器的輸出號 ：放大倍數(shù) ：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 通過以上幾種調(diào)節(jié)規(guī)律的分析及本系統(tǒng)是溫度控制為被控參數(shù)，溫度檢測本身具有滯后性，為了彌補(bǔ)這個缺點，本系統(tǒng)選用比例積分微分(PID)控制規(guī)律。 5、過程檢測控制儀表的選用 5.1 測溫元件及變送器 根據(jù)生產(chǎn)實踐和現(xiàn)場使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應(yīng)原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導(dǎo)線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計有以下特點： ①測溫精度高、性能穩(wěn)定； ②結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好； ③將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，便于信號遠(yuǎn)傳和實現(xiàn)多點切換測量； ④測溫范圍廣，可達(dá)-200~2000℃； ⑤形式多樣，適用于多種測溫條件； 被控溫度在500℃以下，由[1]表3-5選用鉑熱電阻溫度計，為了提高檢測精度，應(yīng)采用三線制接法，并配用DDZ-Ⅲ型熱電偶溫度變送器。 DDZ-Ⅲ型熱電偶溫度變送器主要性能指標(biāo)如下： ①測量范圍 最小量程3mV，最大量程60mV；零點遷移-50~+50mV。 ②基本誤差 ③溫度特性 環(huán)境溫度每變化25℃，附加誤差不超過千分之五。 ④恒流性能 當(dāng)負(fù)載電阻在0~100Ω范圍變化時，附加誤差不超過千分之五。 ⑤防爆指標(biāo) 結(jié)構(gòu)為安全火花型；防爆等級為HⅢe；防爆額定電壓為220V AC/DC。 其優(yōu)點有以下幾點： ①采用了低漂移、高增益的線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性和各項性能指標(biāo)。 ②在熱電偶溫度變送器中用線性化電路，使變送器輸出信號與被測溫度信號保持了線性關(guān)系。 ③線路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全柵的功能。 熱電偶溫度變送器是由熱電偶輸入回路和放大回路兩部分組成。為了得到線性關(guān)系，必須使放大回路具有非線性，熱電偶輸入溫度變送方框圖如圖所示。因而有溫度變送器的傳遞函數(shù) w(s)=w1(s)w2(s) 式中 ——溫度變送器的傳遞函數(shù)； ——熱電偶的傳遞函數(shù)； ——放大回路的傳遞函數(shù)； 由于變送器放大回路的放大系數(shù)K很大，故放大回路的傳遞函數(shù)可以認(rèn)為等于反饋電路的傳遞函數(shù)的倒數(shù)，即 則熱電偶輸入溫度變送器的傳遞函數(shù)為 5.2 執(zhí)行器 根據(jù)生產(chǎn)工藝原則以及被控介質(zhì)特點，選用電動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥體）兩部分組成。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）兩種，原理和電路原理完全相同，只是輸出機(jī)械傳動部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)工藝條件及流體特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號成正比。 DKZ系列直行程電動執(zhí)行器是由DKZ直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與直通單座調(diào)節(jié)閥或直通雙座調(diào)節(jié)閥組裝而成的，具有推力大、定位精度高、反應(yīng)速度快、滯后時間少、能源消耗低、安裝方便、供電簡便、在電源突然斷電時能自動保持調(diào)節(jié)閥原來的位置等特點。 DKZ系列直行程電動執(zhí)行器主要技術(shù)參數(shù) 輸入信號 0~10mA.DC、4~20mA.DC 輸入電阻 200Ω（Ⅱ型）、250Ω（Ⅲ型） 輸入通道 3個隔離通道 基本誤差 2.5% 回差 1.5 死區(qū) 3%（1~3%可調(diào)） 純滯后 1s 電源電壓 220V.AC、50Hz 使用環(huán)境條件 環(huán)境溫度 執(zhí)行機(jī)構(gòu)-10~+55℃ 相對溫度 執(zhí)行機(jī)構(gòu)95% 型號規(guī)格表 機(jī)座號 型號 出軸推力（N） 出行程（mm） 全程時間（s） Ⅰ DKZ-310C DKZ-310BC 4000 10 8 16 12.5 25 20 DKZ-410C DKZ-410BC 6400 40 32 60 48 Ⅱ DKZ-510C DKZ-510BC 1600 60 37 100 62 流體流經(jīng)閥體是的阻力損失為局部阻力損失，所以對不可壓縮流體而言，流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的阻力損失為 式中 ——調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)； ——流過閥的流體平均流速； ——閥前壓力； ——閥后壓力； 閥體體積流量，接管截面積為A，則 由該式可見，在調(diào)節(jié)閥口徑一定，也不變的情況下，流量僅隨阻力系數(shù)的變化而變化。當(dāng)移動閥芯使開度改變時，阻力系數(shù)也隨之變化，從而改變了流量的大小，達(dá)到了調(diào)節(jié)流量的目的。 5.3 調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，從而推動執(zhí)行器工作，對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。 目前在中國工業(yè)上廣泛應(yīng)用的DDZ-Ⅲ型電動調(diào)節(jié)儀表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先進(jìn)可靠的防爆結(jié)構(gòu)。選用DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器 DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù) 輸入信號 1~5V.DC 內(nèi)給定信號 1~5V.DC 外給定信號 4~20mA.DC 調(diào)節(jié)作用（比例+積分+微分） 比例帶：2~500% 積分時間：0.01~2.5分 微分時間：0.04~10分（可切除） 輸入、給定指示表 指示范圍：0~100%，誤差：1% 輸出指示表 指示范圍：0~100%，誤差：25% 輸出信號 4~20mA.DC 負(fù)載電阻 250~750Ω 工作條件 環(huán)境溫度：0~45℃ 工作振動：頻率25Hz 5.4、儀表型號清單列表 儀表型號清單 元件 型號 輸入信號范圍 數(shù)量 熱電偶溫度變送器 SBWR/Z 3~60mV 1 執(zhí)行器 DKZ 4~20mA.DC 1 調(diào)節(jié)器 DTZ-2100 1~5V.DC 1 6、系統(tǒng)方框圖 根據(jù)換熱器出口溫度單回路控制方案圖可得方塊圖如下： 換熱器出口溫度單回路控制圖 7、調(diào)節(jié)控制參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能 7.1調(diào)節(jié)控制參數(shù) 1. 變送測量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來近似表示： 式中，與測量儀表的量程有關(guān)；≥0為流量測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位為分(min)。在實際過程中這些參數(shù)基本不變。假設(shè)有=10%/（T/hr） 2.假設(shè)執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，而且 3. 對于該控制系統(tǒng)，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為 ； 調(diào)節(jié)器選定PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中為比例系數(shù)；為積分時間；為微分時間[5]。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品質(zhì)，需要確定PID控制器的一些參數(shù)，而這些參數(shù)很難由計算獲得，需要通過實驗采用飛升曲線確定該對象慣性時間和純滯后時間。由傳函的出各參數(shù)的關(guān)系如下式： ； ；。 7.2 PID參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真 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(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過理論計算確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。 臨界比例度法：首先求取在純比例作用下的閉環(huán)系統(tǒng)為等幅振蕩過程時的比例度δk和振蕩周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。通常將等幅振蕩下的比例度和振蕩周期分別稱為臨界比例度和臨界周期。臨界比例度法便于使用，而且在大多數(shù)控制回路中能得到較好的控制品質(zhì)。 臨界比例度法整定參數(shù)的具體步驟是：將調(diào)節(jié)器的積分作用和微分作用全部除去，在純比例的情況下，按比例度δ從大到小的變化規(guī)律，對應(yīng)于某一δ做小幅度的設(shè)定值階躍干擾，直到獲得等幅振蕩過渡過程曲線，在MATLAB中的Simulink工具箱組件中進(jìn)行系統(tǒng)的仿真 如下圖： 圖11 simulink仿真方框圖[7][8] 圖12 溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng)（臨界振蕩曲線）（Kp=7） 此時：Kp=9， Ki=0，Kd=0；即臨界比例度 δ=1Kp100%=11.11%；由圖可得出臨界周期Tk=3.8。 表5 臨界比例度法經(jīng)驗算式 控制規(guī)律 δ/% Ti Td P 2δk PI 2.2δk 0.85Tk PID 1.7δk 0.5Tk 0.13Tk 最后根據(jù)臨界比例度經(jīng)驗算式算出各參數(shù)的整定數(shù)值：δ=19.0，Ti=1.9，Td=0.494；即Kp=5.2， Ki=2.7， Kd=2.56。調(diào)試得出下圖： 令Kp=5.2，Ki=2.7，Kd=2.56.調(diào)試后得出下圖： 溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng) 衰減比為n=12.5/3.2≈4，符合要求 7.3 系統(tǒng)性能分析 ?最大偏差A(yù)：A=22.5 ?超調(diào)量： ?衰減比n：是過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比， ④回復(fù)時間ts，也稱過渡時間，是指被控變量從過渡狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)的時間間隔，即整個過渡過程所經(jīng)歷的時間，通常在被控變量進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值得5%的范圍內(nèi)不再超出時，就認(rèn)為被控變量已達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，所以ts=12min ⑤余差：是指過渡過程終了時，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差。即 ⑥振蕩周期T：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[4]，即T=4min。 8、參考文獻(xiàn) [1] 王 毅 張早校 過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用 化學(xué)工業(yè)出版社 [2] 陳敏恒 叢德滋 方圖南 齊明齋 化工原理 化學(xué)工業(yè)出版社 [3] 王能超 計算方法---算法設(shè)計及其MATLAB實現(xiàn) 高等教育出版社