换热器温度控制系统的设计 过程控制系统与装置 课程设计（论文）.doc

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1、 过程控制系统与装置 课程设计（论文）题目： 换热器温度控制系统的设计 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论 文）题 目换热器温度控制系统的设计课程设计（论文）任务在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热，工艺要求出口温度为1402。当用热水加热不能满足出口温度要求时，则在同时使用蒸气加热，试设计换热器温度控制系统。1.技术要求:测量范围：0-180控制温度：1402 最大偏差：5；2.说明书要求:确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号；确定

2、控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；编写设计说明书。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日目 录第1章 换热器温度控制系统设计概述4第2章 换热器温度控制系统设计方案论证4第3章 系统内容设计73.1 温度传感器的选择73.2 流量变送器的选择83.3 调节器的选择83.4 执行器的选择93.5 变送器的选择113.6 调节阀的选择12第4章 系统性能分析13参数整定134.2.控制算法的确定14第5章 课程设计总结16参考文献17第1章 换热器温度控制系统设计概述换热器的应用广泛，比如中央空调系统，机械润

3、滑油冷却系统，制药消毒系统，饮料行业消毒系统，船用冷却，化工行业特殊介质冷却系统日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾依然十分尖锐。我国的能源利用率很低，只有28%左右。由此可见，我国在节能方面存在着很大的潜力。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两个方面:一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消

4、耗，同时，提高换热器的控制效果，也可以充分满足工业生产对于温度的需求，显著提高产品的质量;另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著的提高设备的热效率。因此，换热器的正确使用、合理设计、控制性能改善等对能源有效利用及开发有着十分重要意义。第2章 换热器温度控制系统设计方案论证根据题目要求并通过检阅大量，因为该系统有两个调节阀分别控制热水流量和蒸汽流量，很显然本系统选择分程控制系统。分程控制系统是根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去控制两个或两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内做全行程动作。下图所示以换热器出口的热物料温度为被控参数、以蒸汽流量和冷物料的流量为控制

5、变量的分程控制变量的分程控制系统，利用A、B两台调节阀分别控制蒸汽流量和热水流量两种不同介质，以满足生产工艺对冷却和加热不同的需求。系统的流程图和框图如下所示： 换热器 TT TC 冷凝水热物料冷物料蒸汽AB热水气关阀气开阀图2.1 分程控制流程图图2.2 分程控制系统框图但当选择分程系统的类型的时候发现有两种系统可以选择。方案一 选择调节阀同向动作的分程控制系统。其中被加热物料出口温度为被控参数、蒸汽入量和热水入量为控制参数，A阀控制热水流量，B阀控制蒸汽流量，A、B都使用气关阀，当调节器输出信号从0.02MPa增大时，阀门B完全打开，阀门A由全开状态开始关闭；当信号达到0.06MPa时，阀

6、门A完全关闭，而阀门B则由全开状态开始关闭；当信号达到0.10MPa时，阀门B也完全关闭。分程曲线如下所示：0100A阀B阀A阀B阀阀门开度（）调节器输出信号/MPa图2.3 调节阀同向动作分程关系曲线方案二 选择调节阀异向动作的分程控制系统。其中被加热物料出口温度为被控参数、蒸汽入量和热水入量为控制参数，A阀控制热水流量，B阀控制蒸汽流量，其中调节阀A为气开式、调节阀B为气关式。当调节器输出信号从0.02MPa增大时，阀B全开、阀A逐渐打开；当信号增大到0.06MPa，阀A完全打开，同时阀B开始关闭；当信号达到0.10MPa时，阀B完全关闭。分程曲线如下所示：0100A阀B阀A阀B阀阀门开度

7、（）调节器输出信号/MPa以上两个方案都可以实现对换热器的控制，方案一使用的分程控制系统工业应用很广泛，应用形式也比较多，一般用于扩大调节阀的可调范围，改善调节阀的工作特性；用于同一被控参数两个不同介质的生产过程。选择方案一时，当物料出口温度过低时，阀门A、阀门B都全开，使冷物料温度得到很快提升，但当物料温度升高时，阀门A、阀门B都完全关闭，物料出口温度又快速下降。选择方案二时，当物料出口温度过低时，蒸汽阀门B全开，阀门A全闭，使物料温度升高，当出口温度过高时，阀门B关闭，阀门A全开。虽然方案二的温度调整速度没有方案一快，但比较稳定。综上所述，调节阀异向动作系统性能稳定，能够应对频繁而剧烈的干

8、扰，适用于对被控参数的精度要求较高的场合，所以本设计采用调节阀异向动作系统。第3章 系统内容设计3.1 温度传感器的选择根据本系统技术要求测量范围在，控制温度在，因此选用、热电偶一体化温度变送器。、热电偶一体化温度变送器测温探头采铂电阻、热电偶，精度高,稳定性好、集传感变送于一体，结构紧凑，安装方便,精度高、功耗低 电流输出型适合长距离传送,抗电磁干扰电路设计，保证变送器在受到各种干扰下能够安全可靠的工作，适于现代电磁污染严重的环境使用，整体密封性能良好，温度量程和外形尺寸可以按户要求订货,灵活方便、产品结构设计合理，过程连接接口灵活方便，体积小，重量轻，安装位置任意、壳体保护材料多样化，适应

9、多种介质测量。Pt100、热电偶一体化温度变送器主要技术指标：温度测量范围：输出信号：、负载电阻：供电电源：功耗：基本误差：0.20.53.2 流量变送器的选择经过对本系统的分析及主要性能指标，选用插入式涡轮流量计，型号为插入式。插入式涡轮流量计的特点：压力损失小，叶轮具有防腐功能，采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强、功耗低、性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于0.02% 仪表系数可由按键在线设置，并可显示在屏上，屏直观清晰，可靠性强。采用对累积流量、仪表系数掉电保护，保护时间大于10年。采用高性能MCU中央处理器，完成数据采集处理显示输出、累积流量瞬时流

10、量同屏显示方便的人机界面实现， 以标准485形式进行数据传输。采用全硬质合金（碳化钨）屏蔽式悬臂梁结构轴承，集转动轴承与压力轴承于一体，大大提高了轴承寿命，并可在有少量泥沙与污物的介质中工作。采用全不锈钢结构，（涡轮采用）防腐性能好。容易维修，有自整流的结构，小型轻巧，结构简单，可在短时间内将其组合拆开，内部清洗简单。有较强抗磁干扰和振动能力、性能可靠、寿命长。下限流速低,测量范围宽，现场显示型液晶屏显示清晰直观，功耗低，3V锂电池供电可连续运行5年以上，耐腐蚀，适用于酸碱溶液。3.3 调节器的选择1.主、副调节器正反作用选择。串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求。因此

11、，对主环和副环都必须使总开环增益为正。一般选择逻辑推理法。因为仪表制造行业与控制理论对偏差的定义正好相反，为了避免混淆，这里不用偏差而用测量值与调节器输出关系来定义调节器的正反作用。具体定义为：若测量信号增加（隐含的假定是：设定值不变）调节器的比例作用的输出也增加的称正作用，否则为反作用。对于串级系统，因为主、副回路都可以看成是一个单回路，所以要确定串级系统主、副调节器的正反作用步骤为：首先根据生产安全要求，确定调节阀气开、气关形式；再确定副调节器的正、反作用；最后确定主调节器的正、反作用。对于图所示的串级控制系统，其控制器正反作用的选择步骤如下。对副回路 为保证调节阀出故障时，生产处于安全状

12、态，调节阀选择气开阀。 设干扰使氨气流量增加，即调节器测量值大于给定值，为保证系统的副反馈作用，调节器输出必须减小，才能使调节阀开度减小。最终使流经调节阀的氨气流量减小，恢复到给定值。 根据以上分析可知为满足调节系统的负反馈作用，调节器的测量值增大，而输出值减小与测量值成反比，因此调节器定为反作用。对主回路调节阀的开关形式，保持副回路选择形式：气开阀副调节器的正反作用保持不变。设主回路测量值氧化炉温度增加，即主调节器测量值大于给定值，先假设主调节器为正作用，调节器输出必然增大，也就是副调节器的给定值也增大。由于副调节器已选定为反作用，因此副调节器的输出增大，使调节阀开度增大。最终使流经调节阀的

13、氨气流量增大，从而使氧化炉的温度更高，整个系统成为正反馈，主参数不恢复到给定值。这说明主调节器作用选错了，应采用反方向作用：反作用。2.主、副调节器的调节规律选择凡是设计串级控制系统的场合，对象特性总有较大的滞后，主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。而副回路是随动回路，允许存在余差。从这个角度来讲，副调节器不需要积分作用，一般只采用P作用。如当温度作副变量时，副调节器不宜加积分。这样可以将副回路的开环静态增益调整的较大，以提高克服干扰的能力；如果要加入微分作用，一定要采用“微分先行”，因为副回路是个随动系统，设定值是经常变化的，调节器的微分作用，会引起调节阀的大幅跳动，并引起很大的超调。

14、但是如果副回路是流量（或液体压力）系统时，它们的开环静态增益、时间常数都较小，并且系统存在高噪声。因此在实际生产上，流量（或液体压力）副调节器常采用PI作用，以减少系统的波动。3.4 执行器的选择最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构可分解为两部分：将控制器输出信号转换为控制阀的推力或力矩的部件称为力或力矩转换部件；将推力或力矩转换为直线或角位移的部件称为转换部件。调节机构将位移信号转换为流通面积的变化，改变操纵变量的数值。根据所使用的能源，执行机构分为气动、电动和液动三类。它们各有特点，适用于不同的场合。气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，

15、其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。由于气动执行机构有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，在发电厂、化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。液动执行器的推力很大，现在一般都是机电一体化的，但比较笨重，所以现在很少有人使用。电动执行机构防爆性能较差，电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被札住时电机容易受损。尽管电动执行器进几年来不断扩大且有扩大应用的趋势，但不如气动执行机构在应用上普遍。气动执行机构结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆的优点，所以在工业生产中得到广泛的应用。执行机

16、构的选择类型主要考虑的因素性是：（1）可靠性（2）经济性（3）动作平稳，足够的输出力（4）结构简单，维护方便。气开控制阀和气关控制阀中的“气”是指输入到执行机构的信号。气开控制阀指当输入到执行机构的信号增加时，流过控制阀的流量增加；反之，气关控制阀指当输入到执行机构的信号增加时，流过控制阀的流量减小。因此，故障时，气开控制阀处于全关状态，气关控制阀处于全开状态。分程控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是

17、主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。 本系统中选择上海沪京阀门厂生产的气动保温球阀。

18、该产品具有良好的保温保冷特性，且阀门的通径与管径一致，同时又能有效降低管路中介质热量损失。主要用于石油、化工、冶金、制药、食品等各类系统中，以输送常温下会凝固的高粘度介质。由于采用整体式结构，因而保温球阀比一般球阀何种更小，重量更轻，且无外漏，密封性能良好，夹套采用碳素钢管焊接比铸造的更加耐压牢固。3.5 变送器的选择检测变送环节的作用是将温度经检测、变送单元转换为标准信号。检测变送环节的工作原理图如图3.2 所示。标准信号检测元件变送器过程变量温度 图3.1 检测变送环节工作原理检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能正确反映加热炉的温度，误差应小；迅速指应能及

19、时反映加热炉温度的变化；可靠是检测元件和变送器的基本要求，它能在环境工况下长期稳定运行。由于检测元件直接与加热炉的温度接触，因此应选用抗高温的检测元件，能够长期稳定运行；其次，应考虑检测元件的精确度和响应的快速性；还有就是检测元件和变送器的线性特性。检测变送仪表的量程应满足读数误差的精确度要求，即。由于在反馈通道，因此，在满足系统稳定性和读数误差的条件下，较小，有利于增大控制器的增益，使前向通道的增益增大，即有利于克服扰动的影响。（1）温度变送器的选择在换热器温度串级控制系统中可以选用、系列热电偶温度变送器，该变送器是系列仪表中的现场安装式温度变送器单元，与工业热电偶配套使用，它采用二线制传输

20、方式。将工业热电偶信号转换成与输入信号或温度信号成线性的、的输出信号。该温度变送器可直接安装在热电偶的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表可广泛应用与冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研部门等。主要特点a.采用硅橡胶或环氧树脂密封结构，因此耐震、耐湿、适合在恶劣的现场环境安装使用。b.现场安装在热电偶的接线盒内，直接输出、的输出信号。这样既节约了昂贵的补偿导线费用，又提高了信号远距离传输过程中的抗干扰能力。c.热电偶变送器具有冷端温度自动补偿功能。d.精度高、功耗低，使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。工作原理热电偶传感器将被测温度转换成电信号，再将该信号送入变送器

21、的输入网络，该网络包含调零和热电偶补偿等相关电路。经调零后的信号输入到运算放大器进行信号放大，放大的信号一路经转换器计算处理以后以直流电流输出；另一路经转换器处理后到表头显示。变送器的线性化电路有两种，均采用反馈方式。技术参数a.输入信号：热电偶：、。智能型温度变送器的输入信号可通过手持器和机任意设置。b.输出信号：在量程范围内输出直流信号，与热电偶输入信号成线性。智能型温度变送器输出直流信号同时叠加符合HART标准协议通信。c.测温范围：采用镍铬康铜材质的热电偶温度变送器，其测温范围为：。（2）流量变送器的选择 在换热器温度串级控制系统中选用流量变送器。智能采用数字化传感器单晶硅谐振式传感器

22、，传感器输出一对差值数字信号，在传感器部分直接消除外界干扰。产品具有更高的精度、更高的稳定性、可靠性。3.6 调节阀的选择1气开、气关的选择：本系统为换热器温度控制系统，通过系统的工作原理分析，阀门A（热水）为气开阀，阀门B（蒸汽）为气关。2流量特性的选择：此调节阀只有直线、等百分比两种流量特性，对于本系统应选择等百分比型流量特性。因为等百分比型阀门在小开度时控制作用和在大开度时控制能力相等，这对于蒸汽的控制是有利的。3、的选择： ；第4章 系统性能分析在工程实践中，串级控制系统调节器常用的整定方法有逐步逼近法、一步法和两步法。（1）逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。具体

23、步骤为： 先断开主回路，整定副调节器。 后闭合主回路，整定主调节器。 重新调整副调节器参数，。 若未达到控制要求，再调整主调节器参数。 以上步骤循环进行，直到满足（逼近）控制指标为止。对于不同的控制系统和不同的控制指标的要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。（2）一步整定法由于两步整定法要寻求两个4：1的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。（3）两步整定法两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定

24、主调节器参数。在换热过程中，换热器温度与蒸气流量组成串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过，冷物料流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。系统调节器参数采用两步整定法，过程如下。 在系统设计时，主调节器选用控制规律，副调节器选用控制规律。在系统稳定允许条件下，主、副调节器均置于纯比例作用，主调节器的比例度置于100，用4：1衰减曲线法整定副调节器的参数，得=32，=15s。两步整定法的调节器参数经验数据如表4-1所示 表4-1 两步整定法的调节器参数经验数据调节规律调节参数比例度/%积分时间 微分时间 将副调节器的比例度置于32上，用相同的方法整定，将主调节器的比

25、例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的=50，=7min。 根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式（见上表3-1），计算主、副调节器的整定参数为：主调节器（温度调节器）：比例度=40,积分时间副调节器（流量调节器）：比例度= =40 把上述计算的参数分别设置在主、副调节器上，使串级控制系统在该参数下运行。实际运行，换热器温度稳定，完全满足生产工艺的要求。当采用数字计算机作为控制系统，例如采用进行直接数字控制时，对各种数据的处理在时间上是离散的。数字控制方式的特点是采样控制，设采样周期为则每经过一个采样周期进行一次数据采样、控制运算和数据输出。数字控制算法分为位置算法、增量算法和速

26、度算法三种。本系统采用增量算法。 （41）其中公式4-1中为积分环节系数，为微分环节系数。， 为比例系数; 为采样周期; 为积分时间常数; 为微分时间常数。数字增量算法程序框图如图4.1所示。回路处于自动调内存 取形成采样指令，采样计算增量输出 形成输出采样指令，并输出送内存NYPID调节器各校正环节的作用：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值

27、变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。第5章 课程设计总结本次课设是换热器温度控制系统，主要作用是实现以冷物料的加热，因此用单回路闭环系统就可实现对换热器出口温度控制。但同冷物料流量不稳定，是本系统的最主要扰动，为了克服冷物料流量变化对被控参数的影响，在单回路闭环系统的基础上加入前馈控制，构成前馈-反馈系统，这样就能克服主要扰动(冷物料流量)的影响，而其他扰动如，冷物料的初温、蒸汽压力波动等，单回路闭环系统自己又可以克服，因此本系统基本满足要求。本系统温度变送器极用、热电偶一体化温度变送器，流量变送器采用插入式涡轮流量计，调节阀为气开形式，温度

28、控制器为反作用，流量控制器为正作用。串级控制系统中有两台调节器，这就提高了调节器的总放大系数。系统中调节器的放大系数越大，克服干扰就越有力。特别当干扰落在副回路内时，由于响应快、控制及时，大大提高了系统的抗干扰能力。（1）提高工作频率从副环频率特性看，当副调节（流量调节）回路按随动控制系统整定成衰减震荡状态时，副环可以近似为1：1的比例环节。从输入输出关系看，当副调节器含有积分控制作用时，副环的测量与设定在静态时影响等，这表示副环的输入与输出相等，即副环是1：1的比例环节。这表明广义对象可近似表示为主被控对象、主被控变量的检测变送环节的串联，动态特性得到明显改善。串级控制系统的工作频率大于单回

29、路控制系统的工作频率。这对及时克服干扰、消除偏差、提高控制质量是有利的。（2）具有一定的适应能力在串级控制系统中，主回路是一个定值系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随主调节器的输出而变化的。主调节器可以根据操作条件和负荷的变化，不断地调整副控制器的给定值，从而保证在负荷和操作条件变化时，控制系统仍然具有较好的品质，这就提高了系统对负荷和操作条件变化的适应能力。系统投运时和简单控制系统的投运要求一样，串级控制系统的投运的过程也必须保证无扰动切换。这里采用先副回路后主回路的投运方式。具体步骤为：(1)将主、副调节器切换开关都置于手动位置，副调节器处于外给定（主调节器始终为内给定）。(2)用

30、副调节器的手动拨盘操纵调节阀，使生产处于要求的工况（即主变量接近设定值，且工况较平稳）。这时可调整主调节器的手动拨盘，使副调节器的偏差表头指“零”，接着可将副调节器切换到自动位置。由于在手动状况，电动调节器的自动输出电流可以自动跟踪手动电流，所以这个切换过程会是无扰动的。(3)假定在主调节器切换到“自动”之前，主变量偏差已接近“零”，则可稍稍修正主调节器设定值，使偏差为“零”，并将主调节器切换到“自动”，然后逐渐改变设定值使它恢复到规定值；假定在主调节器切换到“自动”之前，主变量存在较大偏差，一般的做法是手操主调节器输出拨盘，使这一偏差减小后再进行上述操作。参考文献1 何衍庆,俞金寿.工业生产

31、过程控制,北京:化学工业出版社,20032 胡寿松.自动控制原理（第四版）,北京:科学出版社,2002 3 孙优贤,邵惠鹤.工业过程控制技术-应用篇,北京:化学工业出版社,20064 孙优贤,褶健.工业过程控制技术-方法篇,北京:化学工业出版社,20065 王树青.工业过程控制工程,北京:化学工业出版社,20036 翁维勤.过程控制系统及工程,北京:化学工业出版社,20027 金以慧.过程控制,北京:清华大学出版社,19938 邵惠鹤.工业过程高级控制,上海:上海交通大学出版社,19979 蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程（第二版）,北京:中国石化出版社,199910 吴勤勤.电动控制仪表及装置,北京:化学工业出版社,2000