换热器温度控制系统设计.doc

换热器温度控制系统设计
1、换热设备概述
换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。换热器广泛应用于化工、石化、炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业。换热器应用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备；板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。
2、控制方案的确定
实验控制对象位列管式换热器,主要的扰动是冷物料的流量Q。换热器温度控制系统包括换热器、控制冷流体的离心泵，传感器等设备。实验采用温度流量串级控制，以冷物料出口温度为主对象， 以冷物料流量Q为副对象。

换热器控制图

X
主调节器
LIC101
副调节器

换热器热水出口温

主回路干扰
给定值+
-
换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图
X
-
调节阀

涡街流量计01

流量
换热器热水出口温度

变频器干扰
水泵

3、系统硬件设计

或控制量
型号
参数

温度变送器

（Endress+Hauser）TR13
热保护套管末端类型 直管型
工作温度范围 PT100 (薄膜式(TF)
50 °C...500 °C (58 °F...932 °F)
PT100 (绕线式(WW))：
-200 °C...600 °C (-328 °F...1,112 °F)
PT100 (薄膜式(TF))：
-50 °C...400 °C (58 °F...752 °F)
最大过程压力(静压) 20 °C时：50 bar (725 psi)

流量变送器

（Endress+Hauser）73W涡街流量计
73W参数：
标称口径 DN 15…150 (1/2"…6") 
测量范围 气体: 4…5 210 m3/h 
过程温度 -200...+400°C (-328...+752°F) 
最高可达 +450°C / 842°F (特殊选型) 
输出信号 4…20 mA 电流输出 
防爆认证 ATEX 、FM 、CSA 、TIIS 、NEPSI 、IEC 
防护等级 IP 67 (NEMA 4x) 

控制器

（Autonics）TX4S
TX4S参数
额定电压：
250 V
负载电流：
5 A
室内
控温精度：
0.1 ℃
类型：
智能温度调节控制器
输出额定功率：
6 w
温控范围：
1000 ℃
显示方式：
数字显示

调节阀

D971X
D971X电动蝶阀参数
公称通径 
DN(mm) 
50～2000 
公称压力 
PN(MPa) 
0.6 
1.0 
1.6 
试验压力 
强度试验 
0.9 
1.5 
2.4 
密封试验 
0.66 
1.1 
1.76 
气密封试验 
0.6 
0.6 
0.6 
适用介质 
空气、水、污水、蒸气、煤气、油品等。 
驱动形式 
手动、蜗杆蜗轮传动、气传动、电传动。

4、控制规律选择
调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求
（1）控制器：本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分(PI)控制规律。
（2）调节器：在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，在本设计中，出口温度增大，入口流量应增大，主控制器为负作用，入口流量增大，调节阀开度应减小，副调节器为正作用。

5、 控制参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间常数Ti和微分时间常数Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。下面介绍衰减曲线法整定PID参数。
衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用表示之。由于当衰减比为10：1时。要推测的时间不容易，因此当过渡过程曲线上只看到第一个波峰而第二个看不出来时就认为是衰减比为10：1的振荡过程。此时被控参数上升时间为。根据和，运用表2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
表2 衰减曲线法整定计算公式

衰减率
整定参数
调节规律

δ

Ti

Td

0.9
P

PI
1.2
2

PID
0.8
1.2
0.4
衰减曲线法的第一步就是获取系统的衰减曲线，采用10：1衰减曲线法。取，，可直接将图中的积分环节和微分环节都断开，让δS的值从大到小进行试验.，观察示波器的输出， 直到只看到第一个波峰而第二个看不出来时就认为是衰减比为10：1的振荡过程。

simulink仿真方框图

系统仿真图

根据系统方框图及传递函数做系统仿真，并调节调节器的参数，以便使系统达到最佳的状态,即：=50 =3 时候有系统达到稳定。
总结
在这次课程设计中锻炼了我的自学能力，自学simulink仿真，自己用CAD画图，因为这次课程设计中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关资料来阅读了解。经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有很好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来很多收获。它使我们意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。通过这次实验我对控制系统理解更加深刻，对于今后的学习有很大帮助。
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