换热器温度控制新版系统简单控制新版系统.docx

目录
目录 1
1、题目 2
2、换热器概述 2
2.1换热器用途 2
2.2换热器工作原理及工艺步骤图 2
3、控制系统 3
3.1控制系统选择 3
3.2工艺步骤图和系统方框图 3
4、被控对象特征研究 4
4.1 被控变量选择 4
4.2 操纵变量选择 4
4.3 被控对象特征 5
4.4 调整器调整规律选择 6
5、过程检测控制仪表选择 7
5.1 测温元件及变送器 7
5.2 实施器 9
5.3 调整器 10
5.4、仪表型号清单列表 11
6、系统方块图 11
7、调整控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 12
7.1调整控制参数 12
7.2 PID参数整定及系统仿真 13
7.3 系统性能分析 15
8、参考文件 16

1、 题目
热交换器出口温度控制。
2、 换热器概述
2.1 换热器用途
换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它很多工业部门通用设备，在生产中占相关键地位。进行换热目标关键有下列四种：
.使工艺介质达成要求温度，以使化学反应或其它工艺过程很好进行；‚.生产过程中加入吸收热量或除去放出热量，使工艺过程能在要求温度范围内进行；ƒ.一些工艺过程需要改变无聊相态；④.回收热量。
因为换热目标不一样，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下，被控变量是温度，为了使被加热工艺介质达成要求温度，常常取出温度问被控温度、调整加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不一样工艺要求，被控变量也能够是流量、压力、液位等。
2.2 换热器工作原理及工艺步骤图
换热器温度控制系统换热器工作原理工艺步骤以下：冷流体和热流体分别经过换热器管程和壳程，经过热传导，从而使热流体出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，经过循环泵流经换热器管程，出口温度稳定在设定值周围。冷流体经过多级离心泵流经换热器壳程。在换热器冷热流体进口处均设置一个调整阀，能够调整冷热流体大小。

图2 换热器温度控制系统工艺步骤图
从传热过程基础方程式可知，为了确保出口温度平稳，满足工艺生产要求，必需对传热量进行调整，调整传热量有以下几条路径：
、调整载热体流量。调整载热体流量大小，其实只是改变传热速率方程中传热系数K和平均温差△Tm，对于载热体在加热过程中不发生相变情况，关键是改变传热速率方程热系数K；而对于载热体在传热过程中发生相变情况，关键是改变传热方程中△Tm。
‚、调整传热平均温差△Tm。这种控制方案滞后较小反应快速，应用比较广泛。
ƒ、调整传热面积F。这种方案滞后较大，只有在一些必需场所才采取。
④、将工艺介质分路。该方案是一部分工艺介质经换热,另一部分走旁路。
在设计传热设备自动化控制方案时，要视具体传热设备特点和工艺条件而定。而在一些场所，当被加热工艺介质出口温度较低，采取低压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较大时，为了确保温度控制平稳及冷凝液排除通畅，往往以冷凝器流量作为操纵变量，调整传热面积，以保持出口温度恒定。

3、 控制系统
3.1控制系统选择
因为此次设计任务控制换热器被加热物料出口温度，工艺过程关键就是冷热流体热交换，且外来干扰原因关键是载热体流量改变，故选择单回路控制系统便能够达成预定控制精度。
3.2 工艺步骤图和系统方框图
单回路控制系统又称为简单控制系统，是有一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调整器和一个控制器所组成闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足通常通常生产过程控制要求，所以在生产过程中得到广泛应用，其方框图以下图所表示。

图1、 单回路控制系统方框图
其中，被控变量：被加热物料出口温度； 操纵变量：载热体流量。
图所表示：测量元件及变送器对冷物料出口温度进行测量，得到测量值Ym并传送给调整器，调整器把Ym和内部给定值 Ys比较得到偏差信号e按一定调整运算规律计算出控制信号，并将控制信u号传送给实施器，实施器接收到控制信号u，自动改变阀门开度，改变蒸汽流量。

4、被控对象特征研究
换热器是传热设备中较为简单一个，也是最常见一个。通常它两侧介质(工艺介质和载热体)在换热过程中均无相变。换热器换热目标是确保工艺介质加热(或冷却)到一定温度。为确保出口温度平稳，满足工艺要求，必需对传输热量进行调整。
4.1 被控变量选择
影响一个生产过程正常操作原因很多,但并非对全部影响原因全部要进行控制.被控参数是一个输出参数,应为独立变量,和输入量之间应有单值函数关系.对于换热器过程控制系统,大家最关心是对换热器中介质即冷流体温度和压力自动控制和调整,而在这两项当中,温度自动调整又处于首位.因为出口水温直接影响产品质量、产量、效率及安全性,即本系统把换热器出口水温作为被控参数.
4.2 操纵变量选择
在控制系统中，用来克服干扰对被控变量影响，实现控制作用变量就是操纵变量。将出口温度维持在一定值，影响冷物料出口温度有很多原因，比说冷物料流量，载热体流量，载热体温度等。冷物料是工艺所需要，不能选择冷物料作为被控变量，而若选载热体温度作为操纵变量，改变其温度还需改变其它工艺过程如锅炉温度，考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控制，确保出口温度稳定。
4.3 被控对象特征
换热器系统在连续生产中，其控制原理可经过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这个方案控制步骤图图6。

图6 换热器温度控制系统工艺步骤图

为了处理方便，不考虑传热过程中热损失，依据能量守恒定律，热流体失去热量应该等于冷流体吸收热量，热量平衡方程为：

式中，q为传热速率（单位时间内传输热量）；G为质量流量；c为比热容；T为温度。式中下标处1为载热体；2为冷流体；i为入口；o为出口。
传热过程中传热速率为：

式中，K为传热系数；F为传热面积；为两流体间平均温差。
其中，平均温差对于逆流、单程情况为对数平均值：

当初，其误差在5%以内，可采取算术平均值来替换，算术平均值表示为：

因为冷流体间传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，所以有下列关系

整理后得

从上式能够看出，在传热面积F、冷流体进口流量、温度和比热容一定情况下，影响冷流体出口温度原因关键是传热系数K和平均温差。
4.3 调整器调整规律选择
调整器作用是对来自变送器测量信号和给定值比较所产生偏差e(t)进行百分比(P)、百分比积分(PI)、百分比微分(PD)或百分比积分微分(PID)运算，并输出信号到实施器。选择调整器控制规律是为了使调整器特征和控制过程特征能很好配合，使所设计系统能满足生产工艺对控制质量指标要求。
百分比控制规律(P)是一个最基础控制规律，其适用范围很广。在通常情况下控制质量较高，但最终有余差。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷改变不大，工艺要求又不太高场所，可选择百分比控制作用。
百分比控制规律(P)微分方程数学模型为：

百分比积分(PI)控制规律，结合了百分比控制反应快，积分控制能消除余差。不过当过程控制通道纯时延和容量时延全部较大时，因为积分作用轻易引发较大超调，可能出现连续振荡，所以要尽可能避免用百分比积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内流量或压力控制，采取百分比积分作用其效果甚好，所以应用较多。
百分比积分(PI)控制规律微分方程数学模型为：

百分比微分(PD)控制规律，因为引入微分，含有超前作用，对于被控过程含有较大容量时延场所，会大大改善系统控制质量。不过对于时延很小，扰动频繁系统，因为微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。
百分比微分(PD)控制规律微分方程数学模型为：

百分比积分微分(PID)作用是一个理想控制作用，通常均能适应不一样过程特征。当要求控制质量较高时，可选择这种控制作用调整器。
百分比积分微分(PID)控制规律微分方程数学模型为：

其中：：为调整器输出号
：放大倍数
：积分时间常数
：微分时间常数
：设定值和测量值偏差信号
经过以上多个调整规律分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身含有滞后性，为了填补这个缺点，本系统选择百分比积分微分(PID)控制规律。
5、过程检测控制仪表选择
5.1 测温元件及变送器
依据生产实践和现场使用条件和仪表性能，我们选择一般热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其关键元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点：
①测温精度高、性能稳定；
②结构简单，易于制造，产品交换性好；
③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；
④测温范围广，可达-200~℃；
⑤形式多样，适适用于多个测温条件；
被控温度在500℃以下，由[1]表3-5选择铂热电阻温度计，为了提升检测精度，应采取三线制接法，并配用DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器。
DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器关键性能指标以下：
①测量范围 最小量程3mV，最大量程60mV；零点迁移-50~+50mV。
②基础误差
③温度特征 环境温度每改变25℃，附加误差不超出千分之五。
④恒流性能 当负载电阻在0~100Ω范围改变时，附加误差不超出千分之五。
⑤防爆指标 结构为安全火花型；防爆等级为HⅢe；防爆额定电压为220V AC/DC。
其优点有以下几点：
①采取了低漂移、高增益线性集成电路，提升了仪表可靠性、稳定性和各项性能指标。
②在热电偶温度变送器中用线性化电路，使变送器输出信号和被测温度信号保持了线性关系。
③线路中采取了安全火花防爆方法，兼有安全栅功效。
热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回路两部分组成。为了得到线性关系，必需使放大回路含有非线性，热电偶输入温度变送方框图图所表示。所以有温度变送器传输函数
w(s)=w1(s)×w2(s)
式中 ——温度变送器传输函数；
——热电偶传输函数；
——放大回路传输函数；
因为变送器放大回路放大系数K很大，故放大回路传输函数能够认为等于反馈电路传输函数倒数，即

则热电偶输入温度变送器传输函数为
5.2 实施器
依据生产工艺标准和被控介质特点，选择电动实施器。电动实施器由实施机构和调整机构（阀体）两部分组成。电动实施机构又可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区分。根据特征不一样，电动实施机构可分为百分比式和积分式。依据工艺条件及流体特征，我选择直行程（DKZ型）百分比式电动实施器，其输出直线位移和输入电流信号成正比。
DKZ系列直行程电动实施器是由DKZ直行程电动实施机构和直通单座调整阀或直通双座调整阀组装而成，含有推力大、定位精度高、反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源忽然断电时能自动保持调整阀原来位置等特点。

DKZ系列直行程电动实施器关键技术参数
输入信号
0~10mA.DC、4~20mA.DC
输入电阻
200Ω（Ⅱ型）、250Ω（Ⅲ型）
输入通道
3个隔离通道
基础误差
2.5%
回差
1.5
死区
3%（1~3%可调）
纯滞后
1s
电源电压
220V.AC、50Hz
使用环境条件
环境温度
实施机构-10~+55℃
相对温度
实施机构95%

型号规格表
机座号
型号
出轴推力（N）
出行程（mm）
全程时间（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

流体流经阀体是阻力损失为局部阻力损失，所以对不可压缩流体而言，流体流经调整阀时阻力损失为

式中 ——调整阀阻力系数；
——流过阀流体平均流速；
——阀前压力；
——阀后压力；
阀体体积流量，接管截面积为A，则

由该式可见，在调整阀口径一定，也不变情况下，流量仅随阻力系数改变而改变。当移动阀芯使开度改变时，阻力系数也随之改变，从而改变了流量大小，达成了调整流量目标。
5.3 调整器
调整器又称控制器，是组成自动控制系统关键仪表，其作用是将参数测量值和要求参数值相比较后，得出被调量偏差，再依据一定调整规律产生输出信号，从而推进实施器工作，对生产过程进行自动调整。
现在在中国工业上广泛应用DDZ-Ⅲ型电动调整仪表含有良好性能，且采取安全火花型防爆方法，含有优异可靠防爆结构。选择DTZ-2100型全刻度指示调整器

DTZ-2100型全刻度指示调整器相关参数
输入信号
1~5V.DC
内给定信号
1~5V.DC
外给定信号
4~20mA.DC
调整作用（百分比+积分+微分）
百分比带：2~500%
积分时间：0.01~2.5分
微分时间：0.04~10分（可切除）
输入、给定指示表
指示范围：0~100%，误差：1%
输出指示表
指示范围：0~100%，误差：25%
输出信号
4~20mA.DC
负载电阻
250~750Ω
工作条件
环境温度：0~45℃
工作振动：频率25Hz

5.4、仪表型号清单列表

仪表型号清单
元件
型号
输入信号范围
数量
热电偶温度变送器
SBWR/Z
3~60mV
1
实施器
DKZ
4~20mA.DC
1
调整器
DTZ-2100
1~5V.DC
1
6、系统方框图
依据换热器出口温度单回路控制方案图可得方块图以下：

换热器出口温度单回路控制图
7、调整控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能
7.1调整控制参数
1. 变送测量步骤可用一阶步骤来近似表示：

式中，和测量仪表量程相关；≥0为流量测量步骤时间常数，单位为分(min)。在实际过程中这些参数基础不变。假设有=10%/（T/hr）
2.假设实施器（调整阀）为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且

3. 对于该控制系统，假设控制通道和扰动通道动态特征可表示为
；

调整器选定PID调整器，其传输函数为
式中为百分比系数；为积分时间；为微分时间[5]。为使系统取得良好控制品质，需要确定PID控制器部分参数，而这些参数极难由计算取得，需要经过试验采取飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。由传函出各参数关系以下式：
； ；。
7.2 PID参数整定及系统仿真
PID参数整定方法就是确定调整器百分比系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td，改善系统静态和动态特征，使系统过渡过程达成最为满意质量指标要求。通常能够经过理论计算确定，但误差太大。现在，应用最多还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界百分比带法和反应曲线法。
临界百分比度法：首先求取在纯百分比作用下闭环系统为等幅振荡过程时百分比度δk和振荡周期Tk，然后依据经验公式计算出对应调整器参数。通常将等幅振荡下百分比度和振荡周期分别称为临界百分比度和临界周期。临界百分比度法便于使用，而且在大多数控制回路中能得到很好控制品质。
临界百分比度法整定参数具体步骤是：将调整器积分作用和微分作用全部除去，在纯百分比情况下，按百分比度δ从大到小改变规律，对应于某一δ做小幅度设定值阶跃干扰，直到取得等幅振荡过渡过程曲线，在MATLAB中Simulink工具箱组件中进行系统仿真
以下图：

图11 simulink仿真方框图[7][8]

图12 温度单回路控制系统设定值跟踪响应（临界振荡曲线）（Kp=7）

此时：Kp=9， Ki=0，Kd=0；即临界百分比度 δ=1Kp×100%=11.11%；由图可得出临界周期Tk=3.8。
表5 临界百分比度法经验算式
控制规律
δ/%
Ti
Td
P
2δk

PI
2.2δk
0.85Tk

PID
1.7δk
0.5Tk
0.13Tk

最终依据临界百分比度经验算式算出各参数整定数值：δ=19.0，Ti=1.9，Td=0.494；即Kp=5.2， Ki=2.7， Kd=2.56。调试得出下图：
令Kp=5.2，Ki=2.7，Kd=2.56.调试后得出下图：

温度单回路控制系统设定值跟踪响应
衰减比为n=12.5/3.2≈4，符合要求

7.3 系统性能分析
最大偏差A：A=22.5
‚超调量：

ƒ衰减比n：是过渡过程曲线上同方向相邻两个波峰之比，
④回复时间ts，也称过渡时间，是指被控变量从过渡状态回复到新平衡状态时间间隔，即整个过渡过程所经历时间，通常在被控变量进入新稳态值得5%范围内不再超出时，就认为被控变量已达成新稳态值，所以ts=12min
⑤余差：是指过渡过程终了时，被控变量新稳态值和设定值之差。即
⑥振荡周期T：是指过渡过程第一个波峰和相邻第二个同向波峰之间时间间隔[4]，即T=4min。
8、参考文件
[1] 王 毅 张早校 过程装备控制技术及应用 化学工业出版社
[2] 陈敏恒 丛德滋 方图南 齐明斋 化工原理 化学工业出版社
[3] 王能超 计算方法---算法设计及其MATLAB实现 高等教育出版社