液态氨冷却器控制新版系统.doc

目 录
1引言 2
2设计任务和方案分析 2
2.1 控制系统分析和选择 2
2.2选择控制系统设计 3
3系统设计和实施 4
3.1 正常调整器设计 4
3.2 替换调整器设计 4
3.3选择器高低值型式选择 4
3.4温度检测器 6
3.5 液位变送器 7
4系统仿真 7
4.1参数整定 7
4.2 控制器正反作用 9
4.3 仿真 9
小结体会 12
参考文件 13

液态氨冷却器控制系统
1引言
液态氨蒸发冷却器是工业生产中用很多一个换热设备，它利用液氨蒸发吸收大量气化热，来冷却流经管内被冷却物料。通常需要被冷却物料出口温度稳定。此时液氨液位在一定许可范围内。而在非正常工况下，液位高度是不超出给定上限，所以需要使用选择控制方法，经过对液位检测，来判定液位高度是否工作在正常情况，在正常情况下，使用被冷物料出口温度回路控制系统，非正常情况下，使用液位单回路控制系统，二者切换经过选择器自动依据工况实现。
2设计任务和方案分析
2.1 控制系统分析和选择
工艺上要求被冷却物料出口温度稳定为某一定值，所以将被冷却物料出口温度作为被控变量，以液态氨流量为操纵变量，组成正常工况下单回路温度定值控制系统图2-1（a）所表示。从安全角度考虑，调整阀选择气开式，温度控制器选择正作用方法。当被冷却物料出口温度升高时，控制器输出增大，调整阀门开度增大，液态氨流量增大，从而有更多液态氨气化，使被冷却物料出口温度下降。
这一控制方案实际上是基于改变换热器列管淹没在液态氨中多少，以改变传热面积来达成控制温度目标。所以液面高度也就间接反应了传热面积改变情况。在正常工况下，操纵液氨流量使被冷却物料出口温度得到控制，而液位在许可一定范围内改变。假如忽然出现非正常工况，假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使导热系数下降，原来传热面积不能带走一样多热量，只有使液位升高，加大传热面积。假如当液位升高刀全部淹没换热器全部列管时，传热面积以达成极限，出口温度任没有降下来，温度控制器会不停开大调整阀门，使液位继续升高。这时就可能造成生产事故。这时因为气化氨要经过压缩机后，变成液态氨反复使用，假如液位太高，会造成氨中夹带液氨进入压缩机，损坏压缩机叶片。为了保护压缩机安全，要求氨蒸发器有足够气化空间，这就限制了氨液面上限高度（安全软限），这是依据工艺操作所提出限制条件。为此，需要在温度控制系统基础上，增加一个液面超限替换单回路控制系统，图2-1（b）所表示。显然，从工艺上看，操作变量只有液氨流量一个，而被控变量却有温度和液位两个，从而形成了对被控变量选择性控制系统。

（a）通常控制系统 （b）选择性控制系统
图2-1 液态氨冷却器控制系统图
2.2选择控制系统设计
依据以上对液态氨冷却器工艺分析，能够画出整个系统原理框图图2-2所表示。

图2-2：液态氨冷却器控制系统结构框图
3系统设计和实施
3.1 正常调整器设计
选择性控制系统正常情况下是正常调整器回路工作而替换调整器回路不工作；事故时替换调整器回路工作，正常调整器回路不工作，所以2个回路系统可单独按单回路控制系统设计。正常调整器回路可按通常单回路系统设计；先确定被控量(即图1)，控制量，据工艺要求确定实施器气开、气关型式，被控过程(被控对象)特征来确定正常调整器正、反作用。正常调整器规律通常采取PI调整器或PID调整器，而调整器参数整定可按通常工程整定方法整定，如临界百分比度法、4：1衰减曲线等。
3.2 替换调整器设计
替换调整器回路测量值Y：是生产过程中某一个工业参数，它和正常调整器回路中被控参数Y，并非一个参数，当其达成某一个极限值(或大或小)时，生产就会出现事故状态，这时整个系统应该由替换调整器回路工作，这时要求替换回路等效增益大部分，方便有较强控制作用，产生立即保护作用，使系统快速脱离危险状态而回到正常状态，然后又切回到正常调整器回路工作。所以替换调整器也是一个单回路控制系统，可按单回路控制系统设计，通常替换调整器回路为了满足快速性全部只用百分比规律，且该回路百分比增益K，要大部分，这是和正常调整器关键区分。
3.3选择器高低值型式选择
选择器在选择性控制系统中是关键部件，它功效相当于一个二选一开关，它接收正常调整器输出信号a和替换调整器输出信号b，其输出信号c去驱动实施器。高值选择器是接收a信号和b信号数值高者作为选择器输出；低值选择器是选a信号和b信号低值作为输出。看上去问题较简单，但针对一个实际系统怎样确定选择器高低值型式呢?我们首先统计工业生产过程可能出现情况，做出选择器高低值选择表格，如表2-1所表示。

表2-1选择器型号选择统计表

替换调整器回路
正常调整器回路
气开阀
气关阀
正作用
反作用
正作用
反作用
气
开
阀
正作用
高值
高值

反作用
低值
低值

气
关
阀
正作用

低值
低值
反作用

高值
高值

该表格是依据正常调整器回路静态特征和替换调整器回路静态特征联合考虑。表中打 是指不可能出现组合。为清楚起见，我们用静态特征交叉图说明，如正常调整器回路调整阀为气开式，调整器为反作用；替换调整器回路调整阀(和正常调整器一样)为气开式，替换调整器为反作用，画出其静态交叉图(见图2-3)。

图2-3静态特征交叉图
a-a：表示正常调整器静态特征，b-b：表示替换调整器静态特征。

两静态交叉点为G点。箭头表示调整器改变方向。从静态特征图中能够看出选择器应选低值选择器。注意这种情况替换调整器回路静态增益要大于正常调整器回路静态增益。
3.4温度检测器
在本文中，温度变送器选择是热电阻，热电阻是中低温区最常见一个温度检测器。它关键特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻测量正确度是最高，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准基准仪。
和热电偶测温原理不一样是，热电阻是基于电阻热效应进行温度测量，即电阻体阻值随温度改变而改变特征。所以，只要测量出感温热电阻阻值改变，就能够测量出温度。现在关键有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻电阻值和温度通常能够用以下近似关系式表示，即
（7）
式中，为温度t时阻值；为温度时阻值
在此处使用是金属热电阻变送器，使用三线制接法，即在热电阻根部一端连接一根引线，另一端连接两根引线方法称为三线制，这种方法通常和电桥配套使用，能够很好消除引线电阻影响，是工业过程控制中最常见。采取三线制是为了消除连接导线电阻引发测量误差。这是因为测量热电阻电路通常是不平衡电桥。热电阻作为电桥一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻一部分，这一部分电阻是未知且随环境温度改变，造成测量误差。采取三线制，将导线一根接到电桥电源端，其它两根分别接到热电阻所在桥臂及和其相邻桥臂上，这么消除了导线线路电阻带来测量误差。
热电阻和热电偶选择最大区分就是温度范围选择，热电阻是测量低温温度传感器，通常测量温度在-200~800℃，而热电偶是测量中高温温度传感器，通常测量温度在400~1800℃，在选择时假如测量温度在200℃左右就应该选择热电阻测量，假如测量温度在600℃就应该选择K型热电偶，假如测量温度在1200~1600℃就应该选择S型或B型热电偶
　热电阻和热电偶相比有以下特点：
　　（1）一样温度下输出信号较大，易于测量。
　　（2）测电阻必需借助外加电源。
　　（3）热电阻感温部分尺寸较大，而热电偶工作端是很小焊点，所以热电阻测温反应速度比热电偶满；
　　（4）同类材料制成热电阻不如热电偶测温上限高。
在综合分析热电阻和热电偶特点，结合本设计特点，在选择温度检测器时选择是热电阻温度检测器。
3.5 液位变送器
液位变送器在本设计中使用是超声波液位计，超声波液位计是由微处理器控制数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波发射和接收之间时间来计算传感器到被测物体距离。 因为采取非接触测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于多种液体和固体物料高度测量。超声波液位计测量精度关键受声速随温度改变影响。
此部分由ADC0809模数转换芯片和8051连接而成，本电路作用是将采
4系统仿真
4.1参数整定
现在工业上常见控制器关键有三种控制规律；百分比控制规律、百分比积分控制规律和百分比积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。选择哪种控制规律关键是依据广义对象特征和工艺要求来决定。下面分别说明多种控制规律特点及应用场所。
百分比控制器是含有百分比控制规律控制器，它输出p和输入偏差e(实际上是指它们改变量)之间关系为：

百分比控制器可调整参数是百分比放大系数或百分比度，对于单元组合仪表来说。它们关系为：

百分比控制器特点是：控制器输出和偏差成百分比，即控制阀门位置和偏差之间含有一一对应关系。当负荷改变时，百分比控制器克服干扰能力强、控制立即、过渡时间短。在常见控制规律中，百分比作用是最基础控制规律，不加百分比作用控制规律是极少采取。不过，纯百分比控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷改变越大，余差就越大。百分比控制器适适用于控制通道滞后较小、负荷改变不大、工艺上没有提出无差要求系统，比如中间贮槽液位、精馏塔塔釜液位和不太关键蒸汽压力控制系统等。
百分比积分控制器是含有百分比积分控制规律控制器。它输出p和输人偏差e关系为：

百分比积分控制器可调整参数是百分比放大系数 (或百分比度)和积分时间。百分比积分控制器持点是：因为在百分比作用基础上加上积分作用，而积分作用输出是和偏差积分成百分比、只要偏差存在、控制器输出就会不停改变，直至消除偏差为止。所以采取百分比积分控制器，在过渡过程结束时是无余差、这是它显著优点。 不过，加上积分作用，会使稳定性降低，即使在加积分作用同时，能够经过加大百分比度，使稳定性基础保持不变，但超调量和振荡周期全部对应增大，过渡过程时间也加长。
百分比积分控制器是使用最普遍控制器。它适适用于控制通道滞后较小、负荷改变不大、工艺参数不许可有余差系统。比如流量、压力和要求严格液位控制系统，常采取百分比积分控制器。
百分比积分微分控制器是含有百分比积分微分控制规律控制器，常称为三作用（PID）控制器。理想PID控制器，其输出p和输入偏差e之间含有下列关系：

百分比积分微分控制器特点是：微分作用使控制器输出和输入偏差改变速度成百分比，它对克服对象滞后有显著效果。在百分比基础上加上微分作用能提升稳定性，再加上积分作用能够消除余差。所以，合适调整、、三个参数、能够使控制系统取得较高控制质量。百分比积分微分控制器适适用于容量滞后较大、负荷改变大、控制质量要求较高系统，应用最普遍是温度控制系统和成份控制系统。对于滞后很小或噪声严重系统，应避免引入微分作用，不然会因为被控变量快速改变引发控制作用大幅度改变，严重时会造成控制系统不稳定。
对于温度液位选择控制系统参数整定，先按经验法，根据“先正后取”标准，把正常、替换调整器百分比度调到某一合适值，然后由大到小进行调整，使系统过渡过程呈缓慢非周期衰减改变，最终依据过程具体情况，可给主调整器加上积分步骤，调积分时间较大。
替换调整器参数整定，能够经过停留时间法，停留时间是指介质在被控过程被控参数许可改变范围内流过时间。过程时间常数等于停留时间两倍，即

4.2 控制器正反作用
生产过程中期望借助自动控制保持恒定值(或按一定规律改变)变量称为被控变量。在组成一个自动控制系统时，被控变量选择十分关键、它关系到系统能否达成稳定操作、增加产量、提升质量、改善劳动条件、确保安全等目标，关系到控制方案成败。
在本设计中，因为控制对象，当阀门打开时，液位，温度全部上升，所以均为正对象，而阀门时气开阀，依据整个系统组成负反馈性质，控制器应均选择反租用控制器。
4.3 仿真
设某液态氨冷却器控制系统，当输入小于临界值时，选择温度控制，不然为液位控制，假设该系统被控对象传输函数为

设计一个液位——温度选择性控制系统。
依据对被控变量选择性控制系统方框图，建立图4-1所表示Simulink仿真框图。其中PID Controller和PID Controller1模块参数分别设置为Kc、Ki、Kd和Kc1、Ki1、Kd1：模块Step模拟温度输入：Step1模拟液位输入：Switch为选择器，当输入小于阈值时，选择输入下端口3进行温度控制，不然选择输入上端口1进行液位控制：模块Step2和Step3叠加，模拟干扰信号。系统仿真图4-1所表示。

图4-1 液态氨冷却器控制系统仿真图

在无干扰且保护回路不起作用情况下，PID控制器参数可完全根据简单控制系统设计标准来确定。整定后得到很好单位阶跃响应（Kc=6.5、Ki=0.5、Kd=0：Kc1=1.2、Ki1=0.1、Kd1=0），图4-2所表示。

（a）温度控制回路 （b）液位控制回路
图4-2 单位阶跃响应

在时间t=50~60之间加入幅值为0.5干扰信号，此时若无保护回路作用，得到图4-3所表示抗干扰特征曲线。假设选择选择器阈值为1.1，再引入液位控制回路，可得图4-4所表示液位—温度选择性控制系统抗干扰特征曲线。

图4-3 干扰作用下温度控制回路响应

图4-4 液位—温度选择性控制响应
比较以上两图，能够看出引入液位保护控制回路后液位—温度选择器控制系统超调量显著降低。

小结体会
短短一个星期课设结束了，对于这次课设完成我很有成就感。在刚开始接触到这个题目时，我真是很茫然，历来全部没有听说过这么一个控制系统。以后经过上网学习，还有在图书馆学习，我最终明白了这是一个液位—温度选择性控制系统。不过我发觉几乎全部过控书上相关这种控制系统讲解内容极少，而且全部是一样。以后我又上网查了部分相关这种控制系统实例，深入加深了我对这个控制系统认识。为我接下来课设打下了基础。
经过这次课设我学到了很多东西，不仅巩固了我专业知识，同时也让我学到了很多课外知识，比如说matlab仿真，以前全部是用部分很简单工具，但这次仿真是一个复杂系统仿真，刚开始时，我根本不知道从何下手，以后我到图书馆借阅了几本相关matlab书，认真翻阅，有不知道就问同学，在我不懈努力下，我最终完成了系统仿真，这也是我这次课设最大收获。
总来说，我对这次课设完成比较满意。不过感觉做还是有点仓促，部分细节上东西全部没有设计好。期望在以后毕业设计中，我能突破自我，做出我大学四年中最完美一次设计。

参考文件
[1]李国勇.过程控制[M].北京：电子工业出版社，
[2]王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统和仪表[M].北京:机械工业出版社，
[3]严爱军，张亚庭，高学金.过程控制系统[M].北京：北京工业大学出版社，
[4]张井岗.过程控制和自动化仪表[M].北京：北京大学出版社，
[5]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术和应用[M].北京：清华大学出版社，