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减压炉出口温度控制设计

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2020年4月19日
文档仅供参考

《化工过程控制工程课程设计报告》

题 目：XXXXXXXXXXXXXX

学 院： 工程学院
专 业： 自动化专业
班 级： 自动化1001
姓 名： 沈久路
指导教师： 朱玉华

6月7 日

目录

1课程设计目的…………………………………………………………3
2设计的题目和要求………………………………………………… 3
2.1设计的题目……………………………………………………… 3
2.2 课程设计的题目描述和要求…………………………………… 3
3课程设计报告内容……………… ………………………………… 3
3.1设计方案……………………………………………………………3
3.2串级控制系统各部分工作原理……………………………………4
3.3控制算法的选择与参数整定………………………………………6
3.4串级控制系统的优点………………………………………………7
3.5串级控制系统的应用场合…………… …………………………10
4设计心得………………………………………………………… …10

1.课程设计目的
课程设计为学生提供了一个既动手又动脑，独立实践的机会，将课本上的理论知识和实际有机的结合起来，锻炼学生的分析解决实际问题的能力。
经过本课程的课程设计，培养学生用工程的观点来解决工程实际问题，提高学生的实践能力，为毕业设计打下一定的基础。
2.根据设计的内容来确定课程设计的题目
2.1设计题目：减压炉出口温度控制系统设计
2.2 课程设计题目描述和要求
图１所示为某工业生产中的减压炉，其任务是将常底油加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。减压炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，减压到炉出口工艺所要求的温度。在减压用的燃料气管道上装有一个调节阀，用以控制高压燃料气，以达到控制出口温度的目的。

高压燃料气
常底油
FC
FC
TC1
FC
FC
TC2
F-1002
图2-1 减压炉F-1002出口温度与炉膛温度串级控制系统流程图

可是，由于扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对减压炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。
3.课程设计报告内容
3.1设计方案
串级控制简介：
减压炉工艺过程为：被减压物料流过排列炉膛后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料气，以达到控制出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以减压炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。

高压燃料气
常底油
FC
FC
TC1
FC
FC
TC2
F-1002
图3-1减压炉F-1002出口温度与炉膛温度串级控制系统流程图

串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器经过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由减压炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框如图。

主温度控制器
副温度控制器
副温度对象
主温度对象
副温度测量元件及变送器

——
主温度测量元件及变送器
——————
给定值
干扰2
干扰1
图3-2 减压炉F-1002出口温度与炉膛温度串级控制系统方块图

主变量
——
控制阀
副变量

3.2论述方案的各部分工作原理；
(1)测温元件：对于主控制器选用Pt100热电阻，对于副控制器选用热电偶
(2)选择各控制器的控制规律（PID）、正反作用。
1.串级控制系统的原理：
为了克服单回路控制的缺陷，作为有效的、经济的高级控制方案，串级控制系统在实际生产活动中被广泛的采用。图2为串级控制系统的方框图。
主温度控制器
副温度控制器
副温度对象
主温度对象
副温度测量元件及变送器

——
主温度测量元件及变送器
——————
给定值
干扰2
干扰1
减压炉F-1002出口温度与炉膛温度串级控制系统方块图

主变量
——
控制阀
副变量

从串级系统方块图能够看出，该系统有两个环路：一个内环和一个外环。习惯上称内环为副环，外环为主环。处于副环的内控制器、对象和变送器分别称副变送器、副对象、和副变送器。副对象的输出称副被控变量，简称副变量。处于主环的内控制器、对象和变送器分别称主变送器、主对象、和主变送器。主对象的输出称主被控变量，简称主变量。对于本次设计的TC1温度控制器为主控制器，炉出口温度是主变量，TC2温度控制器为副控制器，炉膛温度是副变量。而且主控制器的输出即为副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。
一般的，主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，因此，主环是一个定制控制系统。而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器的输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。
串级调节系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，经过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。一般，串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。为了提高系统的调节性能，希望主副环的工作频率错开相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象而破坏正常工作。
综上所述，串级控制方案是一种高效、精确的控制系统。可是要发挥串级系统的优势，副回路的设计是个关键。副回路设计合理，串级系统的特点可得到充分发挥。
2.主、副调节器的控制规律选择
在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，能够有余差，一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。
3.控制器的的作用方式
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv>0 。然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，因此 Ko2 >0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，因此副调节器 K 2>0 ，副调节器作用方式为反作用方式。
主调节器作用方式的确定：
炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 > 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，因此副调节器的放大系数 K 1> 0，主调节器作用方式为反作用方式。
控制阀的作用方式
首先确定调节阀，要求控制减压炉的出口温度，当炉出口温度升高TC1的输出值作为TC2给定值，控制阀接收到的TC2的温度信号，控制阀的膜头输入压力增大，控制阀的开度要减小，经过减小燃料气的输入来减低炉出口温度。可是出于生产工艺安全考虑，防止炉内燃料气烧干引起爆炸，因此燃料气调节阀应选用气开式。
3.3控制算法选择及参数整定 
我们选择两步整定法来整定串级控制系统的参数  
主回路设计：减压炉温度串级控制系统是以减压炉出口温度为主要被控参数的控制系统。其它被控参数有炉膛温度。温度调节器对被控参数TC1精确控制与温度调节器对来自燃料气干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度TC2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油（常压油）出口温度TC1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。 
副回路设计：副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料气由于其成分变化，对控制过程产生极大干扰。因此，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，经过调整副参数炉膛温度TC2能够有效地影响主参数原料油出口温度TC1，提高了主参数的控制效果。
3.4串级控制系统的优点
串级控制系统在结构上与单回路控制相比，由于在结构上多了一个副回路，因而具有以下主要特点。
(1)由于副回路的存在，改进了对象的特性，使系统的工作效率提高
Gc1(s)
Gc2(s)
Go2(s)
Go1(s)
Gm2(s)

——
Gm1(s)
——————
R1(s)

图3-2串级控制系统的方块图

Y1(s)
——
Gv(s)
Y2(s)
R2(s)

Gc1(s)
Gc2(s)
Gv(s)
Go21(s)
Go1(s)
Gm1(s)
R1(s)
串级控制系统等效的方块图 图中Go21(s)称为等效副对象，可推倒出：

Go21(s)=Go2(s)/[1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)] 3-1
假定副回路各环节传递函数分别为：
Gc2(s)=Kc2,,Gv(s)=Kv，Go2=Ko2/(1+To2s),Gm2(s)=Km2,根据式（3-1）可得：
Go21(s)=Go2(s)/[1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)]=Ko2/[1+Kc2KvKo2Km2+To2s]=Ko21/(1+To2s1) 3-2
式中
Ko21=Ko2/(1+Kc2KvKo2Km2) 3-3 To21=To2/(1+Kc2KvKo2Km2) 3-4
因为在任何条件下1+Kc2KvKo2Km2>1,因此可得
Ko21<Ko2 3-5
To21<To2 3-6
这就是说，在串级控制系统中以一个时间常数和放大倍数都缩（1+Kc2KvKo2Km2）倍的等效副对象代替了原来的副对象。而且随着副控制器放大倍Kc2数整定得越大，等效副对象的放大倍数和时间缩小的越明显。
等效副对象的时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节，这会使系统的反应速度加快，控制更加及时。而且，一般来说，副对象的时间常数To2比主对象的时间常数To1要小，而比测量变送环节及控制阀的时间常数要大。也就是说，副对象的时间常数在系统中是属于中间大小的时间常数。能够证明，在一个系统中，中间大小的时间常数的减小，有利于提高控制质量，提高系统的可控性。
由式（3-3）也能够看到，在等效副对象时间常数缩小的同时，它的放大倍数也缩小了。从控制角度看，控制通道放大倍数缩小了，似乎对克服干扰不利，可是这一缺陷可经过增大主控制器放大倍数的办法来加以弥补。
（2） 串级系统具有较强的抗干扰能力
串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，特别是当干扰作用于副环的情况下，系统的抗干扰能力会更强。这是因为当干扰作用于副环时，在它还没影响到变量之前副控制器首先对于干扰作用采取抑制措施，进行“粗调”。比如在减压炉温度控制系统中，炉膛温度的变化属于副环干扰。当炉膛温度的变化导致燃料气量的变化，采用串级控制，一旦炉膛温度变化，TC2的温度控制器就会将立即采取控制措施，将控制阀门开大（或者关小），把因炉膛温度变化的导致燃料气的变化的干扰抑制下来，进行“粗调”。这样炉膛温度的变化对炉出口温度的影响大为减小。当这种影响在炉出口温度中反映出来时，又会由TC1的温度控制器再进一步采取控制措施，即所谓“细调”。最终完全克服干扰的影响，使主变量炉出口温度回复到原先的给定值上。显然，由于串级控制系统的主、副控制器一起作用的结果，其控制质量提高。
（3）串级控制具有一定的自适应能力
采用的串级控制，主环是一个定值系统，而副环却是一个随动系统。主控制器能够根据操作条件和负荷的变化（从主变量变化中体现出来），不断修改副控制器的给定值，以适应操作条件和负荷变化的情况。如果对象有非线性特性存在，那么能够把它设计处于副回路之中，当操作条件或者负荷发生变化时，虽然副回路的衰减比发生一些变化，稳定裕度会降低一些，可是它对主回路的稳定性影响却很小，具体分析如下。
等效副对象的放大倍数为：
Ko21=Ko2/(1+Kc2KvKo2Km2)
在一般情况下，1+Kc2KvKo2Km2>>1,当操作条件或者负荷变化使Ko2发生变化时，对等效副对象的放大倍数Ko21的影响却很小，这样对主回路的影响也就很小。
另外，等效副回路的传递函数为：
G2(s)=Gc2(s)Gv(s)Go2(s)/[1+Go2(s)Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)] 3-7
用前面所设的副环各环节传递函数带入上式，并经简后得：
G2(s)=Kc2KvKo2/[(1+Kc2KvKo2Km2)+To2s]=K2/(1+T2s)
式中
K2=kc2KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2) 3-8
T2=To2/(1+Kc2KvKo2Km2) 3-9
由式(3-8)可知，当副控制器的放大倍数Kc2整定得足够大时，副环前向通道的放大倍 数将远大于1，即Kc2KvKo2Km2>>1,就可近似写为：
K2=Kc2u、KvKo2/(1+Kc2KvKo2Km2)≈Kc2KvKo2/Kc2KvKo2Km2=1/Km2 3-10
这就是说，当副控制器的放大倍数整定得足够大时，等效副回路的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数Km2,而与副对象的放大倍数Ko2无关。由以上分析能够看出，串级系统具有一定的自适应能力。
3.5串级控制系统主要应用场合
串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
4.设计心得
此次课程设计----减压炉出口温度控制系统设计，使用到了过程控制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、串级控制系统的整定方法，PID调节器的参数工程整定等。
在设计时，在主控制器和副控制器的选择上，考虑到主被控变量是炉出口温度，允许波动的范围很小，要求无余差，主控制器选了PI控制。副控制器直接采用了P控制，考虑到如果引入积分控制可能反而会降低副回路的快速性，降低控制效果。
经过此次课程设计，就让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。本次设计虽然设计思路大致上是正确的，但很多方面存在问题，希望老师能够指教。
参考文献
[1]孙洪程，翁为勤，魏杰，《过程控制系统及工程》，北京，化学工业出版社，
[2]张虎，王银锁，《过程控制系统应用技术》，北京，化学工业出版社，