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基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计

设计任务
设计换热器温度控制系统
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140±2℃。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。
设计要求
1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；
2、选择传感器、变送器、控制器、执行器（阀），给出具体型号和参数；
3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式，确定阀的流量特性和开闭形式；
4、进行模拟调试或仿真
5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
测量范围：0-180℃
控制温度：140±2℃
最大偏差：5℃；

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天 ）
2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天 ）
3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天 ）
4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式（ 1天），调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。（ 1天）
5、上机实现系统的模拟运行或仿真、答辩。（2天 ）
6、撰写、打印设计说明书（1天 ）

平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字：
总成绩： 年 月 日
摘 要
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位。针对用热水和蒸汽的换热器加热冷物料的系统，采用分程控制系统作为控制方案，运用两个气开式阀门，实现分程控制。该系统通过温度变送器接收并传送热物料的温度，根据出口温度是否达到要求来控制蒸汽阀的开关，从而使物料出口温度保持在一定的值上。该控制方案简单方便，易于操作，且能源利用率高。通过Matlab仿真，仿真结果证明该控制方案可以满足要求，方案设计正确。

关键词：换热器；分程控制；气动阀；Matlab

目 录
第1章 绪论 1
第2章 课程设计的方案论证 2
2.1 系统对象特性分析 2
2.2 系统方案论证 2
2.3 确定设计方案 4
第3章 各种仪表的设计选择 5
3.1 变送器的选择设计 5
3.2 执行器的选择设计 6
3.3 控制器的选择设计 7
3.4 PID控制算法 9
第4章 系统仿真或模拟调试 10
第5章 课程设计总结 13
参考文献 14

绪论换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。尤其在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。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。
在换热器系统中，其出口介质温度的准确地测量和有效控制是优质、高产、节能和安全生产的重要条件。所以，换热器出口物料的控制是工业过程很重要的研究课题。通过调节载热体(蒸汽)的流量来控制换热器出物料的温度维持所需值，提高出口品质，保证产品质量，并最大限度地利用能源。目前，对换热器出口物料的控制大都采用传统的PID控制。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。在实际生产中有一种智能模糊控制技术，在换热器出口物料的控制中，从基本模糊控制器的结构、原理出发，分析影响系统性能的若干问题，对基本的模糊控制器的主要环节作了改进，提出了基于自调整加权因子的智能积分模糊控制器，该控制器控制规则采用带加权因子的解析表达式，并引入智能积分环节，通过MATLAB\SIMULINK工具仿真试验证明，该控制器提高了控制系统的动、静态性能,且具有结构简单、待整定参数少、控制规则简便、易实现、调试方便、适应性强等特点，成功地实现了换热器出口温度的控制。
设计和应用过程控制系统，必须充分注意提高工业生产的经济技术指标，通过自动控制手段来减少能量消耗，以提高经济效益。而在工业生产中，列如在印染、造纸醋酸乙烯等生产过程中，会产生很多废液，如果将其任意排放，对环境将会造成严重污染，并破坏生态平衡。本设计要求用热水和蒸汽用换热器对冷物料进行加热，其中所使用的热水即为工业废水。这样既将废水得到了合理利用节省了能源，又减少了污染保护了环境，符合现代化生产的要求。

第1章 课程设计的方案论证
1.1 系统对象特性分析
本次设计主要是综合应用所学知识，设计换热器温度控制系统，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，使换热器出口温度为某一定值。本设计工艺要求换热器出口温度在一个定值上，在正常情况下，热水阀全开仍不能满足出口温度要求时，调节输出信号同时使蒸汽阀打开，以满足出口温度的工艺要求。被控控制对象为物料出口温度，干扰因素是物料的流量。本设计的主要技术参数如下：
测量范围：0-180℃
控制温度：140±2℃
最大偏差：5℃；
1.2 系统方案论证
影响一个生产过程正常操作的因素很多，但并非对所有影响因素都要进行控制。被控参数是一个输出参数，应为独立变量，与输入量之间应有单值函数关系。对于换热器过程控制系统，人们最关心的是对换热器中介质即冷流体的温度和压力的自动控制与调节，而在这两项当中，温度的自动调节又处于首位。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。根据设计要求并通过查阅资料，有两种方案可以实现换热器温度控制系统。
方案一：选择分程控制系统。选择出口物料温度作为被控参数，蒸汽和热水作为控制参数。选用两个阀门分别控制热水和蒸汽的流量，利用温度传感器将物料出口温度检测传给温度控制器，然后通过温度控制器控制两个阀门的开关动作从而完成对物料的加热。物料的出口温度有温度控制器监控，通过电气转换器传给阀门气压信号，控制阀门的开度，从而将物料出口温度控制在规定的数值。其工艺流程图如2.1所示。

TC
TT
热水
蒸汽
A
B
冷物料

图2.1 分程控制系统流程图

方案二：选择性控制系统。出口温度作为被控参数，在运行过程中，蒸汽和热水选用随出口温度的变化而变化。正常情况下，选择热水来进行加热，一旦出口温度达不到要求，选用蒸汽加热。其工艺流程图如2.2所示。

TC
TT
热水
蒸汽
A
B
热物料
热物料
热物料
<
冷物料

图2.2 选择性控制系统流程图
1.3 确定设计方案
经过对比可以看到，选择控制系统只能在热水和蒸汽中选择一个作为加热介质，无法满足蒸汽热水同时加热。相反分程控制系统可以满足要求，因此本设计选择使用分程控制系统。在这个系统中，温度控制器采用反作用方式，蒸汽阀、热水阀都采用气开形式。在正常情况下，控制器输出信号在一定范围内，热水阀工作，蒸汽阀关闭，以节省蒸汽。当换热器受扰动使出口温度下降时，温度控制器输出信号增加，热水阀全开仍无法稳定出口温度时，蒸汽阀开始打开，以满足被加热物料所需的热量，确保出口温度温度。反应开始前，温度测量值小于设定值，调节器输出气压小于0.06MPa，热水阀打开，对物料加热。反映开始后，物料出口温度不断增加，由于调节器的正作用，当调节器输出气压大于0.06MPa而出口温度尚未达到设定值时，蒸汽阀打开，同时对冷物料加热。
设计该系统的系统框图如下所示。

出口温度
热水阀
蒸汽阀
变送器

图2.3 分程控制系统框图

控制器

第2章 各种仪表的设计选择
2.1 变送器的选择设计
本设计要求测温范围为0~180℃ ，可以采用热电偶或热电阻温度变送器。经过查阅资料，适合的有PT100热电阻温度变送器和T型热电偶变送器。T型热电偶仪表上最大可设温度范围为-200℃～400℃，热电阻PT100的可用温度范围为-200℃～+200℃。PT100范围比较接近，精度比T型热电偶要高，而且热电阻感温接触面积大，热电偶感温处只是一个点，因而PT100的准确性要高。综上选择PT100温度变送器 ，型号为LM-PT100。该变送器具体参数如下，实物图如图3.1所示。
采集温度范围为－200℃～+200℃
显示精度0.1℃
综合精度0.3℃
输出信号：1~5V

图3.1 LM-PT100传感器

2.2 执行器的选择设计
执行器是控制系统的终端控制元件，是重要的环节，气动调节阀在常用的执行器中约占85%以上。调节阀按调节仪表的控制信号，直接调节流体的流量，在控制系统中起着十分重要的作用。调节阀的选型按照工艺和自控专业提出的各项要求进行。在选型中主要考虑以下各个方面：流体的性状、静压、温度、压差、腐蚀性、对阀的泄漏要求、阀的动作方式、管道配置、以及流通能力和可调范围等。
本设计采用分程控制，热水和蒸汽分别采用一个调节阀来实现，根据安全要求采取气开形式，由于本控制系统的泄漏量要求严格，压差较少，因此选用直通单座阀最为合适。
经过查阅资料，热水阀选择Z673H型气动调节阀，流量特性为直线流量特性。该产品在生产与应用过程中不断消化与吸收国内外类似产品结构及制造工艺的先进特点。不断提高产品的科技含量，从一些技术细节着手，完善了阀门的综合性能。该产品通过配用电磁阀等附件可以完成开、关两位置的动作的自动控制，用户可根据实际需要进行选择，特别适合于造纸行业在管道上作调节和节流使用。其技术参数如下：
工作介质：液体介质
工作压力：0.015~0.2MPa
环境温度：-10~100℃
工作电压：220VAC

图3.2 Z673H型调节阀
蒸汽调节阀选择ZZV型气体流量调节阀,具有直线流量特性，该调节阀采用顶部导向结构，配用多弹簧执行机构，具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小，阀前阀后压差小的高粘度，含有悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可避免结焦、堵塞、便于自净与清洗的场合。
工作压力：0.03~0.4MPa
适用流体温度：-200~450℃
泄漏等级：IV级

图3.3 ZZV型调节阀
2.3 控制器的选择设计
控制器在自动控制系统中的地位和作用是十分重要的。当干扰作用于被控过程时，其被控参数发生变化，使相应的测量值偏离给定值而产生偏差。控制器则根据偏差大小，按照一定的规律使其输出变化，并通过执行器改变控制参数，使被控参数回到给定值，从而抵消干扰对被控参数的影响。所以控制器具有把在干扰作用下偏离给定值的被控参数重新拉回到给定值上的功能。
根据设计要求接控制系统，选择DDZ-Ⅲ型控制器。DDZ-Ⅲ型控制器的作用是将变器送来的1~5V DC测量信号与1~5V DC给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PID运算，输出4~20mA DC信号，最后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。
控制器的输入偏差大于零（ε>0）时，对应的输出信号变化量大于零（y>0），称为正作用控制器。如控制器的输入偏差小于零（ε<0）时，对应的输出信号变化量大于零（y>0），称为反作用控制器。根据执行器和生产过程的特性，为了构成一个负反馈控制系统，必须正确地确定控制器的正/反作用，否则整个控制系统无法正常运行。控制器是选择正作用还是反作用的，可通过正/反作用切换开关进行选择。本设计控制器选用正作用
综上所述本设计选择DT2031型控制器，选用正作用。该控制器为DDZ-Ⅲ型仪表，其具体参数如下，实物图如3.4所示。
输入信号：1~5V
输出信号：4~20mA
工作电压：220V.AC
超前时间Tb：0～99.99%
滞后时间Ts: 0～99.99%
微分增益Kd：0～100%

图3.4 DT2031控制器

2.4 PID控制算法
PID控制是偏差比例（P），偏差积分（I）和偏差微分（D）控制的简称。PID控制器作为线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y（t）构成控制偏差e(t)：e(t)=r(t)－y(t)将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，从而对被对象进行控制，故称为PID控制器。在模拟调节控制系统中，控制规律表达式如下：
（3-1）
式中，u(t)－调节器的输出信号e(t)－调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差kp－调节器的比例系数Ti－调节器的积分时间Td－调节器的微分时间PID控制器各控制环节的作用如下：比例环节：为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，以最快速产生控制作用，使偏差向减少的趋势变化。积分环节：为了保证被控制量y(t)在稳定时对给定量r(t)的无静差控制，即当闭环系统处于稳定状态时，则此时控制输出量和控制偏差量都保持在某一个常值上。
积分作用的强弱决于积分时间常数，积分时间常数越大积分作用越弱，反之则越强。微分环节：为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，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，减少调节时间。
对于本设计而言，选用的为分程控制系统，相当于两个单回路控制系统，对与每一个回路都是比例积分作用，其控制规律表达式为：
（3-2）

第3章 系统仿真或模拟调试
本设计使用Matlab进行仿真，根据前几章的分析可知，当只有热水加热时，整个系统相当于一个单回路控制系统，而当热水无法满足要求同时用蒸汽加热时，可将两者合并，同样可以看作单回路。两个阀门上的传递函数为：
（4-1）
整个系统中的主参数传递函数为：
（4-2）

在Matlab进行仿真，仿真框图如图4.1所示。

图4.1 仿真框图

根据选定的调节规律以及系统的参数要求，计算出本系统的调节器参数值。将其输入仿真的PID中，得到PID设置参数如图4.2所示

图4.2 PID参数

根据上图的仿真框图进行仿真，其仿真结果如图4.2所示。

图4.3 仿真波形图

本设计时基于热水和蒸汽的换热器温度控制系统，在该系统中，热物料的出口温度干扰因素为物料的流量，在仿真中加入干扰信号后，对其再次仿真，得到的干扰仿真波形图如4.4所示。

图4.4 施加干扰输出波形

第4章 课程设计总结
本次设计是基于热水和蒸汽的换交换器温度控制系统，使用工业废水和蒸汽作为加热介质，对冷物料进行加热，并使其保持在一定的数值。经过查阅资料，本设计采用了分程控制系统，并根据设计要求，选择了合适的传感器、控制器、执行器以及电气转换器。所选的器件都具有可靠性高、适应性强、经济性好的特点，充分满足了设计的经济适用原则。
控制规律是进行过程控制设计的重要环节，了解调节控制规律对控制质量的影响，合理选择气动阀的气开气关形式和控制器正反作用以及合理选择控制规律，是制定方案及系统仿真的关键步骤。
本设计完成总体设计后，选择了Matlab对设计进行仿真实验。Matlab具有功能强大的数值运算功能，强大的图形处理能力，高级但简单的程序环，丰富的工具箱，非常适合本次设计的方针要求。通过PID参数的设定，利用Matlab仿真，输出了该系统的波形，直观的显示了整个系统的控制规律。通过仿真得到了准确的数据，通过比较，说明了本设计是正确的，满足设计任务书中的各项要求，本次设计圆满完成。

参考文献
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