换热器温度反馈控制系统.doc

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书

目录
目录 1
1绪论 1
1.1换热设备的概述 1
1.1.1设备的分类 1
1.1.2换热设备的换热目的 1
1.2换热器应用及发展 2
1.3设计任务 2
2换热器温控系统控制方案设计与论证 2
2.1 课程设计的方案论证 2
2.2换热器温度控制系统结构及框图 3
2.3变量选择 4
2.4工作原理及实现功能 4
2.4.1系统工作原理 4
2.4.2系统实现的功能 5
3被控对象特性分析 5
4系统硬件设计 5
4.1 温度变送器 5
4.2 执行器(调节阀) 6
4.3调节器 8
4.3.1调节器的选型 8
4.3.2调节器正反作用的选择 9
4.4系统组成 9
4.4.1原件清单 9
4.4.2系统配接图 9
5控制规律选择及系统仿真 10
5.1调节器控制规律的选择 10
5.2控制参数整定 11
5.3系统仿真 12
总结 13
参考文献 14
本科生课程设计成绩评定表 14

1绪论
1.1换热设备的概述
使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。换热设备广泛应用于炼油、化工、轻工、制药、机械、食品 、加工、动力以及原子能工业部门当中。通常，在某些化工厂的设备投资中，换热器占总投资的30%；在现代炼油厂中，换热器约占全部工艺设备投资的40%以上；在海水淡化工业生产当中，几乎全部设备都是由换热器组成的。换热器的先进性、合理性和运转的可靠性直接影响产品的质量、数量和成本。 　
1.1.1设备的分类　
根据不同的使用目的，换热器可以分为四类：加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器。按照传热原理和实现热交换的形式不同可以分为间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热（冷热流体直接接触）、有液态载热体的间接式换热器四种。在石油、化工生产中间壁式换热器应用的最为广泛。按冷、热流体进行热量交换的形式分为两类：一类是在无相变情况下的加热或冷却，另一种是在相变的情况下的加热或冷却。按传热设备的 结构形式来分，则有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等[1]。 衡量一台换热器好坏的标准是传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构合理，安全可靠，节省材料，成本低，制造、安装、检修方便。 　
1.1.2换热设备的换热目的
在炼油的化工生产中，换热器设备应用极其广泛。进行换热的目的主要有下列四种：
(1) 使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行；
(2) 生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行；
(3) 某些工艺过程需要改变无聊的相态；
(4) 回收热量。
由于换热目的的不同，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，为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不同的工艺要求，被控变量也可以是流量、压力、液位等。
1.2换热器应用及发展
换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。据统计，在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的 30%~40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器，它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到避面的一侧（对流传热），通过间壁内的热传导，再由间壁的另一侧将热传递给冷流体，从而使热物流被冷却，冷物流被加热，满足化工生产中对冷物流或热物流温度的控制要求。
目前,换热器控制中大多数仍采用简单控制系统及传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统。
对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合，可能需要用到串级控制及前馈控制或串级—反馈，前馈—反馈等复杂控制系统。
1.3设计任务
本次设计针对换热器的温度反馈控制系统进行研究。通过对冷却水流量的控制以期实现出口油温度的恒定。具体要求为：
题 目: 换热器温度反馈控制系统
初始条件：润滑油入口温度： 90℃
润滑油出口温度： 45℃
冷却水流量： 40Kg/s
冷却水入口温度： 28℃
2换热器温控系统控制方案设计与论证
2.1 课程设计的方案论证
根据题目要求并通过检阅大量文献，有三种方案可以实现换热器温度控制系统：
方案一:为了克服干扰对系统的影响，选择串级系统。其中润滑油出口温度为被控参数、冷却水流量为控制参数。
方案二:选择前馈-反馈系统。其中润滑油出口温度为被控参数、冷却水流量为控制参数，为了克服主要扰动(润滑油的流量Q)的干扰，在单闭环控制的基础上，加入对润滑油流量的检测，与单闭环控制构成前馈-反馈系统。
方案三:选择温度反馈控制系统。其中润滑油出口温度为被控参数、冷却水流量为控制参数。
以上三个方案都可以实现对换热器的控制，方案一使用串级控制系统，通过引入副回路使控制更加精确，减小了扰动的影响；方案二使用前馈-反馈系统，能实现对特定干扰的提前检测与消除，适用于系统干扰确定且较大的情况；方案三直接使用温度反馈控制系统，通过反馈来实现温度的恒定控制。其中前两种方案控制效果要好一些，但系统实现起来较复杂，在实际生产中，当简单反馈控制系统能满足要求时，一般直接使用简单反馈控制系统。
通过对以上三种方案的分析比较及本次设计的技术参数要求，选择方案三作为换热器温度控制系统的方案即可满足要求。
2.2换热器温度控制系统结构及框图
根据前面的方案分析，换热器温度反馈控制系统控制图如图2-1所示。

图2-1换热器控制图
换热器控制系统结构图如图2-2所示，输出量为被控参数，传感器把它测回到输入端与给定值比较，在由控制器指导执行器对被控参数进行操作。

图2-2换热器控制系统结构图
2.3变量选择
简单控制系统是指那些只有一个被控量、一个操作量，只用一个控制器和一个调节阀所组成的控制回路。根据上述分析可知该系统只需用简单控制系统既能完成控制要求。
被控参数选择润滑油出口温度，主要是因为本系统主要干扰是润滑油流量的变化，当选择冷却水为控制参数，则可以使主要干扰进入系统的位置远离被控参数，从而减小干扰对被参数的影响，提高了系统的控制品质。
控制参数选择冷却水流量。若系统出现故障时，应使冷却水以最大速度进入换热器，避免因换热器温度过高，烧坏换热器。从系统整体来看，扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。因此，选冷却水流量为控制参数。
2.4工作原理及实现功能
2.4.1系统工作原理
换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程：冷流体冷却水和热流体润滑油分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体润滑油的出口温度降低。通过控制冷却水的流量来使润滑油的出口温度稳定在设定值附近。
反馈系统的工作原理是：根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。
2.4.2系统实现的功能
通过控制冷却水的流量来使润滑油的出口温度稳定在设定值附近，即让流进来的热润滑油（90℃）经冷却水冷却后使其出口温度维持在45℃附近。
3被控对象特性分析

4系统硬件设计
4.1 温度变送器
根据题目知，温度测量仪表的选择：由于系统对温度的要求不是很高，而系统的温度范围也在0~100℃之内，则只需要一般的测温元件，故选择K型热电偶。
温度变送器仪表的选择：DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点为电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器——DZ-5130K型热电偶温度变送器。

图4-1 K型热电偶温度变送器
表1 DZ-5130的主要技术指标
供电电源：
24VDC±10%
电源保护：
具有反向保护
输出保护：
输出短路无限制
转换精度：
±0.1~±0.5%F.S
温度漂移：
±0.15% F.S/10℃
隔离性能：
输入/输出/电源全隔离
响应时间：
≤0.1秒(0～90%F.S)
绝缘电阻：
输入/输出/电源间>100 MΩ
环境温度：
-10～55℃
绝缘强度：
输入/输出/电源间>1500VAC(1分钟)
环境湿度：
0～90%RH不结露
外 壳：
耐高温阻燃工程塑料
安装形式： DIN 导轨安装，导轨尺寸 35mm

图4-2 DZ-5130接线图
端子1、2为输入，3、4为补偿电阻，5、6为输出1~5VDC，7、8为电源。
4.2 执行器(调节阀)
调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。
通过调节阀的选择原则，及本系统的要求，阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关，实物图如图4-4所示。为了与气动薄膜式单座直通阀相匹配，还需要选择一个阀门定位器，与之配套使用，电气阀门定位器的型号为HEP-17，主要技术指标为：
(1) 、精度：小于全行程±1%。
(2)、回差：小于全行程1%。
(3)、死区：小于全行程0.4%。
(4)、特性：线性(可改变成快开、等百分比特性)。
(5)、气源压力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。
(6)、最大流量：140NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(7)、耗气量：5NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(8)、环境温度：-25℃～+55℃。
(9)、环境湿度：10-90%RH。
(10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22执行机构时)。
(11)、输入阻抗：250 Ω(4-20mADC) 100Ω(10-50mADC)。
(12)、电气连接：G1/2螺纹。
(13)、气管连接：卡套式气管接头(φ6或φ8)。
(14)、防爆(防护)型式(等级)：隔爆型d(Diibt6)，本质安全型 i(iaIICT6)
(15)外壳材料：铝合金 喷朔工艺处理
(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(长*宽*高)
(17)重 量： 3.5kg
引线端子如图4-3所示。

如图4-3 电气阀门定位器的引线端子图

图4-4 气动薄膜直通单座调节阀
4.3调节器
4.3.1调节器的选型
由于已经选用DDZ-Ⅲ型变送器，所以调节器也选用DDZ-Ⅲ的，选DTZ-2100D。它是全刻度指示调节器，是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型品种，它接受变送器经信号分配器送来的信号征收给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，以电流输出控制执行机构。主要技术指标为：
输入信号： 1-5VDC
给定方式： 内给定1-5DVC
外给定4-20mDVC(250Ω±0.1%)
输出信号： 4-20mADC
闭环跟踪误差： <±0.5%
负载电阻： 205Ω-750Ω
功 能： 自动/手动，非平衡无扰动切换
调节动作： PD；PI；PID
比 例 带：(P)2%-500%
积分时间：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分两档(开关切换)
微分时间：(TD)关、0.04分-10分(开关切换)
微分增益： KD=10
工作环境： 环境温度： 0-50℃；相对湿度： ≤85%(RH)
电源电压： 24VAC±10%
功 耗： 3W
重 量： 3kg

图4-5 DTZ-2100D引线端子图

图4-6 DTZ-2100D实物图
4.3.2调节器正反作用的选择
调节器有正作用和反作用调节器两种。调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。被控过程的特性也分正、反两种。即当被控过程的输入量增加(或减小)时，其输出(被控参数)亦增加(或减小)，此时称此被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称此过程为反作用。
4.4系统组成
4.4.1原件清单
根据前面的选型确定系统的原件清单如表2所示。
表2 控制系统仪表元件清单
名称
数量
名称
数量
K型热电偶温度传感器
1
DTZ-2100D调节器
1
DZ-5130K型热电偶温度变送 器
1
气动薄膜式直通单座阀门
1
HEP-17电气阀门定位器
1

4.4.2系统配接图
将所选元器件连接起来组成系统的配接图如下。

图4-7 控制系统的配接图
用K型热电偶将润滑油的出口温度测量出来送给温度变送器处理，温度变送器将此温度送给调节器分析控制，经一定的处理后输出控制信号给执行机构，即通过阀门定位器控制阀门的开度进而控制冷却水的流量，保证润滑油的出口温度稳定在设定值的附近。
5控制规律选择及系统仿真
5.1调节器控制规律的选择
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。
比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作用的应用受到了限制。积分作用能消除余差，所以当过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，采用比例积分控制规律可以获得较好的控制质量。但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。微分作用具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的控制质量。但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于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。
比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。
比例积分微分(PID)控制规律的微分方程数学模型为：

其中：：为调节器的输出号
：放大倍数
：积分时间常数
：微分时间常数
：设定值与测量值偏差信号
通过以上分析及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微分(PID)控制规律。
5.2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11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。

5.3系统仿真

图5-1 simulink仿真方框图

图5-2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：=40 =3 =1.5 时候有系统达到稳定。
总结
在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，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，另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。而这次设计过程中，我一开始走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。不过经自己的几天努力，最后还是做出来。
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。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实际的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各个方面的能力，不断提高自己。
参考文献
[1] 黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统.第一版.北京:清华大学出版社,2011.
[2] 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.第一版.北京:化学工业出版社,2012.
[3] 张宏建.自动检测技术与装置.北京:化学工业出版社,2010.
[4] 李铁苍.热力过程自动化 .北京：中国电力出版社，2006
[5] 张井岗.过程控制与自动化仪表.北京：北京大学出版社，2007
本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）

2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）

3
设计结果可信（例如：系统建模、求解，仿真结果）（25分）

4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）

5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）

6
答辩（20分）

总分

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

22