换热器温度控制系统的设计.docx

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换热器温度控制系统的设计

1换热器温度控制系统的组成与特点

1.1换热器的组成

换热器温度控制系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。

根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。

其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。

1.2系统控制过程的特点

换热器温度控制过程有如下特点：

换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。

被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。

换热器的温度控制系统工艺流程如下：

冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。

热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。

冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。

在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。

在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。

多级离心泵的转速由便频器来控制。

1.3引起换热器出口温度变化的扰动因素

简要概括起来，引起换热器出口温度变化的扰动因素主要有：

（1）热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口阀门的开度和循环泵压头的影响。

热流体的温度主要受到加热炉加热温度和管路散热的影响。

（2）冷流体的流量和温度的扰动。

冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速和阀门的开度等因素的影响。

（3）加热炉的启停机的影响。

（4）室内温度与管路内气体变化和阀门开度的影响。

2换热器温度控制原理

2.1换热器温度控制原理介绍

图2.1为蒸汽水换热器的工作原理图。

加热介质为蒸汽，冷流体为水，控制目标是通过调节蒸汽流量来保证换热器出口热水温度稳定，温度控制器由微机控制。

T，T1～T3温度传感器M电动调节阀

图2.1换热器温度控制原理图

其工作原理为：

温度传感器T测量换热器出水温度，把信号传送至DDC现场控制器，此为温度控制的主回路。

同时，控制器还接受室外温度传感器T3发出的辅助信号，控制器根据预先设置的工作曲线，调整出水温度的设定值，控制电动调节阀M的开度，调节换热器入口的高温介质流量，使得换热器出水温度随室外温度变化（见图2.2）。

图2.2换热器出水温度与室外温度关系曲线

2.2换热器一般温控系统

根据换热器的结构及一般热力学原理，可得被控对象传递函数的近似表达式：

（2.1）

式中GP（s）———对象的传递函数；

K———对象的放大系数；

TS———对象的时间常数；

τ———对象的纯时间滞后；

Go（s）———对象传递函数中不含纯滞后的部分。

可以看出，它是一个带纯滞后的一阶惯性环节。

一般的温控系统如图2.3所示。

图2.3一般温控系统方框图

图中R（s）为参扰。

从图2.3可以得出换热器一般温控系统闭环传递函数为：

（2.2）

由于特征方程里含有e-τs项，这对控制系统稳定性极其不利，若τ足够大，系统就很难稳定；而且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器的设计变得复杂。

2.3Smith预估器的控制机理

Smith预估器控制的基本思路是：

预先估计过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿控制，力图使被延迟了τ的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量并加速调节过程。

对于带长时滞过程而言，Smith预估器是一种非常有效的通用的补偿器，其主要优点在于滞后时间能从闭环系统的特征方程中消除。

然而，预估器要求被控对象的数学模型非常准确，这在实际工程中很难办到，特别是对积分和非稳定系统，其控制更为困难。

Smith预估器控制原理图如图2.4所示。

图2.4Smith预估控制器原理图

图中U（s）为控制器的输出，L（s）为系统外扰（也称负荷扰动），GL（s）是C（s）对L（s）的传递函数，GS（s）为Smith预估补偿器的传递函数。

若Smith预估补偿器的传递函数为

GS（s）=Go（s）（1-e-τs）（2.3）

由图2.4可得Smith预估控制器的传递函数Φ（s）为

（2.4）

另有（2.5）

由式（2.4）、（2.5）可以看出，在定值和外扰作用下的闭环特征方程中均不包含受控对象的纯延迟，因而起到了纯延迟的补偿作用。

与式（3.4）对应的动态结构图如图5所示。

与图2.5所示原理图等效的控制系统，很容易用MATLAB函数命令set（）来实现，这使得控制品质的仿真研究变得简单。

图2.5Smith预估器控制原理等效图

3换热器温度控制系统的设计

3.1温度控制系统的硬件设计

换热器的温度控制系统以MCS51单片机为核心开发，整个系统硬件部分包括温度测量变换、测量放大、A/D转换、单片机、存储器、驱动电路、D/A转换、控制执行系统等。

其结构见图3.1。

图3.1换热器温度控制系统硬件原理图

它的主要功能有：

定期采集换热器的出水温度、室外环境温度等且存储，并上传存储的现场采样数据；根据现场采样数据控制相应调节阀的开度，完成控制任务；具有显示、设定、控制和传输数据功能，可以全年不间断地对换热器进行自动控制。

3.2温度控制系统的软件设计

系统的程序主要包括主程序和一些子程序。

主程序主要完成单片机的初始化和循环调用子程序的功能。

子程序则用来完成温度信号的采集、数字滤波、铂电阻的非线性补偿、温度的显示、控制算法的调用等具体功能。

系统首先进行参数初始化，然后进行自诊断。

通过按键设定所需要的温度值，启动温度测量模块，温度测量模块将测得的温度值通过显示模块显示出来，并与设定的温度值进行比较，当测量温度等于设定温度，程序返回自诊断模块；当测量温度不等于设定温度时，启动智能PID自整定控制。

当温度偏差大于阈值时采用模糊控制，当偏差小于阈值时启动PID控制。

控制后重新启动测量模块进行测量，如此循环直到测量值与设定值相等。

由于温度具有非线性和不确定性，仅采用常规PID调节不能满足控制要求。

因此，软件模块也相应地设计成带PID参数智能化自整定功能。

温度控制系统软件流程图如图3.2所示。

图3.2换热器温度控制系统软件流程图

4系统仿真研究

为了验证Smith预估器在换热器温度控制系统中应用的可行性和优越性，先对系统进行仿真试验以指导下一步实际应用研究。

换热器出口温度与蒸汽流量的关系可由开环阶跃响应的实验获得：

（4.1）

图2.4中的控制器选定PID调节器，其传递函数为

（4.2）

式中KP为比例系数；TI为积分时间；TD为微分时间。

为使系统获得良好的控制品质，需要确定PID控制器的一些控制参数，而这些参数很难由计算获得，需要通过实验采用飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。

得出整定的PID参数为：

KP=013，TI=360s，TD=90s

系统采用MATLAB平台下的SIMULINK进行仿真，图4.1，4.2分别给出了PID控制及Smith预估控制定值阶跃扰动下的闭环仿真曲线。

图4.1系统PID控制的阶跃响应曲线

图4.2系统Smith预估器控制的阶跃响应曲线

图4.2曲线显示Smith预估器控制的作用完全实现，即常规PID控制由预估器进行补偿控制后，使被延迟了的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调使之成为单调上升的过程，预估补偿器的控制作用十分明显。

　　从图4.1，4.2可以看出，Smith预估控制的超调量及调节时间都明显小于PID控制。

仿真表明Smith预估器控制具有较好的响应速度和良好的对象适应能力。

总结

具有大时滞特征的换热器温度控制系统，采用Smith补偿的控制方案，可以取得比常规PID更好的控制效果，控制系统的稳定性好、超调量小、控制精度高。

　基于Smith预估器的控制系统能有效克服大纯滞后对系统稳定性的影响，且实现简单，可靠性好，非常适用于换热器的温度控制系统，对其他工业过程的温控也有借鉴意义。

在这次课程设计中，我发现了很多问题，对知识的掌握不够，甚至有些概念不清，缺乏理论与实践的结合。

通过老师的耐心讲解和查阅大量的资料这些问题基本上都得到了解决。

首先加强巩固了基础知识，其次发现并解决了一些在实际生产中可能遇到的问题。

最重要的是这次课设涉及了传感器、检测技术和自动控制等以前所学过的学科，我不仅巩固提高了以前的知识，更将它们融会贯通。

参考文献

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