换热器温度反馈控制系统讲解Word文档下载推荐.docx

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4系统硬件设计10

4.1温度变送器10

4.2执行器（调节阀）11

4.3调节器12

4.3.1调节器的选型12

4.3.2调节器正反作用的选择14

4.4系统组成14

4.4.1原件清单14

4.4.2系统配接图14

5控制规律选择及系统仿真16

5.1调节器控制规律的选择16

5.2控制参数整定17

总结18

参考文献19

本科生课程设计成绩评定表20

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。

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。

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

3.1数学模型概述

一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。

因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。

只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。

因此要给被控对象建立数学模型。

数学建模将现实问题归结为相应的数学问题，并在此基础上利用数学的概念、方法和理论进行深入的分析和研究，从而从定性或定量的角度来刻画实际问题，并为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。

3.2建模方法

白箱模型：

指那些内部规律比较清楚的模型。

如力学、热学、电学以及相关的工程技术问题。

灰箱模型：

指那些内部规律尚不十分清楚，在建立和改善模型方面都还不同程度地有许多工作要做的问题。

黑箱模型：

指一些其内部规律还很少为人们所知的现象。

如生命科学、社会科学等方面的问题。

但由于因素众多、关系复杂，也可简化为灰箱模型来研究。

根据实际问题分析，由于换热器较难描述，但人们还是了解了一些方法，所以我们采用灰箱模型建模，即测试法建模。

3.3测试法建模

只用于建立输入输出模型。

它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。

它的主要特点是把被研究的对象视为黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态特性，不需要深入掌握其内部机理。

响应曲线法是指通过操作调节阀，使被控过程的控制输入产生一阶跃变化或方波变化，得到被控量随时间变化的响应曲线或输出数据，再根据输入－输出数据，求取过程的输入－输出之间的数学关系。

响应曲线法又分为阶跃响应曲线法和方波响应曲线法。

方波响应曲线法是在正常输入的基础上，施加一方波输入，并测取相应输出的变化曲线，据此估计过程参数。

通常在实验获取方波响应曲线后，先将其转换为阶跃响应曲线，然后再按阶跃响应法确定有关参数。

3.4换热器测试法建模

通过方波响应曲线法对换热器系统建模，得到实验曲线，对实验曲线分析进而得到系统对象的数学模型。

由于换热器类似于单容水箱的特性，考虑到实际工作中，大量的工业过程都采用一，二阶传递函数的形式，所以本对象也采用一阶惯性加延迟的传递函数。

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4-1K型热电偶温度变送器

表1DZ-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>

100MΩ

环境温度：

-10～55℃

绝缘强度：

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4-2DZ-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