列管式换热器出口温度控制系统的设计.docx

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列管式换热器出口温度控制系统的设计

摘要

换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。

这个对象的特点是：

热流体和冷流体通过对流热传导进行换热，从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。

本设计采用一带有Smith预估补偿的模糊串级控制器的控制系统，主控变量为换热管出口温度，副变量为冷水流量。

对换热器出口温度偏差、偏差变化率和冷流体的流量值模糊化,使换热器热流体出口温度控制过渡过程平稳，具有较传统PID串级控制算法过渡时间缩短，超调量减少，抗干扰能力强等特点。

列管式换热器出口温度控制系统的设计

1换热器过程控制概述、组成及特点

1.1概述

换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。

这个对象的特点是：

热流体和冷流体通过对流热传导进行换热，从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。

本设计采用一带有Smith预估补偿的模糊串级控制器的控制系统，主控变量为换热管出口温度，副变量为冷水流量。

对换热器出口温度偏差、偏差变化率和冷流体的流量值模糊化,使换热器热流体出口温度控制过渡过程平稳，具有较传统PID串级控制算法过渡时间缩短，超调量减少，抗干扰能力强等特点。

1.2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。

1.3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变频器来控制。

1.4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换热器出口温度控制系统方案图

2.1换热器出口温度控制系统流程图

图1换热器出口温度控制系统流程：

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。

换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到通过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是通过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。

调节过程：

根据检测到的冷流量的变化，先调节离心泵的转速，控制冷流量的大小，即为副回路，然后再根据热流体出口温度与设定值之间的偏差，根据合适的控制算法，进一步调节冷流体的流量，以保持出口温度的稳定，若热物流出口温度与给定值有偏差，通过变频器调节离心泵使冷物流流量变化，达到调节热物流出口温度。

若冷物流流量与给定值有偏差，调节离心泵使冷物流流量变化，调节冷物流流量，进一步调节热物流出口温度，这样组成流体出口温度调节器和流体流量调节器串联起来的串级控制系统。

2.2换热器出口温度控制系统方框图

图2为换热器出口温度控制系统方框图：

3换热器过程控制系统分析

3.1系统介绍

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。

本设计采用一带有Smith预估补偿的模糊串级控制器的控制系统，主控变量为换热管出口温度，副变量为冷水流量。

对换热器出口温度偏差、偏差变化率和冷流体的流量值模糊化。

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c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。

系统主控变量为换热管出口温度，副变量为冷水流量。

对换热器出口温度偏差、偏差变化率和冷流体的流量值模糊化，使换热器热流体出口温度控制过渡过程平稳。

控制方法是两极Smith预估补偿的串级PID控制方法，在副回路中加入预估补偿器，预先估计出副控制对象在干扰作用下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了τ时间的被控量超前反应到副调节器的输入端，使副调节器提前动作，从而明显减少超调量和加速调节过程。

以模糊控制和积分调节器作为主调节器，由于模糊控制具有动态特性好，鲁棒性强的特点，克服对象模型不精确，对象参数时变的缺点，副回路以Simth预估补偿器为辅，解决纯滞后问题。

3.2两极Smith预估补偿器

图3中，Gc2（s）为副调节器传递函数，G2（s）e-τs为副回路被控对象的传递函数，模糊控制器与积分环节并联作为主调节器，其等效传递函数设为Gc1（s），Gc1（s）作为主回路被控对象传递函数，G2（s）（1-e-τs）和G0（s）（1-e-τs）分别为内回路和外回路Smith预估器。

图3基于主副回路Smith预估补偿的串级模糊控制系统结构

其中

，副回路等效传递函数为

外回路中含有Smith预估器的控制器的等效传递函数

，则图3所示的串级控制系统的传递函数为

由上两式可以看出，经两级Smith预估器补偿后，系统的特征方程为1+G2（s）GC2（s）（1+G1（s）GC1（s））=0特征方程不包含e-τs，因此，滞后特性不影响系统的稳定性。

3.3模糊控制器

图4给出了模糊控制原理框图：

图4模糊控制原理框图

串级模糊控制系统流程如图5所示

图5串级模糊控制系统流程图

实测值的模糊化：

模糊控制器的输入变量为温度偏差E及偏差的变化率EC,输出变量

为控制器输出的电压信号U,三者的基本论域分别为[-1,1],[-0·2,0·2]及[0,5]。

可令E、EC及U的模糊集合论域均取{-3,-2,-1,0,1,2,3}的离散区间。

则其量化因子分别为KE=3/1=3,KEC=3/0·2=15,KU=5/6。

在模糊控制区,输入输出变量语言可以表达为:

负大（NB）,负小（NS）,0（Z）,正小（PS）,正大（PB）。

图6模糊子集的隶属函数

模糊推理：

对于双输入单输出模糊控制器,其控制规则为“ifEisAandECisBthenUisC”来描述,根据过程控制的实际经验得到49条规则，根据这些规则,可求得模糊关系R。

表中每一条推理语言均可得到相应的模糊关系R1,R2,R3,…,R49。

模糊关系R的求法如下:

R=（E×EC）×U。

而描述整个系统控制规则的总模糊关系R为:

R1∪R2∪…∪Rn。

由E、EC及上式推理合成规则,得到输出模糊集U=（E×EC）·R。

表1模糊控制规则表

去模糊化：

采用最大隶属度法,分别对输出模糊集合U1、U2、…、U49进行去模糊化,将模糊控制器输入量化等级与其输出精确值相对应,得到模糊控制查询表,如表所示。

实时控制时,根据输入偏差与输入偏差变化率的模糊值直接查找控制表,获得控制量。

4方案比较

4.1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：

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7所示。

图7一般温控系统方框图

图中R（s）为参扰。

从图7可以得出换热器一般温控系统闭环传递函数为：

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。

4.2Smith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8所示。

图8Smith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）

由图8可得Smith预估控制器的传递函数Φ（s）为

另有

由上面两式可以看出，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。

与式对应的动态结构图如图8所示。

与图9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9Smith预估器控制原理等效图

本设计采用的两极Smith补偿器与上面简单介绍的有异曲同工之妙，前面已作了一些介绍，概括了其与传统PID控制的一些优点，一般来说，可以看出该控制系统换热器热流体出口温度控制过渡过程平稳，具有较传统PID串级控制算法过渡时间缩短，超调量减少，抗干扰能力强等特点，这里就不多加介绍了。

5控制装置的选择

5.1LDG型系列电磁流量计

主要技术指标：

介质电导率：

>20μs/cm

成套精度：

口径Φ10～Φ250±0.5%;±1.0%;口径Φ300～Φ1200±1.0%;

输出信号：

0～10mADC;4～20mADC

电源：

传感器由转换器供电～24V，转换器电源：

220V50Hz

连接法兰：

机标JB/T81-94；国标GB9119-88或按用户需要

口径：

口径Φ10～Φ1200mm

5.2HR-WP-201TR/TC22W智能热电阻/热电偶温度变送器

主要技术参数

系统传输准确度：

±0.5%×F.S（可订制±0.2%）

冷端温度补偿准确度：

±1℃（预热时间30分钟）

测量热电阻时允许的引线电阻：

≤15Ω

输入阻抗：

电流-100Ω；电压-500KΩ

电流输出允许外接的负载阻抗：

4～20mA，0～350Ω；0～10mA，0～700Ω

电压输出时的内部阻抗：

250Ω

输入、输出、电源、通讯之间绝缘阻抗：

不小于100MΩ

输入/输出/电源/通讯/双回路之间绝缘强度：

直流DC≥2000V.dc，交流AC≥1500V.dc

输入信号故障时的输出状态设置：

输出状态有跟随方式、报警方式、保持方式三种状可设置。

通讯接口：

RS485

通讯协议：

本公司提供的专用通讯协议、MODBUS协议

通讯距离：

RS485—节点数（不加中继时），距离≤1000米（波特率9600时）

编程及校准：

现场手持式中文编程器-它可对本仪表进行功能编程及计量校准，大屏幕全中文菜单，功能齐全，操作方便；简易型编程器-单行液晶菜单操作，可在现场对仪表进行功能设置，使用及携带灵活，由于本产品采用数字化结构，并采取了环境温度自补偿、零点自动校准等先进技术，因此可长年保证准确度在规定范围内，不需频繁校准。

面板指示:

PWR-电源指示灯（绿色）；ALM-输入信号报警指示灯（红色）；输入信号故障时闪烁；输入信号超量程时长亮。

工作环境：

安装位置不得有强烈振动，以及来自信号端、电源端及空间不得超过IEC61000-4-4-1995中第三类工业现场电磁干扰的强度，并使用环境中不得有对金属、塑料件起严重腐蚀作用的有害物质。

温度漂移：

＜0.005％F.S/℃

工作环境温度：

-10—+55℃

供电电源：

直流，DC24V±10%；交流，AC95～265V

输入功率：

0.9～1.8W（与型号有关）

5.3LWGB系列涡轮流量变送器

主要技术指标：

精确度：

1.0级、0.5级、0.2级环境温度-20～+50℃

输出信号：

4～20mA（两线制）输出阴抗0-500Ω

供电电源：

直流12V-24V

5.4KVHV电动V型调节球阀

型号：

KVHV-V

主要技术参数:

阀体：

公称通径：

25-300mm

公称压力：

PN1.6，4.0，6.4MPa

连接形式：

法兰式按JB/T79.2-94凹或按JB78-5P对夹式法兰连接

材料：

WCBZG1Gr18Ni9TiCF3M

填料：

V型聚四氟乙烯填料，含浸聚四氟乙烯填料，石棉纺织填料。

耐高温碳纤维填料

温度：

常温：

-20℃~+120℃散热：

+200℃~+450℃

阀内组件：

阀芯形式：

V形缺口半球体

流量特性：

近似等百分比或近似直线特性及快开特性。

球体阀杆材料：

2Cr131Gr18Ni9TioCr17NI17Mo2（316L）

金属阀座材料：

与阀杆材料相同，密封堆焊钴铬硬质合金

非金属阀材料：

增强聚四氟乙烯。

执行机构：

可选用PSQ系列、3810系列或NB系列电子式角行程执行机构。

5.5AI-7048型4路PID温度控制器

技术规格

输入规格：

热电偶：

K、S、R、E、J、T、B、N、WRe5-WRe26

线性mV电压：

0~20mV、0~60mV、0~100mV、0~1V等

测量范围：

K（0~+1300℃）、S（0~+1700℃）、R（0~+1700℃）、T（-200~+350℃）、E（0~1000℃）、J（0~1200℃）、B（0~1800℃）、N（0~1300℃）、WRe5-WRe26（0~2300℃）、Pt100（-200~+600℃）

线性mV电压输入：

由用户用SCH及SCL参数自由定义

测量精度：

0.2FS1个字

注1：

热电偶输入且采用内部冷端补偿时应另加1℃冷端补偿允许误差，采用铜电阻、冰点或恒温槽补偿时则不需要

注2：

B分度号热电偶在60~600℃范围可进行测量，但精度无法达到标定精度，在600~1800℃可保证测量精度。

温度漂移：

≤0.01%FS/℃（典型值为60ppm/℃）

电磁兼容：

IEC61000-4-4（电快速瞬变脉冲群），!

4KV/5KHz；IEC61000-4-5（浪涌），4KV

隔离耐压：

电源端、继电器触点及信号端相互之间≥2300VDC；SSR电压输出与热电偶输入之间≥600VDC

控制周期：

0.48秒/4回路

输出规格：

SSR驱动电压，12VDC/20mA每回路，包含短路保护功能

电源：

100~240VAC/50Hz或24VAC/DC＋10％，－15％；5VA

使用环境：

温度-10~+60℃，湿度≤90%RH

5.6流量控制器：

型号TLS11-LC

产品规格：

LC（流量控制器）量程范围：

50，100，200，500CCMLPM精度等级：

±2%满量程重复性：

±2%满量程

量程比：

50:

1响应时间：

100毫秒

压降大小：

随量程范围变化PSID操作温度：

+1～+50℃

补偿温度：

+1～+50℃零点漂移：

0.02%/ATM0.02%满量程℃范围漂移：

0.02%/ATM0.02%满量程℃湿度量程：

0-100%0-100%无冷凝过流率：

2.4%2.4%满量程最大耐压：

100100PSIG

供应电流（典型）：

30250毫安电压电源：

12-3012-25VDC

输入/输出：

0-5VDC,0-10VDC,4-20mA,RS-232VDC

电气连接：

8针8针DIN小型圆插头

机械连接：

1/8″-1/4″1/8″NPTF

接液部：

件303不锈钢，Viton，RTV硅树脂，PolyethermideR

阀门仅为：

阳极氧化铝，410和304不锈钢，镍，铜，Viton，Delrin

参考文献

[1]张毅.自动检测技术及仪表控制系统.北京：

化学工业出版社.2008.

[2]周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.北京：

化学工业出版社.2008.

[3]金以慧.过程控制.北京：

清华大学出版社.2007.

[4]胡寿松.自动控制原理.北京：

科学出版社.2006.

[5]王平主.仪器仪表.北京：

新时代出版社.2002.

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