2021年换热器温度控制系统简单控制系统
目录
欧阳光明（2021.03.07）
目录 (1)
1、题目错误!未定义书签。
2、换热器概述错误!未定义书签。
2.1换热器的用途错误!未定义书签。
2.2换热器的工作原理及工艺流程图错误!未定义书签。
3、控制系统3
3.1控制系统的选择 (3)
3.2工艺流程图和系统方框图 (3)
4、被控对象特性研究4
4.1 被控变量的选择4
4.2 把持变量的选择4
4.3 被控对象特性5
4.4 调节器的调节规律的选择 (6)
5、过程检测控制仪表的选用7
5.1 测温元件及变送器7
5.2 执行器10
5.3 调节器12
5.4、仪表型号清单列表13
6、系统方块图13
7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，阐发系统性能14
7.1调节控制参数14
7.2 PID参数整定及系统仿真14
7.3 系统性能阐发16
8、参考文献17
1、题目
热交换器出口温度的控制。
2、换热器概述
2.1 换热器的用途
换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部分的通用设备，在生产中占有重要位置。进行换热的目的主要有下列四种：
.使工艺介质达到规定的温度，以使化学反响或其他工艺过程很好的进行；.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规模内进行；.某些工艺过程需要修改无聊的相态；④.回收热量。
由于换热目的的不合，其被控变量也不完全一样。在年夜大都情况下，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，经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。对不合的工艺要求，被控变量也可以是流量、压力、液位等。
2.2 换热器的工作原理及工艺流程图
换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：冷流体和热流体辨别通过换热器的管程和壳程，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邻近。冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程。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年夜小。
图2 换热器温度控制系统工艺流程图
从传热过程的基本方程式可知，为了包管出口的温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节，调节传热量有以下几条途径：
、调节载热体的流量。调节载热体流量年夜小，其实只是修改传热速率方程中的传热系数K和平均温差△Tm，对载热体在加热过程中不产生相变的情况，主要是修改传热速率方程的热系数K；而对载热体在传热过程中产生相变的情况，主要是修改传热方程中的△Tm。
、调节传热平均温差△Tm。这种控制计划滞后较小反响迅速，应用比较广泛。
、调节传热面积F。这种计划滞后较年夜，只有在某些需要的场合才采取。
④、将工艺介质分路。该计划是一部分工艺介质经换热,另一部分走旁路。
在设计传热设备自动化控制计划时，要视具体传热设备的特点和工艺条件而定。而在某些场合，当被加热工艺介质的出口温度较低，采取高压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较年夜时，为了包管温度控制平稳及冷凝液排除疏通，往往以冷凝器流量作为把持变量，调节传热面积，以坚持出口温度恒定。
3、控制系统
3.1控制系统的选择
由于本次设计的任务控制换热器被加热物料出口温度，工艺过程主要就是冷热流体热交换，且外来干扰因素主要是载热体的流量变更，故选择单回路控制系统即可以达到预定的控制精度。
3.2 工艺流程图和系统方框图
单回路控制系统又称为简单控制系统，是有一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个控制器所构成的闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于阐发设计，投资少、便于施工，并能满足一般的一般生产过程的控制要求，因此在生产过程中获得广泛的应用，其方框图如下图所示。
图1、单回路控制系统方框图
其中，被控变量：被加热物料的出口温度；把持变量：载热体的
流量。
如图所示：丈量元件及变送器对冷物料出口温度进行丈量，获得丈量值Ym并传送给调节器，调节器把Ym与内部给定值Ys比较获得偏差信号e按一定的调节运算规律计算出控制信号，并将控制信u 号传送给执行器，执行器接收到控制信号u，自动的修改阀门的开度，修改蒸汽的流量。
4、被控对象特性研究
换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最罕见的一种。通常它两侧的介质(工艺介质和载热体)在换热过程中均无相变。换热器换热的目的是包管工艺介质加热(或冷却)到一定温度。为包管出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。
4.1 被控变量的选择
影响一个生产过程正常操纵的因素很多,但并不是对所有影响因素都要进行控制.被控参数是一个输出参数,应为自力变量,与输入量之间应有单值函数关系.对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,而在这两项傍边,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、效率及平安性,即本系统把换热器出口水温作为被控参数.
4.2 把持变量的选择
在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的
变量就是把持变量。将出口温度维持在一定值，影响冷物料出口温度的有很多因素，比说冷物料的流量，载热体的流量，载热体的温度等。冷物料是工艺所需要的，不克不及选用冷物料作为被控变量，而若选载热体温度作为把持变量，修改其温度还需修改其他工艺过程如锅炉的温度，考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控制，包管出口温度的稳定。
4.3 被控对象特性
换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来阐发，这个计划的控制流程图如图6。
图6 换热器的温度控制系统工艺流程图
为了处理便利，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，热流体失去的热量应该即是冷流体吸收的热量，热量平衡方程为：
式中，q 为传热速率（单位时间内传递的热量）；G 为质量流量；c 为比热容；T 为温度。式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i 为入口；o 为出口。
传热过程中的传热速率为：
式中，K 为传热系数；F 为传热面积；T ?为两流体间的平均温差。 其中，平均温差T ?对逆流、单程的情况为对数平均值： 那时1i 1o 2o 2i T T 1
33T T -≤≤-，其误差在5%以内，可采取算术平均值来取代，
算术平均值暗示为：
由于冷流体间的传热既合适热量平衡方程，又合适传热速率方程，因此有下列关系
整理后得
从上式可以看出，在传热面积F、冷流体进口流量
G、温度2i T和
2
比热容
c一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系
2
数K以及平均温差T
。
4.3 调节器调节规律的选择
调节器的作用是对来自变送器的丈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，其适用规模很广。在一般情况下控制质量较高，但最后有余差。对过程控制通道容量较年夜，纯时延较小，负荷变更不年夜，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。
比例控制规律(P)的微分方程数学模型为：
比例积分(PI)控制规律，结合了比例控制反响快，积分控制能消除余差。可是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较年夜时，由于积分作用容易引起较年夜的超调，可能呈现继续振荡，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，采取比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。
比例积分(PI)控制规律的微分方程数学模型为：
比例微分(PD)控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对被控过程具有较年夜容量时延的场合，会年夜年夜改良系统的控制质量。可是对时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统产生事故，所以应尽可能不必微分作用。
比例微分(PD)控制规律的微分方程数学模型为：
比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不合的过程特性。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：()
u t：为调节器的输出号
k：放年夜倍数
p
T：积分时间常数
i
T：微分时间常数
d
e t：设定值与丈量值偏差信号
()
通过以上几种调节规律的阐发及本系统是温度控制为被控参数，温度检测自己具有滞后性，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、过程检测控制仪表的选用
5.1 测温元件及变送器
根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点：
①测温精度高、性能稳定；
②结构简单，易于制造，产品互换性好；
③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换丈量；
④测温规模广，可达200~2000℃；
⑤形式多样，适用于多种测温条件；
被控温度在500℃以下，由[1]表35选用铂热电阻温度计，为了提高检测精度，应采取三线制接法，并配用DDZⅢ型热电偶温度变送器。
DDZⅢ型热电偶温度变送器主要性能指标如下：
①丈量规模最小量程3mV，最年夜量程60mV；零点迁移50~+50mV。
②基本误差0.5%
③温度特性环境温度每变更25℃，附加误差不超出千分之五。
④恒流性能当负载电阻在0~100Ω规模变更时，附加误差不超出千分之五。
⑤防爆指标 结构为平安火花型；防爆品级为H Ⅲe ；防爆额定电压为220V AC/DC 。
其优点有以下几点：
①采取了低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性和各项性能指标。
②在热电偶温度变送器中用线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号坚持了线性关系。
③线路中采纳了平安火花防爆办法，兼有平安栅的功能。
热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放年夜回路两部分组成。为了获得线性关系，必须使放年夜回路具有非线性，热电偶输入温度变送方框图如图所示。因而有温度变送器的传递函数
式中 W s （）
——温度变送器的传递函数； 1W s （）
——热电偶的传递函数； 2W s （）
——放年夜回路的传递函数； 由于变送器放年夜回路的放年夜系数K 很年夜，故放年夜回路的传递函数可以认为即是反响电路的传递函数f W s （）
的倒数，即 则热电偶输入温度变送器的传递函数为 1f W s W s W s （）（）（）
5.2 执行器
根据生产工艺原则以及被控介质特点，选用电动执行器。电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。电动执行机构又可分为角行程（DKJ 型）和直行程（DKZ 型）两种，原理和电路
原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。依照特性不合，电动执行机构可分为比例式和积分式。根据工艺条件及流体特性，我选用直行程（DKZ型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。
DKZ系列直行程电动执行器是由DKZ直行程电动执行机构与直通单座调节阀或直通双座调节阀组装而成的，具有推力年夜、定位精度高、反响速度快、滞后时间少、能源消耗低、装置便利、供电简便、在电源突然断电时能自动坚持调节阀原来的位置等特点。
DKZ系列直行程电动执行器主要技术参数
型号规格表
流体流经阀体是的阻力损失为局部阻力损失，所以对不成压缩流体而言，流体流经调节阀时的阻力损失为
式中 ξ——调节阀的阻力系数；
ω——流过阀的流体平均流速；
1p ——阀前压力；
2p ——阀后压力；
阀体体积流量V q ，接管截面积为A ，则 V q A
ω= 由该式可见，在调节阀口径一定，p/ρ?也不变的情况下，流量V q 仅随阻力系数的变更而变更。当移动阀芯使开度修改时，阻力系数ξ也随之变更，从而修改了流量V q 的年夜小，达到了调节流量的目的。
5.3 调节器
调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数丈量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。
目前在中国工业上广泛应用的DDZ Ⅲ型电动调节仪表具有良好的性能，且采纳平安火花型防爆办法，具有先进可靠的防爆结构。选用DTZ2100型全刻度指示调节器
DTZ2100型全刻度指示调节器相关参数
5.4、仪表型号清单列表
仪表型号清单
6、系统方框图
根据换热器出口温度单回路控制计划图可得方块图如下：
换热器出口温度单回路控制图
7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，阐发系统性能
7.1调节控制参数
1.变送丈量环节可用一阶环节来近似暗示： 式中，与丈量仪表的量程有关；≥0为流量丈量环节的时间常数，单位为分(min)。在实际过程中这些参数基本不变。假设有
=10%/
（T/hr ）
2.假设执行器（调节阀）为近似线性阀，其静态滞后忽略不计，并且
3.对该控制系统，假设控制通道与扰动通道的静态特性可暗示为 τ
τ--+=+==e s e s T K s f s T s G s p p v pc p 1211)()()(；
调节器选定PID 调节器，其传递函数为 c p D 11G s K [1T s ]T s +
+（）=（）（） 式中p K 为比例系数；1T 为积分时间；D T 为微分时间[5]。为使系
统获得良好的控制品质，需要确定PID 控制器的一些参数，而这些参数很难由计算获得，需要通过实验采取飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。由传函的出各参数的关系如下式：
δ1=Kp ； Ki Kp Ti =；Kp Kd Td =。
7.2 PID 参数整定及系统仿真
PID 参数整定办法就是确定调节器的比例系数Kp 、积分时间Ti 和微分时间Td ，改良系统的静态和静态特性，使系统过度过程达到
最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算确定，但误差太年夜。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反响曲线法。
临界比例度法：首先求取在纯比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度δk和振荡周期Tk，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数。通常将等幅振荡下的比例度和振荡周期辨别称为临界比例度和临界周期。临界比例度法便于使用，并且在年夜大都控制回路中能获得较好的控制品质。
临界比例度法整定参数的具体步调是：将调节器的积分作用和微分作用全部除去，在纯比例的情况下，按比例度δ从年夜到小的变更规律，对应于某一δ做小幅度的设定值阶跃干扰，直到获得等幅振荡过度过程曲线，在MATLAB中的Simulink工具箱组件中进行系统的仿真
如下图：
图11 simulink仿真方框图[7][8]
图12 温度单回路控制系统设定值跟踪响应（临界振荡曲
线）（Kp=7）
此时：Kp=9，Ki=0，Kd=0；即临界比例度；由图可得出临界周期Tk=3.8。
表5 临界比例度法经验算式
控制规律δ/%Ti Td P 2δk
PI 2.2δk0.85Tk
PID 1.7δk 0.5Tk 0.13Tk
最后根据临界比例度经验算式算出各参数的整定命值：δ=19.0，Ti=1.9，Td=0.494；即Kp=5.2， Ki=2.7， Kd=2.56。调试得出下图：
令Kp=5.2，Ki=2.7，Kd=2.56.调试后得出下图：
温度单回路控制系统设定值跟踪响应
衰减比为n=12.5/3.2
，合适要求
7.3 系统性能阐发
最年夜偏差A ：A=22.5
超调量σ：
衰减比n ：是过度过程曲线上同标的目的的相邻两个波峰之比，42.35.12≈=n ④回复时间ts ，也称过渡时间，是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过度过程所经历的时间，通常在被控变量进入新的稳态值得±5%的规模内不再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值，所以ts=12min
⑤余差)(∞e ：是指过度过程终了时，被控变量新的稳态值与设定值之差。即0)()(=-∞=∞s y y e
⑥振荡周期T ：是指过度过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔[4]，即T=4min 。
8、参考文献
[1] 王毅张早校过程装备控制技术及应用化学工业出版社
[2] 陈敏恒丛德滋方图南齐明斋化工原理化学工业出版社
[3] 王能超计算办法算法设计及其MATLAB实现高等教育出版社