PAGEPAGE11目錄目錄 11、題目 錯誤!未定義書簽。2、換熱器概述 錯誤!未定義書簽。換熱器的用途 錯誤!未定義書簽。換熱器的工作原理及工藝流程圖 錯誤!未定義書簽。3、控制系統(tǒng) 3控制系統(tǒng)的選擇 3工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖 34、被控對象特性研究 4被控變量的選擇 4操縱變量的選擇 4被控對象特性 5調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 65、過程檢測控制儀表的選用 7測溫元件及變送器 7執(zhí)行器 9調(diào)節(jié)器 10、儀表型號清單列表 116、系統(tǒng)方塊圖 117、調(diào)節(jié)控制參數(shù)，進行參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能 12調(diào)節(jié)控制參數(shù) 12PID參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真 13系統(tǒng)性能分析 158、參考文獻 161、題目熱交換器出口溫度的控制。2、換熱器概述換熱器的用途換熱器又叫做熱交換器heatexchanger部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。進行換熱的目的主要有下列四種：.使工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度，以使化學反應或其他工藝過程很好的進行；.生產(chǎn)過由于換熱目的的不同，其被控變量也不完全一樣。在大多數(shù)情況下，被控變量是溫度，為了使被加熱的工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度，常常取出溫度問被控溫度、調(diào)節(jié)加熱蒸汽量使工藝介質(zhì)出口溫度恒定。對于不同的工藝要求，被控變量也可以是流量、壓力、液位等。換熱器的工作原理及工藝流程圖換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程如下：冷流體和熱流體分別通過換熱器的管程和殼程，通過熱傳導，從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫度，通過循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設定值附近。冷流體通過多級離心泵流經(jīng)換熱器的殼程。在換熱器的冷熱流體進口處均設置一個調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。圖2換熱器溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖從傳熱過程的基本方程式可知，為了保證出口的溫度平穩(wěn)，滿足工藝生產(chǎn)的要求，必須對傳熱量進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)傳熱量有以下幾條途徑：、調(diào)節(jié)載熱體的流量。調(diào)節(jié)載熱體流量大小，其實只是改變傳熱速率方程中的傳熱系KTm，Tm、調(diào)節(jié)傳熱平均溫差△Tm。這種控制方案滯后較小反應迅速，應用比較廣泛。、調(diào)節(jié)傳熱面積F。這種方案滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。④、將工藝介質(zhì)分路。該方案是一部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱,另一部分走旁路。在設計傳熱設備自動化控制方案時，要視具體傳熱設備的特點和工藝條件而定。而在某些場合，當被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度較低，采用低壓蒸汽作載熱體，傳熱面積裕量又較大時，為了保證溫度控制平穩(wěn)及冷凝液排除暢通，往往以冷凝器流量作為操縱變量，調(diào)節(jié)傳熱面積，以保持出口溫度恒定。3、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的選擇由于本次設計的任務控制換熱器被加熱物料出口溫度，工藝過程主要就是冷熱流體熱交換，且外來干擾因素主要是載熱體的流量變化，故選擇單回路控制系統(tǒng)便可以達到預定的控制精度。工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)又稱為簡單控制系統(tǒng)，是有一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個控制器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設計，投資少、便于施工，并能滿足一般的一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)過程中得到廣泛的應用，其方框圖如下圖所示。圖1、單回路控制系統(tǒng)方框圖其中，被控變量：被加熱物料的出口溫度；操縱變量：載熱體的流量。YmYm與內(nèi)部給定值Ys比較得到偏差信號euu，自動的改變閥門的開度，改變蒸汽的流量。4、被控對象特性研究被控變量的選擇影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多,但并非對所有影響因素都要進行控制.被控參數(shù)是一個輸出參數(shù),應為獨立變量,與輸入量之間應有單值函數(shù)關(guān)系.對于換熱器過程控制系統(tǒng),人們最關(guān)心的是對換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調(diào)節(jié),而在這兩項當中,溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位.因為出口水溫直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全性,即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù).操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。將出口溫度維持在一定值，影響冷物料出口溫度的有很多因素，比說冷物料的流量，載熱體的流量，載熱體的溫度等。冷物料是工藝所需要的，不能選用冷物料作為被控變量，而若選載熱體溫度作為操縱變量，改變其溫度還需改變其他工藝過程如鍋爐的溫度，考慮工藝合理性，我選擇對熱流體流量進行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。被控對象特性換熱器系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)中，其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分析，這個方案的控制流程圖如圖6。圖6換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，根據(jù)能量守恒定律，熱流體失去的熱量應該等于冷流體吸收的熱量，熱量平衡方程為：q=G

-TG-T）11 1i 1o 22 2o 2iq（單位時間內(nèi)傳遞的熱量GcT1；2；i；o傳熱過程中的傳熱速率為：qKFT式中，K；FT其中，平均溫差T對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值：（T-T）-（T

T 12ln1i 1o ln 1T2o 2i 21 TT當 1i 1o3時，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算術(shù)平均值來代替，算術(shù)平均值表示為：3 T T2o 2i

（T-T）+（T

-T）T 1i 1o2

2o 2i由于冷流體間的傳熱既符合熱量平衡方程，又符合傳熱速率方程，因此有下列關(guān)系Gc（T-T）=KFT整理后得

22 2o 2iT T2o Gc 22FG2

、溫度T2i

和比熱容c2

一定的情況下，影響冷流體出口溫度的因素主要是傳熱系數(shù)K以及平均溫差T。4.3e(t)進行比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)或比例積分微分(PID)運算，并輸出信號到執(zhí)行器。選擇調(diào)節(jié)器產(chǎn)工藝對控制質(zhì)量指標的要求。比例控制規(guī)律(P)是一種最基本的控制規(guī)律，其適用范圍很廣。在一般情況下控制質(zhì)量較高，但最后有余差。對于過程控制通道容量較大，純時延較小，負荷變化不大，工藝要求又不太高的場合，可選用比例控制作用。比例控制規(guī)律(P)的微分方程數(shù)學模型為：u(t)k

e(t)p比例積分(PI)所以要盡可能避免用比例積分控制規(guī)律，不然會降低控制質(zhì)量。通常對管道內(nèi)的流量或壓力控制，采用比例積分作用其效果甚好，所以應用較多。比例積分(PI)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為：u(t)k

et)1tet)dt}p Ti0比例微分(PD)控制規(guī)律，由于引入微分，具有超前作用，對于被控過程具有較大容量時延的場合，會大大改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。但是對于時延很小，擾動頻繁的系統(tǒng)，由于微分作用會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴重時會使系統(tǒng)發(fā)生事故，所以應盡可能不用微分作用。比例微分(PD)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為：u(t)k

{e(t)p

de(t)}d dt比例積分微分(PID)作用是一種理想的控制作用，一般均能適應不同的過程特性。當要求控制質(zhì)量較高時，可選用這種控制作用的調(diào)節(jié)器。比例積分微分(PID)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為：u(t)k

{e(t)1p

tet)dtT0

de(t)}dt其中：u(t)：為調(diào)節(jié)器的輸出號k ：放大倍數(shù)pT：積分時間常數(shù)iT：微分時間常數(shù)de(t)：設定值與測量值偏差信號通過以上幾種調(diào)節(jié)規(guī)律的分析及本系統(tǒng)是溫度控制為被控參數(shù)，溫度檢測本身具有滯后性，為了彌補這個缺點，本系統(tǒng)選用比例積分微分(PID)控制規(guī)律。5、過程檢測控制儀表的選用測溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實踐和現(xiàn)場使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計有以下特點：①測溫精度高、性能穩(wěn)定；②結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；③將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量；④測溫范圍廣，可達-200~2000℃；⑤形式多樣，適用于多種測溫條件；500℃[1]DDZ-Ⅲ型熱電偶溫度變送器。DDZ-Ⅲ型熱電偶溫度變送器主要性能指標如下：①測量范圍最小量程3mV，最大量程60mV；零點遷移-50~+50mV。②基本誤差0.5%③溫度特性環(huán)境溫度每變化25℃，附加誤差不超過千分之五。④恒流性能當負載電阻在0~100Ω范圍變化時，附加誤差不超過千分之五。⑤防爆指標結(jié)構(gòu)為安全火花型；防爆等級為HⅢe；防爆額定電壓為220VAC/DC。其優(yōu)點有以下幾點：①采用了低漂移、高增益的線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性和各項性能指標。系。③線路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全柵的功能。熱電偶溫度變送器是由熱電偶輸入回路和放大回路兩部分組成。為了得到線性關(guān)系，必須使放大回路具有非線性，熱電偶輸入溫度變送方框圖如圖所示。因而有溫度變送器的傳遞函數(shù)??(s)=w1(s)×w2(s)式中 溫度變送器的傳遞函數(shù)；——熱電偶的傳遞函數(shù)；1W（s）——放大回路的傳遞函數(shù)；2由于變送器放大回路的放大系數(shù)K很大，故放大回路的傳遞函數(shù)可以認為等于反饋電路的傳遞函數(shù)的倒數(shù)，即fW（s）2則熱電偶輸入溫度變送器的傳遞函數(shù)為

1W（s）f1f執(zhí)行器根據(jù)生產(chǎn)工藝原則以及被控介質(zhì)特點，選用電動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)（閥體（DKJ（DKZ原理和電路原理完全相同，只是輸出機械傳動部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動執(zhí)行機構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)工藝條件及流體特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號成正比。DKZDKZ調(diào)節(jié)閥組裝而成的，具有推力大、定位精度高、反應速度快、滯后時間少、能源消耗低、安裝方便、供電簡便、在電源突然斷電時能自動保持調(diào)節(jié)閥原來的位置等特點。輸入信號0~10mA.DC、4~20mA.DC輸入信號0~10mA.DC、4~20mA.DC輸入電阻200Ω（Ⅱ型250Ω（Ⅲ型）輸入通道3基本誤差回差死區(qū)純滯后2.5%1.53%（1~3%可調(diào)）1s電源電壓220V.AC、50Hz環(huán)境溫度使用環(huán)境條件相對溫度執(zhí)行機構(gòu)-10~+55℃執(zhí)行機構(gòu)95%機座號型號機座號型號出軸推力（N）出行程（mm）全程時間（s）108DKZ-310CⅠ40001612.5DKZ-310BC2520DKZ-410CDKZ-410C40326400DKZ-410BC6048DKZ-510C6037Ⅱ 1600DKZ-510BC 100 62流體流經(jīng)閥體是的阻力損失為局部阻力損失，所以對不可壓縮流體而言，流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的阻力損失為p

2

p-p1 2v 2g g式中 ——調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)；——流過閥的流體平均流速；p——閥前壓力；1p——閥后壓力；2閥體體積流量qV

，接管截面積為A，則 qVAAA2p-p）1 2q AVp/qV

僅隨阻力系數(shù)的變化而變化。當移動閥芯使開度改變時，阻力系數(shù)也隨之變化，從而改變了流量qV到了調(diào)節(jié)流量的目的。調(diào)節(jié)器

的大小，達調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，從而推動執(zhí)行器工作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。DDZ-ⅢDTZ-2100DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)11輸入信號輸入信號1~5V.DC內(nèi)給定信號1~5V.DC外給定信號4~20mA.DC調(diào)節(jié)作用（比例+積分+微分）比例帶：2~500%積分時間：0.01~2.5分微分時間：0.04~10分（可切除）輸入、給定指示表輸出指示表指示范圍：0~100%，誤差：1%指示范圍25%輸出信號4~20mA.DC負載電阻250~750Ω工作條件環(huán)境溫度：0~45℃工作振動：頻率25Hz、儀表型號清單列表儀表型號清單元件型號輸入信號范圍數(shù)量熱電偶溫度變送器SBWR/Z3~60mV1執(zhí)行器DKZ4~20mA.DC1調(diào)節(jié)器DTZ-21001~5V.DC16、系統(tǒng)方框圖根據(jù)換熱器出口溫度單回路控制方案圖可得方塊圖如下：PAGEPAGE16換熱器出口溫度單回路控制圖7、調(diào)節(jié)控制參數(shù)，進行參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能調(diào)節(jié)控制參數(shù)變送測量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來近似表示：K 1G(s) m m Ts1 s1式中，與測量儀表的量程有關(guān)；式中，與測量儀表的量程有關(guān)；≥0為流量測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位為分(min)。在實際過程中這些參數(shù)基本不變。假設有=10%/（T/hr）實際過程中這些參數(shù)基本不變。假設有=10%/（T/hr）G(s)

f(s)v K 1v u(s) v對于該控制系統(tǒng)，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為G (s)

T(s)

Kp e

1 epc fv

(s) Tp

s1 2s1；T(s)G (s) K 1pd R(s) d調(diào)節(jié)器選定PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （s）=K[1 1 （s]c p （s）1式中K

為微分時間

[5]

。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品質(zhì)，p 1 DPID確定該對象慣性時間和純滯后時間。由傳函的出各參數(shù)的關(guān)系如下式：Kp1

Ti

Kp TdKd； Ki

Kp。PIDPIDKpTiTd，統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法