換熱器溫度控制系統(tǒng)的設計

1、1換熱器溫度控制系統(tǒng)的組成與特點1.1換熱器的組成換熱器溫度控制系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級離心泵，變頻器、渦 輪流量傳感器、溫度傳感器等設備。根據(jù)控制系統(tǒng)的復雜程度，可以將其分為簡單控制 系統(tǒng)和復雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復雜控制系統(tǒng)又包括串級控制系統(tǒng)和前饋 控制系統(tǒng)。1.2系統(tǒng)控制過程的特點換熱器溫度控制過程有如下特點：換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、 執(zhí)行器和被控對象（出口溫度）組成閉合回路。被調(diào)參數(shù)（換熱器出口溫度）經(jīng)檢驗元 件測量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號，測量值與給定值的差值送入調(diào)節(jié)器，調(diào) 節(jié)器對偏差信號進行運算處理后輸出控制作用。換熱器的溫度控

2、制系統(tǒng)工藝流程如下：冷流體和熱流體分別通過換熱器的殼程和管 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，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環(huán)使用。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。在冷流體出口設置一個電功調(diào)節(jié)閥，可以根 據(jù)輸入信號自動調(diào)節(jié)冷流體流量的大小。多級離心泵的轉(zhuǎn)速由便頻器來控制。1.3引起換熱器出口溫度變化的擾動因素簡要概括起來，引起換熱器出口溫度變化的擾動因素主要有：（1）熱流體的流量和溫度的擾動，熱流體的流量主要受到換熱器入口閥門的

3、開度 和循環(huán)泵壓頭的影響。熱流體的溫度主要受到加熱爐加熱溫度和管路散熱的影響。（2）冷流體的流量和溫度的擾動。冷流體的流量主要受到離心泵的壓頭、轉(zhuǎn)速和 閥門的開度等因素的影響。（3）加熱爐的啟停機的影響。（4）室內(nèi)溫度與管路內(nèi)氣體變化和閥門開度的影響。2.1換熱器溫度控制原理介紹圖2.1為蒸汽水換熱器的工作原理圖。加熱介質(zhì)為蒸汽，冷流體為水，控制目標是通過調(diào)節(jié)蒸汽流量來保證換熱器出口熱水溫度穩(wěn)定，溫度控制器由微機控制。T，LT3溫度傳感器M電動調(diào)節(jié)閥圖2.1換熱器溫度控制原理圖其工作原理為：溫度傳感器T測量換熱器出水溫度，把信號傳送至DDC現(xiàn)場控制器，此為溫度控制的主回路。同時，控制器還接受室

4、外溫度傳感器T3發(fā)出的輔助信號，控 制器根據(jù)預先設置的工作曲線，調(diào)整出水溫度的設定值，控制電動調(diào)節(jié)閥M的開度，調(diào) 節(jié)換熱器入口的高溫介質(zhì)流量，使得換熱器出水溫度隨室外溫度變化（見圖2.2）。CL溫水出器熱換2.2換熱器一般溫控系統(tǒng)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)及一般熱力學原理，可得被控對象傳遞函數(shù)的近似表達式：G (s) = 1 eTS = G (s)e-Ts口s式中Gp( s)對象的傳遞函數(shù)；K對象的放大系數(shù)；TS對象的時間常數(shù)；T對象的純時間滯后；Go(s)對象傳遞函數(shù)中不含純滯后的部分?？梢钥闯?，它是一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。一般的溫控系統(tǒng)如圖2.3所示。F圖2.3 一般溫控系統(tǒng)方框圖R(S) +一

5、*+cGc(s)Go(s)e-ts圖中R(s)為參擾。從圖2.3可以得出換熱器一般溫控系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G (s )= G氣(2.2)1 + G (s) G (s) e -宮由于特征方程里含有e-T s項，這對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性極其不利，若t足夠大，系統(tǒng)就很 難穩(wěn)定；而且由于系統(tǒng)中含有純滯后環(huán)節(jié)，使控制器的設計變得復雜。2.3 Smith預估器的控制機理Smith預估器控制的基本思路是：預先估計過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后 由預估器進行補償控制，力圖使被延遲了的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動作， 以此來減小超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過程。對于帶長時滯過程而言，Smith預估器是一種非常 有效的通用的

6、補償器，其主要優(yōu)點在于滯后時間能從閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中消除。然而， 預估器要求被控對象的數(shù)學模型非常準確，這在實際工程中很難辦到，特別是對積分和 非穩(wěn)定系統(tǒng)，其控制更為困難。Smith預估器控制原理圖如圖2.4所示。圖2.4 Smith預估控制器原理圖圖中U(s)為控制器的輸出，L(s)為系統(tǒng)外擾(也稱負荷擾動)，GL(s)是C(s)對L(s) 的傳遞函數(shù)，GS(s)為Smith預估補償器的傳遞函數(shù)。若Smith預估補償器的傳遞函數(shù) 為 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark33 o Current Document GS(s) = Go(s) (1-e-。(2.

7、3)由圖2.4可得Smith預估控制器的傳遞函數(shù)中(s)為C(s)G (s)G (s)e-食(S) = oR(s)1 + G (s)G (s)(2.4)另有C(s) G 1 + G (s)G (s)(1 - e-食) = L( s)e oL(s)1 + Ge(s)Go(s)(2.5)由式(2.4)、(2.5)可以看出，在定值和外擾作用下的閉環(huán)特征方程中均不包含受控 對象的純延遲，因而起到了純延遲的補償作用。與式(3.4)對應的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 與圖2.5所示原理圖等效的控制系統(tǒng)，很容易用MATLAB函數(shù)命令set ()來實現(xiàn)，這使 得控制品質(zhì)的仿真研究變得簡單。圖2.5 Smith預估器

8、控制原理等效圖3換熱器溫度控制系統(tǒng)的設計3.1溫度控制系統(tǒng)的硬件設計換熱器的溫度控制系統(tǒng)以MCS51單片機為核心開發(fā)，整個系統(tǒng)硬件部分包括溫度 測量變換、測量放大、A/D轉(zhuǎn)換、單片機、存儲器、驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換、控制執(zhí)行系 統(tǒng)等。其結(jié)構(gòu)見圖3.1。圖3.1換熱器溫度控制系統(tǒng)硬件原理圖它的主要功能有：定期采集換熱器的出水溫度、室外環(huán)境溫度等且存儲，并上傳存 儲的現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)；根據(jù)現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)控制相應調(diào)節(jié)閥的開度，完成控制任務；具有顯 示、設定、控制和傳輸數(shù)據(jù)功能，可以全年不間斷地對換熱器進行自動控制。3.2溫度控制系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)的程序主要包括主程序和一些子程序。主程序主要完成單片機的初始化

9、和循環(huán) 調(diào)用子程序的功能。子程序則用來完成溫度信號的采集、數(shù)字濾波、伯電阻的非線性補 償、溫度的顯示、控制算法的調(diào)用等具體功能。系統(tǒng)首先進行參數(shù)初始化，然后進行自診斷。通過按鍵設定所需要的溫度值，啟動 溫度測量模塊，溫度測量模塊將測得的溫度值通過顯示模塊顯示出來，并與設定的溫度 值進行比較，當測量溫度等于設定溫度，程序返回自診斷模塊；當測量溫度不等于設定 溫度時，啟動智能PID自整定控制。當溫度偏差大于閾值時采用模糊控制，當偏差小 于閾值時啟動PID控制?？刂坪笾匦聠訙y量模塊進行測量，如此循環(huán)直到測量值與設定值相等。由于溫度 具有非線性和不確定性，僅采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)不能滿足控制要求。因此，

10、軟件模塊也 相應地設計成帶P【D參數(shù)智能化自整定功能。溫度控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖3.2所示。計算溫度偏差調(diào)算法子程序開始否是采樣時間到？被控對象數(shù)字濾波器經(jīng)D/瀚出i* 采集溫度值初始化D/AA/D圖3.2換熱器溫度控制系統(tǒng)軟件流程圖4系統(tǒng)仿真研究8 e -180 s G(s)= 360TZT(4.1)為了驗證Smith預估器在換熱器溫度控制系統(tǒng)中應用的可行性和優(yōu)越性，先對系統(tǒng) 進行仿真試驗以指導下一步實際應用研究。換熱器出口溫度與蒸汽流量的關(guān)系可由開環(huán) 階躍響應的實驗獲得：圖2.4中的控制器選定PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(4.2)/、-1/、G (s)= K1+f+s)i式中匕為比例系數(shù)；T

11、為積分時間；Td為微分時間。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品 質(zhì)，需要確定PID控制器的一些控制參數(shù)，而這些參數(shù)很難由計算獲得，需要通過實驗 采用飛升曲線確定該對象慣性時間和純滯后時間。得出整定的PID參數(shù)為：Kp =013, TI = 360 s，TD = 90 s系統(tǒng)采用MATLAB平臺下的SIMULINK進行仿真，圖4.1，4.2分別給出了？2 控制及Smith預估控制定值階躍擾動下的閉環(huán)仿真曲線。圖4.1系統(tǒng)PID控制的階躍響應曲線I. (J口 TOO I UOU 1 5DU 2 ClUIJ 2 5削時間/b圖4.2系統(tǒng)Smith預估器控制的階躍響應曲線圖4.2曲線顯示Smith預估器控制的作

12、用完全實現(xiàn)，即常規(guī)PID控制由預估器進行 補償控制后，使被延遲了的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動作，以此來減小超調(diào)使 之成為單調(diào)上升的過程，預估補償器的控制作用十分明顯。從圖4.1，4.2可以看出，Smith預估控制的超調(diào)量及調(diào)節(jié)時間都明顯小于PID控制。 仿真表明Smith預估器控制具有較好的響應速度和良好的對象適應能力。總結(jié)具有大時滯特征的換熱器溫度控制系統(tǒng)，采用Smith補償?shù)目刂品桨?，可以取得?常規(guī)PID更好的控制效果，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、超調(diào)量小、控制精度高?；赟mith預估器的控制系統(tǒng)能有效克服大純滯后對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，且實現(xiàn)簡 單，可靠性好，非常適用于換熱器的溫度控制系統(tǒng)，對其他工業(yè)過程的溫控也有借鑒意 義。在這次課程設計中，我發(fā)現(xiàn)了很多問題，對知識的掌握不夠，甚至有些概念不清， 缺乏理論與實踐的結(jié)合。通過老師的耐心講解和查閱大量的資料這些問題基本上都得到 了解決。首先加強鞏固了基礎(chǔ)知識，其次發(fā)現(xiàn)并解決了一些在實際生產(chǎn)中可能遇到的問 題。最重要的是這次課設涉及了傳感器、檢測技術(shù)和自動控制等以前所學過的學科，我 不僅鞏固提高了以前的知識，更將它們?nèi)跁炌?。參考文獻1王鳴.一種換熱器的變PID參數(shù)的控制方法及實現(xiàn)J.機電工