換熱器串級控制課程設(shè)計

中北大學(xué)課程設(shè)計說明書④.回收熱量。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。1.3換熱器的組成有換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖1可以看出系統(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(shè)備。根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將其分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)[3]。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)檢驗元件測溫并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號，測量值與給定值的差值的送入調(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。1.4換熱器的工作原理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殼程和管程，通過熱傳導(dǎo)，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(shè)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(shè)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(shè)置一個電功調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)數(shù)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)速由變頻器來控制[4]。圖1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：(1)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數(shù)K和平均溫差△Tm，對于載熱體在加熱過程中不發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱速率方程的熱系數(shù)K；而對于載熱體在傳熱過程中發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱方程中的△Tm。(2)調(diào)節(jié)傳熱平均溫差△Tm。這種控制方案滯后較小反應(yīng)迅速，應(yīng)用比較廣泛。(3)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(shè)計傳熱設(shè)備自動化控制方案時，要視具體傳熱設(shè)備的特點和工藝條件而定。而在某些場合，當(dāng)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]。設(shè)計一個控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對被控對象做全面的了解。除被控對象的動靜態(tài)特性外，對于工藝過程、設(shè)備等也需要比較深入的了解；在此基礎(chǔ)上，確定正確的控制方案，包括合理選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送原件及檢測位置，選用恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行器、調(diào)節(jié)器以及調(diào)機器控制規(guī)律等；最后將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。2、被控對象特性研究(質(zhì)和載體)在換熱中均無。換熱熱的目保證工質(zhì)加熱(或卻)到一定溫度保證出度平穩(wěn)足工藝，必須遞的熱行調(diào)節(jié)2.1被控變量的選擇出口溫度串級回路控制系統(tǒng)設(shè)計中，選擇出口溫度作為被控變量，因為我們要得到流體穩(wěn)定的出口溫度。2.2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，主要是對冷熱流體間傳遞的熱量進行控制，有控制載熱體流量、工藝介質(zhì)的旁路流量、傳熱面積等多種方式?？紤]工藝合理性，我選擇對冷流體流量進行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。2.3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2。圖2換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖在本文中，以列管式逆流單程換熱器進行分析，令為熱流體的流量，為冷流體流量。分別為熱流體和冷流體的入口溫度，分別為熱流體和冷流體的出口溫度，而分別為熱流體和冷流體的比熱容[2]。靜態(tài)特性分析：對象的靜態(tài)特性就是要確定之間的函數(shù)關(guān)系。靜態(tài)特性的求得，可以作為控制方案設(shè)計時系統(tǒng)的擾動分析。靜態(tài)放大系數(shù)也能作為系統(tǒng)整定分析，以及控制閥流量特性選擇的依據(jù)。靜態(tài)特性推導(dǎo)的兩個基本方程式一熱量平衡關(guān)系式及傳熱速率方程式為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，則熱流體失去的熱量應(yīng)該等于冷流體吸收的熱量，熱量平衡方程為（1-1）式中，為傳熱速率(單位時間內(nèi)傳遞的熱量)；為質(zhì)量流量；為比熱容；為溫度。式中的下標處1為載熱體；2為冷流體；為入口；為出口。另外，傳熱過程中的為傳熱速率為（1-2）式中，為傳熱系數(shù)；為傳熱面積；為兩流體間的平均溫差。其中平均溫差對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值（1-3）在，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算數(shù)平均值來代替。算術(shù)平均值為：（1-4）對上述公式進行整理后得到：（1-5）(l)熱流體入口溫度對出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。對上式=5\*GB3⑤進行增量化，令，則可得:（1-6）由=6\*GB3⑥式可求得通道的靜態(tài)放大倍數(shù)為:（1-7）該式表明，與之間為線性關(guān)系，其靜態(tài)放大倍數(shù)為小于1的常數(shù)。（2）冷流體入口溫度對熱流體出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。同樣對式（1-5）進行增量化，令，可得:（1-8）（1-8）式表明，之間也為線性關(guān)系。（3）熱流體流量對其出口溫度的影響，即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)，通過對式（1-5）進行求導(dǎo)，求取靜態(tài)放大倍數(shù)為:（1-9）由上式（1-9）可見，通道的靜態(tài)特性是一個非線性關(guān)系。從上式很難分清兩者之間的關(guān)系，因此，常用下圖來表示這個通道的靜態(tài)關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)較大時，曲線呈飽和狀，此時的變化，從靜態(tài)來看，對的影響微弱了。冷流體流量對熱流體出口溫度的影響即通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。同樣可通過對式(1-5)求導(dǎo)，其結(jié)果與式（1-9）相似，兩者為一復(fù)雜的非線性關(guān)系。為此，也用圖來表示這個通道的靜態(tài)關(guān)系。圖2表示了這個關(guān)系，可以看出，當(dāng)較大時，曲線呈飽和狀，此時的變化，從靜態(tài)來看，對的影響已經(jīng)很小了。換熱器由于兩側(cè)都不發(fā)生相變化，一般均為分布參數(shù)對象。分布參數(shù)對象中輸出(即被控變量)既是時間的函數(shù)，又是空間的函數(shù)，其變化規(guī)律需用偏微分方程來描述?，F(xiàn)說明列管式換熱器動態(tài)特性的建立方法。為便于分析，對該管式換熱器作如下假設(shè):1、間壁的熱容可以忽略;2、流體1和流體2均為液相，而且是層層流動;3、傳熱系數(shù)K和比熱容c為常數(shù);4、同一截面上的各點溫度相同。建立分布參數(shù)對象的數(shù)學(xué)模型，同樣是從熱量動態(tài)平衡方程入手，但這時必須取微元來分析問題，并假設(shè)這一微元中各點溫度相同。先分析流體1的熱量動態(tài)平衡問題。取長度為的圓柱體為微元，這一微元的熱量動態(tài)平衡方程可敘述為：（單位時間內(nèi)流體1帶入微元的熱量)一(單位時間內(nèi)流體1離開微元所帶走的熱量)+(單位時間內(nèi)流體2傳給流體1微元的熱量)=流體1微元內(nèi)蓄熱量的變化率，即式中，為換熱器的總長度;—內(nèi)管的圓周長;—微元的表面積;—流體1單位長度的流體質(zhì)量;—微元體的質(zhì)量消去方程式中的，并適當(dāng)?shù)恼?，得：?-11）同理，可得流體的熱量動態(tài)平衡方程式時間和空間的邊界表達式為：上述兩個方程式（1-11）和及其邊界條件就是描述列管式換熱器行為的動態(tài)方程。要對這樣的動態(tài)方程進行精確的解析求解是很困難的。通常為了便于計算機實時控制和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，可以采用時間、空間離散化的方法，將上述連續(xù)偏微分方程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的離散狀態(tài)空間模型。為了能說明傳熱對象的動態(tài)特性的基本規(guī)律，也可近似應(yīng)用一些經(jīng)驗公式來描述。對于換熱器的動態(tài)特性，可以用下面的近似關(guān)系式來表示。(l)熱流體入口溫度，冷流體入口溫度對熱流體出口溫度的影響，即，的通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為:（1-14）式中：K—各通道的靜態(tài)放大倍數(shù);—分別為換熱器的容量和冷流體的流量;—拉普拉斯運算子符號。(2)熱流體流量、冷流體流量對熱流體出口溫度的影響，即通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為:（1-15）式中:K—各通道的靜態(tài)放大倍數(shù)；—分別為熱流體和冷流體的儲存量和流量。由式（1-15）看出，過程通道的動態(tài)特性均可近似為帶有純滯后的二階慣性環(huán)種近似關(guān)系可以這樣理解，要從熱流體把熱量傳遞到冷流體，必須先由熱流體傳給間壁，然后再由間壁傳給冷流體，這樣就成為二階慣性環(huán)節(jié)。此外，還考慮了由于停留時間所引起的純滯后。式（1-15）為一個近似的經(jīng)驗表達式，因為二階環(huán)節(jié)的兩個時間常數(shù)不不僅取決于兩側(cè)流留時間，而且與列管的厚度、材質(zhì)、結(jié)垢等情況有關(guān)，但是，這個式子一定程度上描述了換熱器動態(tài)特性的內(nèi)在性質(zhì)。在熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，熱流體流量不發(fā)生變化，冷流體和熱流體表示冷水和熱水。換熱器熱流體進出口溫度差在附近，冷流體進出口溫差在30℃左右。假設(shè)熱流體溫度由80℃降低到40℃，則根據(jù)以下數(shù)據(jù):水的比熱水的密度取971.9，40℃時水的密度為992.2;換熱器冷卻面積殼體長度;熱流體流量;冷流體流量;根據(jù)式經(jīng)驗公式（1-15）可求得換熱器動態(tài)特性的基本規(guī)律，由式（1-9）求出增益K為:故換熱器溫度控制的數(shù)學(xué)模型為:（1-18）2.4目前換熱器的控制方法(質(zhì)和載體)在換熱中均無。換熱熱的目保證工質(zhì)加熱(或卻)到一定溫度保證出度平穩(wěn)足工藝，必須遞的熱行調(diào)節(jié)節(jié)熱量有[1]1)由于冷流體的傳熱符合熱量平衡方程式，又符合傳熱速率方程式，通過對換熱器靜態(tài)特性分析部分的內(nèi)容，因此有下列關(guān)系（1-19）整理后得（1-20）當(dāng)從上式可看出，在傳熱面積、冷流體進口流量、溫度和比熱容一定的情況下，影響冷流體出口溫度的因素主要為傳熱系數(shù)及平均溫差?？刂戚d流體流量實質(zhì)上是改變。若由于某種原因使降低，控制器TC將使控制閥門增大，載熱體流量增加，傳遞的熱量增加，這就必然導(dǎo)致冷熱流體平均溫差升高，從而使工藝介質(zhì)的出口溫度增加。載熱體流量增加，一方面使溫差增加，另一方面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)數(shù)也會增加，但在通常情況下傳熱系統(tǒng)數(shù)變化不大，所以經(jīng)常忽略。因此這種方案實質(zhì)上是通過改變來控制工藝介質(zhì)的出口溫度的。改變載熱體流量是應(yīng)用最為普遍的控制方案，多適用于載熱體流量的變化對溫度影響較靈敏的場合。當(dāng)載熱體流量已經(jīng)變得很大，較小時，進入飽和區(qū)控制就很遲迍，此時不宜采用此方案。2)控制載熱體旁路流量當(dāng)載熱體本身也是一種工藝物料，其流量不允許變化時，可采用此控制方案。它的控制原理也是利用改變溫差的手段來達到溫度控制的目的。這里采用三通控制閥來改變進入換熱器的載熱體流量與旁路流量的比例，這樣既可以改變進入換熱器的載熱體流量，又能保證載熱體總流量不受影響。3)熱面有時，可藝介質(zhì)部分經(jīng)器，其分由旁接流到處，然后將兩者起來控度。該方案中變量是體和熱混合后度，熱流體溫度設(shè)定溫冷流體小于設(shè)度，通制冷熱流量的，使混合后的溫于設(shè)定。從控理上來這種方際上是混合過所以反應(yīng)及時，的滯后直接顯來，適停留時長的換。但需的是換熱器必須大余量熱面積載熱體處于最量，因通過換的被加熱的10%。3、控制方案的選擇根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將其分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)。對于控制系統(tǒng)的選取，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的控制對象、控制要求，經(jīng)濟指標等諸多因素，選用合適的控制系統(tǒng)。以下是通過對換熱器過程控制系統(tǒng)的分析，確定合適的控制系統(tǒng)。換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程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(dǎo)，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(shè)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(shè)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(shè)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。換熱器過程控制系統(tǒng)執(zhí)行器的選擇考慮到電動調(diào)節(jié)閥控制具有傳遞滯后大，反應(yīng)遲緩等缺點，根具離心泵模型得到通過控制離心泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量具有反應(yīng)靈敏，滯后小等特點，而離心泵轉(zhuǎn)速是通過變頻器調(diào)節(jié)的，因此，本系統(tǒng)中采用變頻器作為執(zhí)行器。首先考慮單回路系統(tǒng)，但控制系統(tǒng)中可以看出，從冷流體管路閥門或離心泵轉(zhuǎn)速變化到熱流體出口溫度改變，在這中間要相繼通過冷流體流量變化，換熱器熱交換速率變化，熱流體出口溫度變化等一系列過程，因此整個控制通道的容量滯后大、時間常數(shù)大、這就導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制作用不及時、最大偏差大、過度時間長、抗干擾能力差、控制精度降低。而工藝上對出口溫度要求比較嚴格，一般希望波動范圍不超過+-（1%~2%）。根據(jù)大量的工程實踐經(jīng)驗和實驗的結(jié)果證明，采用單回路控制系統(tǒng)是達不到要求的，必須尋求其他控制方案。分析各種影響熱器出口溫度的因素，除了熱流體的流量和溫度外，冷流體的流量、閥門的開度等因素和進入系統(tǒng)的位置，首先影響冷流體的流量，而后經(jīng)過換熱器從而影響影響熱流體的出口溫度。如果以冷流體流量為被控變量，輸送冷流體的離心泵轉(zhuǎn)速為操縱變量，夠成單回路控制系統(tǒng)，則該控制系統(tǒng)的通道的容量滯后大大減少，對來自離心泵的轉(zhuǎn)速、閥門開度變化等干擾能及時克服，減少他們對熱流體出口溫度的影響。但是很顯然，熱流體的流量和溫度的變化沒有包含在內(nèi)，同時系統(tǒng)也沒有對熱流體出口溫度構(gòu)成閉環(huán)控制，因此，仍然不能保證出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，還需進行改造。為了解決上述滯后時間和控制要求之間的矛盾，保持熱流體的出口溫度穩(wěn)定，可以根據(jù)管路冷流量的變化，先調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)熱流體出口溫度與設(shè)定值之間的偏差，根據(jù)合適的控制算法，進一步調(diào)節(jié)流體的流量，以保持出口溫度的穩(wěn)定，這樣組成流體出口溫度調(diào)節(jié)器和流體流量調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來的串級控制系統(tǒng)。其方塊圖如下圖所示：系統(tǒng)框圖：圖5串級控制系統(tǒng)原理圖工藝流程圖：圖圖6工藝流程圖 根據(jù)圖5可看出來自冷流體流量方面干擾因素包括副回路內(nèi)，因此可大大減少這些擾動因素對于熱流體出口溫度影響。對于熱流體流量和溫度方面的干擾，采用串級控制系統(tǒng)可以得到改善，具體控制效果明顯改善。綜上對串級控制系統(tǒng)方案的基本參數(shù)進行確定：主回路：熱流體出口溫度——冷流體流量控制回路副回路：冷流體流量——離心泵轉(zhuǎn)速控制回路主變量：換熱器出口溫度副變量：冷流體流量主檢測變送器：鉑電阻溫度傳感器副檢測變送器：渦輪流量傳感器執(zhí)行器：變頻器3.1主回路設(shè)計換熱器溫度串級控制系統(tǒng)是以工藝介質(zhì)出口溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。溫度調(diào)節(jié)器對被控參數(shù)精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對介質(zhì)干擾的及時控制相結(jié)合，先根據(jù)換熱器出口溫度的變化，改變介質(zhì)量，快速消除干擾；然后再根據(jù)工藝介質(zhì)出口溫度與設(shè)定值的偏差，改變溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進一步調(diào)節(jié)介質(zhì)量，使出口溫度恒定，達到溫度控制的目的

3.2副回路設(shè)計副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。工藝料由于其成分和流量變化，對控制過程產(chǎn)生極大干擾。所以，對于冷卻器我們選擇冷流體的流量為串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)流量能夠有效地影響主參數(shù)出口溫度，提高了主參數(shù)的控制效果。

3.3主副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。在換熱器溫度串級控制系統(tǒng)中，我們選擇出口溫度為主要被控參數(shù)，介質(zhì)料溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴格，又因為換熱器串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)作為住調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律控制副參數(shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，無明顯滯后，所以我們的負調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇PI控制。3.4主副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定由生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的Kv﹥0。主調(diào)節(jié)器作用方式確定：出口溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程Ko1﹥0。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)成績必須為正，所以負調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1﹥0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以負調(diào)節(jié)器大于0，負調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。

4、過程檢測控制儀表的選用4.1.溫度的測量選擇裝配式熱電偶如圖7所示圖7裝配式熱電偶熱電偶公稱壓力：一般是指在工作溫度下保護管所能承受的靜態(tài)外壓而破裂。

熱電偶最小插入深度：應(yīng)不小于其保護套管外徑的8－10倍（特列產(chǎn)品例外）

絕緣電阻：當(dāng)周圍空氣溫度為15－35℃，相對濕度＜80％時絕緣電阻≥5兆歐（電壓100V）。具有防濺式接線盒的熱電偶，當(dāng)相對溫度為93±3℃時，絕緣電阻≥0.5兆歐（電壓100V）

溫度變送器:選擇通用型智能溫度變送器如圖8所示圖8通用型智能溫度變送器性能簡介

輸入單路或雙路熱電偶、熱電阻信號，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號，并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。技術(shù)特點

本產(chǎn)品采用了先進的數(shù)字化技術(shù)，具備了傳統(tǒng)模擬儀表所不具備的多項先進性能，在對高、低頻干擾信號的抑制方面均有著優(yōu)異表現(xiàn)，即使在大功率變頻控制系統(tǒng)中依然能夠可靠應(yīng)用，同時，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用徹底克服了傳統(tǒng)溫度變送器線性差的缺點，內(nèi)部采用數(shù)字化調(diào)校、無零點及滿度電位器、自動動態(tài)校準零點、溫度飄移自動補償?shù)戎T多先進技術(shù)，并符合IEC61000-4-4:1995中所規(guī)定的第四類(惡劣工業(yè)現(xiàn)場)環(huán)境對產(chǎn)品的抗電磁干擾要求,這一系列技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性得到科學(xué)的保證。

流量傳感器選用SKLUCB型插入式渦街流量計[5]圖9SKLUCB型插入式渦街流量計因為此換熱器控制系統(tǒng)的兩流體均為液體，且換熱器管徑較大，則根據(jù)《過程檢測技術(shù)及儀表》第二章第五節(jié)流量檢測選用渦街流量計，插入式渦街流量傳感器適用口徑范圍為350-1200mm,所以選用KTLUI型插入式渦街流量計

儀表特點1、可測量蒸汽,氣體,液體的體積流量和質(zhì)量流量；

2、無機械運動部件,測量精度高,結(jié)構(gòu)緊湊維護方便；3、壓力損失小,量程范圍寬；范圍度達1:25；

4、采用消擾電路和抗振傳感頭；

5、采用消擾電路和抗振傳感頭，使儀表具有一定抗環(huán)境振動性能；

6、可測介質(zhì)溫度達+250℃。

7、可實現(xiàn)不斷流拆裝傳感器，可實現(xiàn)放大器與傳感器分離（分離距離15m）；4.2調(diào)節(jié)器選用SK－808/900系列智能PID調(diào)節(jié)儀如圖10所示圖10SK－808/900系列智能PID調(diào)節(jié)儀4.3調(diào)節(jié)閥選用電動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥如圖10所示ZAZQ（X）型電動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥有合流和分流二種型式，由DKZ電動執(zhí)行機構(gòu)和三通合流或三通分流調(diào)節(jié)組成，以電源為動力，接受統(tǒng)一的標準信號0～10mADC或4-20mADc驅(qū)使閥門開度與此操作信號相對應(yīng)。合流閥的作用是將一種流體分成兩路流體。分流合流閥只能對應(yīng)選用，但當(dāng)DN≤80時，和流閥可用于分流場合?？商娲鷥膳_單、雙座調(diào)節(jié)閥，節(jié)省投資，占據(jù)空間小。三通調(diào)節(jié)閥通常用于熱交換器的兩種介質(zhì)調(diào)節(jié)，及簡單的配比調(diào)節(jié)[6]。圖11動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥4.4儀表清單1.、裝配式熱電偶2、通用型智能溫度變送器3、SKLUCB型插入式渦街流量計4、SK－808/900系列智能PID調(diào)節(jié)儀如圖5、電動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥 5、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5.1調(diào)節(jié)控制參數(shù)（1）變送測量環(huán)節(jié)假設(shè)流量測量儀表處理后為線性單元：動態(tài)滯后忽略則有：而溫度環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)代替，式中Ktm與Kqm分別與測量的儀表的量程有關(guān)；T1≥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(shè)流量儀表的量程0-有QUOTE=10%/（T/hr）t/h，溫度儀表的量程為100-200攝氏度。所以：Kqm=10%,Ktm=1%（2）執(zhí)行器/調(diào)節(jié)閥假設(shè)控制閥為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略,（3）被控對象對于流量對象，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為：，擾動忽略式中K2通常在一定范圍內(nèi)變化，假設(shè)K2=0.05-0.2.而pv的變化范圍是（-0.1-+0.1）；對于溫度對象，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為：對應(yīng)的對象模型參數(shù)分別取值為：5.2PID參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真在MATLAB中的Simulink工具箱組件中進行系統(tǒng)的仿真[7]，所搭建的系統(tǒng)模型如下所示。為了便于說明串級控制系統(tǒng)的PID的整定過程為：先進性副控制器的參數(shù)整定，再在副回路閉合的前提下，進行主控制器的參數(shù)整定。對于本設(shè)計的系統(tǒng)中的副回路控制器，其廣義對象明顯的純滯后，無法用響應(yīng)曲線法或臨界比例度法來整定PID，本設(shè)計采用經(jīng)驗整定法。圖12系統(tǒng)仿真圖副回路：（1）首先設(shè)定流量控制器PID的參數(shù)初始值為：式中，Kp為副回路廣義對象的穩(wěn)態(tài)增益；Tp為副回路廣義對象的一階時間常數(shù)。圖12副回路參數(shù)整定設(shè)置初始值圖像（2）在根據(jù)設(shè)定值跟蹤速度的快慢，調(diào)整控制器增益Kc直到滿意為止。最后流量控制器的PID參數(shù)最后選取為：Kc=4,Ti=1.5,Td=0.如圖：圖13副回路整定圖主回路：PID參數(shù)初始值Kc=1，Ti=0.2，Td=0，未整定之前系統(tǒng)的輸出曲線為：圖14系統(tǒng)從動回路輸出響應(yīng)曲線由上圖可看出，響應(yīng)曲線不符合4:1衰減振蕩，所以需要進行參數(shù)整定。PID參數(shù)整定：PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp、積分時間Ti和微分時間Td，改善系統(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(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例度法和響應(yīng)曲線法。此次參數(shù)整定選用臨界比例度法，這種整定方法是在閉環(huán)的情況下進行的。首先將控制器的積分作用和微分作用全部切除，將比例增益Kc由小到大變化，對于每一個Kc值做小幅度的設(shè)定值階躍變化，以獲得臨界情況下的等幅振蕩，按照下表的經(jīng)驗算式求取控制器的最佳參數(shù)值。表1臨界比例度法整定參數(shù)控制規(guī)律KcTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu去除積分時間和微分時間，設(shè)定PID參數(shù)為：Kc=1，Ti=0，Td=0圖15系統(tǒng)從動回路輸出響應(yīng)曲線（2）將KC由小到大變化，得到臨界情況下的等幅振蕩當(dāng)Kc=6.1時，響應(yīng)曲線近似為等幅振蕩，如圖16所示。得到特征參數(shù)分別為：Kcmax=2.7，PU=30根據(jù)表1，冷流體流量控制器選用PID控制規(guī)律，所以PID參數(shù)分別為：Kc=0.5×2.7=1.62，Ti=0.5×30=150.12×30=3.6圖16近似等幅振蕩（Kc=2.7）（3）PID參數(shù)整定完成后的響應(yīng)曲線，如下圖：圖17出口溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng)由圖可得，響應(yīng)曲線為接近4：1衰減振蕩曲線，整定參數(shù)較理想5.3系統(tǒng)性能分析[1]衰減振蕩的過渡過程是人們所希望得到的一種穩(wěn)定過程，它能使被控變量在受到干擾作用后重新趨于穩(wěn)定，并且控制速度快、回復(fù)時間短。下面將以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標進行分析,由圖17仿真圖可得:最終穩(wěn)態(tài)值C=1，B=0.4B’=0.1(1)衰減比衰減比表示振蕩過程的衰減程度，是衡量過渡過程穩(wěn)定程度的動態(tài)指標。它等于曲線中前后兩個相鄰波峰之比:,n>1則過程是衰減的，n越大衰減越快。(2)最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差指的是在單位階躍擾動下，最大振幅與最終穩(wěn)態(tài)值之和的絕對值。A=|B+C|=1+0.4=1.4(3)超調(diào)量在隨動控制系統(tǒng)中，超調(diào)量是一個反映超調(diào)情況和衡量穩(wěn)定程度的指標。式中，C表示最終穩(wěn)態(tài)值與其初值的差(4)調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間是從過渡過程開始到結(jié)束所需的時間。過渡過程要絕對地達到新的穩(wěn)態(tài)，理論上需要無限長的時間。一般認為當(dāng)被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值附近或以內(nèi)的區(qū)域，并保持在該區(qū)域內(nèi)時，過渡過程結(jié)束，此時所需要的時間為調(diào)節(jié)時間，其是反應(yīng)系統(tǒng)快速性的指標。調(diào)節(jié)時間t_s=95min(5)振蕩周期振蕩周期是指過渡過程的第一個波峰與相鄰的第二個同向波峰之間的時間間隔。T=30min(6)峰值時間被控變量第一次達到最大值或最小值的時刻稱為峰值時間。t_p=30min(7)E上升時間過渡過程開始到被控變量第一次達到穩(wěn)態(tài)值的時間成為上升時間。t_t=8min6、課程設(shè)計結(jié)論本次課程設(shè)計，學(xué)到了很多知識，也鍛煉了動手能力，將我們學(xué)習(xí)的課本知識運用到了實際的設(shè)計中，很有意思。在課程設(shè)計的開