网前温箱温度控制课程设计.docx

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网前温箱温度控制课程设计

目录

摘要3

1、网前箱温度控制系统简述4

1.1、概述4

1.2、过程控制系统的应用意义4

2、设计方案5

2.1、整体方案5

2.1.1、方案一：

单回路控制系统5

2.1.2、方案二：

串级控制系统7

2.2、方案比较7

2.2.1、串级控制系统的特点7

2.2.2、方案比较8

2.3、方案选择9

3、串级控制系统的分析与设计10

3.1、控制对象的特性10

3.2、主回路的设计11

3.3、副回路的选择12

3.4、主、副调节器规律的选择12

3.5、主、副调节器正反作用方式确定12

3.5.1、副调节器作用方式的确定13

3.5.2、主调节器作用方式的确定13

3.6、控制器参数的工程整定13

4、器件的选择14

4.1、检测元件的选择14

4.2、调节阀的确定15

5、结语16

参考文献：

18

摘要

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。

在科学研究和生产实践的诸多领域中温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。

温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。

但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。

PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。

PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。

1网前箱温度控制系统简述

混合器和网前箱在造纸工业中中是非常重要的换热设备。

混合器控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。

同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。

因此，在设计网前箱控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证网前箱的热效率最高。

1.1概述

造纸厂纸浆由混合箱送往网前箱的工艺流程如下：

调配好中浓度纸浆由泵从贮槽送至混合箱，在混合箱中与过滤网过滤后的白水混合，配成低浓度纸浆悬浮液，并被蒸汽加热至72℃左右，经立筛、圆筛除去杂质后送至网前箱，再以一定速度喷向造纸网脱水。

为保证质量，网前箱温度应保持在61℃。

混合箱至网前箱的纯滞后时间有90s，如果纸浆流量波动35Kg/min，网前箱纸浆温度最大偏差将高达8.5℃，过渡时间则长达450s。

故工艺上要求：

1.网前箱纸浆温度保持在61℃±1℃。

2.混合箱温度保持在72℃±1℃

3.温度误差大于±3℃时应会自动提示报警。

1.2过程控制系统的应用意义

过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。

其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医药、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。

过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。

连续生产过程的特征是：

呈流动状的各种原料中连续流动过程中，伴随着物理变化、化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递。

连续型生产过程常常要求苛刻的工艺条件，如高温、高压等；现场存在易燃、易爆或有害泄漏等危险，生产条件恶劣；需要有保护人身与生产设备安全的特别措施等。

在大型的连续生产系统中，影响生产过程的因素和条件一般不止一个，各自所起到作用也不同，这就决定了过程控制的复杂性和多样性。

2设计方案

2.1整体方案

根据题目要求并通过检阅大量，有二种方案可以实现换热器温度控制系统：

2.1.1方案一：

单回路控制系统

网前箱中温度作为被控参数，经过温度变;送器传送到比较器，与设定值比较后控制蒸汽调节阀的蒸汽量，从而实现网前箱的温度控制。

单回路反馈控制控制系统结构框图：

图1单回路反馈控制控制系统结构框图

网前温箱温度控制系统：

温度控制器TC设定为61℃，,根据网前箱出口温度与设定值的偏差进行控制。

可是当混合器环节出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响，故控制质量差。

当生产工艺对网前箱出口温度要求严格时，单回路控制系统很难满足要求。

被控变量：

网前箱出口温度；

操纵变量：

蒸汽流量。

图2单回路网前箱温度控制系统

2.1.2方案二：

串级控制系统

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

串级控制系统结构框图：

中间被控变量：

混合器温度；

操纵变量：

蒸汽变量；

当混合器温度变化时，副测量变送器可以及时动作克服干扰。

串级控制系统结构框图：

图3串级控制系统结构框图

2.2方案比较

2.2.1串级控制系统的特点

在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：

主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副回路调节器的设定值，系统通过副回路调节器输出控制执行器动作，实现对参数的定值控制。

串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确的控制在工艺规定范围之内。

串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。

副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰能彻底的加以消除。

由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。

串级控制系统的优点：

1.改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。

2.能迅速克服进入副回路的二次扰动。

3.提高了系统的工作频率。

4.对负荷变化的适应性较强。

2.2.2方案比较

方案一：

控制系统简单易于实现且费用较低，但单回路控制系统在有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变蒸汽流量，在混合器中与纸浆和水混合后，混合器温度改变，再通过立筛和圆筛，最终改变网前箱出口温度。

该过程时间常数大，由于混合箱至网前箱的纯滞后时间有90s，如果纸浆流量波动35Kg/min，网前箱纸浆温度最大偏差将高达8.5℃，过渡时间则长达450s。

因此等到网前箱出口温度改变后，在改变操纵变量，制止不及时，变差在较长时间内不能被消除，故该控制系统控制超调量大，稳定性低，控制质量差。

方案二：

串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。

副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰能彻底的加以消除。

由于主副回路相互配合、相互补充，对主被控制对象有更好的控制效果，减小对象的时间常数，提高了抗干扰能力，并对负荷或操作条件的改变具有一定的自适应能力，使控制质量显著提高。

但其缺点是所用仪器较多，费用较高。

2.3方案选择

由于网前箱出口温度对于保证产品的指标是非常重要的，控制效果好，既能保证产品质量又能提高质量。

控制不理想的原因在于被控对象十分复杂：

1、蒸汽的流量变化造成温度波动很大；

2、处理量（纸浆）频繁提降也会造成网前箱温度的波动；

3、混合器的温度存在较大的滞后。

可以看出，网前箱温度控制系统是一个时变，大时滞，多干扰的复杂系统。

从系统工作特性可以看出，蒸汽量的多少是网前箱温度变化的决定因素。

但其变化过程是：

蒸汽量的变化首先引起混合器的温度变化，由于混合器温度差生变化，进而引起网前箱温度的变化。

由此可见对网前箱温度的控制采用混合器温度与网前箱温度进行串级控制的控制方案是合理而且可行的，这种方案也有助于对一系列干扰的克服。

3串级控制系统的分析与设计

3.1控制对象的特性

串级控制系统的结构框图：

图4串级控制系统的结构框图

图中参数：

F1（S）：

主回路干扰。

F2（S）：

副回路干扰。

Wm1（S）:

主回路温度变送器传递函数。

Wm2（S）:

副回路温度变送器传递函数。

Wc1（S）:

主回路温度控制器传递函数。

Wc2（S）:

副回路温度控制器传递函数。

Wv1（S）:

主回路执行器传递函数。

Wv2（S）:

副回路执行器传递函数。

Wo1（S）:

主回路控制参数传递函数。

Wo2（S）:

副回路控制参数传递函数。

Y（S）:

被控参数传递函数。

E（s）:

偏差传递函数。

假设副回路中各环节传递函数分别为：

（3.1.1）

（3.1.2）

（3.1.3）

（3.1.4）

经整理后可得：

（3.1.5）

因为：

（3.1.6）

因此，在此控制系统中，等效副回路对象的时间常数和放大倍数都缩小了，而且随着副回路控制放大倍数

的增大这种效果更显著。

这相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节，这会使系统的响应速度加快，控制更为及时，有利于提高控制品质和系统可控性。

3.2主回路的设计

网前温箱控制系统是以网前箱温度为主要被控参数的控制系统。

其他被控参数有混合器温度，立筛温度，圆筛温度等。

温度调节器对被控参数（网前箱温度）精确控制与温度调节器对来自蒸汽干扰的及时控制相结合，现根据混合器温度的变化，改变蒸汽流量，快速消除来自蒸汽的干扰对混合器温度的影响；然后再根据网前箱温度与设定值的偏差，改变温度调节器，进一步调节蒸汽流量，使网前箱温度恒定，达到温度控制的目的。

3.3副回路的选择

副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。

蒸汽由于其流量变化，对控制过程产生极大的干扰。

因此，我们选择混合器温度为串级控制系统的辅助被控参数。

串级系统中，通过调节副参数混合器的温度能够有效的影响主参数网前箱的温度，提高了主参数的控制效果。

3.4主、副调节器规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器起的作用不同。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

在网前箱温度串级控制中，我们选择网前箱温度为主要被控参数，温度对纸浆的质量影响较大，因为网前温箱串级控制系统有较大滞后，所以，选择PI调节作为主调节器的调节规律。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，可以有残差，所以我们的副调节器调节规律选择P控制。

3.5主、副调节器正反作用方式确定

一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。

串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。

3.5.1副调节器作用方式的确定

出于生产工艺安全考虑，蒸汽调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止蒸汽进入混合器，确保设备安全，调节阀

。

然后确定副被控过程的

，当调节阀开度增大，蒸汽量增大，混合器温度上升，所以

。

最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。

3.5.2主调节器作用方式的确定

混合器温度升高，网前箱温度也升高，住被控过程

。

为保证主回路为负反馈个，各环节放大系数乘积必须为正，所以主调节器的放大系数

，主调节器作用方式为放作用方式。

例如图3所示网前箱温度串级控制系统示意图，从设备安全角度考虑，调节阀应该选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用方式。

反之，为副作用方式。

测量变送单元作用方式均为正。

3.6控制器参数的工程整定

串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种。

两步整定法、逐不逼近法和一步整定法。

1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。

2、一步整定法，就是根据经验先将福控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主回路控制器参数。

3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。

4器件的选择

4.1检测元件的选择

检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。

被检测参数性质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。

检测、变送器选择的几个基本原则如下：

①尽可能选择测量误差小的测量元件。

②尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。

③正确采用微分超前补偿。

④合理选择测量点位置并正确安装。

⑤对测量信号作必要的处理。

本系统需要两个温度传感器，一个安装在混合器内；另一个安装在网前箱出口处。

根据测量精度和测量范围等要求，选用铂热电阻PT100为温度传感器，选择JCJ100G为温度变送器。

PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

4.2调节阀的确定

由前文得，从生产工艺安全出发，蒸汽调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断蒸汽进入混合器，确保设备安全为了保证。

调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。

气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。

故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。

选择动闸阀Z641H。

气动闸阀Z641H主要性能参数：

公称压力:

1.6,2.5.4.0.6.4MPa

使用温度：

-29～425℃（碳钢）-40～＋550℃（不锈钢）

公称通径：

DN50～800mm

阀体材质:

304.306.316L.WCB.HT200

连接法兰：

JB/T79．GB913．HG20592

适用介质：

空气、水、蒸汽、油及硝酸、醋酸等腐蚀性流体

作用方式：

切断型，调节型,手动控制

电源电压：

220VAC、24VAC

输入信号:

4～20mA/1～5VDC

0～20mA/0～10VDC

5结语

本次课设是网前箱温度控制系统，主要作用是实现纸浆的加热，因此用单回路闭环系统就可实现对换热器出口温度控制。

但纸浆流量的不稳定，是本系统的最主要扰动，为了克服纸浆流量变化对被控参数的影响，在单回路闭环系统的基础上串入副回路控制，构成串级控制系统，这样就能克服主要扰动（纸浆流量Q）的影响，而其他扰动如，纸浆的初温、蒸汽压力波动等，单回路闭环系统自己又可以克服，因此本系统基本满足要求。

本系统温度变送器极用Pt100、热电偶一体化温度变送器，调节阀为气开形式，温度控制器为反作用，流量控制器为正作用。

课程设计是培养我们综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

回顾起此过程控制课程设计，我仍感慨颇多，的确，从老师发下题目，到完成，这些天过得，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

虽然这已经不是第一次作课设了，但在设计的过程还是遇到很多困难，毕竟过程控制这门是理论与实际相结合十分紧密的，书本上的理论和实际应用中还是有很大区别的。

但是通过查阅大量书籍及在网上搜到的有关知识，基础上解决了一些遇到的难题，通过几天紧张的忙碌，对过程控制这门课有了更深的了解，对上课中老师所的串级系统、前馈-反馈系统等，有了进一步了解，同时对各种不同系统选用什么样的变送器，控制器、调节器有了进一步的理解。

总之，这次课程设计终于顺利完成了，但是自己所设计的系统中还存在不少缺点和不足，希望老师给予指正。

参考文献：

[1]冯巧玲.自动控制原理[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2007

[2]邵裕森,戴先中.过程控制工程[M].北京:

机械工业出版社,2009

[3]张根宝.工业自动化仪表与过程控制[M].西北工业大学出版社,2003

[4]李亚芬.自动化仪表与过程控制，北京电子工业出版社,2003

[5]方康玲.过程控制系统.武汉理工大学出版社2007

[6]郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真.电子工业出版社,2009

[7]仪器设备的型号查询相关网站