换热器出口温度单回路控制Word文件下载.docx
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PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成偏差，将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
其控制规律为
其传递函数形式为：
3、被控对象特性研究
换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。
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保证工艺介质加热（或冷却）到一定温度。
为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。
3.1被控变量的选择
被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。
在换热器出口温度单回路控制系统设计中，当然选择出口温度作为被控变量，因为我们要得到流体稳定的出口温度。
3.2操纵变量的选择
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操纵变量。
将出口温度维持在一定值，主要是对冷热流体间传递的热量进行控制，有控制载热体流量、工艺介质的旁路流量、传热面积等多种方式。
考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。
3.3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分析，这个方案的控制流程图如图1。
图3换热器的温度控制系统工艺流程图
为了处理方便，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等于冷流体吸收的热量，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；
为两流体间的平均温差。
其中，平均温差对于逆流、单程的情况为对数平均值：
当时，其误差在5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为：
由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，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、温度和比热容一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K以及平均温差。
4、过程检测控制仪表的选用
4.1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测量；
④测温范围广，可达-200~2000℃；
⑤形式多样，适用于多种测温条件；
选用热电偶测温仪，同时选用与之相对应的DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器。
该种温度变送器的反馈回路具有与测温元件相类似的特性，即非线性反馈，结果使被测温度t与之间成线性关系。
图4SBWR系列温度变送模块
DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器主要性能指标如下：
①测量范围最小量程3mV，最大量程60mV；
零点迁移-50~+50mV。
②基本误差
③温度特性环境温度每变化25℃，附加误差不超过千分之五。
④恒流性能当负载电阻在0~100Ω范围变化时，附加误差不超过千分之五。
⑤防爆指标结构为安全火花型；
防爆等级为HⅢe；
防爆额定电压为220VAC/DC。
其优点有以下几点：
①采用了低漂移、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保持了线性关系。
③线路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能。
热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回路两部分组成。
为了得到线性关系，必须使放大回路具有非线性，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——温度变送器的传递函数；
——热电偶的传递函数；
——放大回路的传递函数；
由于变送器放大回路的放大系数K很大，故放大回路的传递函数可以认为等于反馈电路的传递函数的倒数，即
则热电偶输入温度变送器的传递函数为
4.2执行器
根据生产工艺原则以及被控介质特点，我选用电动执行器。
执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。
电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。
考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。
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。
按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。
根据实际情况和介质特性，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，具有推力大、定位精度高、反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源突然断电时能自动保持调节阀原来的位置等特点。
图5DKZ系列直行程电动执行器
表1DKZ系列直行程电动执行器主要技术参数
输入信号
0~10mA.DC、4~20mA.DC
输入电阻
200Ω（Ⅱ型）、250Ω（Ⅲ型）
输入通道
3个隔离通道
基本误差
2.5%
回差
1.5
死区
3%（1~3%可调）
纯滞后
1s
电源电压
220V.AC、50Hz
使用环境条件
环境温度
执行机构-10~+55℃
相对温度
执行机构95%
表2型号规格表
机座号
型号
出轴推力（N）
出行程（mm）
全程时间（s）
Ⅰ
DKZ-310C
DKZ-310BC
4000
10
8
16
12.5
25
20
DKZ-410C
DKZ-410BC
6400
40
32
60
48
Ⅱ
DKZ-510C
DKZ-510BC
1600
37
100
62
考虑流量特性，通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律。
对不可压缩流体而言，流体流经调节阀时的阻力损失为
式中——调节阀的阻力系数；
——流过阀的流体平均流速；
——阀前压力；
——阀后压力；
阀体体积流量，接管截面积为A，则
以上为调节阀的流量方程。
由该式可见，在调节阀口径一定、也不变的情况下，流量仅随阻力系数的变化而变化。
当移动阀芯使开度改变时，阻力系数也随之变化，从而改变了流量的大小，达到了调节流量的目的。
4.3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，其作用是将参数测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，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。
我选用DTZ-2100型全刻度指示调节器。
图6DTZ-2100型全刻度指示调节器
表3DTZ-2100型全刻度指示调节器相关参数
1~5V.DC
内给定信号
外给定信号
4~20mA.DC
调节作用（比例+积分+微分）
比例带：
2~500%
积分时间：
0.01~2.5分
微分时间：
0.04~10分（可切除）
输入、给定指示表
指示范围：
0~100%，误差：
1%
输出指示表
25%
输出信号
负载电阻
250~750Ω
工作条件
环境温度：
0~45℃
工作振动：
频率25Hz
5、仪表型号清单列表
表4仪表型号清单
元件
输入信号范围
数量
热电偶温度变送器
SBWR/Z
3~60mV
1
执行器
调节器
DTZ-2100
6、参数整定与仿真
通过对换热器特性的研究，
通过查阅资料，换热器出口温度与热流体流量的关系可有开环阶跃响应的实验获得：
控制器选定PID调节器，其传递函数为
式中为比例系数；
为积分时间；
为微分时间。
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，需要通过实验采用飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。
得出整定的PID参数为：
7、课程设计结论
本文首先描述了换热器温度控制的原理，通过对换热器静态、动态特性的研究，制定了相应的控制方案。
进一步完成了控制过程中所需要的仪表的选型。
然后用MATLAB软件进行仿真，并对控制参数进行整定。
最后，使整个系统处于稳定状态，完成了对出口温度的控制。
此次课程设计增强了我运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，能够独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。
设计过程中我也遇到了很多问题，比如换热器温度控制数学模型的建立、执行器的选型等等。
但是通过老师的悉心指导，同时查阅大量的资料，这些问题都得到了解决。
8、参考文献
参考书籍
[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅张早校主编化学工业出版社
[2]《过程控制与自动化仪表》张井岗主编北京大学出版社
[3]《中华人民共和国机械行业标准JB/T9267.2-1999》国家机械工业局
[4]《过程装备成套技术设计指南工程》黄振仁主编化学工业出版社
[5]《过程控制仪表》徐春山主编冶金工业出版社
参考论文
[6]换热器出口温度和冷水流量串级控制
[7]换热器温度系统的控制
[8]换热器
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