管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计.docx

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管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计

第1章绪论

1.1设计要求

综合运用过程控制系统及自动控制原理课中所学到的理论知识，联系工程实际，选择合理的主变量、副变量，选择合理的控制方式，设计一个符合要求的串级控制系统。

1.1.1设计题目和设计指标

设计题目：

管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统

技术指标：

1.选择控制器与调节阀的作用方式；

2．画出控制系统框图；

3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。

求出比例度与衰减振荡周期；

4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；

5．求出系统的阶跃响应曲线；

6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲线；

7．分析系统特点。

8．撰写设计说明书及注意事项。

1.1.2设计功能

主要功能：

选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统。

第2章

系统总体设计方案

2.1工艺流程图

管式加热炉是工业生产中的常用设备之一，其工艺流程图如图2-1所示：

图2-1管式加热炉工艺流程图

2.2方框图和工艺流程的介绍

此次管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的设计采用主副回路的串级控制方案，即选取炉口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。

其系统框图如图2-2所示：

图2-2管式加热炉出口温度串级控制系统框图

管式加热炉简介：

管式加热炉一般由四个主要部分组成：

烟囱、对流室、辐射室及燃烧器

管式加热炉示意图如图2-3所示：

图2-3管式加热炉

通风系统：

将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。

对流室：

靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。

辐射室：

通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。

这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。

燃烧器：

是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。

第3章

硬件设计和器件的选择

3.1系统电气接线框图

本系统采用两个AI818控制器构成主副控制回路，其系统电气接线图如图3-1所示：

图3-1系统电气接线图

3.2器件选择及元器件清单

1.控制器

AI-818人工智能温控器/调节器 适合温度、压力、流量、液位、湿度等的精确控制，输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达0.2级。

采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。

采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要。

除支持标准电流（电压）信号输入外，还支持各种热电偶、热电阻、电阻及辐射（红外）温度计等，并具备扩充输入插座安装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格，可外接Cu50铜电阻作热电偶冷端补偿，0.1级测量精度，温漂小于30PPm/℃。

除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。

模块化输出支持SSR电压、线性电流（电压）、继电器触点开关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发输出及位置比例输出（直接驱动阀门电机正/反转）等。

除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。

具备MPT、AI人工智能调节APID等多种调节方式，具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，亦可使用位式控制（ON-OFF）功能;双组独立参数PID可支持加热/冷却双输出功能。

先进的AIBUS通讯协议：

支持RS485或RS232C通讯接口，配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制系统，亦可组成AI系列触摸屏控制系统/分体式无纸记录仪。

支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并可自由定义4个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输出。

具备上电免除报警等功能，避免上电报警误动作。

可选用的面板尺寸：

A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。

温度控制器输入端是热电偶或热电阻接点，检测元件热电阻接在该点上，输出端是两个小型继电器，控制加热设备。

然后设置温度的上限和下线。

运行后，当温控器检测到温度达到上限时，继电器断开，停止加热设备加热。

当温度回到下线时，继电器接通，控制加热设备继续加热，起到自动控制温度作用。

2.温度检测元件

常用的温度检测元件有热电偶，热电阻和热敏电阻温度计等。

热电偶是根据热电效应制成的一种温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。

具有结构简单、坚固耐用、稳定性好、复现性好、精度高、测量范围宽、体积小、响应时间较小等优点，便于远距离、多点、集中测量和自动控制，热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。

大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。

热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。

在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。

补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。

补偿导线的作用如图3-2所示。

用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。

具体的方法有：

查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。

采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的链接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。

为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。

同时，热电阻必须用三线接法，如图5.3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。

图3-2补偿导线的作用

图3-3热电阻三线制接法

3.调节阀

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。

本设计所选用的调节阀是电动调节阀，其具有高可靠，全功能，超轻型的特点，并且，信号传递迅速，响应速度快，而且采用电源作为动力源即方便又节约，并且相对其他调节阀的使用减少了许多维修工作量。

第4章控制算法及参数整定

选择加热炉出口温度为主被控参数（简称主参数），炉膛温度为副被控参数（简称副参数），把炉口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值，设计串级控制系统。

假设热物料出口温度的特性可近似为

，燃料热值变化对炉膛温度影响特性可近似为

。

在MATLAB中画出仿真框图，如图4-1所示：

图4-1系统仿真图

4.1副回路的整定

将比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。

此时的仿真曲线如图4-2所示：

图4-2仿真曲线1

4.2主回路的整定

保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为10：

1的比例度P1S，记取过渡过程的振荡周期T1S。

当衰减比为10：

1时，比例度

，振荡周期

，此时主回路的仿真曲线如图4-3所示:

图4-3仿真曲线2

4.3整体参数整定

按已求得的P1S、T1S和P2s、T2s值，结合已选定的调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。

经计算以后，主、副调节的参数设置如图4-4、4-5所示：

图4-4整定参数设置1

图4-5整定参数设置2

当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。

一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。

因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副参数的控制品质差一点也是可以接受的。

主、副调节器参数整定好以后系统输出图如图4-6所示。

图4-6整定完成后系统输出图

对设定值施加干扰信号以后，系统输出如图4-7所示。

图4-7施加干扰时系统输出图

第5章组态设计

5.1数据库设计

组态软件变量表如图5-1所示：

图5-1组态王变量表

5.2画面设计

5.2.1主画面

图5-2管式加热炉控制系统组态画面主画面

5.2.2详细参数画面

图5-3管式加热炉控制系统组态画面参数画面

结论

通过过程控制系统的分析与应用，基本完成了方案的制定与实施，并基本完成了设计要求与技术指标。

通过综合运用过程控制系统与自动控制原理中的理论知识，并结合工程实际，采用两个AI818智能控制器的串级控制和热电偶等测量元件的使用以及计算机中kingview6.53工业组态软件的应用实现了对管式加热炉出口温度与炉膛温度的监控。

心得体会

不知不觉中，两周的课程设计即将结束，关于管式加热炉温度控制系统的课程设计也已经基本完成了，在本次课程设计的过程中，我感到受益匪浅。

在本次设计过程中，从拿到课程设计的题目到方案的基本思路的整定，从方案的设计到基本方案的确定，无不经过了反复的论证与缜密的思考。

回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，如何使系统能够达到设计目的也经历了严谨的论证。

通过学校安排的这次管式加热炉温度控制系统的课程设计，我们通过自己查找资料，了解情况，使得我们清楚所学的知识与现实工业生产之间的联系，并增加了我们动手动脑的能力与独立思维的能力，使得我们对所学的理论知识有了更深入的了解和巩固。

通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了更加深入的认识，对过程控制系统设计的步骤、思路也有了一定的了解与认识。

在课程设计的过程中，我们遇到了许多困难，老师也在各个环节中给予了我们细心的指引与教导,使我得以最终完成这次关于管式加热炉温度控制系统的设计。

在本次课程设计的过程中，我了解到了控制系统的基本设计方法与步骤，拓展了知识面，并在与同学的讨论与合作中明白了团队合作的重要性，三人行则必有我师，每个人所掌握的东西各有不同，每个人的思路也各不相同，只有互相促进、互补不足才能成就我们共同的辉煌，也只有集众人之所长，才能汇集出众人等精彩。

而在日后的学习、生活与工作中，我们不可能一个人单枪匹马的去做一个项目，我们需要团队的合作，需要大家的共同努力，明白了这些，使得我们为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。

致谢

在这两个星期的课程设计的过程中，首先，我们要感谢我们的指导老师能在忙绿的工作中指导我们完成这次课程设计，在我们迷茫时给我们提供更佳的设计方案与设计建议，并且在课题较难的地方指导我们如何去选择，如何去操作，如何去设计，衷心的感谢我们的老师对我们的支持与帮助。

其次，要感谢学校给予我们此次课程实际的机会，让我们在此次课程设计中获益匪浅，明白了理论与实际相结合的重要性，与团队合作的重要性，在今后的工作中，这将是一笔珍贵的财富。

再次，要感谢我的队友，是他们努力的工作与研究，才使得此次课程设计取得如此快的进展与成功。

参考文献

[1]金以慧，方崇智编．过程控制．清华大学出版社，2010．

[2]薛定宇编．控制系统辅助设计．清华大学出版社，2008．

[3]胡寿松编．自动控制原理．科学出版社，2009．

[4]张毅，张宝芬编．自动检测技术及仪表控制技术．化学工业出版社，2009.

[5]周泽魁编．控制仪表与计算机控制装置．化学工业出版社，2009．

[6]王兆安，黄俊编.电力电子技术.机械工业出版社，2000.

[7]刘迎春.传感器原理设计与应用.国防科技大学出版社，1997.

[8]周庆海，翁维勤编.过程控制系统工程设计.化学工业出版社，1992.

附录

元器件清单：

AI818智能调节仪器2台

镍铬-镍硅热电偶2个

电动单座调节阀1个

温度变送器2个