管式加热炉温度温度串级控制系统的设计.docx
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管式加热炉温度温度串级控制系统的设计
课程设计任务书
学生姓名：
方诗豪专业班级：
自动化0804
指导教师：
傅剑工作单位：
自动化学院
题目：
管式加热炉温度-温度串级控制系统的设计
初始条件：
管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。
加热炉的工艺过程为：
燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。
试以温度-温度串级控制控制策略设计过程控制系统，使得管式加热炉出口温度为为70C，稳态误差土2C。
要求完成的主要任务：
1、了解管式加热炉工艺设备及其工作流程
2、基于对象特点分析，绘制控制系统方案图
3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数
4、撰写系统调节原理及调节过程说明书
时间安排
12月19日
12月20日
12月21~28日
12月29日
5、总结课程设计的经验和收获选题、理解课题任务、要求方案设计
参数计算、撰写说明书答辩
指导教师签名:
系主任（或责任教师）签名:
前言2..
1设计的目的及意义3.
1.1管式加热炉简介3.
1.2设计目的及意义4..
2管式加热炉温度控系统工作原理及控制要求4
3总体设计方案5.
3.1温度一温度串级控制系统5.
3.2方案特点6..
4串级控制系统分析6.
4.1主回路设计6..
4.2副回路选择7..
4.3主、副调节器规律选择7.
4.4主、副调节器正反作用方式确定7.
4.5控制器软件设计7..
4.6数字PID控制器参数整定9.
5各仪表的选取及元器件清单1.0
5.1温度检测元件10
5.2温度变送器.12
5.3调节阀1.3
5.4联锁保护13
6感受和体会1.4
管式加热炉温度-
温度串级控制系统的设计
、八、，
刖言
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表，并在各行业广泛使用。
它们主要具有如下的特点：
1适应于大惯性、大滞后等复杂控制系统的控制。
2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的控制系统的控制。
3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的控制系统的控制。
4、这些控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范围广泛。
5、控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
目前，国外控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。
在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。
在本世纪30年代就
已有使用。
过程控制技术发展至今天，在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段，它们是：
分散控
制阶段，集中控制阶段和集散控制阶段。
几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统（CIMS）:
以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。
1设计的目的及意义
1.1管式加热炉简介
管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉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。
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，示意图如图1所示：
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（600-1600C）,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。
1.2设计目的及意义
由于管式加热炉具有强耦合、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。
加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。
因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。
另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。
2管式加热炉温度控系统工作原理及控制要求
管式加热炉加热炉的工作原理如图2所示。
要加热的冷物料从左端的管口流入管式
加热炉，而燃料从右端的管口流入管式加热炉的燃烧部分，以供热。
经加热的物料从右
引起温度91改变的扰动因素很多，主要有：
（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动F2;
（2）喷油用的过热蒸汽压力波动F4;
（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动F1;
（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动F3;
以便把扰
其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定,
动因素减小到最低限度。
从调节阀动作到温度91改变，这中间需要相继通过炉膛、
管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。
工艺上要求管式加热炉出口
温度为为70C，稳态误差土2C。
3总体设计方案
3.1温度一温度串级控制系统
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。
中间被控变量：
炉膛温度；
操纵变量：
燃料流量。
图3管式加热炉温度串级控制系统
图4管式加热炉出口温度串级控制系统框图
其中X1为给定温度，X2为物料温度，X3为炉膛温度，F1为被加热油料方面
（它的流量和入口温度）的扰动，F2为燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）
的扰动，F3为配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动，F4为喷油用的过热蒸汽压
力波动。
3.2方案特点
串级控制系统中，由于引进了副回路，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。
畐晒路具有先调、初调、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干扰的影响能彻底加以消除。
由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。
和单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器和一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。
其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。
4串级控制系统分析
4.1主回路设计
加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。
其
他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。
温度调节器对被控参数91精确控制和温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度92的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度91和设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。
4.2副回路选择
副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。
燃料由于其成分和流量变化，对
控制过程产生极大干扰。
所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。
串级系统中，通过调整副参数炉膛温度92能够有效地影响主参数原料油出口温度
91,提高了主参数的控制效果。
4.3主、副调节器规律选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。
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。
在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油
温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID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，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。
4.4主、副调节器正反作用方式确定
由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀
处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv>0。
主调节器作用
方式确定：
炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1>0。
为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1>0，主调节器作
用方式为反作用。
又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0,负调节器作用方式为反作用方式。
4.5控制器软件设计
管式加热炉温度串级控制系统主回路简化方框图如图5所示。
R（t）
图5串级控制系统主回路简化方框图
对于主控制器采用数字PID控制算法的选择由两种：
位置型和增量型。
位置型PID控制数学表达式如下：
TkE（k）—E（k—1）
U（k）=Kp[E（k）需E（i）Td]
T|_T
（1）增量型PID控制数学表达式如下：
U（k）=U（k-1PU（k）=U（k-1）qoE（k）qiE（k-1）q2E（k-2）⑵
比较两种数字PID控制的数学表达式可知，增量型控制算法不需要做累加，控制量的增量的确定仅和最近几次误差采样值有关，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小。
而位置型算法要用到过去的误差的累加值，容易产生较大的累加误差。
同时增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，不会严重影响系统的工作。
而位置型算法输出的是控制量的全量输出，误动作影响大。
除此以外，采用增量型PID数字控制算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。
经过以上的分析可知，采用增量型数字PID控制算法较好。
相应的数字PID增量型
控制算法流程图如图6所示。
图6数字PID增量型控制算法流程图
4.6数字PID控制器参数整定
串级控制系统通常用于对主参数控制要求比较严格的生产过程，同时在串级控制系统中，对副参数的要求是能准确快速地跟踪主调节器输出的变化。
这种要求的不同是我们合理选择参数整定方法的依据。
串级控制系统的参数整定常用工程整定方法有：
逐步逼近法，两步整定法和一步整定法。
逐步逼近法是依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步逼近主、副回路的最佳状态。
两步整定是让系统处于串级控制状态，首先按单回路控制系统整定副回路调节器的参数，然后把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍然按照单回路参数整定的方法对主控制器的参数进行整定。
一步整定法是根据经验，先将副调节器的参数一次调好，不再变动；然后按照单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器的参数。
比较几种整定方法，逐步逼近法比较繁琐，而且工作量大；两步整定法虽然能满足对主、副参数的要求，但是要分两步进行，需要寻求两个衰减比为4：
1的衰减振荡过程，同样比较繁琐。
相比较而言，一步整定法的整定过程简单而且工作量相对较小。
故在这里选用一步参数整定法对串级控制系统进行参数整定。
系统参数整定步骤：
（1）在正常生产，系统为纯比例运行的条件下（即Ti为无穷大，Td为零），根据工程经验，确定副环调节器（为P型控制器）的参数比例度。
（2）将副回路视为一个环节，按照单回路参数整定的方法对主控制器的参数进行整
定。
把系统中的调节器设置成纯比例作用（即T为无穷大，Td为零），将：
由大到小的规律进行调整，直到被控参数出现等副振荡为止。
记下此时的比例度（临界比例度）
和等副振荡的周期Tk（临界振荡周期）。
根据相应的经验公式可以计算出：
=1.6-k，T|=0.5TK，TD=0.5T|。
（3）在已整定参数条件下，观察控制过程，适当调整主调节器的参数，使其满足工艺要求。
5各仪表的选取及元器件清单
5.1温度检测元件
热电偶作为温度传感元件，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。
具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、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、电阻和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。
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7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8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。
而本次设计要使得管式加热炉出口温度为为70C，稳态误差土2C,故选用热电阻，电流输出型集成温度传感器AD590，灵敏度1问K,测量范围为-55~150C。
T
图7补偿导线的作用
图8热电阻三线制接法
5.2温度变送器
DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。
III型仪表具有以下主要特点：
（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4〜20mA,控制室联络信号为DC1〜5V，信号电流和电压的转换电阻为2501。
（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。
（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。
DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室和危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。
DDZ-III型PID调节器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动和自动切
换电路、输出电路和指示电路组成。
调节器接收变送器送来的测量信号（DC4〜20mA或DC1〜5V），在输入电路中和给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD和PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4〜20mA直流电流输出。
图9给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同
本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器。
软手动电路
图9DDZ-III型调节器结果框图
5.3调节阀
由前面可以知道，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，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，广泛地使用于化工、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。
5.4联锁保护
联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。
当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。
压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。
当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行,出料温度重新受到控制。
当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供给量以防回火。
6感受和体会
通过这次课程设计，我发现了很多平时学习上的不足，也学到了很多以前没有涉及到得知识，在平时的学习中常常都是测试要考什么，我就学什么，对于一些公式根本就没有去理解和推导，导致考完试以后就把这些知识给忘掉，没有能够转化成自己的知识，所以刚刚开始做课设时有点吃力，在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学和朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。
冈寸开始的时候，对管式加热炉和串级控制系统只有个大概的了解，我去图书馆仔细查阅了介绍过程控制系统的相关书籍，并在网上搜类似的设计来参考，详细了解其工作原理，并对管式加热炉控制系统的设计有一个大概的构思。
当然，对一篇课程设计来说,
格式也是一个重要的方面，我仔细按着知道老师的格式要求，认真编辑，达到好的效果＜
在做课程设计的过程中，不断发现新的问题，不断去寻找好的解决方法，不断去改变，改进，才能让自己得到提高。
我们首先要学好理论，然后抓住机会实践，在实践中加深对理论的理解，理论和实践相结合，才能学好专业知识，为未来打好基础。
不知不觉中，几天时间的关于管式加热炉温度控制系统的课程设计已经做完了，感觉受益匪浅＜
在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。
同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给和帮助，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。
我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。
学校安排了这次管式加热炉温度控制系统的课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识和现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。
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]陈宗海.过程系统建模和仿真•中国科学技术大学出版社
1992.
⑸傅信鉴.过程计算机控制系统•西北工业大学出版社
[6]周庆海，翁维勤编.过程控制系统工程设计•化学工业出版社,
[7]朱瑞、张鹏等.自动温度控制系统.济南山东大学，2006.
本科生课程设计成绩评定表
姓名
方诗豪性别男
专业、班级
自动化0804班
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果（例如：
硬件成果、软件程序）（25分）
4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5
设计报告的规氾化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 