列管式換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計.doc

目錄摘要11換熱器過程控制概述、組成及特點21.1 概述21.2 換熱器的組成21.3 系統(tǒng)控制過程的特點31.4 引起換熱器出口溫度變化的擾動因素32 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方案圖42.1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖42.2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方框圖53 換熱器過程控制系統(tǒng)分析53.1 系統(tǒng)介紹53.2 兩極Smith預(yù)估補償器63.3模糊控制器74 方案比較94.1 換熱器一般溫控系統(tǒng)94.2 Smith預(yù)估器的控制機理95 控制器的選擇115.1 LDG型系列電磁流量計115.2 HR-WP-201TR/TC22W智能熱電阻/熱電偶溫度變送器115.3 LWGB系列渦輪流量變送器125.4 KVHV電動V型調(diào)節(jié)球閥125.5 AI-7048型4路PID 溫度控制器135.6 流量控制器 ：型號TLS11-LC14參考文獻15摘要 換熱器作為一種標準工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部門。這個對象的特點是：熱流體和冷流體通過對流熱傳導(dǎo)進行換熱，從而使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。本設(shè)計采用一帶有Smith預(yù)估補償?shù)哪：壙刂破鞯目刂葡到y(tǒng)，主控變量為換熱管出口溫度，副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化,使換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn)，具有較傳統(tǒng)PID串級控制算法過渡時間縮短，超調(diào)量減少，抗干擾能力強等特點。列管式換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計1換熱器過程控制概述、組成及特點1.1 概述 換熱器作為一種標準工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部門。這個對象的特點是：熱流體和冷流體通過對流熱傳導(dǎo)進行換熱，從而使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。本設(shè)計采用一帶有Smith預(yù)估補償?shù)哪：壙刂破鞯目刂葡到y(tǒng)，主控變量為換熱管出口溫度，副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化,使換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn)，具有較傳統(tǒng)PID串級控制算法過渡時間縮短，超調(diào)量減少，抗干擾能力強等特點。1.2 換熱器的組成 換熱器溫度控制系統(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)。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)。1.3 系統(tǒng)控制過程的特點 換熱器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)檢驗元件測量并由溫度變送器轉(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。換熱器的溫度控制系統(tǒng)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)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)速由變頻器來控制。1.4 引起換熱器出口溫度變化的擾動因素簡要概括起來，引起換熱器出口溫度變化的擾動因素主要有：（1）熱流體的流量和溫度的擾動，熱流體的流量主要受到換熱器入口閥門的開度和循環(huán)泵壓頭的影響。熱流體的溫度主要受到加熱爐加熱溫度和管路散熱的影響。（2）冷流體的流量和溫度的擾動。冷流體的流量主要受到離心泵的壓頭、轉(zhuǎn)速和閥門的開度等因素的影響。（3）加熱爐的啟停機的影響。 （4）室內(nèi)溫度與管路內(nèi)氣體變化和閥門開度的影響。2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方案圖2.1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖圖1換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程：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。 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。調(diào)節(jié)過程：根據(jù)檢測到的冷流量的變化，先調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速，控制冷流量的大小，即為副回路，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)冷流體的流量，以保持出口溫度的穩(wěn)定，若熱物流出口溫度與給定值有偏差，通過變頻器調(diào)節(jié)離心泵使冷物流流量變化，達到調(diào)節(jié)熱物流出口溫度。若冷物流流量與給定值有偏差，調(diào)節(jié)離心泵使冷物流流量變化，調(diào)節(jié)冷物流流量，進一步調(diào)節(jié)熱物流出口溫度，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)。 2.2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方框圖圖2為換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方框圖： 3 換熱器過程控制系統(tǒng)分析 3.1 系統(tǒng)介紹 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。本設(shè)計采用一帶有Smith預(yù)估補償?shù)哪：壙刂破鞯目刂葡到y(tǒng)，主控變量為換熱管出口溫度，副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化。被調(diào)參數(shù)（換熱器出口溫度）經(jīng)檢驗元件測量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號c，測量值c與給定值r的差值e送入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器對偏差信號e進行運算處理后輸出控制作用u。系統(tǒng)主控變量為換熱管出口溫度，副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化，使換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn)。 控制方法是兩極Smith預(yù)估補償?shù)拇塒ID控制方法，在副回路中加入預(yù)估補償器，預(yù)先估計出副控制對象在干擾作用下的動態(tài)特性，然后由預(yù)估器進行補償，力圖使被延遲了時間的被控量超前反應(yīng)到副調(diào)節(jié)器的輸入端，使副調(diào)節(jié)器提前動作，從而明顯減少超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過程。以模糊控制和積分調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，由于模糊控制具有動態(tài)特性好，魯棒性強的特點，克服對象模型不精確，對象參數(shù)時變的缺點，副回路以Simth預(yù)估補償器為輔，解決純滯后問題。3.2 兩極Smith預(yù)估補償器圖3中，Gc2(s)為副調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，G2(s)e-s為副回路被控對象的傳遞函數(shù)，模糊控制器與積分環(huán)節(jié)并聯(lián)作為主調(diào)節(jié)器，其等效傳遞函數(shù)設(shè)為Gc1(s)，Gc1(s)作為主回路被控對象傳遞函數(shù)，G2(s)(1-e-s)和G0(s)(1-e-s)分別為內(nèi)回路和外回路Smith預(yù)估器。Gc2(s)G1(s)模糊控制器G2(s)e-s積分環(huán)節(jié)G0(s)(1-e-s)G2(s)(1-e-s)圖3 基于主副回路Smith預(yù)估補償?shù)拇壞：刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)其中 ，副回路等效傳遞函數(shù)為 外回路中含有Smith預(yù)估器的控制器的等效傳遞函數(shù) ，則圖3所示的串級控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 由上兩式可以看出，經(jīng)兩級Smith預(yù)估器補償后，系統(tǒng)的特征方程為1+G2(s)GC2(s)(1+G1(s)GC1(s)=0 特征方程不包含e-s，因此，滯后特性不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.3模糊控制器圖4給出了模糊控制原理框圖：模糊化控制規(guī)則模糊推理清晰化EECU圖4 模糊控制原理框圖串級模糊控制系統(tǒng)流程如圖5所示圖5 串級模糊控制系統(tǒng)流程圖 實測值的模糊化：模糊控制器的輸入變量為溫度偏差E及偏差的變化率EC,輸出變量為控制器輸出的電壓信號U,三者的基本論域分別為-1,1,-02,02及0,5。可令 E、EC及U的模糊集合論域均取-3,-2,- 1,0,1,2,3的離散區(qū)間。則其量化因子分別為 KE=3/1=3,KEC=3/02=15,KU=5/6。在模糊控制區(qū),輸入輸出變量語言可以表達為:負大 (NB),負小(NS),0(Z),正小(PS),正大 (PB)。 圖6模糊子集的隸屬函數(shù) 模糊推理：對于雙輸入單輸出模糊控制器,其控制規(guī)則為“ifEisAandECisBthenUis C”來描述,根據(jù)過程控制的實際經(jīng)驗得到49條規(guī)則，根據(jù)這些規(guī)則,可求得模糊關(guān)系R。表中每一 條推理語言均可得到相應(yīng)的模糊關(guān)系R1,R2,R3,R49。模糊關(guān)系R的求法如下:R=(EEC) U。而描述整個系統(tǒng)控制規(guī)則的總模糊關(guān)系R 為:R1R2Rn。由E、EC及上式推理合成 規(guī)則,得到輸出模糊集U=(EEC)R。 表1 模糊控制規(guī)則表 去模糊化：采用最大隸屬度法,分別對 輸出模糊集合U1、U2、U49進行去模糊化,將模糊控制器輸入量化等級與其輸出精確值相對應(yīng), 得到模糊控制查詢表,如表所示。實時控制時, 根據(jù)輸入偏差與輸入偏差變化率的模糊值直接查找控制表,獲得控制量。4 方案比較4.1 換熱器一般溫控系統(tǒng)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)及一般熱力學原理，可得被控對象傳遞函數(shù)的近似表達式： 式中 GP( s) 對象的傳遞函數(shù)； K對象的放大系數(shù)； TS對象的時間常數(shù)； 對象的純時間滯后； Go(s)對象傳遞函數(shù)中不含純滯后的部分?？梢钥闯?，它是一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。一般的溫控系統(tǒng)如圖7所示。圖7 一般溫控系統(tǒng)方框圖 圖中R(s)為參擾。從圖7可以得出換熱器一般溫控系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 由于特征方程里含有e- s項，這對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性極其不利，若足夠大，系統(tǒng)就很難穩(wěn)定；而且由于系統(tǒng)中含有純滯后環(huán)節(jié)，使控制器的設(shè)計變得復(fù)雜。4.2 Smith預(yù)估器的控制機理Smith預(yù)估器控制的基本思路是：預(yù)先估計過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后由預(yù)估器進行補償控制，力圖使被延遲了的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動作，以此來減小超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過程。對于帶長時滯過程而言，Smith預(yù)估器是一種非常有效的通用的補償器，其主要優(yōu)點在于滯后時間能從閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中消除。然而，預(yù)估器要求被控對象的數(shù)學模型非常準確，這在實際工程中很難辦到，特別是對積分和非穩(wěn)定系統(tǒng)，其控制更為困難。Smith預(yù)估器控制原理圖如圖8所示。圖8 Smith預(yù)估控制器原理圖 圖中U(s)為控制器的輸出，L(s)為系統(tǒng)外擾(也稱負荷擾動)，GL(s)是C(s)對L(s)的傳遞函數(shù)，GS(s)為Smith預(yù)估補償器的傳遞函數(shù)。若Smith預(yù)估補償器的傳遞函數(shù)為 GS(s) = Go(s) (1-e-s) 由圖8可得Smith預(yù)估控制器的傳遞函數(shù)(s)為 另有 由上面兩式可以看出，在定值和外擾作用下的閉環(huán)特征方程中均不包含受控對象的純延遲，因而起到了純延遲的補償作用。與式對應(yīng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。與圖9所示原理圖等效的控制系統(tǒng)，很容易用MATLAB函數(shù)命令set ( )來實現(xiàn)，這使得控制品質(zhì)的仿真研究變得簡單。圖9 Smith預(yù)估器控制原理等效圖 本設(shè)計采用的兩極Smith補償器與上面簡單介紹的有異曲同工之妙，前面已作了一些介紹，概括了其與傳統(tǒng)PID控制的一些優(yōu)點，一般來說，可以看出該控制系統(tǒng)換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn)，具有較傳統(tǒng)PID串級控制算法過渡時間縮短，超調(diào)量減少，抗干擾能力強等特點，這里就不多加介紹了。5 控制裝置的選擇5.1 LDG型系列電磁流量計主要技術(shù)指標： 介質(zhì)電導(dǎo)率：>20s/cm 成套精度：口徑10250 0.5%;1.0%;口徑3001200 1.0%;輸出信號：010mA DC;420mA DC 電 源：傳感器由轉(zhuǎn)換器供電24V，轉(zhuǎn)換器電源：220V50Hz 連接法蘭：機標JB/T81-94；國標GB9119-88或按用戶需要 口 徑：口徑101200mm5.2 HR-WP-201TR/TC22W智能熱電阻/熱電偶溫度變送器主要技術(shù)參數(shù)系統(tǒng)傳輸準確度：0.5%F.S(可訂制0.2%)冷端溫度補償準確度：1(預(yù)熱時間30分鐘)測量熱電阻時允許的引線電阻：15輸入阻抗：電流-100；電壓-500K電流輸出允許外接的負載阻抗：420mA，0350；010mA，0700電壓輸出時的內(nèi)部阻抗：250輸入、輸出、電源、通訊之間絕緣阻抗：不小于100M輸入/輸出/電源/通訊/雙回路之間絕緣強度：直流DC2000V.dc，交流AC1500V.dc輸入信號故障時的輸出狀態(tài)設(shè)置：輸出狀態(tài)有跟隨方式、報警方式、保持方式三種狀可設(shè)置。通訊接口：RS485通訊協(xié)議：本公司提供的專用通訊協(xié)議、MODBUS協(xié)議通訊距離：RS485節(jié)點數(shù)(不加中繼時)，距離1000米(波特率9600時)編程及校準：現(xiàn)場手持式中文編程器-它可對本儀表進行功能編程及計量校準，大屏幕全中文菜單，功能齊全，操作方便；簡易型編程器-單行液晶菜單操作，可在現(xiàn)場對儀表進行功能設(shè)置，使用及攜帶靈活，由于本產(chǎn)品采用數(shù)字化結(jié)構(gòu)，并采取了環(huán)境溫度自補償、零點自動校準等先進技術(shù)，因此可長年保證準確度在規(guī)定范圍內(nèi)，不需頻繁校準。面板指示:PWR-電源指示燈(綠色)；ALM-輸入信號報警指示燈(紅色)；輸入信號故障時閃爍；輸入信號超量程時長亮。工作環(huán)境：安裝位置不得有強烈振動，以及來自信號端、電源端及空間不得超過IEC61000-4-4-1995中第三類工業(yè)現(xiàn)場電磁干擾的強度，并使用環(huán)境中不得有對金屬、塑料件起嚴重腐蝕作用的有害物質(zhì)。溫度漂移：0.005F.S/工作環(huán)境溫度：-10+55供電電源：直流，DC24V10%；交流，AC95265V輸入功率：0.91.8W(與型號有關(guān))5.3 LWGB系列渦輪流量變送器主要技術(shù)指標：精確度：1.0級、0.5級、0.2級 環(huán)境溫度-20+50 輸出信號：420mA（兩線制） 輸出陰抗0-500 供電電源：直流12V-24V 5.4 KVHV電動V型調(diào)節(jié)球閥型號：KVHV-V主要技術(shù)參數(shù):閥體：公稱通徑：25-300mm公稱壓力：PN1.6，4.0，6.4MPa連接形式：法蘭式按JB/T79.2-94凹或按JB78-5P對夾式法蘭連接材料：WCB ZG1Gr18Ni9Ti CF3M填料：V型聚四氟乙烯填料，含浸聚四氟乙烯填料，石棉紡織填料。耐高溫碳纖維填料溫度：常溫：-20+120 散熱：+200+450閥內(nèi)組件：閥芯形式：V形缺口半球體流量特性：近似等百分比或近似直線特性及快開特性。球體閥桿材料：2Cr131Gr18Ni9Ti oCr17NI17Mo2（316L）金屬閥座材料：與閥桿材料相同，密封堆焊鈷鉻硬質(zhì)合金非金屬閥材料：增強聚四氟乙烯。執(zhí)行機構(gòu)：可選用PSQ系列、3810系列或NB系列電子式角行程執(zhí)行機構(gòu)。5.5 AI-7048型4路PID 溫度控制器技術(shù)規(guī)格 輸入規(guī)格： 熱電偶：K、S、R、E、J、T、B、N、WRe5-WRe26 線性mV電壓：020mV、060mV、0100mV、01V等 測量范圍： K(0+1300)、S(0+1700)、R （0+1700）、T(-200+350)、E(01000) 、J(01200)、B(01800)、N(01300) 、WRe5-WRe26 （02300）、Pt100(-200+600) 線性mV電壓輸入：由用戶用SCH及SCL參數(shù)自由定義 測量精度：0.2 FS 1個字 注1 ：熱電偶輸入且采用內(nèi)部冷端補償時應(yīng)另加1冷端補償允許誤差，采用銅電阻、冰點或恒溫槽補償時則不需要 注2 ：B分度號熱電偶在60600范圍可進行測量，但精度無法達到標定精度，在6001800可保證測量精度。 溫度漂移：0.01%FS/ （典型值為60ppm/） 電磁兼容： IEC61000-4-4 （電快速瞬變脈沖群），! 4KV/5KHz ；IEC61000-4-5 （浪涌），4KV 隔離耐壓： 電源端、繼電器觸點及信號端相互之間 2300VDC ；SSR電壓輸出與熱電偶輸入之間 600VDC 控制周期：0.48秒/4回路 輸出規(guī)格：SSR驅(qū)動電壓，12VDC/20mA每回路，包含短路保護功能 電源： 100240VAC/50Hz 或24VAC/DC 10，15；5VA 使用環(huán)境：溫度-10 +60，濕度90%RH5.6 流量控制器 ：型號TLS11-LC產(chǎn)品規(guī)格： LC（流量控制器） 量程范圍： 50，100，200，500 CCM LPM 精度等級： 2% 滿量程 重復(fù)性： 2% 滿量程 量程比： 50:1 響應(yīng)時間： 100 毫秒 壓降大?。?隨量程范圍變化 PSID 操作溫度： +1+50 補償溫度： +1+50 零點漂移： 0.02%/ATM 0.02% 滿量程 范圍漂移： 0.02%/ATM 0.02% 滿量程 濕度量程： 0-100% 0-100% 無冷凝 過流率： 2.4% 2.4% 滿量程 最大耐壓： 100 100 PSIG 供應(yīng)電流(典型)： 30 250 毫安 電壓電源： 12-30 12-25 VDC 輸入/輸出： 0-5VDC,0-10VDC,4-20mA,RS-232 VDC 電氣連接： 8針 8針 DIN小型圓插頭 機械連接： 1/8-1/4 1/8 NPTF 接液部：件303不銹鋼，Viton ，RTV硅樹脂，PolyethermideR閥門僅為：陽極氧化鋁，410和304不銹鋼，鎳，銅，Viton ，Delrin 參考文獻1張毅.自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).北京：化學工業(yè)出版社.2008.2周澤魁.控制儀表與計算機控制裝置. 北京：化學工業(yè)出版社.2008.3金以慧.過程控制.北京：清華大學出版社.2007.4胡壽松.自動控制原理.北京：科學出版社.2006.5王平主.儀器儀表.北京：新時代出版社.2002.6江蘇蘇科科技有限公司主頁