列管式換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的設計講解

1、目錄 摘要 1 1 換熱器過程控制概述、組成及特點 2 1.1 概述 2 1.2 換熱器的組成 2 1.3 系統(tǒng)控制過程的特點 3 1.4 引起換熱器出口溫度變化的擾動因素 3 2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方案圖 4 2.1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖 4 2.2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方框圖 5 3 換熱器過程控制系統(tǒng)分析 4 3.1 系統(tǒng)介紹 4 3.2 兩極 Smith 預估補償器 6 3.3 模糊控制器 7 4 方案比較 9 4.1 換熱器一般溫控系統(tǒng) 9 4.2 Smith 預估器的控制機理 9 5 控制器的選擇 10 5.1 LDG 型系列電磁流量計 10 5.2 HR-WP-20

2、1TR/TC22W智能熱電阻 / 熱電偶溫度變送器 10 5.3 LWGB系列渦輪流量變送器 11 5.4 KVHV電動 V 型調節(jié)球閥 11 5.5 AI-7048 型 4路 PID 溫度控制器 12 5.6 流量控制器 ：型號 TLS11-LC 13 參考文獻 13 摘要 換熱器作為一種標準工藝設備已經被廣泛應用于動力工程領域和其他過程 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進行換熱， 從而 使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產的需求。 本設計采用一帶有 Smith 預估補償 的模糊串級控制器的控制系統(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

3、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 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備已經被廣泛應用于動力工程領域和其他過程 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進行換熱， 從而 使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產的需求。 本設計采用一帶有 Smith 預估補償 的模糊串級控制器的控制系統(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

4、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 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、溫度傳感器等設備。根據(jù)控制系統(tǒng)的復雜程度，可以將其 分為簡單控制系統(tǒng)和復雜控制系統(tǒng)。 其中在換熱器上常用的復雜控制系統(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 節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象（出口溫度）組成閉合回路。被調參數(shù)（換熱器出口溫 度）經檢

5、驗元件測量并由溫度變送器轉換處理獲得測量信號， 測量值與給定值的 差值送入調節(jié)器，調節(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，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)泵流經換熱器的管程， 出口溫度穩(wěn)定在設定值附近。 冷流體通過多級離 心泵流經換熱器的殼程， 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置一個調節(jié)閥， 可以調節(jié)冷熱流體的大小。 在冷流體出口設 置一個電功調節(jié)閥， 可以根據(jù)輸入信號自動調節(jié)冷流體流量的大小。 多級離心泵 的轉速由變頻器來

6、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 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）室內溫度與管路內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

7、心泵，變頻器、渦輪流量傳 感器、溫度傳感器等設備。 換熱器過程控制系統(tǒng)執(zhí)行器的選擇考慮到電動調節(jié) 閥控制具有傳遞滯后大， 反應遲緩等缺點， 根具離心泵模型得到通過控制離心泵 轉速調節(jié)流量具有反應靈敏， 滯后小等特點，而離心泵轉速是通過變頻器調節(jié)的， 因此，本系統(tǒng)中采用變頻器作為執(zhí)行器。 調節(jié)過程： 根據(jù)檢測到的冷流量的變化， 先調節(jié)離心泵的轉速， 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定值之間的偏差， 根據(jù)合 適的控制算法， 進一步調節(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， 通過變頻器調節(jié)離心泵使冷物流流量變化， 達到調節(jié)熱 物流出口

8、溫度。若冷物流流量與給定值有偏差，調節(jié)離心泵使冷物流流量變化， 調節(jié)冷物流流量， 進一步調節(jié)熱物流出口溫度， 這樣組成流體出口溫度調節(jié)器和 流體流量調節(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、 調節(jié)器、 執(zhí)行器和被控對象 （出口溫 度）組成閉合回路。本設計采用一帶有 Smith 預估補償?shù)哪：壙刂破鞯目刂?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。 被調參數(shù) （換熱器出口溫度

9、） 經檢驗元件 測量并由溫度變送器轉換處理獲得測量信號 c，測量值 c與給定值 r的差值 e送 入調節(jié)器，調節(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 預估補償?shù)拇?PID 控制方法，在副回路中加入預估 補償器，預先估計出副控制對象在干擾作用下的動態(tài)特性， 然后由預估器進行補 償，力圖使被延遲了 時間的被控量超前反應到副調節(jié)器的輸入端， 使副調節(jié)器 提前動作， 從而明顯減少超調量和加速調節(jié)過程。 以模糊控

10、制和積分調節(jié)器作為 主調節(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 預估補償器為輔，解決純滯后問題。 3.2 兩極 Smith 預估補償器 圖 3 中，Gc2(s)為副調節(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)作為主調節(jié)器， 其等效傳遞函數(shù)設為 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)分別為內回路和外回路 其 中 G0 s G11 sGG22ssGGCC22ss ， 副 回 路 等 效 傳 遞 函 數(shù)

11、為 G2 s 1G2 Gs2GsC2GsC2es 外回路中含有 Smith 預估器的控制器的等效傳遞函 數(shù) GC1 s G C1 s 1 GC1 s G 0 s 1 e ts ，則圖 3 所示的串級控制系統(tǒng)的傳遞函 數(shù)為G s Y s G1 s G2 s GC1 s GC2 s e 由上兩式可以看出， R s 1 G2 s GC2 s 1 G1 s GC1 s 經 兩 級 Smith 預 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

12、了模糊控制原理框圖： 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,-0 2,02及0,5?？?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=3/0 2=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

13、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)過程控制的實際經驗得到 49條規(guī)則， 根據(jù)這些規(guī)則 ,可求得模糊關系 R。表中每一 條推理語言均可得到相應的模糊關 系 R1,R2,R3, ,R49。模糊關系 R 的求法如下 :R=(E EC) U 。而描述整個系統(tǒng) 控制規(guī)則的總模糊關系 R 為:R1R2Rn。由 E、EC及上式推理合成 規(guī)則, 得到輸出模糊集 U=(E EC)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、

14、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, 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)換熱器的結構及一般熱力學原理，可得被控對象傳遞函數(shù)的近似表達式： Gp(s) TsK 1e s Go(s)e s 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。 可以看出，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 F 7 所示。 圖 7 一般溫控系統(tǒng)

15、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： G(s) Gc(s)Go(s)e s 1 Gc(s)Go (s)e s 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)，使控制器的設計變得復雜。 4.2 Smith 預估器的控制機理 Smith預估器控制的基本思路是：預先估計過程在基本擾動下的動態(tài)特性， 然后由預估器進行補償控制，力圖使被延遲了 的被調量提前反映到調節(jié)器，并 使之動作，以此來減小超調量并加速調節(jié)過程。對于帶長時滯過程而言， Smith 預估器是一種非常有效的通用的補償器，

16、 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預估器 控制原理圖如圖 8所示。 圖8 Smith預估控制器原理圖 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 預估補償器的傳遞函數(shù)。若 Smith 預估補償器的 傳遞函數(shù)為 GS(s) = Go(s) (1-e- s) 由圖 8可得 Smith預估控制器的傳遞函數(shù) (s)為 (s) C(s) Gc(s)Go(s

17、)e s (s) R(s) 1 Gc (s)Go(s) 另有 C(s) GL(s)1 Gc(s)Go(s)(1 e s) L(s) 1 Gc(s)Go(s) 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。與式對應的動態(tài)結構圖如圖 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)，這使得控制品質的仿真研究變得簡單。 圖 9 Smith預估器控制原理等效圖 本設計采用的兩極 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

18、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 主要技術指標： 介質電導率： 20 s/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：傳感器由轉換器供電 24V ，轉換器電源： 220V50Hz 連接法蘭：機標 JB/T81-94；國標 GB9119-88 或按用戶需要 口 徑：口徑 10 1200mm 5.2 HR-

19、WP-201TR/TC22W 智能熱電阻 /熱電偶溫度變送器 主要技術參數(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： 4 20mA，0350；010mA ，0700 電壓輸出時的內部阻抗： 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)設置： 輸出狀態(tài)有跟隨方式、 報警方式、

20、 保持方式三 種狀可設置。 10 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置，使用及攜帶靈活，由于本產品采用數(shù)字化結構， 并采取了環(huán)境溫度自補償、 零點自動校準等先進技術， 因此可長年保證準確度在 規(guī)定范圍內，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 （

21、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。 溫度漂移： 0.005F.S/ 工作環(huán)境溫度： -10 +55 供電電源：直流， DC24V 10%；交流， AC95265V 輸入功率： 0.9 1.8W（與型號有關 ） 5.3 LWGB 系列渦輪流量變送器 主要技術指標： 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-

22、500 供電電源：直流 12V-24V 5.4 KVHV 電動 V 型調節(jié)球閥 型號： KVHV-V 主要技術參數(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 11 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： 2Cr13

23、1Gr18Ni9Ti oCr17NI17Mo2 (316L) 金屬閥座材料：與閥桿材料相同，密封堆焊鈷鉻硬質合金 非金屬閥材料：增強聚四氟乙烯。 執(zhí)行機構： 可選用 PSQ系列、 3810系列或 NB 系列電子式角行程執(zhí)行機構。 5.5 AI-7048 型 4 路 PID 溫度控制器 技術規(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(01

24、800 )、 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部冷端補償時應另加 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 12 （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 600VD