測(cè)控課程設(shè)計(jì)

1、一、 前言 課程設(shè)計(jì)是專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它綜合培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，對(duì)給定的題目進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。本次測(cè)控儀表及裝置課程設(shè)計(jì)是對(duì)測(cè)控儀表及裝置這門(mén)課的總結(jié)，同時(shí)使學(xué)生進(jìn)一步了解儀表及裝置的有關(guān)知識(shí)，了解測(cè)控儀表與裝置的設(shè)計(jì)方法與步驟。本次課程設(shè)計(jì)為期一周，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求如下： 1、設(shè)計(jì)一加熱爐出口溫度（500±5）測(cè)控系統(tǒng)。 2、要求組成單回路控制系統(tǒng)，并畫(huà)出控制流程圖。 3、檢測(cè)儀表要求就地指示并遠(yuǎn)傳。對(duì)檢測(cè)儀表進(jìn)行選型及詳細(xì)論證，說(shuō)明其原理及安裝使用注意事項(xiàng)等，畫(huà)出安裝圖。4、對(duì)控制儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型并論證。5、列出儀表設(shè)備清單。6、按以上要求寫(xiě)出詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告

2、。 本設(shè)計(jì)是將加熱介質(zhì)的入口溫度和出口溫度相結(jié)合，通過(guò)溫度檢測(cè)及變送儀表等單元，反饋到溫度控制器，最終實(shí)現(xiàn)出口溫度的快速調(diào)節(jié)，同時(shí)測(cè)量正平衡法參數(shù)實(shí)現(xiàn)加熱爐熱效率的同步測(cè)算，并設(shè)計(jì)了一種快速調(diào)節(jié)加熱爐出口溫度和測(cè)算加熱爐效率的自動(dòng)控制系統(tǒng)。二、緒論 加熱爐為石油化工生產(chǎn)中重要的加熱設(shè)備和耗能設(shè)備，加熱爐的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到生產(chǎn)安全和能量合理利用。由于加熱介質(zhì)流量、加熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度以及外界環(huán)境等運(yùn)行條件的瞬態(tài)響應(yīng)，要使運(yùn)行能耗費(fèi)用最低，要求自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)必須作出相應(yīng)的調(diào)整。影響加熱爐熱效率的主要參數(shù)有空氣過(guò)剩系數(shù)、加熱爐負(fù)荷率、加熱介質(zhì)流量和溫度等。如何針對(duì)具體的運(yùn)行條件，選擇最佳運(yùn)行參

3、數(shù)，加熱爐控制系統(tǒng)和設(shè)備的自動(dòng)化程度高低是最重要的因素之一。 隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備的日益完善，控制系統(tǒng)的控制策略越來(lái)越起著重要的作用?，F(xiàn)行的加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)往往采用控制加熱介質(zhì)的出口溫度來(lái)控制燃?xì)饬?，造成了?shí)際生產(chǎn)中燃?xì)饬康目刂拼嬖跍笮?，?duì)生產(chǎn)的安全構(gòu)成隱患和威脅，而且在加熱爐測(cè)量系統(tǒng)中往往沒(méi)有考慮加熱爐熱效率的影響，導(dǎo)致無(wú)法快速測(cè)算鍋爐的能耗。 本次設(shè)計(jì)分析了目前石油化工生產(chǎn)中常用加熱爐的工藝流程，利用在加熱燃料油管道上的一個(gè)調(diào)節(jié)閥，控制燃料油流量，以達(dá)到控制加熱爐出口溫度。但是，由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足工藝對(duì)加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制

4、質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，有效地提高控制質(zhì)量，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。三、加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐，其任務(wù)是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進(jìn)行加工。加熱爐工藝過(guò)程為：被加熱物料流過(guò)排列爐膛四周的管道后，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制出口溫度的目的。圖1 加熱爐出口溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1、繪制加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 2、畫(huà)出單回路控制系統(tǒng)控制流程圖。 3、檢測(cè)儀表要求就地指示并遠(yuǎn)傳。對(duì)檢測(cè)儀表進(jìn)行選型及詳細(xì)論證，說(shuō)明其原理及安裝使用注意事項(xiàng)等，畫(huà)出安裝圖。4、

5、對(duì)控制儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型并論證。5、列出儀表設(shè)備清單。6、按以上要求寫(xiě)出詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)方案溫度控制器控制閥爐膛爐膛壁溫度檢測(cè)、變送儀表加熱爐出口1、加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2 加熱爐出口溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2所示為加熱爐工藝過(guò)程：被加熱物料流過(guò)排列爐膛四周的管道后，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制出口溫度的目的。2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加熱爐工藝過(guò)程為：被加熱物料流過(guò)排列爐膛四周的管道后，加熱到爐出口工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制出口溫度的

6、目的。由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，比如原料側(cè)的擾動(dòng)及負(fù)荷擾動(dòng)；燃燒側(cè)的擾動(dòng)等，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足工藝對(duì)加熱爐出口溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐出口溫度為主變量，選擇滯后較小的爐膛溫度為副變量，構(gòu)成爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求。串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，就是指在擾動(dòng)作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過(guò)控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。由加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可繪制出其結(jié)構(gòu)方框圖，如圖3主控制器副控制器調(diào)節(jié)閥爐膛出口主檢測(cè)、變送儀表副檢測(cè)、變

7、送儀表爐膛壁圖3 加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖3、 主、副控制器的選擇及參數(shù)整定主控制器的選擇：主被控變量是工藝操作的主要指標(biāo)（溫度），允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)余差，主控制器應(yīng)選PI控制規(guī)律。副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副控制器只要選P控制規(guī)律就可以了。在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：逐步逼近法；兩步整定法；一步整定法。逐步逼近法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。兩步整定法雖然比逐步逼近法簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程，但還是要做兩次4：1衰減曲線法的實(shí)測(cè)。對(duì)兩步整定法進(jìn)行簡(jiǎn)化，在總結(jié)實(shí)

8、踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一步整定法。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/20.5這一關(guān)系式，通過(guò)副過(guò)程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。（3）改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。（4

9、）如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。對(duì)于該溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配。根據(jù)表1，可以大致確定副控制器的增益Kc2及比例帶。表1 常見(jiàn)對(duì)象的副控制器比例帶的經(jīng)驗(yàn)法副控制器對(duì)象 溫 度 壓 力流 量液 位比例帶 2060307040802080增益Kc2 1.75.01.43.01.252.51.255.0根據(jù)本設(shè)計(jì)，適當(dāng)選取Kc2=3.5（整定時(shí)可以根據(jù)具體情況再做適當(dāng)調(diào)整）。然后在副回路已經(jīng)閉合的情況下按單回路控制器參數(shù)整定方法整定主控制器，本方案采用衰減曲線法整定，考慮到4：1衰減太慢，因此采用10：1衰

10、減曲線法整定主控制器參數(shù)。一般地取Kv=1,將X=45（學(xué)號(hào)最后三位）帶入可計(jì)算出主對(duì)象的傳遞函數(shù)。4、控制系統(tǒng)性能分析本次設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時(shí)間，減小了對(duì)象時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)。串級(jí)系統(tǒng)輸出曲線的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，使系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)對(duì)比可知，串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性能、動(dòng)態(tài)性能、工作頻率及自適應(yīng)能力都得到明顯改善。其性能可歸納為： 1、可以顯著提高系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的抑制能力，甚至是二次干擾在對(duì)主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時(shí)就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加快，對(duì)一次擾動(dòng)的抑制能力也得到提高。 2、提高了系統(tǒng)的工作頻率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可以更窄，從而提高了系統(tǒng)工作頻率。3、提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象的特性，減少了時(shí)間常數(shù)和相位滯后，使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善。4、對(duì)負(fù)荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，其特性變化對(duì)系統(tǒng)的影響顯著地削弱。但串級(jí)控制系統(tǒng)也存在一些不足：只有