加熱器溫度控制

1、天津城建大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2014 -2015 學(xué)年第學(xué)年第 2 學(xué)期學(xué)期控制與機(jī)械工程學(xué)院 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 班級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 課程設(shè)計(jì)名稱： 過(guò)程控制 設(shè)計(jì)題目： 加熱器溫度控制 完成期限：自 2015 年 7 月 13 日至 2015 年 7 月 17 日共 1 周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容： 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 加熱器出口溫度在階躍擾動(dòng)DC 作用下，其輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)如下：1.5ImA t/s012345678y4.04.04.24.54.85.15.45.75.8t/s91011y5.855.96.06.0試根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)超調(diào)量的無(wú)差控制系統(tǒng)。具體要求如下：

2、 25%p（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；（2）根據(jù)辨識(shí)結(jié)果設(shè)計(jì)符合要求的控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)原理圖、控制規(guī)律選擇等） ；（3）根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表；（4）對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，整定運(yùn)行參數(shù)。二、設(shè)計(jì)要求 采用 MATLAB 仿真；需要做出以下結(jié)果：（1）超調(diào)量（2）峰值時(shí)間（3）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（4）余差（5）第一個(gè)波峰值（6）第二個(gè)波峰值（7）衰減比（8）衰減率（9）振蕩頻率（10） 全部 P、I、D 的參數(shù)（11） PID 的模型（12） 設(shè)計(jì)思路三、設(shè)計(jì)報(bào)告1課程設(shè)計(jì)報(bào)告要做到層次清晰，論述清楚，圖表正確，書(shū)寫工整；詳見(jiàn)“課程設(shè)計(jì)報(bào)告寫作要求” 。四、參

3、考資料1 何衍慶工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制（1 版） 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20042 邵裕森過(guò)程控制工程北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20003 過(guò)程控制教材指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日2目錄緒論緒論.4一、設(shè)計(jì)內(nèi)容一、設(shè)計(jì)內(nèi)容.41.1 總體思路.41.2 設(shè)計(jì)要求.4二、數(shù)學(xué)模型的建立二、數(shù)學(xué)模型的建立.42.1 PID 參數(shù) K、T、的確定.42.2 傳遞函數(shù)的確定.6三、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).73.1 原系統(tǒng)方框圖.73.2 PID 溫度控制器原理.73.3 控制規(guī)律與控制變量的確定.83.4 過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)備的選擇.8四、系統(tǒng)仿真及其分析四、系統(tǒng)仿真及

4、其分析 .104.1 仿真波形圖.104.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo).10五、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)五、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) .11六、參考文獻(xiàn)六、參考文獻(xiàn) .123緒論緒論過(guò)程控制課程是自動(dòng)化專業(yè)最主要的一門課程，它是在自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用課程，既有理論又有工程實(shí)踐。以表征生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這里“過(guò)程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過(guò)程。例如，鍋爐中蒸汽的產(chǎn)生、分餾塔中原油的分離等。表征過(guò)程的主要參數(shù)有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過(guò)對(duì)過(guò)程參數(shù)的控制，可使生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少同時(shí)本次課

5、程設(shè)計(jì)還綜合應(yīng)用了多款軟件如MATLAB,VISIO 繪圖軟件。供水系統(tǒng)是一個(gè)普遍存在的實(shí)際問(wèn)題，有一個(gè)水箱需要維持一定的水位，該水塔里的水以變化的速度流出。這就需要有一個(gè)輸入控制液體閥以不同的速度給水塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使水塔不斷水。利用過(guò)程控制課程中所學(xué)的 PID 控制可以實(shí)現(xiàn)水塔水位的精確控制，建立的水塔液位閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水塔中的進(jìn)、出水的水位自動(dòng)控制。一、設(shè)計(jì)內(nèi)容一、設(shè)計(jì)內(nèi)容1.1 總體思路在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，可初步體驗(yàn)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法，了解必須提交的各項(xiàng)工程文件，也達(dá)到鞏固、充實(shí)和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的目的。同

6、時(shí)也使學(xué)生加深理解所學(xué)的理解知識(shí)，提供運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，按照給定的設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)要求，使學(xué)生掌握電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本技能，增強(qiáng)獨(dú)立分析與解決問(wèn)題的能力。根據(jù)任務(wù)書(shū)中要求，對(duì)表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)，用 MATLAN 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后得到相應(yīng)的符合要求的 PID 參數(shù)。對(duì)修正后的波形進(jìn)行仿真，得到任務(wù)書(shū)中要求的未知量。1.2 設(shè)計(jì)要求試根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)超調(diào)量的無(wú)差控制系統(tǒng)。具體要求如下： 25%p1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；2、根據(jù)辨識(shí)結(jié)果設(shè)計(jì)符合要求的控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)原理圖、控制規(guī)律選擇等） ；3、根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表；4、對(duì)設(shè)

7、計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，整定運(yùn)行參數(shù)。二、數(shù)學(xué)模型的建立二、數(shù)學(xué)模型的建立2.1 PID 參數(shù) K、T、 的確定靜態(tài)放大系數(shù) 45 . 10 . 6uy）（Kt=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11;h=4.0 4.0 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 5.8 5.85 5.9 6.0 ;plot(t,h);4圖 2-1 傳遞函數(shù)響應(yīng)曲線圖 2-2 取 y（t）=0.39 是的響應(yīng)曲線5圖 2-3 取 y（t）=0.63 時(shí)的響應(yīng)曲線取 t1=3.9，t2=6.3 故 Y1=4.77，Y2=5.49由 MATLAB 仿真可得t1=3.9，t2=6.3T=2(t2 -

8、t1)=4.8=2t1 - t2 =1.5（0.20.311）31. 0T=4.1719. 081. 0TTI=2.1TTD25. 02.2 傳遞函數(shù)的確定 sesTKsW1)(00其中33. 1345 . 10 . 40 . 60IyK33. 253. 593. 32263. 039. 0tt28. 4)93. 353. 5(2)(239. 063. 00ttT所以該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：sessW33. 2128. 433. 1)(6三、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 原系統(tǒng)方框圖圖 3-1 系統(tǒng)方框圖3.2 PID 溫度控制器原理 電腦控制溫度控制器：采用 PID 模糊控制技術(shù)，用先

9、進(jìn)的數(shù)碼技術(shù)通過(guò) Pvar、Ivar、Dvar（比例、積分、微分）三方面的結(jié)合調(diào)整形成一個(gè)模糊控制來(lái)解決慣性溫度誤差問(wèn)題。 采用了 PID 模糊控制技術(shù)，較好地解決了慣性溫度誤差的問(wèn)題。 傳統(tǒng)的溫度控制器，是利用熱電偶線在溫度化變化的情況下，產(chǎn)生變化的電流作為控制信號(hào)，對(duì)電器元件作定點(diǎn)的開(kāi)關(guān)控制器。 PID 模糊控制，是針對(duì)以上的情況而制定的、新的溫度控制方案，用先進(jìn)的數(shù)碼技術(shù)通過(guò)Pvar、Ivar、Dvar 三方面的結(jié)合調(diào)整，形成一個(gè)模糊控制，來(lái)解決慣性溫度誤差問(wèn)題。 然而，在很多情況下，由于傳統(tǒng)的溫度控制器溫控方式存在較大的慣性溫度誤差，往往在要求精確的溫控時(shí)，很多人會(huì)放棄自動(dòng)控制而采用調(diào)

10、壓器來(lái)代替溫度控制器。當(dāng)然，在電壓穩(wěn)定工作的速度不變、外界氣溫不變和空氣流動(dòng)速度不變的情況下，這樣做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的環(huán)境因素是不斷改變的，同時(shí)，用調(diào)壓器來(lái)代替溫度控制器時(shí)，必須在很大程度上靠人力調(diào)節(jié)，隨著工作環(huán)境的變化而用人手調(diào)好所需溫度的度數(shù)，然后靠相對(duì)穩(wěn)定的電壓來(lái)通電加熱，勉強(qiáng)運(yùn)作，但這決不是自動(dòng)控溫。當(dāng)需要控溫的關(guān)鍵很多時(shí)，就會(huì)手忙腳亂。這樣，調(diào)壓器就派不上用場(chǎng)，因?yàn)榭咳耸植荒芡瑫r(shí)調(diào)節(jié)那么多需要溫控的關(guān)鍵，只有采用 PID 模糊控制技術(shù)，才能解決這個(gè)問(wèn)題，使操作得心應(yīng)手，運(yùn)行暢順。 PID控制器調(diào)節(jié)閥加熱器出口溫度輸入輸出-測(cè)量變送器圖 3-2 加熱器控制系統(tǒng)方框圖圖

11、 3-3 PID 系統(tǒng)控制方框圖73.3 控制規(guī)律與控制變量的確定在此可根據(jù)的值來(lái)選擇控制規(guī)律，當(dāng) a=0.2 時(shí)應(yīng)選用比例或比例積分控制規(guī)律；當(dāng) 0.2a1 時(shí)應(yīng)采用串級(jí)控制或前饋控制。而該系統(tǒng)的 a 屬于第二種情況，所以應(yīng)當(dāng)選用比例-積分-微分控制規(guī)律。具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱為 PID 控制器。這種組合具有三種基本規(guī)律各自的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為：dttdeKdtteTKteKtmptipp)()()()(0相應(yīng)的傳遞函數(shù)是：)11 ()(ssTKsGipssTsTTKiiip12在現(xiàn)實(shí)情況下，可直接選擇測(cè)量的參數(shù)作為被控參數(shù)，這里選擇出口處的水溫作為被控變量。同時(shí)可以選擇燃

12、料的多少作為控制出口溫度的控制變量。3.4 過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)備的選擇測(cè)量與變送是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，是系統(tǒng)產(chǎn)生控制作用的依據(jù)，要使系統(tǒng)良好運(yùn)行，測(cè)量值必須迅速可靠地反映被控變量的真是變化情況，測(cè)量與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來(lái)決定。本處選擇熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)加熱器其結(jié)構(gòu)采用：臥式、固定管板式結(jié)構(gòu)。依據(jù)其介質(zhì)特性，采用二管程、單殼程。加熱蒸汽走殼程，循環(huán)水走管程。管板與殼體、管箱均采用焊接結(jié)構(gòu)，管箱上設(shè)有人孔，便于換熱管的維護(hù)清理和更換。熱網(wǎng)加熱器有以下性能特點(diǎn)：由于本熱網(wǎng)特殊結(jié)構(gòu)和加工工藝，同時(shí)強(qiáng)化汽水兩側(cè)，傳熱系數(shù)高。 （凝結(jié)水導(dǎo)流裝置、管內(nèi)增加水流速形成

13、紊流） 、水側(cè)阻力小、耐高壓、高溫、不易泄露、較寬的負(fù)荷范圍熱工性能變化不大等特點(diǎn)其中優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該如下：（1）為減小熱應(yīng)力，換熱器殼體采用大筒體間和小筒體用兩個(gè)半波膨脹節(jié)相連，這樣既滿足了蒸汽進(jìn)口的流通面積要求同時(shí)也消除了管束與殼體的膨脹差應(yīng)力。（2）在蒸汽進(jìn)口設(shè)置蒸汽分散組件，在特大蒸汽流量狀態(tài)下，具有蒸汽分散作用，使進(jìn)入管束的蒸汽流速迅速降低到 10m/s 以下，大大緩解了特大流量對(duì)管束的沖刷；該組件在蒸汽進(jìn)口處設(shè)置較大的弧形有銹鋼防沖板，對(duì)開(kāi)車階段開(kāi)啟蒸汽閥門瞬間對(duì)管束的沖擊或正常操作階段進(jìn)入殼程的蒸汽流對(duì)管束的沖擊具有阻擋和分流的作用，延長(zhǎng)了管束使用壽命。（3）為了減小熱網(wǎng)加熱器

14、在運(yùn)行中管束的震動(dòng)，采取減小管束無(wú)撐跨距。管板與換熱管采用強(qiáng)度焊加貼脹的方式以消除間隙并防止間隙腐蝕。（4）為防止蒸汽冷凝液在換熱管外表面形成大量水膜及底部換熱管被上部換熱管冷凝液所澆淋，特設(shè)置蒸汽分區(qū)導(dǎo)流裝置，減少了冷凝水大量的附著在換熱管表面。（5）由于本熱網(wǎng)加熱器直徑較大，按常規(guī)的布管方式則管束心部的換熱管對(duì)于蒸汽凝結(jié)換熱來(lái)講，8將很難參與換熱，這樣就影響了換熱效果。為此本熱網(wǎng)加熱器在布管上均勻地增設(shè)了蒸汽通道，使加熱蒸汽能順利地進(jìn)入到管束心部，使所有的換熱管都充分地參與換熱。（6）為保證較低的疏水溫度，避免蒸汽進(jìn)入凝結(jié)水管道，確保水泵不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，使疏水更加穩(wěn)定、可靠，特設(shè)置疏水井，

15、便于水位調(diào)節(jié)。（7）為防止管程循環(huán)水由于誤關(guān)閥門，而蒸汽繼續(xù)通入使循環(huán)水受熱膨脹，造成設(shè)備損壞，管側(cè)設(shè)置安全閥，使循環(huán)水受熱膨脹時(shí)通過(guò)安全閥釋放壓力，保護(hù)設(shè)備。為防止由于換熱管的破裂而使循環(huán)水進(jìn)入殼程蒸汽側(cè),使殼程水位急劇升高,當(dāng)水位高于設(shè)定水位時(shí),平衡容器會(huì)與緊急疏水閥一起將過(guò)量的水泄掉,保護(hù)設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)特別情況時(shí)，殼程會(huì)灌滿水，相應(yīng)壓力會(huì)高到危及設(shè)備的安全，此時(shí)安全閥自動(dòng)打開(kāi)，與緊急疏水閥一起泄水，確保熱網(wǎng)加熱器的安全。9四、系統(tǒng)仿真及其分析四、系統(tǒng)仿真及其分析4.1 仿真波形圖圖 4-1 原系統(tǒng)的仿真圖圖 4-2 校正后的仿真圖104.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo)超調(diào)量：= %100hhth%p%

16、0 .2200. 150. 172. 1峰值時(shí)間：=16spt過(guò)度過(guò)程時(shí)間：=30sst余差 p=1.5012-1.50=0.0012第一個(gè)波峰值：1.75，第二個(gè)波峰值：1.52衰減比：75:52衰減率：0.04振蕩頻率：5.8調(diào)節(jié)后全部 PID 參數(shù)：=1 IP16. 0IDPID 的模型：此設(shè)計(jì)采用比例-積分控制規(guī)律五、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)五、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)雖然這次課程是那么短暫的一周時(shí)間，我感覺(jué)到這些天我的所學(xué)勝過(guò)我這一學(xué)期所學(xué)，這次任務(wù)原則上是設(shè)計(jì)，其實(shí)就是一次大的作業(yè)，是讓我對(duì)課本知識(shí)的鞏固和對(duì)基本公式的熟悉和應(yīng)用。課程設(shè)計(jì)是培訓(xùn)學(xué)生運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)的理論知識(shí)和專業(yè)知識(shí)來(lái)分析解決實(shí)際問(wèn)題的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)三年所學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)和鞏固。同樣，也促使了同學(xué)們的相互探討，相互學(xué)習(xí)。因此，我們必須認(rèn)真、謹(jǐn)慎、踏實(shí)、一步一步的完成設(shè)計(jì)。如果時(shí)間可以重來(lái)，我可能會(huì)認(rèn)真的去學(xué)習(xí)和研究，也可能會(huì)自己獨(dú)立的完成一個(gè)項(xiàng)目，我相信無(wú)論是誰(shuí)看到自己做出的成果時(shí)心里一定會(huì)很興奮。此次設(shè)計(jì)讓我明白了一個(gè)很深刻的道理：團(tuán)隊(duì)精神固然很重要，擔(dān)人往往還是要靠自己的努力，自己親身去經(jīng)歷，這樣自己的心里才會(huì)踏實(shí)，學(xué)到的東西才會(huì)更多?？傊@次課程設(shè)計(jì)使