换热器温度控制系统设计.docx

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1、本科生课程设计（论文）摘要在本次课设换热器温度控制系统设计中，主要作用是实现以冷物料的加热，因此用单回路闭环系统就可实现对换热器出口温度控制。但同冷物料流量不稳定，是本系统的最主要扰动，为了克服冷物料流量变化对被控参数的影响，采取smith预估补偿控制，力图使被延迟了的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量并加速调节过程，可以大大减少这些扰动因素对于热流体出口温度的影响，取得比常规PID更好的控制效果，控制系统的稳定性好、超调量小、控制精度更高。关键词：史密斯预估补偿；纯滞后；换热器；PID目录第1章绪论1第2章课程设计的方案22.1 概述22.1.1 串级控制系统设计22.1.

2、2 史密斯预估补偿控制设计22.2 系统组成总体结构32.2.1 换热器温度控制系统的组成与特点32.2.2换热器温度控制原理3第3章换热器温度控制系统设计73.1 温度控制系统的硬件设计73.1.1温度变送器的选择73.1.2流量变送器的选择73.1.3执行器(调节阀)的选择：93.1.4调节器的选择：93.2 温度控制系统PID设计11第4章系统仿真与分析12第5章课程设计总结15参考文献1616第1章 绪论在现代工业过程中，有不少的过程特性具有较大的纯滞后时间，其特点是当控制作用产生后，在纯滞后时间范围内，被控参数完全没有响应。上述纯滞后过程中，被控参数不能及时地反映系统所承受的扰动，从

3、而产生明显的超调，似的控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统的设计和控制增加了很大的难度。常规PID调节，不仅超调量大而且调节时间长，不能满足高控制精度的要求，因而对此类问题的研究具有重要的理论和实际意义。史密斯(Smith)预估补偿器是得到广泛应用的纯滞后系统的控制方法。它针对纯滞后系统闭环特征方程中含有纯滞后项，在PID 反馈控制基础上,引入了一个预估补偿环节，从而使系统闭环特征方程不含纯滞后项，抵消纯滞后特性所造成的影响，明显地减小超调量和加速调节过程，提高了控制质量。若特征方程中包含了es，随着频率的增加，es 的相角无限减小，使系统的稳定范围大大缩小，为了保证系统稳定性，只能减小

4、增益，使调节控制作用减弱,这样使系统响应速度慢，系统适应性较差。Smith 预估补偿的基本控制策略是：构造一个过程参考模型，将迟延环节es移出系统闭环，使系统反馈信号不受es的影响，使系统调节品质、稳定性等得到相应改善。系统响应速度提高，适应性强。第2章 课程设计的方案2.1 概述换热器温度控制系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。2.1.1 串级控制系统设计控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、

5、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。从冷流体管路阀门或离心泵转速变化到热流体出口温度改变，在这中间要相继通过冷流体流量变化，换热器热交换速率变化，热流体出口温度变化等一系列过程，因此整个控制通道的容量滞后大、时间常数大、这就导致控制系统的控制作用不及时、最大偏差大、过度时间长、抗干扰能力差、控制精度降低。可以讲来自冷流体流量方面的干扰因素包括在副回路内，因此可以大大减少这些扰动因素对于热流体出口温度的影响。对于热流体流量和温度方面的干扰，采用串级控制系统也可以得到改善，具体控制效果明显改善。2.1.2 史密斯预估补偿控制设计Smith预估器控制的基本思路是：预先估计过程在基本扰动下的动态

6、特性，然后由预估器进行补偿控制，力图使被延迟了的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量并加速调节过程。对于带长时滞过程而言，Smith预估器是一种非常有效的通用的补偿器，其主要优点在于滞后时间能从闭环系统的特征方程中消除。然而，预估器要求被控对象的数学模型非常准确，这在实际工程中很难办到，特别是对积分和非稳定系统，其控制更为困难。2.2 系统组成总体结构2.2.1 换热器温度控制系统的组成与特点(1) 换热器的组成换热器温度控制系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。

7、其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。(2) 系统控制过程的特点换热器温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。换热器的温度控制系统工艺流程如下:：冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流

8、体交换热后流回蓄电池，循环使用。在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。多级离心泵的转速由便频器来控制。(3) 引起换热器出口温度变化的扰动因素简要概括起来，引起换热器出口温度变化的扰动因素主要有：1）热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口阀门的开度和循环泵压头的影响。热流体的温度主要受到加热炉加热温度和管路散热的影响。2）冷流体的流量和温度的扰动。冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速和阀门的开度等因素的影响。3）加热炉的启停机的影响。4）室内温度与管路内气体变化和阀门开度的

9、影响。2.2.2 换热器温度控制原理(1) 换热器温度控制原理介绍图2-1为蒸汽水换热器的工作原理图。加热介质为蒸汽，冷流体为水，控制目标是通过调节蒸汽流量来保证换热器出口热水温度稳定，温度控制器由微机控制。T，T1T3 温度传感器 M 电动调节阀图2.1 换热器温度控制原理图其工作原理为：温度传感器T测量换热器出水温度，把信号传送至DDC现场控制器，此为温度控制的主回路。同时，控制器还接受室外温度传感器T3发出的辅助信号，控制器根据预先设置的工作曲线，调整出水温度的设定值，控制电动调节阀M的开度，调节换热器入口的高温介质流量，使得换热器出水温度随室外温度变化(见图2.2)。 图2.2 换热器

10、出水温度与室外温度关系曲线(2) 换热器一般温控系统根据换热器的结构及一般热力学原理，可得被控对象传递函数的近似表达式： Gps=KTs+1es=Go(s)es (2-1)式中 Gp(s) 对象的传递函数；K 对象的放大系数；Ts 对象的时间常数； 对象的纯时间滞后；Go(s) 对象传递函数中不含纯滞后的部分。可以看出，它是一个纯滞后的一阶惯性环节。一般的温控系统如图2.3所示。图2.3 一般温控系统方框图图中R(s)为参扰。从图2.3可以得出换热器一般温控系统闭环传递函数为：Gs=Gc(s)Go(s)es1+Gc(s)Go(s)es (2-2)由于特征方程里含有 es项，这对控制系统稳定性极

11、其不利，若足够大，系统就很难稳定；而且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器的设计变得复杂。(3) Smith预估器的控制机理Smith预估器控制的基本思路是：预先估计过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿控制，力图使被延迟了的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量并加速调节过程。对于带长时滞过程而言，Smith预估器是一种非常有效的通用的补偿器，其主要优点在于滞后时间能从闭环系统的特征方程中消除。然而，预估器要求被控对象的数学模型非常准确，这在实际工程中很难办到，特别是对积分和非稳定系统，其控制更为困难。Smith预估器控制原理图如图2.4所示。图2.4 Smith预估控

12、制器原理图图中U(s)为控制器的输出，L(s)为系统外扰(也称负荷扰动)，GL(s)是C(s)对L(s)的传递函数，GS(s)为Smith预估补偿器的传递函数。若Smith预估补偿器的传递函数为 Gss=Go(s)(1es) (2-3)由图2-4可得Smith预估控制器的传递函数(s)为 s=C(s)R(s)=Gc(s)Go(s)es1+Gc(s)Go(s) (2-4)另有 C(s)L(s)=GLs1+Gc(s)Go(s)(1es)1+GcsGo(s) (2-5) 由式(2-4)、(2-5)可以看出，在定值和外扰作用下的闭环特征方程中均不包含受控对象的纯延迟，因而起到了纯延迟的补偿作用。图2.

13、5所示原理图等效的控制系统，很容易用MATLAB函数命令set ( )来实现，这使得控制品质的仿真研究变得简单。图2.5 Smith预估器控制原理等效图第3章 换热器温度控制系统设计3.1 温度控制系统的硬件设计3.1.1温度变送器的选择 根据本系统技术要求测量范围在0-250，控制温度在1852，因此选用Pt100、热电偶一体化温度变送器。Pt100、热电偶一体化温度变送器测温探头采Pt10铂电阻,J、K、E、热电偶，精度高,稳定性好、集传感变送于一体，结构紧凑，安装方便,精度高、功耗低 电流输出型适合长距离传送,抗电磁干扰电路设计，保证变送器在受到各种干扰下能够安全可靠的工作，适于现代电磁

14、污染严重的环境使用，整体密封性能良好，温度量程和外形尺寸可以按户要求订货,灵活方便、产品结构设计合理，过程连接接口灵活方便，体积小，重量轻，安装位置任意、壳体保护材料多样化，适应多种介质测量。Pt100、热电偶一体化温度变送器主要技术指标：温度测量范围：0300输出信号：420mA、0-5V负载电阻：500供电电源：24V DC功耗：1W基本误差：0.20.5 FS 3.1.2流量变送器的选择经过对本系统的分析及主要性能指标，选用LWC插入式涡轮流量计，型号为LWC插入式。LCW插入式涡轮流量计的特点：压力损失小，叶轮具有防腐功能，采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强、功耗低、性能优越。

15、具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于0.02% 仪表系数可由按键在线设置，并可显示在LCD屏上，LCD屏直观清晰，可靠性强。采用EEPROM对累积流量、仪表系数掉电保护，保护时间大于10年。采用高性能MCU中央处理器，完成数据采集处理显示输出、累积流量瞬时流量同屏显示方便的人机界面实现， 以标准485形式进行数据传输。采用全硬质合金（碳化钨）屏蔽式悬臂梁结构轴承，集转动轴承与压力轴承于一体，大大提高了轴承寿命，并可在有少量泥沙与污物的介质中工作。采用1Cr18Ni9Ti全不锈钢结构，（涡轮采用2Cr13）防腐性能好。容易维修，有自整流的结构，小型轻巧，结构简单，可在短时间内

16、将其组合拆开，内部清洗简单。有较强抗磁干扰和振动能力、性能可靠、寿命长。下限流速低,测量范围宽，现场显示型液晶屏显示清晰直观，功耗低，3V锂电池供电可连续运行5年以上，耐腐蚀，适用于酸碱溶液。技术参数：公称口径：管道式：DN4DN200 插入式：DN100DN2000 精度等级：管道式：0.5级，1.0级 插入式：1.5级、2.5级 环境温度：-2050 介质温度：测量液体：-20120 测量气体：-2080大气压力：86KPa106KPa 公称压力：1.6 Mpa 、2.5Mpa 、6.4Mpa 、25Mpa防爆等级：ExdIIBT4 连接方式：螺纹连接、法兰夹装、法兰连接、插入式等 直管段

17、要求：气体：上游直管段应10DN，下游直管段应5DN 液体：上游直管段应20DN，下游直管段应5DN 插入式：上游直管段应20DS，下游直管段应7DS（DS为管道实测内径） 显示方式：1）远传显示： 脉冲输出、电流输出(配显示仪表) 2）现场显示：8位LCD显示累积流量，单位(m3)4位LCD显示瞬时流量，单位(m3/h)、电池电量、频率、流速 3）温度压力补偿型： A、显示标准瞬时流量及标准累计流量 B、显示当前压力、温度、电池电压 输出功能：1）脉冲输出，p-p值由供电电源确定 2）420mA两线制电流输出 3）单位体积脉冲输出及传感器原始脉冲输出 4）带有RS485通迅接口 供电电源：1

18、）524VDC 2）标准型3V锂电池安装于仪表内部可连续使用八年以上 3）温压补偿型3V锂电池安装于仪表内部可连续使用四年以上 传输距离：传感器至显示仪距离可达500m3.1.3执行器(调节阀)的选择：调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。通过调节阀的选择原则，及本系统的要求，选择ZZWPE温度自力式电子型调节阀。自力式电控温度调节阀（适用于较大口径及导热油控制），该阀最大的特点只需普通220V电源，

19、利用被调介质自身能量，直接对蒸汽、热气、热油与气体等介质的温度实行自动调节和控制，亦可使用在防止对过热或热交换场合,该阀结构简单,操作方便,选用调温范围广、响应时间快、密封性能可靠,并可在运行中随意进行调节,因而广泛应用于化工、石油、食品、轻纺等部门。自力式电控温度调节阀公称通径由20至200mm，公称压力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用温度范围由-20350，接受信号为010mA.DC或420mA.DC来改变被调介质流量，使被控工艺参数保持在给定值，其中单座调节型适用于压差较小，介质粘度较大或稍有颗粒杂质场合。套筒调节型适用于压差较大场合。本系统调节阀选择如下特性：气开、气关的选

20、择：本系统为换热器温度控制系统，因此，换热器内温度不能过长期过热，否则会烧坏换热器，所以应选择气开阀。流量特性的选择：此调节阀只有直线、等百分比两种流量特性，对于本系统应选择等百分比型流量特性。因为等百分比型阀门在小开度时控制作用和在大开度时控制能力相等，这对于蒸汽的控制是有利的。 Dg、dg的选择： Dg=100mm；dg=155mm3.1.4调节器的选择：(1) 调节器控制规律的选择：调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性

21、与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。1) 比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作用的应用受到了限制。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。比例控制规律(P)的微分方程数学模型为：ut=kpe(t) （3-1）2) 比例积分(PI)控制规律，由于引入积分作用能消除余差，所以当过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，采用比例

22、积分控制规律可以获得较好的控制质量。但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。比例积分(PI)控制规律的微分方程数学模型为：ut=kpet+1Ti0te(t)dt （3-2）3) 比例微分(PD)控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的控制质量。但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。比例微分

23、(PD)控制规律的微分方程数学模型为：ut=kpet+Tdde(t)dt （3-3）比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。比例积分微分(PID)控制规律的微分方程数学模型为：ut=kpet+1Ti0tetdt+Tdde(t)dt （3-4）其中 ：u(t)：为调节器的输出号 kp：放大倍数 Ti：积分时间常数 Td：微分时间常数e(t)：设定值与测量值偏差信号通过以上几种调节规律的分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分(PID)控制规律。(2) 调

24、节器正反作用的选择：调节器有正作用和反作用调节器两种。调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。被控过程的特性也分正、反两种。即当被控过程的输入量增加(或减小)时，其输出(被控参数)亦增加(或减小)，此时称此被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称此过程为反作用。本系统中，调节阀以确定为气开阀，为正，而当阀开度增加时，随着开度的增加蒸汽入理增加，从而使冷物料的温度生高，即对象温度生高，所以温度调节器为反作用。而当扰动出现时，FT检测到的流量增大，对象温度降低，所以流量控制器为正作用。3.2 温度控制系统PID设计系统的程序主要包括主程序和一些

25、子程序。主程序主要完成单片机的初始化和循环调用子程序的功能。子程序则用来完成温度信号的采集、数字滤波、铂电阻的非线性补偿、温度的显示、控制算法的调用等具体功能。系统首先进行参数初始化，然后进行自诊断。通过按键设定所需要的温度值，启动温度测量模块，温度测量模块将测得的温度值通过显示模块显示出来，并与设定的温度值进行比较，当测量温度等于设定温度，程序返回自诊断模块；当测量温度不等于设定温度时，启动智能PID自整定控制。当温度偏差大于阈值时采用模糊控制，当偏差小于阈值时启动PID控制。控制后重新启动测量模块进行测量，如此循环直到测量值与设定值相等。由于温度具有非线性和不确定性，仅采用常规PID调节不

26、能满足控制要求。因此，软件模块也相应地设计成带PID参数智能化自整定功能。第4章 系统仿真与分析为了验证Smith预估器在换热器温度控制系统中应用的可行性和优越性，先对系统进行仿真试验以指导下一步实际应用研究。换热器出口温度与蒸汽流量的关系可由开环阶跃响应的实验获得： 图2-4中的控制器选定PID调节器，被控数学模型为KpGpseds=1015s+1e10s （4-1）式中KP为比例系数；TI为积分时间；TD为微分时间。为使系统获得良好的控制品质，需要确定PID控制器的一些控制参数，而这些参数很难由计算获得，需要通过实验采用飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。系统采用MATLAB平台下的S

27、IMULINK进行仿真（图4.1）图4.1当对象参数K=1，Ti=15时，得出图4.2 PID控制及Smith预估控制定值阶跃扰动下的闭环仿真曲线。图4.2当对象参数K=0.8，Ti=15时，得出图4.3 PID控制及Smith预估控制定值阶跃扰动下的闭环仿真曲线。图4.3当对象参数K=1，Ti=100时，得出图4.4 PID控制及Smith预估控制定值阶跃扰动下的闭环仿真曲线。图4.4图中曲线显示Smith预估器控制的作用完全实现，即常规PID控制由预估器进行补偿控制后，使被延迟了的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调使之成为单调上升的过程，预估补偿器的控制作用十分明显。可看出

28、Smith预估控制的超调量及调节时间都明显小于PID控制。仿真表明Smith预估器控制具有较好的响应速度和良好的对象适应能力。第5章 课程设计总结具有大时滞特征的换热器温度控制系统，采用Smith补偿的控制方案，可以取得比常规PID更好的控制效果，控制系统的稳定性好、超调量小、控制精度高。 基于Smith预估器的控制系统能有效克服大纯滞后对系统稳定性的影响，且实现简单，可靠性好，非常适用于换热器的温度控制系统，对其他工业过程的温控也有借鉴意义。在这次课程设计中，我发现了很多问题，对知识的掌握不够，甚至有些概念不清，缺乏理论与实践的结合。通过老师的耐心讲解和查阅大量的资料这些问题基本上都得到了解

29、决。首先加强巩固了基础知识，其次发现并解决了一些在实际生产中可能遇到的问题。最重要的是这次课设涉及了传感器、检测技术和自动控制等以前所学过的学科，我不仅巩固提高了以前的知识，更将它们融会贯通。参考文献1 王鸣一种换热器的变PID参数的控制方法及实现J机电工程出版社，2001，18 (3) ：47-492 李遵基热工自动控制系统M北京：中国电力出版社，19973 何克忠，李伟计算机控制系统M北京：清华大学出版社，19984 余勇，万德钧一种基于Smith预估器的温度控制系统J自动化与仪器仪表，2000，21 (1) ：6-75 王树青先进控制技术及应用M北京：化学工业出版社，20016 黄忠霖控

30、制系统MATLAB计算及仿真M北京：国防工业出版社，20017 张毅.自动检测技术及仪表控制系统.北京：化学工业出版社.2008.8 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置. 北京：化学工业出版社.2008.9 金以慧.过程控制.北京：清华大学出版社.2007.10 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社.2006.11 谢仕宏.MATLAB R2008 控制系统动态仿真实例教程.北京：化学工业出版社.2009.12 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社.200413 王再英,刘淮霞,陈毅静,过程控制系统与仪表.第一版.北京:机械工业出版 社.2006. 14 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.第一版.北京:北京化学工业出版社,2002.15 陆培文.调节阀实用技术.北京:机械工业出版社,2006.16 费业秦.误差理论与数据处理.第五版.北京:机械工业出版社,2004.6.17 金以慧.过程控制.北京:清华大学出版社.2007.