基于SMPT-1000平台换热器热流出口温度控制
换热器热流出口温度控制
学院：电气工程学院
摘要
换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。以工业上常用的列管式换热器为例,热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的,从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。但由于目前制造工艺的限制,控制方式的单一性,换热器普遍存在控制效果差,换热效率低的现象,造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果,提高换热效率,对于缓解我国能源紧张的状况,具有长远的意义。
本课题来源于对SMPT—1000实验平台换热器的研究，对于换热器热流出口温度的控制，使用PID控制来进行调节，通过不断的调整其参数，确定一个比较准确的参数值，通过调整冷水阀的开度调整其流量来控制热流的出口温度。
本设计利用PCS7来完成整个系统自动控制，通过PCS7软件对系统进行硬件和软件组态，完成控制出口温度的编程，最后通过人机界面监控维护控制系统正常运行。
关键词换热器;温度;PID控制;串级控制;PCS7
Abstract
Abstract
Heat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the field of power engineering and other process industries. In the industry commonly used shell and tube heat exchanger, for example, the hot fluid and cold fluid heat transfer by convection heat transfer to achieve the purpose, so that the heat exchanger outlet temperature of the material to meet the needs of industrial production. However, as the manufacturing process constraints, control unity, common heat exchanger control is poor, the phenomenon of low heat transfer efficiency, resulting in waste of energy. How to improve the control performance of the heat exchanger to improve heat transfer efficiency, to ease China's energy shortage situation, have long-term significance.
The design comes from the SMPT-1000 test platform research exchanger for heat exchanger outlet temperature control, the use of PID control to adjust, through continuous adjusting its parameters to determine a more accurate parameter values by adjusting opening of the cold water valve to control the flow of adjustment of the outlet temperature of the heat flow.
This design uses PCS7 to complete the system of automatic control by PCS7 software on the system hardware and software configuration, complete control of the outlet temperature of the programming, the last operating normally by HMI monitoring and control system.
Keywords Heat;temperature; PID control;cascade control; PCS7
目录
摘要.............................................................................................................................I Abstract ......................................................................................................................... II 目录.................................................................................................................... I II 第1章绪论 (1)
1.1换热器设备 (1)
1.2选题背景及意义 (1)
1.3国内外研究现状及发展史 (2)
1.4本设计主要内容 (4)
1.5本章小结 (4)
第2章系统工艺流程及算法控制 (5)
2.1SMPT-1000实验平台及换热器 (5)
2.2换热器 (6)
2.2.1 高阶换热器 (6)
2.2.2换热器工作原理 (6)
2.3PID控制 (7)
2.3.1 PID基本介绍 (7)
2.3.2 参数整定 (10)
2.3.3 主要功能和应用 (12)
2.4控制系统的设计 (13)
2.4.1温度控制特点 (13)
2.4.2 换热器温度串级控制系统 (13)
2.5本章小结 (15)
第3章基于PCS7实现系统控制 (16)
3.1PCS7简介 (16)
3.2PCS7作用 (16)
3.3 PCS7控制系统结构 (17)
3.4工程项目的建立 (18)
3.5控制系统硬件设计与组态 (19)
3.5.1 硬件系统组成 (19)
3.5.2 硬件选型选型以及通讯 (20)
3.5.3 操作员站组态 (21)
3.5.4 网络连接组态 (22)
3.6软件组态 (23)
3.6.1系统软件程序 (23)
3.6.2与硬件地址的连接 (24)
3.6.3系统报警软件程序 (25)
3.7人机界面创建 (25)
3.8过程趋势画面的创建 (26)
第4章控制系统的投运 (28)
4.1运前的准备工作 (28)
4.2副环参数整定 (28)
4.3主环参数整定 (28)
4.4控制系统的仿真运行 (29)
4.4.1 热流出口温度 (29)
4.4.2 系统扰动测试 (30)
第5章总结 (31)
参考文献 (32)
谢辞 (34)
第1章绪论
1.1换热器概述
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。换热器按传热面的结构分类为以下几种：
(1)表面式换热器又称为间壁式换热器。在此类换热器中，温度不同的两种流体，在被一固体壁面分开的不同空间里流动。热流体放出的热量通过固体壁面传给冷流体。如列管式换热器，一种流体在管内（管程）流动，另一种流体在管外〔壳程）流动。这类换热器类型多，应用广.化工生产中所用换热器绝大多数属于此类，如列管式换热器、夹套式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、板式换热器等等。
(2)直接接触式换热器在这类换热器中，冷热两种流体直接接触进行换热。这对工艺上允许两种流体混合的情况而言，既方便又有效，所用设备也较简单。如凉水塔是用来冷却循环水的，在凉水塔内，空气与水直接接触进行换热。又如在气压冷凝器中，蒸汽与水直接接触使蒸汽冷凝等等。
(3) 蓄热式换热器该换热器是借助热容量较大的固体蓄热体（如耐火砖等），将热量从高温流体传递给低温流体的热交换器。当蓄热体与高温流体接触时，从高温流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与低温流体接触，将热量传递给低温流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。这类换热器结构较简单，可耐高温，故常用于高温气体热量的利用或冷却。其缺点是设备体积较大，同时也难免两种流体在一定程度上相混合。
换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业，相互形成产业链条。
1.2 选题背景及意义
近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数[1]热换器是化工和一些工业部门生产过程中主要的换热设备，生产中通常对流体加热或冷却都要有热量交换，因而都需要换热器，随着科
研人员的不断发展和创新对能源的利用和开发。热换器在生活中的应用也日益增进，在现在的工业生产换热器占有较大的份额。
换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业[2]，相互形成产业链条。数据显示2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元，;电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右;船舶工业换热器市场规模在40亿元以上;机械工业换热器市场规模约为40亿元;集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。
近年来，跟着我国石化、钢铁等行业的快速发展，热交换器的需求水平大幅上涨，但海内企业的供应能力有限，导致热交换器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供应缺口需要入口来弥补[3]。我国能源利用率大约只有33%,其利用率还很低,比发达国家低约10个百分点。国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。由此可见,在节能方面,我国还存在着非常大的潜力。本课题主要研究列管式换热器，列管式换热器的换热面积大，结构坚固，操作弹性大，材料广泛，便于清洁，适合大型装置特点，列管换热器在制药行业带来的效益非常的明显。从卫生要求较高的液体，一个工业用水量较大和卫生要求较高的制药厂都可以用列管式换热器来处理。本课题研究的换热器是个冷却器，可以通过换热回收热物料的热量。
1.3国内外研究现状
二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换
热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。
30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由
铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。
30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。
60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。
自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。
70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。
中国换热器产业起步较晚。1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司（原苏州化工机械厂）在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特（Schmidt）换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃（Vicarb）换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展。
20世纪80年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。
入二十一世纪以来，我国的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的差距进一步缩小。我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。七十年代，板式换热器主要应用于食品、轻工、机械等部门；八十年代也仅仅是应用到民用建筑的集中供热；八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的原因，使得板式换热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。
最近几年，我国还在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面获得了重大突破。飞速发展的柏恩品牌（BHE）诞生于2004年。2008年8月，由中国石化集团上海工程公司与中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG装置大型管壳式换热器国产化研制通过技
术鉴定，标志着我国在大型管壳式换热器领域获得了重大突破。该换热器是国内正在制造的首台换热面积超过10000m2的超大型管壳式换热器。
1.4本设计主要内容
本课题主要设计并实现换热器热流的出口温度的控制系统，控制系统的主要目的是实现换热器热流出口温度的自动控制，换热器出口温度的测量、指示、记录和控制对于生产过程十分重要，温度动态特性的特点是惯性大、容量滞后大、多容，控制起来不灵敏，因此温度控制系用需要增加微分和积分作用，所以本课题用PID控制系统来分析，PID控制系统参数调整方便，使换热器控制精度更高、动态偏差小，被控对象的时间滞后较大问题得到了解决，通过适当的调整PID参数,可以获得比较满意的控制效果。主要设计手段是利用PCS7软件完成PLC和本机以及SMPT-10000设备的连接通讯，然后对系统进行设计编程并且利用WinCC完成设计界面，通过操作源站来控制监视整个系统的自动运行情况。
1.5 本章小结
本章主要介绍了换热器的种类和换热器的历史发展及应用现状。分析了换热器的PID控制方式和利用PCS7软件完成整个系统控制和监视。并总结了换热器研究的意义和发展前景。
第2章 系统工艺流程及算法控制
2.1 SMPT-1000实验平台及换热器
SMPT-1000是一款将全数字仿真技术与实物外观模拟装置相结合，集多种实验功能于一体的仿真实验装置。
SMPT-1000被控对象取材于过程工业常见的锅炉与蒸发器构成的水汽热能系统，广泛见于石油、化工、冶金、制药、食品、生物、电力等工业生产装置中，可拆分成非线性储罐与离心泵单元、动力除氧单元、高阶换热单元、加热炉单元、锅炉单元、蒸发器单元，提供由简到难的各个层次的过程控制被控对象。根据工业装置实际数据矫正的动态仿真引擎保证了被控对象的工业级动态响应精度，对象特性灵活多变，装置尺寸、仪表、控制系统、执行器等均可灵活定义，下图是SMPT-1000实验平台正视图和实物图：
图2-1 SMPT-1000实训平台
SMPT-1000运用真实的立体管路和空间分布的设备外观设计，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型，主设备包括1台卧式除氧器、1台盘管式省煤器、1台加热炉炉体、1台汽包、1台列管式换热器、1台蒸发器、2台离心泵、1
台鼓风机、11个手操/自控双效阀（其中有2个旋钮位于辅蒸发器 换热器
汽包
省煤器
炉膛
除氧器
助操作台上）、5个开关阀、1个炉膛着火指示灯以及若干管路系统。
空间分布有9个流量（F）、3个液位（L）、5个压力（P）、4个温度（T）、1个组分的仿传感器（变送器）数字式软仪表。
2.2 换热器
2.2.1 高阶换热器
换热器在整套设备中起降低过热流体温度的作用，流体温度的控制在整个系统中有着非常重要的作用，下面是换热器的结构图：
图2-2 换热器结构图
高阶列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成。在其中进行换热的液体有两种，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
2.2.2换热器工作原理
该换热器为液-液两相非接触换热器。通过换热，将热流体的温度降低到工艺要求范围内。热流走壳程，出口温度为TI1104，出口流量为FI1105.冷水走管程，冷却水上水流量为FT1102，冷却水上水管线上设有调节阀FV1103，冷却水出口温度为TT1103。本设计实际上是一个冷却器，通过换热回收热物料的热量，下游设备对热物料的温度有严格要求，所以要使用换热器对热流出口温度进行调整。工业上一般使用来自公用工程的冷却水为热物料降温，如果有深度冷却的需要可以使用液氨作为冷却剂。如下图2-2所示
V-3
图2-3 换热器工作原理图
调节过程:根据检测到的冷流量的变化，先调节阀门开关，控制冷流量的大小，即为副回路，然后再根据热流体出口温度与设定值之间的偏差，根据合适的控制算法，进一步调节冷流体的流量，以保持出口温度的稳定，，这样组成流体出口温度调节器和流体流量调节器串联起来的串级控制系统。
2.3 PID控制
2.3.1 PID基本介绍
在模拟控制系统中，PID (Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分) 控制是控制器最常用的控制规律[4]，PID控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。比例积分微分，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一[5][6]。简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为：
u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD·de(t)/dt] (2.1)
式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：
G (s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI·s)+TD·s] (2.2)
其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数
（1）比例作用P
比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式[7]。所谓的P，就是比例作用，就是把调节器的输入偏差乘以一个系数，作为调节器的输出。滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。
一般来说，设定值不会经常改变，那就是说：当设定值不变的时候，调节器的输出只与被调量的波动有关。调节器的输出信号u与输入的偏差信号e成比例
u=K c·e （2.3）K c称为比例增益，K c接近于0时，控制器的输出u不受输入偏差e的影响，相当于控制系统不工作，K c很大时，只要有一个很小的输入偏差e出现，就会使控制器输出u发生很大的变化，K c由小到大变化，系统将由稳定向振荡发展。
比例作用的特点，比例调节是有差调节，比例调节的余差随着比例增益的增大而减小；比例增益越大，意味着执行机构（调节阀、挡板等）的动作幅度较大，被调节变量的变化较为剧烈；比例调节可以单独使用，也可以和其它调节动作结合成PI、PD或PID调节动作。
（2）积分作用I
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入―积分项‖。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
调节器的输出信号的变化速度du/dt与输入的偏差信号e成正比
du/dt=K i·e（2.4）
K i称为积分速度，积分调节将输入偏差e按时间进行累积，偏差存在输出就增大，直到消除偏差为止，K i趋向于0时，积分作用消除，K i很大时，积分作用强烈，消除余差的能力强，但容易引起振荡。
积分特点：积分调节是无差调节。只有当偏差e为0时，积分调节器的输出才会保持不变；积分速度越大，执行机构的动作越快，越容易引起和加剧振荡；积分调节可以单独使用，但调节的过程很慢。通常，积分调节和其它调节动作结合成PI或PID调节动作。PI两个结合使用的情况下，我们的调整方式如下：
①先将I值设为0，将P值放至比较大，当出现稳定振荡时，我们再减小P 值直到P值不振荡或者振荡很小为止（术语叫临界振荡状态），在有些情况下，我们还可以在些P值的基础上再加大一点。
②加大I值，直到输出达到设定值为止。
③等系统冷却后，再重上电，看看系统的超调是否过大，加热速度是否太慢。
通过上面的这个调试过程，我们可以看到P值主要可以用来调整系统的响应速度，但太大会增大超调量和稳定时间；而I值主要用来减小静态误差。
（3）微分作用D
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系[8]。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化―超前‖，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入―比例‖项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是―微分项‖，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性调节器的输出与输入的偏差信号的变化速度de/dt成正比
u=K d·(de/dt) （2.5）K d是微分速度微分调节的输出与输入偏差e的变化速度成正比，e变化越大，微分调节的输出越大，K d为0时，微分作用消除
微分作用的特点：微分调节总是力图抑制被调量的振荡；微分调节只能起到辅助的调节作用，可以与其它调节动作结合成PD或PID调节动作其完整的公式如下：
u(t) = K·pe(t) + Ki∑e(t) + Kd[e(t) –e(t-1)]+u0 （2.6）在PID的调试过程中，应注意以下步骤：
①关闭I和D，也就是设为0.加大P，使其产生振荡；
②减小P，找到临界振荡点；
③加大I，使其达到目标值；
④重新上电看超调、振荡和稳定时间是否吻合要求；
⑤针对超调和振荡的情况适当的增加一些微分项；
⑥注意所有调试均应在最大争载的情况下调试，这样才能保证调试完的结果可以在全工作范围内均有效；
（4）采样周期由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量[9]，PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将采样周期取得过小。应保证在被控量迅速变化时（例如启动过程中的上升阶段），能有足够多的采样点数，不致因为采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。
PID由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
2.3.2 参数整定
PID参数整定方法很多，工程上最常用的有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。
(1) 临界比例法
这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk，然后根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下：
①被控系统稳定后，把控制器的积分时问放到最大，微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作用，只使用比例作用)。
②通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此而引起的测量值震荡③从大到小逐步把控制器的比例度减小，看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的，如是衰减的则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度放大。
④连续重复②、③步骤，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续4～5次等幅振荡为止。此时的比例度示值就是临界比例度PB。
⑤从振荡波形图来看，来回振荡1次的时间就是临界周期Tk，即从振荡波的第一个波的顶点到第二个波的顶点的时间。如果有条件用记录仪，就比较好观察了，即可看振荡波幅值，还可看测量值输出曲线的峰——峰距离，把该测量值除
以记录纸的走纸速度，就可计算出临界周期Tk
得到了临界比例度PB和临界周期Tk后．就可根据表1中的经验公式求出控制器的P、Ti、刚参数值了。
表2-1 临界比例度法参数计算公式表
临界比例度整定法又称为―闭环振荡法‖，它的特点是：不需要求得控制对象的特性，而直接在闭合但对于临界比例度很小的系统不适用，在某些生产过程中不允许振荡的场合，此整定法也不适用。
（2）衰减曲线法
衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，有4：1和10：1两种衰减曲线法，具体做法如下(以4：1为例)：
①在闭合的控制系统中，将控制器变为纯比例作用，比例度放在较大的数值上。
②系统达到稳定后，通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察记录曲线的衰减比。
③从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度Ps(叫4：1衰减比例度)并从曲线上得出衰减周期Ts(在4：1曲线中为峰——峰时间。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其波动1次时间为Ts。得到了衰减比例度Ps和衰减周期Ts后，就可根据表2中的经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。
（3）经验凑试法
经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验公式先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭合的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，观察过渡过程曲线，运用P、Ti、Td对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度P、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获
得满意的过渡过程为止。具体做法如下：
①在闭合的控制系统中，根据经验并参考表4的数据，选出一个合适的P、n 值作为起始值，将系统投人自动。
②通过改变设定值对控制系统施加一个干扰，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变P或Ti，再观察控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的P和Ti就是最佳值。
③如果调节器是PID三作用方式，那么要在整定好的P和丁i的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的P和n值减小一点再进行现场凑试，直到P、n和Td取得最佳值为止。经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种控制系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往费时较多。为了缩短整定时间，可以运用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数，这是由于对每一条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个很明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。
2.3.3 主要功能和应用
要实现PID 参数的整定，首先要对被控制的对象有一个了解，然后选择相应的参数计算方法完成控制器参数的设计[10]工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。
最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长:既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
2.4控制系统的设计
2.4.1温度控制特点
温度控制时间常数比较大，被控对象的时间滞后较大，控制起来不灵敏，相反的，温度控制较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小，所以换热器的热流出口温度控制采用PID控制方式。
比例调节温度作用是按比例反应系统温度的偏差，一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少温度偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。对于温度控制的比例调节参数范围是1.6-5。
积分调节温度作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为温度有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，对于温度控制的积分调节参数范围是50-200。
微分调节温度能够反映温度偏差信号的变化率，具有预见性，能预见温度偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善温度控制系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少温度输出超调，减少调节时间。温度控制的微分调节参数范围是2-100。
2.4.2 换热器温度串级控制系统
（1）换热器温度串级控制系统方框图
换热器热流口温度控制系统受到冷热流体流量、温度等诸多因素的干扰导致控制系统作用不及时、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差、控制精度低。而工艺上对换热器出口温度的要求一般很高,采用单回路闭环控制系统难以达到理想的控制效果。一般采用串级控制方法。下面是换热器热流出口温度控制的串级控制系统方框图
图2-4 串级控制方框图
（2）换热器温度串级控制系统组成
如图2-3所示，换热器热流出口温度串级控制系统有两个环路：一个内环和一个外环。习惯上称内环为副环，外环为主环。处于副环上的控制器、对象和变送器分别称为副控制器、副对象和副变送器。副对象的输出称为副被控变量，简称副变量。处于主环上的控制器、对象和变送器分别称为主控制器、主对象和主变送器。主对象的输出称为主被控变量，简称主变量。串级控制系统有两个控制器（主控制器和副控制器），而只有一个调节阀。主环是一个定值控制系统，而副环是一个随动系统。主控制器的给定值是由工艺决定的，它是一个定值；副控制器的给定值是由主控制的输出提供的，它随着主控制输出的变化而变化，所以副环是一个随动系统。
在串级控制系统中，对主对象热流出口温度的控制质量要求比较高，本设计提出在换热器出口温度串级控制系统中,其主回路采PID控制算法,以消除纯滞后环节对于系统控制质量的影响, 而对副变量的要求一般不严格，主要要求它能快速主控制器输出的变化，允许它有波动和余差设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量，所以对于副环为了快速跟踪主控制器的输出，一般只采用比例控制规律。
（3）主副调节器正反作用的确定
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，其主要通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。各环节放大系数极性的正负是这样确定的：对于调节器的K c，当测量值增加，调节器的输出也增加，则K c为负（即正作用调节器）；反之，为正（即反作用调节器）。
串级控制系统控制器正、反作用的判定顺序一般为先副后正，对于换热器热流出口温度串级控制系统副回路，阀门开大符号为正，相应的冷水流量也增大，由于整个回路构成负反馈系统，所以副回路控制器应为反作用。对于回路的主环控制器的判定，副环是一个随动系统，输出随着输入的增加而增大，随着输入的
换热器热流出口温度控制
毕业设计说明书 G RADUATE T HESIS 论文题目：换热器热流出口温度控制学院：电气工程学院
摘要 换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。以工业上常用的列管式换热器为例,热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的,从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。但由于目前制造工艺的限制,控制方式的单一性,换热器普遍存在控制效果差,换热效率低的现象,造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果,提高换热效率,对于缓解我国能源紧张的状况,具有长远的意义。 本课题来源于对SMPT—1000实验平台换热器的研究，对于换热器热流出口温度的控制，使用PID控制来进行调节，通过不断的调整其参数，确定一个比较准确的参数值，通过调整冷水阀的开度调整其流量来控制热流的出口温度。 本设计利用PCS7来完成整个系统自动控制，通过PCS7软件对系统进行硬件和软件组态，完成控制出口温度的编程，最后通过人机界面监控维护控制系统正常运行。 关键词换热器;温度;PID控制;PCS7
Abstract Heat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the field of power engineering and other process industries. In the industry commonly used shell and tube heat exchanger, for example, the hot fluid and cold fluid heat transfer by convection heat transfer to achieve the purpose, so that the heat exchanger outlet temperature of the material to meet the needs of industrial production. However, as the manufacturing process constraints, control unity, common heat exchanger control is poor, the phenomenon of low heat transfer efficiency, resulting in waste of energy. How to improve the control performance of the heat exchanger to improve heat transfer efficiency, to ease China's energy shortage situation, have long-term significance. The design comes from the SMPT-1000 test platform research exchanger for heat exchanger outlet temperature control, the use of PID control to adjust, through continuous adjusting its parameters to determine a more accurate parameter values by adjusting opening of the cold water valve to control the flow of adjustment of the outlet temperature of the heat flow. This design uses PCS7 to complete the system of automatic control by PCS7 software on the system hardware and software configuration, complete control of the outlet temperature of the programming, the last operating normally by HMI monitoring and control system. Keywords Heat;temperature; PID control; PCS7
换热器温度控制系统简单控制系统方案
换热器温度控制系统简单控制系统方案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
目录 目录 (2) 1、题目................................................................................................................. 错误!未定义书签。 2、换热器概述..................................................................................................... 错误!未定义书签。 换热器的用途............................................................................................... 错误!未定义书签。 换热器的工作原理及工艺流程图............................................................... 错误!未定义书签。 3、控制系统 (3) 控制系统的选择 (3) 工艺流程图和系统方框图 (3) 4、被控对象特性研究 (4) 被控变量的选择 (4) 操纵变量的选择 (4) 被控对象特性 (5) 调节器的调节规律的选择 (6) 5、过程检测控制仪表的选用 (7) 测温元件及变送器 (7) 执行器 (10) 调节器 (12) 、仪表型号清单列表 (12) 6、系统方块图 (13) 7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (13) 调节控制参数 (13) PID参数整定及系统仿真 (14) 系统性能分析 (16) 8、参考文献 (17)
加热炉出口温度控制系统设计
吉林建筑大学城建学院课程设计报告 题目名称加热炉出口温度控制系统设计院（系）电气工程及其自动化 课程名称过程控制工程课程设计 班级电气13-1 学号 学生姓名 指导教师 起止日期2016.6.20-2016.7.1 成绩
目录 摘要 (Ⅰ) ABSTRACT (Ⅱ) 第1章绪论 (1) 1.1 设计目的 (1) 1.2 设计任务 (1) 1.3加热炉温度控制系统简介 (1) 1.4加热炉温度控制系统的发展 (2) 第2章对象模型建立 (4) 2．1 建立数学模型 (4) 2．2控制系统分析 (5) 第3章系统设备选型 (6) 3.1 测量变送器和传感器的选择 (6) 3.2执行器的选择 (6) 3.3控制器的选择 (6) 第4章控制器参数整定及Simulink仿真 (9) 4.1控制器参数整定 (9) 4.2Simulink仿真 (11) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14)
摘要 随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。随着网络技术的发展和整个工厂完全实现两级自动化管理，在过程级上通过相应的终端了解任何一个设备或任何一个装置的控制情况以及生产情况。过程控制系统在加热炉系统中得到广泛的应用，它是加热炉控制系统的重要部分，是对以及控制系统的一个总领和扩充。现代加热炉的生产过程可以实现高度的过程控制，以保证在加热过程中温度的准确控制，这就为工业生产提供了有利条件。加热炉是工业生产中的一个重要装置，它的任务是把原料加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用。 关键词：加热炉；过程控制系统；温度控制
换热器温度控制系统
1. E-0101B混合加热器设计 为确保混合加热器（E-0101B)中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K 的加热蒸汽加热入口温度为294K的工艺介质。为保证生成物的产量，质 量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此 实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。 1.1 换热器概述 换热器工作状态如何, 可用几项工作指标加以衡量。常用的工作指标主要有漏损率、换热效率 和温度效率。它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这 些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、 动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷 却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上 流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流 体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的 主要设备之一。 1.2换热器的分类 适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器 的具体分类如下： 一按传热原理分类：间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触 式换热器，复式换热器 二按用途分类：加热器，预热器，过热器，蒸发器 三、按结构分类：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等 此设计要求是将进料温度都为297.99K 的MN（亚硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加热到出
2020年换热器温度控制系统简单控制系统
作者：旧在几 作品编号：2254487796631145587263GF24000022 时间：2020.12.13 目录 目录 (1) 1、题目........................................................ 错误!未定义书签。 2、换热器概述.................................................. 错误!未定义书签。 2.1换热器的用途............................................ 错误!未定义书签。 2.2换热器的工作原理及工艺流程图............................ 错误!未定义书签。 3、控制系统 (3) 3.1控制系统的选择 (3) 3.2工艺流程图和系统方框图 (3) 4、被控对象特性研究 (4) 4.1 被控变量的选择 (4) 4.2 操纵变量的选择 (4) 4.3 被控对象特性 (5) 4.4 调节器的调节规律的选择 (6) 5、过程检测控制仪表的选用 (7) 5.1 测温元件及变送器 (7) 5.2 执行器 (10) 5.3 调节器 (13) 5.4、仪表型号清单列表 (13) 6、系统方块图 (14) 7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (14) 7.1调节控制参数 (14)
7.2 PID参数整定及系统仿真 (15) 7.3 系统性能分析 (18) 8、参考文献 (19) 1、题目 热交换器出口温度的控制。 2、换热器概述 2.1 换热器的用途 换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及 其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热的目的主要有 下列四种： ①.使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行； ②.生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度 范围内进行；③.某些工艺过程需要改变无聊的相态；④.回收热量。 由于换热目的的不同，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下，被控变 量是温度，为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、 调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不同的工艺要求，被控变量也可 以是流量、压力、液位等。 2.2 换热器的工作原理及工艺流程图 换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：冷流体和热流体分别 通过换热器的管程和壳程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体
热交换器温度控制系统课程设计报告书
热交换器温度控制系统 一．控制系统组成 由换热器出口温度控制系统流程图1可以看出系统包括换热器、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。 图1换热器出口温度控制系统流程图 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、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c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 二、设计控制系统选取方案 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。对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。以下是通过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。
换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，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。 换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到通过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是通过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。 图2换热器的温度控制系统工艺流程图 引起换热器出口温度变化的扰动因素有很多，简要概括起来主要有： （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
加热炉温度控制系统设计
过程控制系统课程设计 设计题目加热炉温度控制系统 学生姓名 专业班级自动化 学号 指导老师 2010年12月31日 目录 第1章设计的目的和意义 (2) 第2章控制系统工艺流程及控制要求 (2) 2.1 生产工艺介绍
2.2 控制要求 第3章总体设计方案 (3) 3.1 系统控制方案 3.2 系统结构和控制流程图 第4章控制系统设计 (5) 4.1 系统控制参数确定 4.2 PID调节器设计 第5章控制仪表的选型和配置 (7) 5.1 检测元件 5.2 变送器 5.3 调节器 5.4 执行器 第6章系统控制接线图 (13) 第7章元件清单 (13) 第8章收获和体会 (14) 参考文献 第1章设计的目的和意义 电加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。 在一些工业过程控制中,工业加热炉是关键部件,炉温控制精度及其工作稳定
性已成为产品质量的决定性因素。对于工业控制过程,PID 调节器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点,因此在控制理论和技术飞跃发展的今天,它在工业控制领域仍具有强大的生命力。 在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制。 在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。 这里，给出了一种简单的温度控制系统的实现方案。 第2章控制系统工艺流程及控制要求 2.1 生产工艺介绍 加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。 加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。 本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。 加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。
加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计
第一章系统分析与控制方案的确立 1.系统分析 图1.1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 T1出口 支路1 炉膛 支路2 燃料 被加热物料 图1.1加热炉出口温度系统 由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 2.串级控制系统的设计 加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求，系统的串级控制结构图如图1.2所示。
图 1.2 加热炉出口温度串级控制系统结构图 串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设 定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的 过渡过程。由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如 图 1.3 所示。 图 1.3 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图 (1) 主被控参数的选择 应选择被控过程中能直接反映生产过程中的产品产量和质量，又易于测量 的参数。在加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中加热炉出口温度为系 统的主被控参数，因为加热炉出口温度是整个控制作用的关键，要求出口物料 温度维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失 败。 (2) 副被控制参数的选择 从整个系统来看，加热炉的炉膛温度虽然不是我们要控制的直接目标，但 是炉膛温度会很大程度上影响出口物料的温度，因此我们选择炉膛温度为副被 控参数。 (3) 控制器的选择 主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的 度 副控制器 调节阀 主控制器 主检测、变送仪表 副检测、变送仪表 炉膛 出口温度
过程控制课程设计 加热炉出口温度控制系统的设计解析
二○一三～二○一四学年第一学期信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：自动化2010级4班 学号：201004134140 姓名：肖翔 指导教师：万恒 二○一三年十一月
一．设计题目和设计要求； 设计题目：加热炉出口温度控制系统的设计 图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 被加热物料 图1 加热炉出口温度系统 但是，由于炉子时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 设计要求： 1.绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。 2.以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。 3.假设主对象的传递函数为0140()(1)(2) G s s s =++，副对象的传递函数为02()(1) G s s =+40，主、副控制器的传递函数分别为s K s G c c 21)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ， 请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。 4.利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出 响应曲线。
换热器出口温度设置
换热器出口温度设置 Prepared on 24 November 2020
摘要 目前,换热器控制中大多数仍采用简单控制系统及传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。使换热器普遍存在控制效果差，换热效率低的现象，造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果，提高换热效率，对于缓解我国能源紧张的状况，具有长远的意义 本课题是针对换热器实验设备温度控制改进提出的。设计中首先通过对现阶段换热器出口温度控制的特点进行分析，从而发现了制约控制效果进一步提高的瓶颈，为下一步改善换热器的控制效果提供了理论依据。然后根据换热系统组成、控制流程的特点对换热器温度控制系统建立数学模型。再根据所建立的数学模型，联系换热器温度控制的特点，给出了相应的控制策略，提出了串级控制及前馈控制或串级—反馈，前馈—反馈等复杂控制系统，来满足对于存在大的负荷干扰且和控制品质要求较高的应用场合。 关键字：换热器、数学模型、PID 、出口温度控制、串级控制
前言 换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设、大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。 未来换热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。
换热器温度控制系统范本
换热器温度控制系 统
1.E-0101B混合加热器设计 为确保混合加热器（E-0101B)中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K的加热蒸汽加热入口温度为294K 的工艺介质。为保证生成物的产量，质量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。 1.1换热器概述 换热器工作状态如何,可用几项工作指标加以衡量。常见的工作指标主要有漏损率、换热效率和温度效率。它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。
1.2换热器的分类 适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 一按传热原理分类：间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触式换热器，复式换热器 二按用途分类：加热器，预热器，过热器，蒸发器 三、按结构分类：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等 此设计要求是将进料温度都为297.99K的MN（亚硝酸甲酯）和CO （一氧化碳）加热到出口温度为473K，因此我们经过调查研究，综合比较之后选择了管壳式(又称列管式) 换热器。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 1.3换热器的用途 换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热的
热交换器温度控制系统课程设计
热交换器温度控制系统课程设计
热交换器温度控制系统 一．控制系统组成 由换热器出口温度控制系统流程图1能够看出系统包括换热器、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。 图1换热器出口温度控制系统流程图 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、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c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 二、设计控制系统选取方案
根据控制系统的复杂程度，能够将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常见的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。以下是经过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。 换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，冷流体和热流体分别经过换热器的壳程和管程，经过热传导，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，经过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体经过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流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，能够调节冷热流体的大小。在冷流体出口设置一个电功调节阀，能够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。 换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到经过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是经过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。
换热器温度控制系统设计
换热器温度控制系统设计 1、换热设备概述 换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。换热器广泛应用于化工、石化、炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业。换热器应用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备；板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。 2、控制方案的确定 实验控制对象位列管式换热器,主要的扰动是冷物料的流量Q。换热器温度控制系统包括换热器、控制冷流体的离心泵，传感器等设备。实验采用温度流量串级控制，以冷物料出口温度为主对象，以冷物料流量Q为副对象。 换热器控制图
3、系统硬件设计 或控制量 型号 参数 温度变送器 （Endress+Hauser ） TR13 热保护套管末端类型 直管型 工作温度范围 PT100 (薄膜式(TF) 50 °C...500 °C (58 °F...932 °F) PT100 (绕线式(WW))： -200 °C...600 °C (-328 °F...1,112 °F) PT100 (薄膜式(TF))： -50 °C...400 °C (58 °F...752 °F) 最大过程压力(静压) 20 °C 时：50 bar (725 psi) 流量变送器 （Endress+Hauser ）73W 涡街 流量计 73W 参数： 标称口径 DN 15 (150) (1/2"…6") 测量范围 气体: 4…5 210 m3/h 过程温度 -200...+400°C (-328...+752°F) 最高可达 +450°C / 842°F (特殊选型) 输出信号 4…20 mA 电流输出 防爆认证 ATEX 、FM 、CSA 、TIIS 、NEPSI 、IEC 防护等级 IP 67 (NEMA 4x) X 主调节器 副调节器 换热器热水出口温 主回路干 给定值+ - 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图 X - 调节阀 涡街流量 流量 换热器热水出口温 变频器干扰 水泵
换热器温度控制系统
换热器温度控制系统 一．控制系统组成 由换热器出口温度控制系统流程图1可以看出系统包括换热器、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。 图1换热器出口温度控制系统流程图 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、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c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 二、设计控制系统选取方案 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。对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。以下是通过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。
换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，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。 换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到通过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是通过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。 图2换热器的温度控制系统工艺流程图 引起换热器出口温度变化的扰动因素有很多，简要概括起来主要有： （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
加热炉出口温度控制系统的设计
二○一六～二○一七学年第一学期 信息科学与工程学院课程设计报告书 课程名称： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 二○一六年十月
1. 设计题目 加热炉出口温度控制系统的设计 2. 设计任务 图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 被加热物料 图1 加热炉出口温度系统 但是，由于炉子时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 3. 设计要求 1)绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。 2)以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。 3)假设主对象的传递函数为) 2)(1(1)(01++=s s s G ，副对象的传递函数为) 1(1)(02+=s s G ，主、副控制器的传递函数分别为s K s G c c 21)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。 4)利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。
一．单回路反馈控制系统的设计 单回路反馈控制系统结构框图 原料出口温度T受进入管式加热炉原料的初始温度和进入流量和燃烧值的影响。在原料流量一定的情况下，在燃料入口处安装一个调节阀，控制进入管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉出口温度单回路反馈控制系统。 二．串级控制系统的设计 单回路控制系统的控制效果较差，很难达到满意的效果。采用串级控制系统，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统。 串级控制系统回路的结构框图
换热器温度控制系统
1.E-0101B混合加热器设计 为确保混合加热器（E-0101B)中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K的加热蒸汽加热入口温度为294K的工艺介质。为保证生成物的产量，质量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。 1.1换热器概述 换热器工作状态如何,可用几项工作指标加以衡量。常用的工作指标主要有漏损率、换热效率和温度效率。它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。 1.2换热器的分类 适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 一按传热原理分类：间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触式换热器，复式换热器 二按用途分类：加热器，预热器，过热器，蒸发器 三、按结构分类：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等 此设计要求是将进料温度都为297.99K的MN（亚硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加热到出
列管式换热器出口温度控制系统的设计概要
目录 摘要 (1) 1换热器过程控制概述、组成及特点 (2) 1.1 概述 (2) 1.2 换热器的组成 (2) 1.3 系统控制过程的特点 (3) 1.4 引起换热器出口温度变化的扰动因素 (3) 2 换热器出口温度控制系统方案图 (4) 2.1 换热器出口温度控制系统流程图 (4) 2.2换热器出口温度控制系统方框图 (5) 3 换热器过程控制系统分析 (4) 3.1 系统介绍 (4) 3.2 两极Smith预估补偿器 (6) 3.3模糊控制器 (7) 4 方案比较 (9) 4.1 换热器一般温控系统 (9) 4.2 Smith预估器的控制机理 (9) 5 控制器的选择 (10) 5.1 LDG型系列电磁流量计 (10) 5.2 HR-WP-201TR/TC22W智能热电阻/热电偶温度变送器 (10) 5.3 LWGB系列涡轮流量变送器 (11) 5.4 KVHV电动V型调节球阀 (11) 5.5 AI-7048型4路PID 温度控制器 (12) 5.6 流量控制器：型号TLS11-LC (13) 参考文献 (13)
摘要 换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。这个对象的特点是：热流体和冷流体通过对流热传导进行换热，从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。本设计采用一带有Smith预估补偿的模糊串级控制器的控制系统，主控变量为换热管出口温度，副变量为冷水流量。对换热器出口温度偏差、偏差变化率和冷流体的流量值模糊化,使换热器热流体出口温度控制过渡过程平稳，具有较传统PID串级控制算法过渡时间缩短，超调量减少，抗干扰能力强等特点。
换热器温度控制系统简单控制系统
目录 目录 (1) 1、题目....................................................... 错误!未定义书签。 2、换热器概述................................................. 错误!未定义书签。 2.1换热器的用途........................................... 错误!未定义书签。 2.2换热器的工作原理及工艺流程图........................... 错误!未定义书签。 3、控制系统 (3) 3.1控制系统的选择 (3) 3.2工艺流程图和系统方框图 (3) 4、被控对象特性研究 (4) 4.1 被控变量的选择 (4) 4.2 操纵变量的选择 (4) 4.3 被控对象特性 (5) 4.4 调节器的调节规律的选择 (6) 5、过程检测控制仪表的选用 (7) 5.1 测温元件及变送器 (7) 5.2 执行器 (9) 5.3 调节器 (10) 5.4、仪表型号清单列表 (11) 6、系统方块图 (12) 7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (12) 7.1调节控制参数 (12) 7.2 PID参数整定及系统仿真 (13) 7.3 系统性能分析 (15) 8、参考文献 (16)
1、题目 热交换器出口温度的控制。 2、换热器概述 2.1 换热器的用途 换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热的目的主要有下列四种： ①.使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行；②.生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行；③.某些工艺过程需要改变无聊的相态；④.回收热量。 由于换热目的的不同，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下，被控变量是温度，为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不同的工艺要求，被控变量也可以是流量、压力、液位等。 2.2 换热器的工作原理及工艺流程图 换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器的管程和壳程，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。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。 图2 换热器温度控制系统工艺流程图
换热器温度控制系统
南华大学 过程控制仪表课程设计 设计题目换热器温度控制系统设计 学生姓名 XXXXXXXX 专业班级自动化0X X 学号 200944XXXXX 指导老师 XXXXXX 2012年6月25日
目录 引言 (3) 一、设计任务与方案分析 (4) 1.1 设计任务 (4) 1.2 方案分析 (4) 二、系统结构与框图 (5) 三、系统设计 (6) 3.1温度变送器选择 (6) 3.2执行器(调节阀)选择 (7) 3.3 调节器选择 (9) 四、系统组成 (12) 4.1 原件清单 (12) 4.2 系统配接图 (12) 五、总结 (13)
引言 换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。据统计，在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的 30%~40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器，它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到避面的一侧（对流传热），通过间壁内的热传导，再由间壁的另一侧将热传递给冷流体，从而使热物流被冷却，冷物流被加热，满足化工生产中对冷物流或热物流温度的控制要求。 目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合。
一、设计任务与方案分析 1.1 设计任务 本文以用蒸汽液化给工艺介质加热为代表介绍换热器温度控制系统，针对工艺介质出口温度的主要干扰进行分析，并对扰动实施反馈控制以达到控制目的。具体要求为：变送器选择、执行器选择、控制器控制方案选择；仪表的工作原理及性能指标，仪表间的配接说明。 1.2 方案分析 简单控制系统是指那些只有一个被控量、一个操作量，只用一个控制器和一个调节阀所组成的控制回路。根据题目所提供的系统原理图，可知改系统只需用简单控制系统既能完成控制要求。 被控参数选择被加热物料出口温度，而不选冷物料为被控参数，只要是因为本系统主要干扰是冷物料流量的变化，若选冷物料入量为被控参数，扰动进入的位置离被控参数太近，干扰对被控参数的影响大，控制品质差。但若选择被加热物料出口温度为被控参数，蒸汽入量为控制参数，则可以使主要干扰进入系统的位置远离被控参数，从而干扰对被参数的影响不，提高了系统的控制品质。 控制参数选择蒸汽入量。若系统出现故障时，应立刻关闭蒸汽进入换热器，以免蒸汽进入过多，使温度过高，烧坏换热器。从系统整体来看，扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。因此，选蒸汽入量为控制参数。 综上所诉，选择简单控制系统作为换热器温度控制系统的方案。