管式換熱器恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

1、重慶大學(xué)城市科技學(xué)院 自動化儀表與過程控制課程設(shè)計課 題：管式換熱器恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：學(xué) 號： 姓 名：指導(dǎo)教師：設(shè)計日期：成 績：自動化儀表與過程控制課程設(shè)計一、設(shè)計目的自動化儀表與過程控制課程設(shè)計是電氣工程專業(yè)一項重要的實踐性教育環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校期間必須接受的一項工程訓(xùn)練。以期通過該課程設(shè)計加強學(xué)生如下能力的培養(yǎng)：1、提高學(xué)生對所學(xué)自動化儀表和過程控制的原理、結(jié)構(gòu)、特性的認(rèn)識和理解，加深對所學(xué)知識的鞏固和融會貫通。2、針對一個小型課題的設(shè)計開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生查閱參考書籍資料的自學(xué)能力，通過獨立思考，學(xué)會分析問題的方法。3、綜合運用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技

2、術(shù)問題的能力。4、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，相互合作的團隊精神，提高其綜合素質(zhì)，獲得初級工程應(yīng)用經(jīng)驗，為將來從事專業(yè)工作建立基礎(chǔ)。二、設(shè)計內(nèi)容與要求1、查閱資料，深入掌握過程的工作原理及控制要求，繪制出生產(chǎn)過程工藝流程圖。2、設(shè)計控制方案。(1) 根據(jù)對象特性及控制要求，完成控制變量的選擇、控制結(jié)構(gòu)選擇、控制儀表選擇等方案設(shè)計。(2) 繪制完整的系統(tǒng)工藝流程圖，按工程要求標(biāo)注所有儀表和變量。3、采用MATLAB/Simulink工具，完成系統(tǒng)仿真，驗證以下內(nèi)容：(1) 系統(tǒng)跟蹤能力、抗干擾能力的仿真。(2) 控制器參數(shù)整定過程。4、節(jié)流裝置和調(diào)節(jié)閥的計算。根據(jù)工藝數(shù)據(jù)和有關(guān)計算方法進(jìn)行計算，分別

3、列出儀表數(shù)據(jù)表中調(diào)節(jié)閥及節(jié)流裝置計算數(shù)據(jù)表與結(jié)果。5、設(shè)計控制程序：反饋控制可采用PID控制，前饋控制可采用比例控制，被控過程可采用一階慣性環(huán)節(jié)。6、整個工程設(shè)計工作基本完成后，要對所有設(shè)計文件進(jìn)行整理，并編制設(shè)計文件目錄。并對設(shè)計思想、方案確定、仿真過程及結(jié)果分析，組態(tài)設(shè)計等作出說明；對所完成的設(shè)計作出評價，對自己整個設(shè)計工作中的經(jīng)驗教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)。 三、設(shè)計過程1. 控制方案的確定1.1 恒溫控制系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求在工業(yè)生產(chǎn)用，往往需要對液體進(jìn)行溫度控制。圖2-1是管式換熱器恒溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。其工藝要求用蒸汽將進(jìn)入其中的冷水加熱到一定溫度，并將熱水溫度維持在一定范圍內(nèi)()。圖2-1 管式恒

4、溫控制系統(tǒng)原理圖1.2 控制參數(shù)與被控參數(shù)的選擇1.2.1 被控參數(shù)的選擇被控參數(shù)的選擇對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、安全生產(chǎn)以及生產(chǎn)過程的經(jīng)濟運行等都具有決定性的意義。如果被控參數(shù)選取不當(dāng)，無論是此何種控制方法，還是采用何種先進(jìn)的檢測儀表，都難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。對于本系統(tǒng)，由于要對經(jīng)換熱器后的熱水的溫度進(jìn)行控制，所以根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，選取換熱器出口溫度作為直接被控參數(shù)。設(shè)置合理的調(diào)節(jié)器對換熱器的出口溫度進(jìn)行控制。1.2.2 控制參數(shù)的選擇由換熱器控制系統(tǒng)的工作原理可知，影響影響換熱器的出口溫度的參數(shù)有兩個，一個是冷水的流入量，再一個是熱蒸汽的流入量。調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)均可以控制換熱器出口的溫度。但是根

5、據(jù)生產(chǎn)工藝可知，流入乙烯裂解氣的流量是一定的，所以選取熱蒸汽的流入量作為控制參數(shù)。1.3 系統(tǒng)原理圖及方框圖1.3.1 控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖 恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示圖2-2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖1.3.2 系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖如圖 2-3所示X(s)Y(s) 圖2-3 控制系統(tǒng)框圖2 測量儀表的選擇2.1 變送器的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，宜選用DDZ-III型儀表。采用24V直流電源集中統(tǒng)一供電，整套儀表可構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)，而且增加了安全單元安全保持器，實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制與隔離，使儀表無論在正常運行，還是在事故狀態(tài)下，都不會引爆，儀表的安全性、可靠性顯著提高。采用國際標(biāo)

6、準(zhǔn)信號制，現(xiàn)場傳輸信號為4-20mA直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號為1-5V 直流電壓，信號電流和信號電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250。測溫原件及變送器的選擇。因為被控溫度在150 以下，故選用熱電阻溫度計。為提高精度，采用三線制接法，并配用溫度變送器。2.2 調(diào)節(jié)閥的選擇2.2.1 調(diào)節(jié)閥的啟開氣關(guān)形式氣開是指當(dāng)氣壓信號p0.02MPa時，閥由關(guān)閉狀態(tài)逐漸打開；氣關(guān)則相反，即當(dāng)氣壓信號p0.02MPa時，閥由全開狀態(tài)逐漸關(guān)閉。由于執(zhí)行機構(gòu)有正、反作用兩種方式，閥體也有正、反兩種形式。所以，執(zhí)行期的“氣開”、“氣關(guān)”有四種構(gòu)成方式，如圖3-1所示：圖3-1 氣開、氣關(guān)示意圖調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)選擇，主要從工藝生

7、產(chǎn)的安全來考慮。換句話說，當(dāng)發(fā)生斷電或其他故障引起控制信號中斷是，執(zhí)行器的工作狀態(tài)應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害操作人員。對于本系統(tǒng)，當(dāng)控制信號為零時，要求蒸汽的進(jìn)入量亦為零，避免當(dāng)控制信號中斷時，換熱器由于進(jìn)入的熱蒸汽使其溫度過高而發(fā)生事故。故調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開式調(diào)節(jié)閥。2.2.2 調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流體通過閥門的相對流量與閥門的相對開度 數(shù)學(xué)表達(dá)式為2.2.3 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性理想流量特性是指調(diào)節(jié)閥前后壓差保持不變時得到的流量特性 （1）直線流量特性：指流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與閥門的相對開度成直線關(guān)系，即閥桿單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2）對數(shù)流量特性（等百

8、分比）流量特性是指單位行程變化所引起的相對流量變化與該點的相對流量成正比關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（3）快開流量特性是在小開度時，就有較大流量，隨著開度的增加，流量很快就增加到最大，此后再增加開度，流量的變化很小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 綜合以上調(diào)節(jié)閥的流量特性分析可知，選用對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥更為適宜。2.3 調(diào)節(jié)器的選擇2.3.1 調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)規(guī)律為比例、積分和微分調(diào)節(jié)規(guī)律，簡稱PID。即使是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展、許多新的控制方法不斷涌現(xiàn)的今天，PID仍作為最基本的控制方式顯示出強大的生命力。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：其中為比例度，為積分時間，為微分時間PID

9、調(diào)節(jié)提高了系統(tǒng)的誤差度，為動態(tài)性能改善提供了可能。因此，PID兼顧了靜態(tài)和動態(tài)兩個方面的控制要求，因而能取得較為滿意的調(diào)節(jié)效果。所以本設(shè)計采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。2.3.2 調(diào)節(jié)器儀表的選擇根據(jù)設(shè)計要求，選用DDZ-III型PID基型調(diào)節(jié)器DDZ-III調(diào)節(jié)器的主要技術(shù)參數(shù)有：測量信號：1-5V DC； 外給定信號：4-20mA DC;內(nèi)給定信號：1-5V DC； 測量與給定的指示精度： 1%;輸入阻抗影響： 滿刻度的0.1% 輸出保持特性：-0.1%/h;輸出信號：4-20mA DC; 調(diào)節(jié)精度： 0.5%;負(fù)載電阻：205-7502.3.3 調(diào)節(jié)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由圖3-2輸入電路可知，給定信號和以

10、零伏（地）為基準(zhǔn)的，分別通過兩對并聯(lián)輸入電阻R加到運算放大器的正、反輸入端，其輸出是以10V為基準(zhǔn)的電壓信號，它一方面作為下一級電路的輸入，另一方面則取出輸出電壓的一半通過反饋電阻反饋到輸入端。圖3-2 輸入電路設(shè)放大器為理想的放大器，其輸入阻抗為無窮大，T點與F點同電位，即,由和，可得：經(jīng)整理有：由以上過程可知：1） 輸入電路能實現(xiàn)測量值與給定值的相減，獲得放大兩倍的偏差信號。2） 輸入電路將兩個以零伏為基準(zhǔn)的輸入電壓，轉(zhuǎn)換成以電平為基準(zhǔn)的偏差電壓，實現(xiàn)了電平的移動。比例積分電路如圖3-3所示。它接收以10V為基準(zhǔn)的電信號，進(jìn)行PI運算后，輸出以10V為基準(zhǔn)的1-5V電壓，送至輸出電路。根據(jù)

11、基爾霍夫第一定律，輸出量與輸入量之間的拉氏變換為： （3-1）式中，m=1或m=10.對于運算放大器，則有： （3-2）式中，為放大器增益。將式(3-1)代入式(3-2)，經(jīng)整理后可得：由于，所以有,若忽略不計，則有： （3-3）式中，為積分增益，;為積分時間，。式（3-3）為具有飽和特性的比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。由式（）可見，由于增加了積分時間環(huán)節(jié)，積分時間有兩檔。當(dāng)置于檔時相當(dāng)于m=1；當(dāng)置于0檔時相當(dāng)于m=10.a） b）圖3-3簡化的比例積分電路：a） 1 b） 10調(diào)節(jié)器的輸出電路如圖3-4所示。其輸入信號是經(jīng)過PI運算、以電平為基準(zhǔn)的1-5V DC的電壓信號，輸出是經(jīng)過一端接地的

12、負(fù)載電阻的4-20mA DC電流。圖3-4 輸出電路在圖3-3所示電路中，設(shè),則用理想放大器的分析方法可得： (3-4)由式（3-4）中的第二式可得 （3-5）根據(jù)、式（3-4）中的第一式和式（3-5）可得 （3-6）又直接從圖中可知 （3-7）由式（3-6）和（3-7）解得 （3-8）若忽略反饋支路中的電流和晶體管基極電流，則有 （3-9） 進(jìn)而有 （3-10）若，當(dāng)=1-5V時，輸出電流則為4-20mA DC,其輸入/輸出的傳遞系數(shù)為。理論分析表明，晶體管基極電流一般可以忽略，但若忽略反饋支路中的電流時則會產(chǎn)生較大的輸出誤差。由圖可知，反饋支路中的電流為： （3-11）以時為例，的值可由式

13、（3-7）計算，即： （3-12）而的值由式（3-4）中的計算，即： （3-13）將、的值代入式（3-11），可得： （3-14）可見約占的6.4%，忽略它將產(chǎn)生較大的輸出誤差。為了提高轉(zhuǎn)換精度，應(yīng)使。可以證明，當(dāng)時，便可精確地獲得轉(zhuǎn)換關(guān)系式（3-10）。通過上面的討論，輸入電路、PI運算電路、輸出電路的傳遞函數(shù)都以獲得，整個調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示： 圖3-4調(diào)節(jié)器整機結(jié)構(gòu)圖其整機傳遞函數(shù)為：3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定主要有工程整定法、最佳整定法和經(jīng)驗法三種。其中，工程整定法又有臨界比例度法、衰減曲線法和反應(yīng)曲線法。本設(shè)計主要利用臨界比例度法對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。臨界比例度法是

14、一種閉環(huán)整定方法。由于改方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測試過程的動態(tài)特性，其方法簡單、實用方便，因而獲得了廣泛應(yīng)用。具體整定步驟如下：系統(tǒng)的特征方程:令帶入系統(tǒng)特征方程得：其中于是求出和由表4-1求出待整定參數(shù)、表4-1 臨界比例度法的參數(shù)計算表整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律P2PI2.20.85PID1.70.50.13四、總結(jié)在過程控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，深入了解被控過程的工藝特點及其要求非常重要。不同的被控過程在控制方式和控制品質(zhì)方面存在差異，即使是同一類型的被控過程，由于其規(guī)模、容量、干擾來源及性質(zhì)等不同，控制差異也會存在差異。在本設(shè)計中，充分考慮丙烯換熱器溫度控制系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要求，對各項參數(shù)都

15、進(jìn)行了詳細(xì)的討論。其中，被控參數(shù)選擇換熱器出口溫度作為直接被控參數(shù)，控制參數(shù)選擇液態(tài)丙烯的進(jìn)入流量，調(diào)節(jié)閥選擇PID調(diào)節(jié)規(guī)律，選擇DDZ-III型溫度調(diào)節(jié)器，采用氣關(guān)式對數(shù)流量特性調(diào)節(jié)閥。最后利用臨界比例度法對該控制系統(tǒng)做了調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。是該控制系統(tǒng)最終達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。經(jīng)過一周的努力，我終于完成了本次課程設(shè)計的設(shè)計任務(wù)。在設(shè)計的過程中,遇到了許多理論上的和實際上的問題,發(fā)現(xiàn)平時的理論課學(xué)習(xí)還不夠充分和扎實,理論和實際相脫節(jié).經(jīng)過本次設(shè)計,在實際應(yīng)用問題上充分運用了理論知識做指導(dǎo),而這次設(shè)計也為理論做了廣泛的延伸和深化.設(shè)計時遇到了許多問題,在這里要感謝指導(dǎo)老師的幫助與指導(dǎo),使我完成了整個設(shè)計,使我更加對課程設(shè)計增強了興趣,鞏固我的知識儲備,使我在實際中得到鍛煉,更加增進(jìn)我集體協(xié)作的精神.通過設(shè)計，鍛煉了我的動手能力，開發(fā)了我的思維，課程設(shè)計使我們每一個學(xué)生針對這一技術(shù)工作的實踐上升到一個高度，認(rèn)識到從事技術(shù)工作應(yīng)持有的工作態(tài)度和應(yīng)具備的知識素質(zhì)，還有利于促進(jìn)我們今后的自覺學(xué)習(xí)，為適應(yīng)將來的工作打好堅實的基礎(chǔ)。我希望以后能多有這樣的機會做課程設(shè)計，使我在熟悉課本知識的同時提高工作效率，培養(yǎng)自己獨立設(shè)計能力,培養(yǎng)自己成為一個全面