換熱器變比值串級控制系統(tǒng)_完整版

1、學 號： 0121111360407課 程 設 計題 目換熱器變比值串級控制系統(tǒng)學 院自動化學院專 業(yè)自動化班 級自動化ZY1102姓 名郝文漢指導教師劉紅麗2015年1月8日課程設計任務書學生姓名： 郝文漢 專業(yè)班級： 自動化ZY1102班 指導教師： 劉紅麗 工作單位：武漢理工大學自動化學院 題 目: 換熱器變比值串級控制系統(tǒng)初始條件：換熱器出水溫度保持穩(wěn)定，波動小。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1）分析被控對象特性，設一計種加熱器出口水溫控制系統(tǒng)，引入工藝介質流量作為前饋信息，一方面減少生產負荷變化對出口溫度控制質量的影響，另一方面克服

2、控制通道增益隨負荷變化所造成的非線性。2）繪制系統(tǒng)的結構示意圖和原理方框圖，說明其工作原理和工藝流程。3）系統(tǒng)各組成部分的選型與正反作用方式的確定。4）系統(tǒng)硬件電路與軟件設計.5）控制器控制規(guī)律的實現(xiàn)以及參數(shù)整定.6）論文用WORD打印，方框圖，流程圖，電路圖等均用protel、autocad，visio等軟件繪制。時間安排：2014年12月29日至2015年1月8日，具體進度安排見下表具體時間設計內容12月29日指導老師就課程設計內容、設計要求、進度安排、評分標準等做具體介紹。學生確定選題，明確設計要求12月31日,1月4日，5日開始查閱資料，完成方案的初步設計1月6日，7日由指導老師指導完

3、成課設情況。學生修改、完善1月8日撰寫課程設計說明書，并進行答辯指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書目錄目錄11緒論11.1概述11.2換熱器變比值串級控制系統(tǒng)設計的任務及要求12 系統(tǒng)對象特性設計分析23 系統(tǒng)設計方案論證與選擇23.1方案論證23.2 設計方案的選擇24 系統(tǒng)硬件設計24.1控制器正反作用的確定24.2 主控制器的選型24.3 主回路檢測變送元件的選型24.4 副回路檢測變送元件的選型24.5 執(zhí)行器的選型25 控制器控制規(guī)律的選擇以及參數(shù)整定25.1 串級控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇25.2 變比值控制的參數(shù)選

4、擇2小結分析2參考文獻2附錄 控制器電路圖2171緒論1.1概述加熱器出口水溫度是換熱器的重要質量指標，直接關系到設備的安全與系統(tǒng)的生產效率。生活中要求使用一定溫度的水，設計一個水溫控制系統(tǒng)，能更好的控制水溫到合適的溫度，防止溫度過高帶來不利影響，并有效節(jié)約能源。不過出口溫度控制有一定困難，波動幅度很大，控制不理想的原因在于被控對象十分復雜：(1) 加熱器口溫度抗干擾能力差，在水溫平穩(wěn)時，出口溫度也發(fā)生明顯變化；(2) 進出水口水的流入流出也造成出口溫度的波動；(3) 加熱爐的溫度存在較大的時滯。一般的加熱器在運行中都具有以上所述的特點。所以可以說加熱器系統(tǒng)是一個時變、大時滯、多干擾的復雜系統(tǒng)

5、。為了對加熱器系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定控制，必須尋求出一種能對時變、大時滯、多干擾的復雜系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定控制的方法。為此引入工藝介質流量作為前饋信息，一方面減少生產負荷變化對出口溫度控制質量的影響，另一方面克服控制通道增益隨負荷變化所造成的非線性。1.2換熱器變比值串級控制系統(tǒng)設計的任務及要求換熱器出水溫度保持穩(wěn)定，波動小。(1) 分析被控對象特性，設計一種加熱器出口水溫控制系統(tǒng)，引入工藝介質流量作為前饋信息，一方面減少生產負荷變化對出口溫度控制質量的影響，另一方面克服控制通道增益隨負荷變化所造成的非線性。(2) 繪制系統(tǒng)的結構示意圖和原理方框圖，說明其工作原理和工藝流程。(3) 系統(tǒng)各組成部分的選型與正反作

6、用方式的確定。(4) 系統(tǒng)硬件電路與軟件設計。(5) 控制器控制規(guī)律的實現(xiàn)以及參數(shù)整定。2 系統(tǒng)對象特性設計分析在過程控制系統(tǒng)的分析和設計中，過程的數(shù)學模型是極其重要的基礎資料。被控對象的數(shù)學模型是指過程在各輸入量(包括控制量和擾動量)作用下，其相應輸出量(被控量)變化函數(shù)關系的數(shù)學表達式。所以為了實現(xiàn)對變熱器溫度的控制，先要對其被控過程進行數(shù)學建模。變熱器為一個溫度過程，如圖2.1所示。它有電爐、加熱容器、回路組成。容器內盛水，由于加熱容器有保溫材料構成，內部溫度變化甚是微小，為了簡單起見，設閥門TI處加熱器出水口處水的溫度不變?yōu)門1，進入的冷卻水溫度為T2，回饋的熱水溫度為T3。生產過程要

7、求流出熱水溫度T1保持不變，所以T1是被控量，即溫度過程的輸出量。而溫度過程的輸入量是電爐給水的供熱量Q1、冷卻水輸入量H1和熱水的回饋量H2，這個過程中流出熱水由溫度T1降到回饋熱水的溫度T2。圖2.1加熱器溫度對象將流入冷水和回饋熱水有各自溫度升到T1熱量設為Q2，則當Q1=Q2時，則水從電爐得到的熱量和水流失的熱量相等，出水口水溫T1保持不變。如果在某瞬間突然加大電爐電流使Q1增大了，這時水溫就慢慢升高了。為了保持水溫T1，需要調節(jié)調節(jié)閥TV-1，加大冷水進入量，與此同時由于加熱容器容量是一定的需要增大閥門TI使熱水加速流出，再通過調節(jié)閥門TV-2和TV-3最終影響調節(jié)閥TV-1的冷水流

8、入量，使Q1=Q2，熱量的輸入輸出的平衡關系又重新建立起來，溫度T1也就保持不變了。根據(jù)能量平衡關系，可以建立加熱器的微分方程，即在單位時間內的能量變化關系式。于是可得式中：G加熱器內水的總重量；cp水的比熱，在常壓下cp=1；C熱容。它等于水升高1°C所需儲蓄的熱量，C=Gcp。回饋熱水通過回路向四周空氣發(fā)散熱量這個熱量可以表示為Q3=H2cp(T1-T3)冷端補償所需熱量可以表示為Q4=H1cp(T1-T2)+H2cp(T1-T2)而 Q2=Q3+Q4由于電爐加熱使溫度升高與冷水流入熱水的流出與補償是一個反復的過程，整個加熱器由多個控制閥調節(jié)流入流出水量，因而系統(tǒng)過程有很大的慣性

9、與滯后性，過程容量滯后和純時延都較大，而且外部溫度的不確定使得擾動變化劇烈而且幅度較大，同時四個控制閥同時作用使得各個參數(shù)相互關聯(lián)，控制過程的過程特性都具有明顯的非線性。3 系統(tǒng)設計方案論證與選擇3.1方案論證由于變熱器是由多變量、多控制閥控制的系統(tǒng)，顯然單回路的控制系統(tǒng)難以滿足要求，需要選用復雜控制系統(tǒng)。通常復雜控制系統(tǒng)是多變量的，具有兩個以上變送器、兩個以上控制器或兩個以上控制閥所組成的多個回路的控制系統(tǒng)，所以又稱為多回路控制系統(tǒng)。常見的復雜控制系統(tǒng)有均勻控制、前饋控制、串級控制、比值控制等系統(tǒng)。方案一：串級控制串聯(lián)控制系統(tǒng)是在簡單控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于

10、副回路的引入，改善了對象特征，使控制過程加快，具有超前控制的作用。在系統(tǒng)結構上，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路，有兩個控制器。圖3.1串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)主要有幾種結構組成：主被控變量（Yl)：是工藝控制指標或與工藝控制指標有直接關系，在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量。副被控變量（Y2）：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)。主控制器：在系統(tǒng)中起主導作用，按主被控變量和其設定值之差進行控制運算，并將其輸出作為副控制器給定值。副控制器：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測得的副被控變量和主控輸出之差來進行控制運算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，簡稱為“副控”。主變送器：測量并轉換主被控變量的變送器。副變送

11、器：測量并轉換副被控變量的變送器。主對象：大多為工業(yè)過程中所要控制的、由主被控 變量表征其主要特性的生產設備或過程。副對象：大多為工業(yè)過程中影響主被控變量的、由副被控變量表征其特性的輔助生產設備或輔助過程。副回路:由副變送器、副控制器、控制閥和副對象所構成的閉環(huán)回路 , 又稱為“副環(huán)” 或“內環(huán)”。主回路：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對象所構成的閉環(huán)回路，又稱為“主環(huán)”或“外環(huán)”。串級控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點，對于進入副回路的干擾具有較強的抗干擾能力。并改善了對象特性，使控制過程加快，提高了控制質量，而且串級控制系統(tǒng)有很強的自適應能力。實現(xiàn)兩個或兩個以上的參數(shù)符合一定比例關系的控制系統(tǒng)，

12、稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)，用來保持兩種物料的流量保持一定的比值關系。方案二：變比值控制變比值控制是相對于定比值控制而言的。當要求兩種物料的比值大小能靈活地隨第三變量的需要而加以調整時，就要求設計比值不是恒定值的比值控制系統(tǒng)，稱為變比值控制系統(tǒng)。K= F2/F1式中K為從動流量與主動流量的工藝流量比值。F1-主動流量(其物料處于主導地位既主物料 )，F(xiàn)2-從動流量(其物料在控制過程中隨主物料而變化)圖3.2 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)的特點兩種物料流量的比值能靈活地隨第三變量的需要而變化。這種方案的優(yōu)點是結構簡單，只需一臺純比例控制器，其比例度可以根據(jù)比值要求來設定。缺點是如主

13、物料Fl穩(wěn)定不變，從物料的流量F2將受控制閥前后壓差變化影響而改變。方案三：變比值串級控制該方案綜合變比值控制和串級控制的優(yōu)點，雖然使系統(tǒng)的結構更加復雜，但是可以達到更好的控制效果。系統(tǒng)結構圖如下：圖3.3比值控制器方框圖3.2 設計方案的選擇換熱器出口溫度的反饋控制中，控制信號總是要在干擾已經(jīng)造成影響后，被控變量偏離給定值以后才能產生，控制作用總是不及時的。眾所周知，串級控制對克服被控系統(tǒng)的時滯能收到好的效果。這是因為當用兩個控制器進行串級控制時，每個控制器克服時滯的負擔相對減小，這就使得整個控制系統(tǒng)克服時滯的能力得到加強。由于整個加熱器的控制通道中，換熱器具有明顯的非線性，所以使整個系統(tǒng)的

14、過程特性隨著電流的變化而變化，具有較大非線性。為了保持系統(tǒng)原有的衰減率不變，則必須不斷相應地改變調節(jié)器比例放大系數(shù)，流出熱水量與流入冷水量同時受到回饋熱水量的影響，為了滿足上述工藝要求，可以應用變比值控制系統(tǒng)。變比值控制系統(tǒng)以第三參數(shù)和以兩個流量比為副參數(shù)所組成的串級控制系統(tǒng)，由一個除法器連接。當Q1、Q2出現(xiàn)擾動時，通過比值控制回路，保證比值不變，從而不影響(擾動幅值不大時)主參數(shù)，或大大減小擾動對主參數(shù)的影響。由以上對各種控制方法的論證，適宜采用變比值串級控制（方案三）方法對系統(tǒng)進行控制。4 系統(tǒng)硬件設計4.1控制器正反作用的確定換熱器串級控制系統(tǒng)中主變量為出水口水溫T1，副變量為流入冷卻

15、水溫度T2和回饋熱水T3。主調節(jié)器作用方向的選擇可按下述方法進行：當主、副變量增加（或減?。r，如果要求調節(jié)閥的動作方向是一致的，則主調節(jié)器應選“反”作用的；反之，則應選“正”作用的。如果將整個副回路看做是構成主回路的一個環(huán)節(jié)時，其方塊圖可以簡化為圖4.1所示。圖4.1簡化方框圖在主回路中，副回路這個環(huán)節(jié)的特性總是“正”作用方向的。由圖可見，在主回路中，由于副回路、主測量變送這兩個環(huán)節(jié)的特性始終為“正”，所以為了使整個主回路構成負反饋，主調節(jié)器的作用方向僅取決于主對象的特性。主對象具有“正”作用特性（即副變量增加時，主變量亦增加）時，主調節(jié)器應選“反”作用方向；反之，當主對象具有“反”作用特性

16、時，主調節(jié)器應選“正”作用方向。4.2 主控制器的選型此部分是電路的核心部分，單片機接受A/D 轉換電路輸入的數(shù)字信號，并將輸入的信號進行處理和運算，以控制控制電流或者控制電壓的形式輸出給被控制的電路，完成控電磁閥的任務。系統(tǒng)的控制采用了單片機89C52。單片機89C52內部有8KB單元的程序儲存器及256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。如圖4.2為主機控制部分電路圖。圖4.2 主機控制電路4.3 主回路檢測變送元件的選型系統(tǒng)的信號采集電路主要有溫度傳感器（AD590）、基準電壓（7812）及A/D轉換電路組成。溫度采樣電路的基本原理是采用電流溫度傳感器AD590將溫度的變化量轉化成電流量，再將電流量轉換為

17、電壓量通過A/D轉換器ADC0804將其轉換為數(shù)值量交由單片機處理?；窘Y構電路如圖4.3所示。圖4.3信號采樣電路傳感器選用AD590,測量范圍為-50OC+150OC,滿刻度范圍誤差為0.3OC，當電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1%時，誤差只有0.01OC。其管腳圖如圖4.3所示。A/D轉換電路采用ADC0804轉換器。將采集來的模擬信號轉換成數(shù)字信號輸出轉換完成的信號EOC經(jīng)反相器接單片機的P3.2口，A/D轉換電路如圖4.4所示。圖4.4 A/D轉換電路4.4 副回路檢測變送元件的選型副控回路檢測元件選擇電磁式流量傳感器。導電性的液體在流動時切割磁力線，也會產生感生電動勢。因此可應用

18、電磁感應定律來測定流速，電磁流量傳感器就是根據(jù)這一原理制成的。由于電極的距離正好為導管的內徑，因此沒有妨礙流體流動的障礙，壓力損失極小。能夠得到與容積流量成正比的輸出信號。由于電動勢是在包含電極的導管的斷面處作為平均流速測得的，因此受流速分布影響較小，測量范圍寬，測量精度高。4.5 執(zhí)行器的選型執(zhí)行器選擇動型電磁閥，通過控制閥的開度來實現(xiàn)流量控制。氣開型是當膜頭上水壓力增加時，閥門向增加開度方向動作，當達到輸入壓強上限時，閥門處于全開狀態(tài)。反過來，當壓力減小時，閥門向關閉方向動作，在沒有輸入時，閥門全閉。氣關型動作方向正好與氣開型相反。通過執(zhí)行機構的正反作用和閥態(tài)結構的不同組裝方式實現(xiàn)氣動調節(jié)

19、閥的氣開或氣關。由于調節(jié)器是電動的，執(zhí)行器(調節(jié)閥)是氣動的，所以還需要氣動單元組合儀器的一個電氣轉換器。5 控制器控制規(guī)律的選擇以及參數(shù)整定在變熱器控制系統(tǒng)中，主回路控制溫度，進行細調。副回路控制冷水流量進行粗調。由于主變量（溫度）是重要指標，對其要求很高，所以主控制器采用常規(guī) PID 控制。而對副變量（冷水流量）的要求不高，允許有余差，所以副控制器采用 P 控制。用溫度控制器的輸出信號作為冷水流量控制器的設定植，而冷水流量控制器的輸出信號去控制冷水閥，達到控制溫度的目的。本次設計采用增量式PID控制算法，來實現(xiàn)溫度控制。增量式PID控制算法公式如下：調節(jié)器參數(shù)整定采用先副后主方式。因為副回

20、路整定的要求較低，一般可參照單回路的方法來設置。有時為更好發(fā)揮副回路的快速作用，控制作用可調的強一些（相應的衰減比可略小于41）。現(xiàn)在采用衰減曲線法進行參數(shù)整定如下：1 先置調節(jié)器積分時間，微分時間，比例度置于較大數(shù)值，將系統(tǒng)投入運行。 2 等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設定值做階躍變化，然后觀察系統(tǒng)的響應。若響應振蕩衰減太快，擇減小比例度。反之亦然。如此反復，直到衰減比為4：1的過程，記下此時的以及值，按照表1所給的經(jīng)驗公式計算、。表1 衰減曲線法整定表調節(jié)規(guī)律調節(jié)參數(shù)比例度積分時間微分時間PPI1.20.5PID0.20.30.15.1 串級控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇變熱器要求水溫穩(wěn)定，波動小。出水口溫度作

21、為主變量，系統(tǒng)對主變量要求較高，不允許有余差，所以主調節(jié)器采用PID控制規(guī)律。串級控制系統(tǒng)中對副變量的要求不嚴。在控制過程中，副變量是不斷跟隨主調節(jié)器的輸出變化而變化的，所以副調節(jié)器采用比例控制規(guī)律。流出熱水量與流入冷水量同時受到回饋熱水量的影響，即主副變量間有一定內在聯(lián)系，系統(tǒng)的主要干擾應包圍在副回路中，副變量的選擇應考慮主副對象時間常數(shù)的匹配，防止共振的發(fā)生，由于前饋熱水具有較大的純滯后，選擇副變量時應使副環(huán)盡量不包含純滯后。Gv(s)為執(zhí)行機構的傳遞函數(shù) Go1(s) Go2(s)分別為主副控制對象的傳遞函數(shù) Gm1(s) Gm2(s)分別為主副變送器的傳遞函數(shù) N1(s) N2(s)分

22、別為一次干擾和二次干擾的傳遞函數(shù)。假設副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分別為Go2(s) =Ko2/(1+TO2S)Gc2(s) = Kc2Gv(s) = KvGm2(s) = Km2將圖2中副回路反饋信號相加點由副調節(jié)器前向后移至副對象之前，經(jīng)簡化可得出其等效副對象為：GC2(s)=式中因此 在此控制系統(tǒng)中，等效副對象的時間常數(shù)和放大倍數(shù)都縮小了，而且隨著副控放大倍數(shù)Kc2整定得越大，等效副對象的放大倍數(shù)和時間常數(shù)縮小得越顯著，這相當于在系統(tǒng)中增加了一個起超前作用的微分環(huán)節(jié)，這會使系統(tǒng)的響應速度加快，控制更為及時，有利于提高控制品質和系統(tǒng)可控性。 5.2 變比值控制的參數(shù)選擇在換熱器變比值控制系統(tǒng)中，

23、流量變比值只是一種控制手段，第三參數(shù)出水口水溫T1才是系統(tǒng)控制效果的指標。系統(tǒng)工作時，按原始給定冷水與回饋熱水比例控制供水，當溫度發(fā)生變化時，比例控制器的輸出將修改比例系數(shù)K，從而修改了給水閉環(huán)系統(tǒng)給定值，給水閉環(huán)系統(tǒng)及時調節(jié)給水比例，保證溫度T1相對穩(wěn)定。電加熱器的發(fā)熱量Q1與外加電流的平方成正比，故Q1與電流變化成非線性變化，而電氣轉化器使流量變化與電流變化相聯(lián)系，故測量流量值與輸出信號成非線性關系。當流量從0變化時，則任一中間流量H1所對應的流量變送器輸出信號為從以上兩式可得比例系數(shù)K為動態(tài)參數(shù)的整定時，主調節(jié)器可按串級系統(tǒng)進行整定。小結分析這次課程設計的幾天里，可以說得是苦多于甜，但是

24、可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。經(jīng)過這次課程設計我感受頗多，在正式進行設計之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設計方案來開拓自己的思路。但是最終仍然有很多沒能完全弄懂的東西，不能不說是一個遺憾，在以后的的學習中再深化吧。課程設計是實踐課的一種，在很大程度上實現(xiàn)了動手與動腦，理論與實際的相互結合，既是對工業(yè)環(huán)境的一個簡單縮影，又是對理論知識的一種檢驗，很好地實現(xiàn)了從書本到實際操作的一個過渡。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。 本次設計的