基于MATLAB的換熱器溫度控制仿真研究

1、摘要換熱器作為一種標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部門。以工業(yè)上常用的列管式換熱器為例，熱流體和冷流體通過對流熱傳導(dǎo)達(dá)到換熱的目的，從而使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。但是，由于換熱系統(tǒng)這種被控對象具有純滯后、大慣性、 參數(shù)時變的非線性特點，傳統(tǒng)的 PID 控制往往不能滿足其靜態(tài)、動態(tài)特性的要求?？刂品绞降膯我恍约澳壳爸圃旃に嚨南拗疲箵Q熱器普遍存在控制效果差，換熱效率低的現(xiàn)象，造成能源的浪費。如何提高換熱器的控制效果，提高換熱效率，對于緩解我國能源緊張的狀況，具有長遠(yuǎn)的意義。本課題是針對換熱器實驗設(shè)備溫度控制的改進(jìn)提出的。設(shè)計中首先通過對現(xiàn)階段換熱器出口溫度控制

2、的特點進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)了制約控制效果進(jìn)一步提高的瓶頸，為下一步改善換熱器的控制效果提供了理論依據(jù)。然后根據(jù)換熱系統(tǒng)組成、控制流程的特點對換熱器溫度控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。再根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，聯(lián)系換熱器溫度控制的特點，給出了相應(yīng)的控制策略，即帶Smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪：壙刂品桨?。主回路采?Smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪：刂扑惴?，副回路采用模糊PID 控制算法，并在理論上驗證了其可行性。最后用MATLAB7.0/SIMULINK 工具箱進(jìn)行換熱器出口溫度的控制仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，說明所設(shè)計的控制算法及方案的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞： 換熱器溫度控制；PID 控制；模糊控制；仿真The heat

3、 exchanger based on MATLAB simulation of temperaturecontrolAbstractHeat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the field of power engineering and other process industries. Commonly used in industrial heat exchanger tube as an example, the hot fluid and cold fluid heat tran

4、sfer through convection heat transfer to achieve the purpose, so that heat exchanger outlet temperature materials to meet the needs of industrial production. However, as the heat exchange system that has a pure time delay plant, large inertia, the parameters of the nonlinear time-varying characteris

5、tics of the traditional PID control often can not meet the static and dynamic characteristics of the request. Control the uniformity and the current manufacturing process of the limit, so that the effect of heat exchanger to control the prevalence of poor, low heat transfer efficiency, resulting in

6、waste of energy. How to improve the control of the effect of heat exchangers to improve heat transfer efficiency and ease the tense situation in our countrys energy, with a long-term significance.This issue is heat exchanger for temperature control of laboratory equipment to improve the proposed. fi

7、rst of all , The design stage through the heat exchanger outlet temperature control characteristics of the analysis, which found that the effect of restricting the control to further improve the bottleneck for further improving the control of the effect of heat exchanger provides a theoretical basis

8、. Heat exchange system according to the composition of the characteristics of control flow on the heat exchanger temperature control system mathematical model. Established in accordance with the mathematical model of contact heat exchanger temperature control characteristics of the corresponding con

9、trol strategy, which Smith estimated compensation with fuzzy cascade control program. Smith estimated the main loop compensation for the use of fuzzy control algorithm, the Vice-loop fuzzy PID control algorithm, and in theory, to verify its feasibility. Toolbox MATLAB7.0/SIMULINK Finally, heat excha

10、nger outlet temperature of the control simulation, and analysis of simulation results to illustrate the design of control algorithms and the advantages of the program.Key words: heat exchanger temperature control; PID control; fuzzy control; simulation目錄III內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）摘 要 IAbstractII第一章 緒 論

11、11.1 引言 11.2 選題的背景及意義1.1.3 換熱器的溫度控制概述2.1.3.1 換熱器簡介2.1.3.2 換熱器運行控制的現(xiàn)狀4.1.4 課題的主要任務(wù)及意義5.第二章 換熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6.2.1 換熱器過程控制系統(tǒng)分析6.2.2 信號的檢測及參數(shù)關(guān)系7.2.2.1 流量信號的檢測7.2.2.2 溫度信號的檢測8.2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系8.2.3 換熱器特性分析9.2.3.1 換熱器的靜態(tài)特性分析9.2.3.2 換熱器的動態(tài)特性1.3.2.4 離心泵控制模型1.6.2.4.1 系統(tǒng)組成概述1.6.2.4.2 離心泵的動態(tài)特性1.7.第三章?lián)Q熱器溫度控制系統(tǒng)分析及方案設(shè)計

12、1.93.1 換熱器溫度控制系統(tǒng)分析1.9.3.2 控制模型的選擇2.2.3.2.1 副回路控制模型的選擇2.2.3.2.2 主回路控制模型的選擇2.3.第四章?lián)Q熱器控制系統(tǒng)控制算法2.4.4.1 模糊控制理論2.4.4.1.1 模糊控制概述2.4.4.1.2 模糊控制的原理2.5.4.2 基本模糊控制器的設(shè)計2.6.4.2.1 模糊化過程2.7.4.2.2 模糊化方法2.8.4.2.3 建立模糊控制器的控制規(guī)則3.04.2.4 模糊推理與模糊判決3.1.4.3 模糊 PID 控制算法實現(xiàn)3.24.3.1 PID 控制原理及模糊PID 控制原理圖3.24.3.2 模糊參數(shù)自整定原則3.4.4.

13、3.3 各變量隸屬度函數(shù)的確定3.44.3.4 建立模糊規(guī)則表3.5.4.3.5 模糊 PID 控制器的MATLAB 實現(xiàn) 3.74.4 Smith Fuzzy串級控制算法的實現(xiàn)4.14.4.1 Smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)脑?.14.4.2 Smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)4.34.4.3 換熱器出口溫度Smith Fuzzy控制實現(xiàn)4. 3第五章?lián)Q熱器溫度控制系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析4.65.1 仿真軟件簡介4.6.5.2 基于換熱器出口水溫控制系統(tǒng)的仿真4.85.3 換熱器溫度控制系統(tǒng)仿真分析5.2第六章結(jié)束語 5.4.參考 文 獻(xiàn) 5.5.致謝 5.7.V第一章 緒 論1.1 引言換熱器是一種用來進(jìn)行

14、熱量交換的工藝設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。它的作用是通過熱流體來加熱冷流體，使工作介質(zhì)達(dá)到生產(chǎn)工藝所規(guī)定的溫度要求，以利于生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行，同時避免生產(chǎn)過程中能量的浪費，以節(jié)約能源。在實現(xiàn)傳熱過程的各種設(shè)備中，換熱器應(yīng)用最多，本文研究的對象就是換熱器出口溫度的溫度控制。換熱系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程需要對換熱系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行控制，其中，換熱器出口介質(zhì)的溫度是最為主要、最為常見的控制對象，也是關(guān)系工藝產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。目前，對溫度的控制大都采用傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)器。但是，由于換熱系統(tǒng)這種被控對象具有純滯后、大慣性的特點，而且整個控制過程與環(huán)境條件及換熱系統(tǒng)本身等因素密切相關(guān)，是一個典型的參數(shù)

15、時變的非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID 控制往往不能滿足其靜態(tài)、動態(tài)特性的要求，因此，很有必要尋求一種先進(jìn)的控制方法。1.2 選題的背景及意義換熱器不但是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的傳熱設(shè)備，而且是重要的節(jié)能設(shè)備。它在動力、冶金、煉油、化工、電力、制冷、建筑、重型機(jī)械制造、航空、原子能、食品和醫(yī)藥等工業(yè)部門應(yīng)用極為廣泛，并占有十分重要的地位。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，它將具有更廣泛的應(yīng)用前景。例如在石油化工廠中，它的投資要占到建廠總投資的30% 50%左右，它的數(shù)量占工藝總數(shù)量的40%左右；在年產(chǎn)30 萬噸乙烯裝置中，它的投資約占總投資的25%。在我國的一些大中型煉油企業(yè)中，各式熱交換器的數(shù)量達(dá)到300-

16、500 臺以上。又如動力工業(yè)的熱力發(fā)電廠，裝有空氣預(yù)熱器、燃油加熱器、給水加熱器、蒸汽冷凝器等一系列的換熱器，換熱器的投資占電廠總投資的70%左右；在熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱系統(tǒng)中，換熱器也是必不可少的設(shè)備。換熱器作為一種利用能源與節(jié)約能源的重要設(shè)備，在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用。其作用表現(xiàn)在兩個方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗；二是用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能量消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性的問題。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)、節(jié)約的要求不斷提高，因而不僅對換熱器性能的

17、要求日益加強(qiáng)，而且對換熱器過程控制品質(zhì)要求也不斷增加。換熱器傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中的目的，有的是為了使工藝介質(zhì)達(dá)到生產(chǎn)工藝所規(guī)定的溫度，以利于生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行和保證產(chǎn)品質(zhì)量；有的則是為了避免生產(chǎn)過程中能量的浪費。很多工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品對生產(chǎn)的工藝溫度十分敏感，高于或低于這個工藝溫度都會極大的降低產(chǎn)品質(zhì)量，造成不必要的浪費。比如，在制冷、空調(diào)、化工、食品、醫(yī)藥等生產(chǎn)過程中，為了保證過程的順利進(jìn)行和保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須保證換熱器良好的傳熱和嚴(yán)格控制換熱器的出口溫度；因此，控制好換熱器出口介質(zhì)的溫度具有極其重要的意義。綜上所述，由于換熱器在節(jié)能、保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面承擔(dān)著非常重要的角色，為了保證換熱器的正常

18、運行，及高度的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對它的自動化水平提出了更高的要求。由于換熱系統(tǒng)存在著大延遲、大慣性、非線性及多擾動的特點，它們只能得到近似的數(shù)學(xué)模型甚至得不到數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的控制方法難以達(dá)到令人滿意的控制效果。而實踐證明，對于過程復(fù)雜、具有非線性、時變、滯后等特征的被控對象，模糊控制具有優(yōu)越控制的性能和強(qiáng)大的生命力。本文運用MATLAB 設(shè)計模糊控制器，研究模糊控制及其在換熱器過程控制中的應(yīng)用，具有重要的理論意義和工程實用價值。1.3 換熱器的溫度控制概述1.3.1 換熱器簡介換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。按照傳統(tǒng)方式的不同，換熱設(shè)備可分為三類：1混合式換熱器：

19、利用冷、熱流體直接混合的作用進(jìn)行熱量的交換。這類交換器的結(jié)構(gòu)簡單、價格前便宜、常做成塔狀。例如：冷水塔（涼水塔）、造粒塔、氣流干燥裝置、流化床等。2蓄熱式換熱器：在這類換熱器中，能量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完成的。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、單位體積傳熱面大，故較適用于氣氣熱交換的場合。主要用于石油化工生產(chǎn)中的原料氣轉(zhuǎn)化和空氣余熱。3、 間壁式換熱器：所謂間壁式換熱器，是指兩種不同溫度的流體在固定的壁面（稱為傳熱面）相隔的空間里流動，通過壁面的導(dǎo)熱和壁表面的對流換熱進(jìn)行熱量的傳遞。間壁式換熱器的傳熱面大多采用導(dǎo)熱性能良好的金屬制造。在某些場合由于防腐的需要，也有用非金屬（如石墨，聚

20、四乙烯等）制造的。這是工業(yè)制造最為廣泛應(yīng)用的一類換熱器。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點它還可分為：（ 1）管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等。（ 2）板面式換熱器：如板式、螺旋板式，、板殼式等。（ 3）擴(kuò)展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強(qiáng)化的傳熱管等。其中，在間壁式換熱器中，管殼式換熱器易于制造、生產(chǎn)成本較低、選材范圍廣、傳熱表面的清洗比較方便、適應(yīng)較強(qiáng)、處理量較大，具有高度工作可靠性，能夠承受高壓、高溫。雖然在結(jié)構(gòu)緊湊性，傳熱強(qiáng)度和單位傳熱面積的金屬耗量方面它確實有著缺點，但是由于其優(yōu)點，使之能在出現(xiàn)的新興換熱器的今天，依然充滿生命力，居于統(tǒng)治地位。所以在本實驗系統(tǒng)中采用管殼式單

21、程-逆流模式的換熱器。其結(jié)構(gòu)如圖1-1。所選用換熱器的基本參數(shù)如表1-1。1-1 管殼式單程-逆流模式換熱器結(jié)構(gòu)圖表 1-1 換熱器的基本參數(shù)表殼體長度傳熱面積管程流量殼程流量管程進(jìn)口溫度范圍管程出口溫度范圍殼程進(jìn)口溫度范圍殼程出口溫度范圍1500 mm3 m20 5 m2/h0 10m2/h0-1000-1000-1000-1001.3.2換熱器運行控制的現(xiàn)狀目前， 換熱器控制中大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的PID 控制， 以加熱介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段，以被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)，對于存在大的負(fù)荷干擾且對于控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場合，多采用加入負(fù)荷干擾的前饋控制構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)

22、。在生產(chǎn)過程自動化控制的發(fā)展過程中，PID 控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方法。它具有原理及結(jié)構(gòu)簡單、使用方便；適應(yīng)性強(qiáng)；魯棒性也較強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不敏感等優(yōu)點。由于具有這些優(yōu)點，對于絕大部分生產(chǎn)過程控制中，人們首先想到的總是PID 控制（至今在全世界過程控制中用的84以上仍是純 PID 調(diào)節(jié)器） 。根據(jù)控制對象的不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整PID 參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。然而，PID 控制算法有它的局限性和不足：傳統(tǒng)的控制是基于對象精確模型的控制，對于模型未知或知之甚少，或模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)變化等情況，傳統(tǒng)方法都難于對它們進(jìn)行控制。在傳統(tǒng)控制理論中，線性

23、系統(tǒng)理論比較成熟。對于具有高度非線性的控制對象雖然也有一些非線性的控制方法，但總的來說，非線性控制理論還不成熟，而且方法比較 復(fù)雜。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制任務(wù)或者是要求輸出量為定值（調(diào)節(jié)系統(tǒng)），或者是要求輸出量跟隨期望的運動軌跡（跟蹤系統(tǒng)）。因此控制任務(wù)的要求比較單一。在對 PID 參數(shù)進(jìn)行整定的過程中，參數(shù)的整定是具有一定局限性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值。無法從根本上解決動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。然而，熱交換器對象工作機(jī)理比較復(fù)雜，它的動態(tài)特性是未知的或者不是十分清楚的， 很難用解析方法得出其精確的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。這種特性決定了用傳統(tǒng)PID 控制很難滿足靜態(tài)、動態(tài)特性的要求。而且，實踐也

24、證明了，雖然現(xiàn)在許多換熱器的控制系統(tǒng)上也多裝有控制柜，實現(xiàn)溫度的自動控制，但由于大多沿用的是傳統(tǒng)的PID 控制，從工程實際的運行狀況來看，控制效果都不是十分理想。這主要是因為，常規(guī)的PID 控制器對這種大慣性、大時滯、非線性的系統(tǒng)的適應(yīng)性差、控制精度低，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量而且往往造成能源浪費，難以保證理想的控制效果。因此，尋找一種更優(yōu)的控制方法對于提高控制品質(zhì)、節(jié)約能源具有重要意義。1.4課題的主要任務(wù)及意義本課題中，需要完成的主要任務(wù)包括:（ 1）對換熱器靜、動態(tài)性能進(jìn)行分析。建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；（ 2）建立被控對象換熱器冷流體流量、熱流體溫度控制的控制模型；（ 3）對換熱器過程控制算法進(jìn)

25、行分析，建立流量、溫度控制系統(tǒng)的控制算法；（ 4）設(shè)計糊控制器的框架結(jié)構(gòu)；（ 5）通過MATLAB 中的 SIMULINK 工具構(gòu)建控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)；（ 6）通過SIMULINK 對換熱器溫度控制過程進(jìn)行仿真。通過仿真結(jié)果，分析控制器的性能；（ 7）為了說明所建立的流量、溫度控制控制算法的優(yōu)越性，設(shè)計出不同的控制方案，并給出仿真結(jié)果，進(jìn)行控制效果的比較。課題的設(shè)計意義：（ 1）雖然本文是將模糊控制器應(yīng)用于換熱器控制，而在實際生產(chǎn)中，具有這種特性的對象有很多，所用到的模糊控制算法具有一定的推廣價值。（ 2）因為換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，將模糊控制用于換熱器控制，取得良好的控制效果，

26、間接的減少了能源的浪費，對能源有效利用及開發(fā)有著十分重要意義。9第二章 換熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對我們認(rèn)識和分析該系統(tǒng)的性能有著極大的幫助。本章建立的換熱器出口溫度控制傳遞函數(shù)模型，是用于分析換熱器出口溫度與其他相關(guān)變量之間的關(guān)系。在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了簡化系統(tǒng)動態(tài)模型。該模型結(jié)構(gòu)清晰、計算簡單、靜動態(tài)性能預(yù)測準(zhǔn)確，為下章?lián)Q熱器溫度控制系統(tǒng)分析和控制方案的制定奠定了基礎(chǔ)。2.1 換熱器過程控制系統(tǒng)分析目前換熱器的控制方案通常是以加熱介質(zhì)作為被控制變量構(gòu)成控制系統(tǒng)，對于存在大的負(fù)荷干擾且對控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場合，則多采用加入負(fù)荷干擾的前饋控制。本次換熱器控

27、制系統(tǒng)設(shè)計要用目前比較流行的模糊控制方法取代傳統(tǒng)的PID 控制， 克服PID 控制靜態(tài)和動態(tài)特性不好的缺點。主要任務(wù)有兩個：進(jìn)口水流量的控制；出口水溫的控制。本設(shè)計我們?nèi)匀徊捎脗鹘y(tǒng)的通過控制冷流體流量來控制工藝需要流體的出口溫度的方法。簡單的說，如果出口水溫度比我們期望的溫度值低，就要減少冷流體流量；如果出口水溫度比我們期望的溫度值要高，就要增加冷流體流量。如果出口水溫度正好等于我們期望的溫度值，冷流體流量就可以保持不變。而對于冷流體流量的控制則轉(zhuǎn)化為離心泵轉(zhuǎn)速的控制，換熱器統(tǒng)流程圖2-1 可以看出系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的離心泵、變頻器、等設(shè)備?？刂七^程特點:換熱器出口溫度控制系統(tǒng)

28、是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、 執(zhí)行器、 和被控對象 （出口溫度）組成閉合回路。被調(diào)參數(shù)（換熱器出口溫度）經(jīng)檢測元件測量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得的測量信號c，測量值c 與給定值r 的差值 e 送調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器對偏差信號 e進(jìn)行運算處理后輸出控制作用u。2-1 換熱器系統(tǒng)流程圖2.2 信號的檢測及參數(shù)關(guān)系通過對換熱器的過程控制系統(tǒng)分析，了解到需要檢測的量有溫度和流量，但仿真的時候需要把這些量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電流信號。在這個控制系統(tǒng)的仿真中，還需要知道執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系。2.2.1 流量信號的檢測流量信號的檢測采用渦輪流量傳感器，在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐。當(dāng)流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，

29、對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi)，對一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計算得到通過管道的流體流量。渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的傳感線圈來檢測。當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時，就會引起傳感線圈中的磁通變化。傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值；同時亦將脈沖信號送入頻率電流轉(zhuǎn)換電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)路，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時

30、流量值。流量與脈沖頻率的數(shù)學(xué)關(guān)系為：Q f /L/s(2-1)式中:Q流體的體積流量L/s； f脈沖信號的頻率Hz； 儀表常數(shù)次 /升 。若管道冷流體流量在0-10m3/h 之間，則對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電流信號4-20mA之間的關(guān)系為：y 1.6x 4(2-2)2.2.2 溫度信號的檢測溫度信號檢測采用的是鉑電阻溫度傳感器PT100，電阻溫度系數(shù)為3.9x10-3，0時電阻值為100 ，電阻變化率為0.3851 /。鉑電阻與溫度的關(guān)系:在0 630.74之間: Rt R0(1 At Bt2)1/(2-3)在 -190 O之間: Rt R0(1 At Bt2 C(t 100)t3)1/(2-4)其中 :R

31、t 鉑電阻的電阻值； A， B， C常數(shù):A=3.96847x10-3 1/，B=-5.847 x10-7121/，C=- 4.22x x10-12 1/；R0鉑電阻在O時的電阻值。鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的。當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。若熱流體的出口溫度在0-100之間，則對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電流信號4-20mA 之間的關(guān)系為：y 0. 1 x6 4(2-5)在做仿真時，溫度和流量的反饋通道也可以直接用溫度信號和流量信號進(jìn)行反饋，總之，不管用什么樣的參數(shù)信號，但這些參數(shù)信號必須相互對應(yīng)。2.2.3 執(zhí)

32、行機(jī)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系冷流體流量是換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的控制變量。管路流量值是通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)離心泵出口流量的目的。而電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過變頻器來實現(xiàn)的?？刂破鬏敵龅?-20mA 電流信號送入變頻器的輸入端，變頻器工作根據(jù)輸入電流的變化調(diào)節(jié)輸出頻率從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再通過離心泵達(dá)到控制流量的目的。11變頻器控制交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為(2-6)n=60f/p(1-s)式中:n異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f-異步電動機(jī)的頻率；s-電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p-電動機(jī)極對數(shù)。由式(2-6)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0-50HZ 的范圍內(nèi)變化時

33、，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。設(shè)電機(jī)的頻率在0-50HZ之間變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為零，電動機(jī)極對數(shù)為1。則控制器輸出的4-20mA 電流信號u 轉(zhuǎn)化為對應(yīng)頻率下電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 為：2525375n = 6 0 ( u -)/ p ( 1 -us) =75 0( 2-7)2.3 換熱器特性分析換熱器的特性包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性。2.3.1 換熱器的靜態(tài)特性分析圖 2-2 所示為本文實驗所采用的管式逆流單程的換熱器，其中G1 為熱流體的流量，G2 為冷流體流量。T1i、 T2i 分別為熱流體和冷流體的入口溫度，T1o

34、、 T2o分別為熱流體和冷流體的出口溫度，而c1、 c2分別為熱流體和冷流體的比熱容。G 2 c 2 T 2iG 1c 1T 1oG 2c 2T 2o圖 2-2 逆流-單程換熱器對象的靜態(tài)特性是指在穩(wěn)定條件下對象的輸出變量(通常是被控變量)與輸入變量之2-2 所示的換熱器，其靜態(tài)特性主要是輸入變量T1i、 T2i、G1、T1of(T1i ,T2i ,G1,G2)圖 2-3 換熱器特性G2對輸出變量T1o、 T2o的靜態(tài)關(guān)系，如圖2-3 所示。如果用函數(shù)形式來表示，則為(2-8)對象的靜態(tài)特性就是要確定T1o與T1i、 T2i、 G1、 G2之間的函數(shù)關(guān)系f。靜態(tài)特性的求得， 可以作為控制方案設(shè)

35、計時系統(tǒng)的擾動分析。靜態(tài)放大系數(shù)也能作為系統(tǒng)整定分析，以及控制閥流量特性選擇的依據(jù)。靜態(tài)特性推導(dǎo)的兩個基本方程式熱量平衡關(guān)系式及傳熱速率方程式分別如下(2-9)和 (2-10)所示。熱量平衡關(guān)系式在忽略損失的情況下，冷流體所吸收的熱量，應(yīng)等于熱流體放出的熱量 :qG1c1(T1o T1i )G2c2(T1iT2o)(2-9)式中:q傳熱速率，j/s;G質(zhì)量流量，kg/hc比熱容，j/(kg )T溫度，傳熱速率方程式由傳熱定理可知，熱流體向冷流體的傳熱速率應(yīng)為:q K F T(2-10)式中:K傳熱系數(shù)，kcal/( m2 h)(1cal=4.18J)F傳熱面積，m2T 平均溫差，其中平均溫差T

36、 對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值:(2-11)T(T2iT1o) (T2o T1i ) t1 t2lntt12式中 :t1T2iT1ot2 T2o Ti 123t1 2 或在1/3 3 之間時， 可采用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，其誤差在5%以內(nèi)。t2算術(shù)平均值為:t1t2(T2iT1o)(T2oT1i )(2-12)T利用算術(shù)平均值后，把式(2-12)及式(2-7)代入到式(2-10)中，經(jīng)整理可得T1o1T1iG1c 1111G c1 1(2-13)KF 2G2c2式 (2-13)為逆流、單程列管式換熱器靜態(tài)特性的基本表達(dá)式。其中各通道的靜態(tài)放 大倍數(shù)均可由此式推出。(1) 熱流體入口溫度

37、T1i對出口溫度T1o的影響， 即T1iT1o通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。對式(2-13)進(jìn)行增量化，令T2i 0，則可得:T1o T1iT1iG1c11KF 211G1c1G2c2(2-14)(2-14)可求得T1iT1o通道的靜態(tài)放大倍數(shù)為:T1o1T1iG1c111G1c1KF 2G2c2(2-15)式 (2-15)表明，T1o與T1i之間為線性關(guān)系，其靜態(tài)放大倍數(shù)為小于1 的常數(shù)。(2) 冷流體入口溫度T2i 對熱流體出口溫度T1o的影響，即T2iT1o通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。(2-13)進(jìn)行增量化，令T1i0 ，可得 :T1o1T2iG1c11 1G1c1KF 2G2c2(2-16)式 (2-1

38、6)表明，T1o與T2i之間也為線性關(guān)系。(3) 熱流體流量G1 對其出口溫度T1o的影響，即G1T1o通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。可通過對式(2-13)進(jìn)行求導(dǎo)dT1o ，求取靜態(tài)放大倍數(shù)為dG12-17)dT1oG2c2(T2i T1i )2dG1 2G12c1 G2c211 G2c21 1 KF 2 G1c1(2-17)可見，G2T1o通道的靜態(tài)特性是一個非線性關(guān)系。從式(2-17)很難分清兩者之間的關(guān)系，因此常用圖2-4 來表示這個通道的靜態(tài)關(guān)系。可以看出，當(dāng)G1 c1較大時，曲線呈飽和狀，此時G1 的變化，從靜態(tài)來看，對T1o的影響很微弱了。2-4T1o與G1的靜態(tài)關(guān)系(4) 冷流體流量G2

39、對熱流體出口溫度T1o的影響，即G2T1o通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。同樣可通過對式(2-13)求導(dǎo)，求得dT1o ，其結(jié)果與式(2-17)相似，兩者為一復(fù)雜的非dG2線性關(guān)系。為此，也用圖來表示這個通道的靜態(tài)關(guān)系。圖2-5 表示了這個關(guān)系，可以看出，當(dāng)G2 c2 較大時，曲線呈飽和狀，此時G2的變化，從靜態(tài)來看，對T1o的影響已經(jīng)很小了。2.3.2換熱器的動態(tài)特性換熱器由于兩側(cè)都不發(fā)生相變化，尤其是流速較慢時的液相傳熱，一般均為分布參數(shù)對象。分布參數(shù)對象中的輸出（即被控變量）既是時間的函數(shù)，又是空間的函數(shù)，其變化規(guī)律需用偏微分方程來描述?，F(xiàn)說明圖2-6 所示的列管式換熱器動態(tài)特性的建立方法。2-6

40、管式換熱器分布參數(shù)模型為便于分析，對該管式換熱器作如下假設(shè):間壁的熱容可以忽略;流體 1 和流體2 均為液相，而且是層層流動;傳熱系數(shù)K 和比熱容c，c:為常數(shù);同一截面上的各點溫度相同。建立分布參數(shù)對象的數(shù)學(xué)模型，同樣是從熱量動態(tài)平衡方程入手，但這時必須取一微元來分析問題，并假設(shè)這一微元中各點溫度相同。先分析流體1 的熱量動態(tài)平衡問題。取長度為dz的圓柱體為微元，這一微元的熱量動態(tài)平衡方程可敘述為:(單位時間內(nèi)流體1 帶入微元的熱量)-(單位時間內(nèi)流體1 離開微元所帶走的熱G1c1T1(l,t)G1c1 T1(l,t)T1(l,t)dll量 )+(單位時間內(nèi)流體2傳給流體1 微元的熱量)=流

41、體1 微元內(nèi)蓄熱量的變化率，即KAdl T2(l,t) T1(l,t)M1c1dl T1(l,t)( 2-18)l式中， l =z/L， L 為換熱器的總長度;A內(nèi)管的圓周長; Adl 微元的表面積;M1流體 1 單位長度的流體質(zhì)量; M 1dl 微元的質(zhì)量。消去方程式(2-18)中的dl ,并作適當(dāng)?shù)恼恚?(M1 ) T1(l,t)T1(l,t)(G1tlKAG1c1)T2(l,t)T1(l,t)(2-19)2 的熱量動態(tài)平衡方程式M2) T2(l ,t)G2T (2l,t)( KA )T1(l,t) T2(l,t)lG2c2(2-20)T1(l ,0)T1(l),T2(l ,0)T2(

42、l)T1(0,t) T1i(t),T1(l ,t)T1o(t)(2-21)T2(0,t)T2o(l),T1(l,t)T2i(t)方程式 (2-19)和 (2-20)及其邊界條件(2-21)就是描述圖2-6 所示的管式換熱器動態(tài)行為的動態(tài)方程。要對這樣的動態(tài)方程進(jìn)行精確的解析求解是很困難的。通常為了便于計算機(jī)實時控制和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，可以采用時間、空間離散化方法，將上述連續(xù)偏微分方程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的離散狀態(tài)空間模型。為了能說明傳熱對象的動態(tài)特性的基本規(guī)律，也可近似應(yīng)用一些經(jīng)驗公式來加以描述。對于換熱器的動態(tài)特性，可以用下面的近似關(guān)系式來表示。(1) 熱流體入口溫度T1i，冷流體入口溫度T2i，對

43、熱流體出口溫度T1o的影響，即T1iT1o，T2iT1o的通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為:KG(s)(2-22)Ts 1式中 :K 各通道的靜態(tài)放大倍數(shù)；T=W/G；G 分別為換熱器的容量和冷流體的流量；S拉普拉斯運算子符號。(2) 熱流體流量G1、冷流體流量G2對熱流體出口溫度T1o的影響，即G1T1o、G2T1o通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為:G(s)e(T1s 1)(T2s 1)T2s(2-23)33式中 :K 各通道的靜態(tài)放大倍數(shù)；W1 /G1 W2/G2T12；W1 /G1 W2/G2T2；8W1、 W2、 G1、 G2 分別為熱流體和冷流體的儲存量和流量。2-7 換熱器的傳

44、熱圖由式 (2-23)看出，過程通道的動態(tài)特性均可近似為帶有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，這種近似關(guān)系可以用圖2-7 加以說明。從圖中可看出，要從熱流體把熱量傳遞到冷流體，必須先由熱流體傳給間壁，然后再由間壁傳給冷流體，這樣就成為一個二階慣性環(huán)節(jié)。此外，還考慮了由于停留時間所引起的純滯后。式(2-23)為一個近似的經(jīng)驗表達(dá)式，因為二階環(huán)節(jié)的兩個時間常數(shù)T1、 T2 不僅取決于兩側(cè)流體的停留時間，而且與列管的厚度、材質(zhì)、結(jié)垢等情況有關(guān)，但是，這個式子一定程度上描述了換熱器動態(tài)特性的內(nèi)在性質(zhì)。在換熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，熱流體流量G2 不發(fā)生變化，冷流體和熱流體分別表示冷水和熱水。換熱器熱流體進(jìn)出口溫度差

45、在40附近，冷流體進(jìn)出口溫度差在30左右。假設(shè)熱流體溫度由80降低到40，則根據(jù)以下數(shù)據(jù):水的比熱c1=c2=1kcal/( );80水的密度取971.9 /m3， 40時水的密度為992.2kg/m3;換熱器冷卻面積F=3m2;殼體長度L=1500mm;熱流體流量G1=2m3/h;冷流體流量 G2=7m3/h;根據(jù)式經(jīng)驗公式(2-23)可求得換熱器動態(tài)特性的基本規(guī)律，由式(2-17)可以求出增益K為 :K=5; T1=45.32s; T2=11.85s;故換熱器溫度控制的數(shù)學(xué)模型為:G(s)5537 s257.17 s 111.85 s由上式可以看出系統(tǒng)的滯后時間常數(shù)為11.85s，換熱器出

46、口溫度控制系統(tǒng)是一個慣性和時間滯后均較大的系統(tǒng)。2.4離心泵控制模型在換熱器出口溫度控制過程中，冷流體流量的調(diào)節(jié)效果對控制系統(tǒng)品質(zhì)起到了關(guān)鍵的作用。而冷流體的流量大小是通過調(diào)節(jié)離心泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的。對換熱器冷流體流量控制進(jìn)行討論，以找到對流量控制的先進(jìn)算法對于換熱器溫度控制系統(tǒng)的研究具有重要的意義。以下討論冷流體流量與離心泵轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。2.4.1 系統(tǒng)組成概述如圖 2-8 所示流量控制過程流程圖該系統(tǒng)包括多級離心泵，變頻器，換熱器，渦輪流量傳感器等設(shè)備。離心泵流量控制系統(tǒng)特點:系統(tǒng)是由流量傳感器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、和被控對象 (冷流體流量)組成閉合回路。被調(diào)參數(shù)(冷流體流量值)經(jīng)檢測元件測量

47、并由流量變送器轉(zhuǎn)換處理獲得的測量信號c，測量值c 與給定值r 的差值 e 送調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器對偏差信號e進(jìn)行運算處理后輸出控制作用u。圖 2-8 流量系統(tǒng)流程圖2.4.2 離心泵的動態(tài)特性以離心泵的轉(zhuǎn)速n 為輸入值，管路流量Qc為輸出值。做出流量控制系統(tǒng)簡化原理圖，如下所示:水槽2-9 管路流量過程原理圖2-9，根據(jù)伯努利方程22(2-24)W Z0Pg02vg0ZcPgc2cvgchw其中 :， c 為動能修正系數(shù)，一般在紊流時取=1，層流時取=2； hw是由液體粘性引起的能量損失；W-電機(jī)輸出功；Z-相對于O-O 截面的勢能；P0， Pc 0-O和 C-C截面處的壓強(qiáng)；v0， vc O-0

48、和 C-C 截面處的流速；-流體的密度；g-重力加速度，取為 9.8 m/s2。其中， 0-O 截面處壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，相對位能為零，相對動能為零。設(shè)流體在管路流動屬于紊流狀態(tài)，取a0=a c=1。則伯努利方程可以簡化為:P v2W Zcc vc hwg 2g(2-25)考慮理想情況，流體流經(jīng)管路由于液體粘性引起的能量損失hw 為零，C-C 相對于0-0 截面的位能vc2 和比壓能Pc 很小 , 可以忽略不計，電機(jī)輸出功全部轉(zhuǎn)化為流體動能，2gg則可以推導(dǎo)出:vc2 g W(2-26)Qc 為 C-C 截面處流體流量值，A 為 C-C 截面處管路截面積。則有Qc A vc(2-27)電機(jī)輸出功

49、與離心泵轉(zhuǎn)速f 成正比關(guān)系，現(xiàn)假設(shè)系數(shù)為，則W f(2-28)2-26， 2-27， 2-28可得到 :QcA 2 g f(2-29)換熱器入口流量值與管路截面積(常數(shù))有關(guān)，與離心泵的轉(zhuǎn)速有關(guān)。可以把對管路流量的控制轉(zhuǎn)化為對離心泵轉(zhuǎn)速控制，系統(tǒng)具有一定的非線性。根據(jù)平移定理，型，得到傳遞函數(shù)為根據(jù)以上流量控制系統(tǒng)的原理和特點，可以認(rèn)為該動態(tài)過程符合一階時滯系統(tǒng)模KsG (S) e sTs 1(2-30)利用階躍響應(yīng)曲線，以及工程經(jīng)驗確定模型中的各個參數(shù)。本文限于篇幅選取如下模型進(jìn)行研究:其中:T=0.67s，=-0.058， k=1 。從上式可以看出，/T=0.09，滯后很小，因此流量控制系

50、統(tǒng)是一個時間常數(shù)小，參數(shù)時變，對干擾敏感的控制系統(tǒng)。第三章 換熱器溫度控制系統(tǒng)分析及方案設(shè)計3.1 換熱器溫度控制系統(tǒng)分析對于控制系統(tǒng)的選取，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的控制對象、控制要求，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等諸多因素，選用合適的控制系統(tǒng)。以下將通過對換熱器過程控制系統(tǒng)的特性分析，確定合適的控制系統(tǒng)。換熱器溫度控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖3-1 所示。冷流體和熱流體分別通過換熱器的殼程和管程，通過熱傳導(dǎo)，從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體通過加熱爐溫度被加熱到某一溫度，通過循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。冷流體通過離心泵流經(jīng)換熱器的殼程，與熱流體換熱后流回蓄水池，循環(huán)使用。在換熱器的冷熱流體進(jìn)口處均設(shè)置

51、了一個調(diào)節(jié)閥，可以手動調(diào)節(jié)冷熱流體流量大小。在冷流體出口處設(shè)置了一個電動調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)輸入信號自動調(diào)節(jié)冷流體流量大小。離心泵的轉(zhuǎn)速由變頻器來控制。換熱器過程控制系統(tǒng)執(zhí)行器的選擇考慮到電動調(diào)節(jié)閥控制具有傳遞滯后大，反應(yīng)遲緩等缺點，根據(jù)第三章中所建立的離心泵模型得到通過控制離心泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量具有反應(yīng)靈敏，滯后小的特點，而離心泵轉(zhuǎn)速是通過變頻器調(diào)節(jié)的，因此，本系統(tǒng)中采用變頻器作為執(zhí)行器。3-1 換熱器溫度控制工藝流程圖內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）在換熱器溫度控制系統(tǒng)中引起換熱器出口溫度變化的擾動因素很多，簡要概括起來主要有 :(1) 熱流體的流量和溫度的擾動。熱流體的流量主要受到換熱器

52、入口閥門的開度和循環(huán)泵壓頭的影響。熱流體的溫度主要受到加熱爐加熱溫度和管路散熱的影響。(2) 冷流體的流量和溫度的擾動。冷流體的流量主要受到離心泵的壓頭、轉(zhuǎn)速、閥門的開度等因素的影響。冷流體的溫度與大氣溫度和換熱器回流水的流量等因素有關(guān)。(3) 加熱爐的啟停機(jī)的影響。(4) 室內(nèi)溫度、管路內(nèi)的氣體變化和閥門開度的影響。通過以上分析，若首先考慮采用單回路控制系統(tǒng)(方框圖如圖3-2 所示) 。干擾 F圖 3-2 單回路控制系統(tǒng)原理圖從圖中可以看出，從冷流體管路閥門或離心泵轉(zhuǎn)速變化到熱流體出口溫度改變，這中間要相繼通過冷流體流量變化，換熱器熱交換速率變化，熱流體出口溫度變化等一系列過程，因此整個控制

53、通道的容量滯后大、時間常數(shù)大、這就會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制作用不及時、最大偏差大、過渡時間長、抗干擾能力差、控制精度降低。而工藝上對出口溫度的要求比較嚴(yán)格，一般希望波動范圍不超過士(l%-2%)。根據(jù)大量的工程實踐經(jīng)驗和實驗的結(jié)果證明，采用圖3-2 所示的簡單控制系統(tǒng)是達(dá)不到這個要求的，必須尋求其它的控制方案。分析各種影響換熱器出口溫度的因素，除了熱流體流量和溫度外，冷流體的流量、閥門開度等因素和進(jìn)入系統(tǒng)的位置，首先影響冷流體的流量，而后經(jīng)過換熱器從而影響熱流體出口的溫度。如果以冷流體流量為被控變量，輸送冷流體的離心泵轉(zhuǎn)速為操縱變量， 構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)，則該系統(tǒng)控制通道的容量滯后大大減少，對來自離心泵轉(zhuǎn)速、閥門開度變化等干擾能夠及時克服，減少他們對于熱流體出口溫度的影響。但是很顯然，熱流體的流量和溫度的變化沒有包含在內(nèi)，同時系統(tǒng)也沒有對熱流體出口溫度構(gòu)成閉環(huán)控制，因此，仍然