換熱器出口溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書學(xué)生姓名：馬沖學(xué) 號(hào)： 1002034306學(xué) 院：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院專業(yè)：過程裝備與控制工程題目 換熱器出口溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：咼強(qiáng)職稱：副教授陸輝山職稱：副教授2013年12月30日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2013/2014 學(xué)年第 1 學(xué)期學(xué)院：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院專業(yè)：過程裝備與控制工程學(xué)生 姓名： 馬沖學(xué) 號(hào)： 1002034306課程設(shè)計(jì)題目：換熱器出口溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)起迄 日期：2013年12月30日2014年1月10日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：中北大學(xué)扌旨導(dǎo)教師：高強(qiáng) 陸輝山系 主 任：黃晉英下達(dá)任務(wù)書日期：201

2、3年12月30日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1. 設(shè)計(jì)目的：（1） 培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用過程檢測儀表與控制技術(shù)及其他相關(guān)課程的知識(shí)，結(jié)合畢業(yè)實(shí)習(xí) 中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí)，獨(dú)立地分析和解決實(shí)際過程控制的問題，初步具備設(shè)計(jì)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的能力。（2）運(yùn)用工程的方法，通過一個(gè)簡單課題的設(shè)計(jì)練習(xí)，可使學(xué)生初步體驗(yàn)過程控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法。（3）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造力； 綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程技 術(shù)問題的能力；（4）培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊(cè)和各種工具書的能力；（5）培養(yǎng)編寫技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參

3、數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：經(jīng)過過程檢測儀表與控制課程的學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)后，對(duì)現(xiàn)場的實(shí)際過程控制策 略、實(shí)際環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)有了一定的認(rèn)識(shí)和了解。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的被控 對(duì)象（控制裝置），獨(dú)立完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，達(dá)到較好的控 制效果。1. 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，給出控制流程圖；2. 現(xiàn)場儀表選型，編制有關(guān)儀表信息的設(shè)計(jì)文件；3. 給出控制系統(tǒng)方框圖；4. 分析被控對(duì)象特性，選擇控制算法；5. 進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；6. 寫出設(shè)計(jì)工作小結(jié)。對(duì)在完成以上設(shè)計(jì)過程所進(jìn)行的有關(guān)步驟：如設(shè)計(jì) 思想、指標(biāo)論證、方案確定、參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、

4、原理分析等作出說明，并 對(duì)所完成的設(shè)計(jì)作出評(píng)價(jià)，對(duì)自己整個(gè)設(shè)計(jì)工作中經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，總結(jié)收獲。中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書3. 設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書（論文）、圖紙、實(shí)物樣品等：1. 確定系統(tǒng)整體控制方案、儀表選型、系統(tǒng)控制流程圖、選擇控制算法。2. 撰寫課程設(shè)計(jì)說明書一份（A4紙）。4. 主要參考文獻(xiàn):1過程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用王毅 主編 化學(xué)工業(yè)出版社2過程自動(dòng)化及儀表俞金壽主編化學(xué)工業(yè)出版社3工業(yè)過程控制工程王樹青主編化學(xué)工業(yè)出版社4控制儀表及裝置吳勤勤主編化學(xué)工業(yè)出版社過程控制儀表徐春山主編冶金工業(yè)出版社過程裝備成套技術(shù)設(shè)計(jì)指南工程黃振仁主編化學(xué)工業(yè)出版社7過程控制裝置張

5、永德主編化學(xué)工業(yè)出版社8化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)匡國柱主編化學(xué)工業(yè)出版社9化工設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下）朱有庭主編化學(xué)工業(yè)出版社10工業(yè)過程檢測與控制孟華主編化學(xué)工業(yè)出版社中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書5. 設(shè)計(jì)成果形式及要求：提供課程設(shè)計(jì)說明書一份，要求內(nèi)容與設(shè)計(jì)過程相符，且格式要符合規(guī)定要求;系統(tǒng)控制流程圖一份；6. 工作計(jì)劃及進(jìn)度：2013年12月30日-2014年1月2日 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成 方式，畫出控制流程圖，完成儀表選型，接線圖；2014年1月3日-1月6日 控制系統(tǒng)方框圖，分析被控對(duì)象特性，選擇控制算法；1月7日-1月8日進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；1月

6、8日-1月9日 編寫課程設(shè)計(jì)說明書1月10日答辯學(xué)科管理部審查意見:簽字：年 月 日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄一換熱器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 11.1換熱器的簡介及分類 11.2換熱器的控制方法 1二控制方案的選擇 32.1傳遞函數(shù)的確定及被控對(duì)象的特性分析 32.1.1 被控對(duì)象靜態(tài)特性分析 42.1.2 被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分析 6三儀表的選型及參數(shù)的確定 113.1流量測量儀 113.2調(diào)節(jié)器 123.3調(diào)節(jié)閥 13四控制系統(tǒng)的仿真 144.1各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個(gè)參數(shù)的確定 14五課程設(shè)計(jì)總結(jié) 18六.主要參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤！未定義書簽。中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書一. 換熱器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1

7、換熱器的簡介及分類換熱器是一種用來進(jìn)行熱量交換的工藝設(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(shí)避免生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)，以節(jié)約能源。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。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在熱量交換中常有一些 腐蝕性、氧化性很強(qiáng)的物料，因此，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。換熱器的分 類比較廣泛：反應(yīng)釜 壓力容器 冷凝器 反應(yīng)鍋螺旋板式換熱器 波紋管換熱器 列管換熱器 板式換熱器螺旋板換熱器管殼式換熱器 容積式換熱器浮頭式換熱器 管式換

8、熱器熱管換 熱器汽水換熱器 換熱機(jī)組石墨換熱器 空氣換熱器 鈦換熱器 換熱設(shè)備，要求制造換熱器 的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鉭、 鋯等金屬材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導(dǎo)熱差等缺 點(diǎn)，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價(jià)格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質(zhì)， 并產(chǎn)生晶間腐蝕。如圖111】1.2換熱器的控制方法換熱器是傳熱設(shè)備中較為簡單的一種，也是最常見的一種。通常它兩側(cè)的介質(zhì)（工藝介質(zhì)和載熱體）在換熱過程中均無相變。換熱器換熱的目的是保證工藝介質(zhì)加熱（或冷卻）到一定溫中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書度。為保證出口溫度平穩(wěn)，滿

9、足工藝要求，必須對(duì)傳遞的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)熱量有以下幾 種方式。1）控制載熱體流量這個(gè)方案的控制流程如圖2。其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分析。圖2換熱器控制流程圖由于冷流體的傳熱符合熱量平衡方程式【2】工程熱力學(xué),熱力平衡部分，又符合傳熱速率方程式，通過對(duì)換熱器靜態(tài)特性分析部分的內(nèi)容，因此有下列關(guān)系(1-19)G2QT2°-T2i =KF：T整理后得KF TG2C2(1-20)當(dāng)從上式可看出，在傳熱面積F、冷流體進(jìn)口流量 G2、溫度T2i和比熱容C2一定的情況下，影響冷流體出口溫度 T2O的因素主要為傳熱系數(shù)K及平均溫差厶T?？刂戚d流體流量 實(shí)質(zhì)上是改變汀。若由于某種

10、原因使T2。降低，控制器TC將使控制閥門增大，載熱體流 量 G增加，傳遞的熱量增加，這就必然導(dǎo)致冷熱流體平均溫差.訂升高，從而使工藝介質(zhì) 的出口溫度T20增加。載熱體流量G1增加，一方面使溫差 T增加，另一方面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)數(shù) K也會(huì)增 加，但在通常情況下傳熱系統(tǒng)數(shù) K變化不大，所以經(jīng)常忽略。因此這種方案實(shí)質(zhì)上是通過改 變.訂來控制工藝介質(zhì)的出口溫度的。改變載熱體流量是應(yīng)用最為普遍的控制方案，多適用于載熱體流量G的變化對(duì)溫度影響較靈敏的場合。當(dāng)載熱體流量已經(jīng)變得很大， -T"較小時(shí)，進(jìn)入飽和區(qū)控制就很遲迍，此中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書時(shí)不宜采用此方案。2）控制載熱體旁路流量【4】流量控制當(dāng)載熱

11、體本身也是一種工藝物料，其流量不允許變化時(shí)，可采用此控制方幾-Ti。案。它的控制原理也是利用改變溫差 T的手段來達(dá)到溫度控制的目的。這里采用三通控制閥來改變 進(jìn)入換熱器的載熱體流量與旁路流量的比例，這樣既可以改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量，又 能保證載熱體總流量不受影響。3）工藝介質(zhì)的旁路控制當(dāng)工藝介質(zhì)的流量允許變化，而且換熱器的傳熱面有富余時(shí)，可將工藝介質(zhì)的一部分經(jīng) 換熱器，其余部分由旁路直接流到出口處，然后 將兩者混合起來控制溫度。該控制方案中 被控變量是冷流體和熱流體混合后的溫度，熱流 體溫度大于設(shè)定溫度，冷流體溫度小于設(shè) 定溫度，通過控制冷熱流體流量的配比，使混合后的溫度等于設(shè)定溫度。從控

12、制原理上來 看，這種方案實(shí)際上是一個(gè)混合過程。所以反應(yīng) 及時(shí)，過程的滯后并不直接顯示出來，適 用于停留時(shí)間較長的換熱器。但需注意的是換熱 器必須有較大余量的傳熱面積，且載熱體 一直處于最大流量，因此在通過換熱器的被加熱 介質(zhì)流量較小時(shí)就不太經(jīng)濟(jì)?？紤]經(jīng)濟(jì)性， 旁路的流量通常占總流量的10%30%4）控制傳熱面積從傳熱速率方程q=KFUT來看，使傳熱系數(shù) K和傳熱平均溫差.T基本保持不變，調(diào) 節(jié)傳熱面積F可能改變傳熱量，從而達(dá)到控制出口溫度的目的。此時(shí)調(diào)節(jié)閥裝在冷凝液的排出 管線上。如果被加熱物料出口溫度高于給定值，說明傳熱量過大，可將冷凝液控制閥關(guān)小，冷凝液就會(huì)積累起來，減少了有效的蒸汽冷凝面

13、積，從而使傳熱量減少，工藝介質(zhì)出口溫度就會(huì)降低。反之，如果被加熱物料出口溫度低于給定值，可將冷凝液控制閥開大，增大傳熱面積，使傳熱量相應(yīng)增加。二. 控制方案的選擇2.1傳遞函數(shù)的確定及被控對(duì)象特性分析在本文中，以列管式逆流單程換熱器進(jìn)行分析，令Gi為熱流體的流量，G2為冷流體流量。Tii分別為熱流體和冷流體的入口溫度， 分別為熱流體和冷流體的出口溫度， 而Ci、C2分別為熱中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書被控對(duì)象靜態(tài)特性分析對(duì)象的靜態(tài)特性就是要確定£。與Tri、T2i、G、G2之間的函數(shù)關(guān)系。靜態(tài)特性的求得，可以 作為控制方案設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的擾動(dòng)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

14、 量特性選擇的依據(jù)。靜態(tài)特性推導(dǎo)的兩個(gè)基本方程式一熱量平衡關(guān)系式及傳熱速率方程式為 了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，則熱流體失去的熱量應(yīng)該等于冷流體吸收的熱量， 熱量平衡方程為(1-1)q = GiG T1i _T2o= G2c2 T2o -T 2i式中，q為傳熱速率（單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量）；G為質(zhì)量流量；c為比熱容；T為溫度式中的下標(biāo)處1為載熱體；2為冷流體；i為入口； o為出口另外，傳熱過程中的 傳熱速率7為(1-2)式中，K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積； T為兩流體間的平均溫差其中平均溫差訂對(duì)于逆流、單程的情況為對(duì)數(shù)平均值(T1i -0)- (T20 -T2i )TlLTg兀0 -迅乓

15、(1-3)(1-4)(1-5)在r3，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算數(shù)平均值來代替。算術(shù)平均值為:何二(T2i -T10 片仃20-% )= 2對(duì)上述公式進(jìn)行整理后得到:T1o二 T2i -屯 GiG + 1KF 2 i G2q 丿上式為逆流、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：中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（I）熱流體入口溫度Tii對(duì)出口溫度Tio的影響，即厶Ti汀1。通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行增量化，令.-：T2i =0，貝U可得：斫。心入_1-% 堅(jiān)+丄：+圭KF 2 i G2C2 丿由式可求得厶“。通道的靜態(tài)放大倍數(shù)為：訂10 =1 1TiiGg +

16、1 Gg "kF 2 GC；j（1-6）（1-7）該式表明，汀和與.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(duì)熱流體出口溫度T10的影響，即.-：T2 芒T）。通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。同樣對(duì)式（1-5 ）進(jìn)行增量化，令:'T =0,可得:% _ 1TiiGg +1 1 + GgKF 氛麗（1-8 ）式表明，."：T1i與厶£。之間也為線性關(guān)系。(1-8)（3）熱流體流量G對(duì)其出口溫度T10的影響，即.G；二。通道的靜態(tài)放大倍數(shù),通過對(duì)式（1-5 ）進(jìn)行求導(dǎo)強(qiáng)，求取靜態(tài)放大倍數(shù)為dT1odG1G2C2 T2i -T1i(1-9)由上

17、式（1-9）可見，.G-；二To通道的靜態(tài)特性是一個(gè)非線性關(guān)系。從上式很難分清兩者之間的關(guān)系，因此，常用下圖來表示這個(gè)通道的靜態(tài)關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)G1C1較大時(shí)，曲線呈飽和狀，此時(shí)G的變化，從靜態(tài)來看，對(duì)T1o的影響微弱了中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書冷流體流量G2對(duì)熱流體出口溫度Tio的影響，即：G厶Tio通道的靜態(tài)放大倍數(shù)。同樣可通過對(duì)式（1-5）求導(dǎo) 匝，其結(jié)果與式（1-9）相似，兩者為一復(fù)雜的非線性關(guān)系。為此，也用圖 dGi來表示這個(gè)通道的靜態(tài)關(guān)系。圖2表示了這個(gè)關(guān)系，可以看出，當(dāng)G2C2較大時(shí)，曲線呈飽和狀,此時(shí)G2的變化，從靜態(tài)來看，對(duì)To的影響已經(jīng)很小了。圖4Tio與G2的靜態(tài)關(guān)系被控對(duì)

18、象動(dòng)態(tài)特性分析【3】換熱器由于兩側(cè)都不發(fā)生相變化，一般均為分布參數(shù)對(duì)象。分布參數(shù)對(duì)象中輸出（即被控變量）既是時(shí)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)說明列管式換 熱器動(dòng)態(tài)特性的建立方法。為便于分析，對(duì)該管式換熱器作如下假設(shè)1、間壁的熱容可以忽略；中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書2、流體1和流體2均為液相，而且是層層流動(dòng)；3、傳熱系數(shù)K和比熱容c為常數(shù)；4、同一截面上的各點(diǎn)溫度相同。建立分布參數(shù)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，同樣是從熱量動(dòng)態(tài)平衡方程入手，但這時(shí)必須取微元來分 析問題，并假設(shè)這一微元中各點(diǎn)溫度相同。 先分析流體1的熱量動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡

19、方程可敘述為：（單位時(shí)間內(nèi)流體1帶入微元的熱量） 一（單位時(shí)間內(nèi)流體1離開微元所帶走的熱量）+（單位時(shí)間內(nèi)流體2傳給流體1微元的熱量）=流 體1微元內(nèi)蓄熱量的變化率，即Gc祐（l,t ）Gq p；（l,t ）+刊!）d+ KAdlT2（l,t）Tj（l,t【7】（1-10）式中Mdl，l為換熱器的總長度；A內(nèi)管的圓周長；Adi 微兀的表面積；M1 流體1單位長度的流體質(zhì)量M1dl 微元體的質(zhì)量消去方程式中的dl，并適當(dāng)?shù)恼?，?可（l，t ）十T2 l,t -汀1 l,t（1-11 ）同理，可得流體的熱量動(dòng)態(tài)平衡方程式*M2押2（點(diǎn)）lG2厲KA _-E（l,t）兀（l,t） <G2C

20、2 丿（1-12）時(shí)間和空間的邊界表達(dá)式為：rT1（l,0）=T1（l）,T2（l,0） = T2（l ）（1-13）T 0,t 二 t ,T 1,t 二 T“ tT2 0,t 二T20 t ,T2 1,t 二Tg t上述兩個(gè)方程式（1-11 ）和（1-12 ）及其邊界條件（1-13）就是描述列管式換熱器行為的動(dòng)態(tài)方程。要對(duì)這樣的動(dòng)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(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制 和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，可以采用時(shí)間、空間離散化的方法，將上述連續(xù)偏微分方程轉(zhuǎn)換成相中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)的離散狀態(tài)空間模型。為了能說明傳熱對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的基本規(guī)律，也可近似應(yīng)用一些經(jīng)驗(yàn)公式來描述。對(duì)于

21、 換熱器的動(dòng)態(tài)特性，可以用下面的近似關(guān)系式來表示。（I）熱流體入口溫度Tii，冷流體入口溫度T2i對(duì)熱流體出口溫度Tio的影響，即幾.:Tio，T2i二Tio的通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為：KG s （1-14）Ts + 1式中：K各通道的靜態(tài)放大倍數(shù)；T 二W/GW、G 分別為換熱器的容量和冷流體的流量；s拉普拉斯運(yùn)算子符號(hào)。 熱流體流量Gi、冷流體流量G2對(duì)熱流體出口溫度Tio的影響，即Gi > Th G2 > Tio通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為：(i-i5)(i-i6)(1-17)Ke"式中:K 各通道的靜態(tài)放大倍數(shù);W/G w2/g22wg w2/g2

22、8Tis i T2S iW、W2、Gi、G2 分別為熱流體和冷流體的儲(chǔ)存量和流量由式（1-15）看出，過程通道的動(dòng)態(tài)特性均可近似為帶有純滯后的二階慣性環(huán)種近似關(guān)系可以 這樣理解，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，這樣就成為二階慣性環(huán)節(jié)。此外，還考慮了由于停留時(shí)間所引起的純滯后。式（1-15）為一個(gè)近似的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，因?yàn)槎A環(huán)節(jié)的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不不僅取決于兩側(cè)流留時(shí)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(gè)式子一定程度上描述了換熱器動(dòng)態(tài)特性的內(nèi) 在性質(zhì)。在熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，熱流體流量 G2不發(fā)生變化，冷流體和熱流體表示冷水和熱水。換

23、熱器熱流體進(jìn)出口溫度差在 40乜附近，冷流體進(jìn)出口溫差在30C左右。假設(shè)熱流體溫中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書度由80C降低到40C，則根據(jù)以下數(shù)據(jù)：水的比熱 g =c2 =1kcal/ kg.；C水的密度取971.9 kg/m3, 40C時(shí)水的密度為992.2 kg/m3；換熱器冷卻面積F =3m2殼體長度L=1500mm;熱流體流量G=2m3/h ;冷流體流量G2=7m3/h;根據(jù)式經(jīng)驗(yàn)公式（1-15）可求得換熱器動(dòng)態(tài)特性的基本規(guī)律，由式（1-9 ）求出增益K為:K = 2;T| = 45.32s;T2 = 11.85s;故換熱器溫度控制的數(shù)學(xué)模型為2537 s257.17s 1e J1.85s(

24、1-18)由上式可以看出系統(tǒng)的滯后時(shí)間常數(shù)為11.85s，換熱器出口溫度控制系統(tǒng)是慣性和時(shí)間 滯后均較大的系統(tǒng)通過對(duì)被控對(duì)象特性的研究以及對(duì)現(xiàn)有的常用的控制方法的分析【5，,現(xiàn)擬采用比值控制對(duì)換熱器的出口溫度進(jìn)行控制。由熱平衡公式（1-1 ）可知，當(dāng)冷熱流體的流量成一定的比值 關(guān)系時(shí)便可以保證按照兩流體出口溫度的變化量成一定比值關(guān)系，同時(shí)假定冷熱流體入口處 溫度T1i、T2i都保持恒定，則此時(shí)，冷熱流體的溫度T1o、T2o便同時(shí)可以保持恒定。即有(2-1 )G<| _ c2 T2o _T 2iG2ci T1i _T1o從而達(dá)到換熱器冷熱流體的溫度同時(shí)得到控制的目的。比值控制系統(tǒng)的屬于復(fù)雜

25、控制系統(tǒng)，在比值控制系統(tǒng)中，具體又分為定比值控制系統(tǒng)與 變比值控制系統(tǒng)。其中，定比值控制系統(tǒng)又可分為開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)控制系統(tǒng)與雙 閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)中從動(dòng)量無抗擾動(dòng)能力 【3，,只能適用于比較平穩(wěn)且系統(tǒng)對(duì)比值關(guān)系要 求不高的場合。實(shí)際生產(chǎn)過程中的從動(dòng)量變化是不可避免的，因此在實(shí)際系統(tǒng)中很少采用開 環(huán)比值控制系統(tǒng)。單閉環(huán)控制系統(tǒng)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是能確保流量比值比較精確。其特點(diǎn)是：從動(dòng)量是一個(gè)中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書閉環(huán)隨動(dòng)控制，主動(dòng)量是開環(huán)的，結(jié)構(gòu)比較簡單。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。 但由于主流量可變，所以進(jìn)入系統(tǒng)的總流量是不固定的。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)通過主動(dòng)量控制回路

26、來克服主動(dòng)量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)量的定值控制;通過從動(dòng)量控制回路克服作用于從動(dòng)量回路中的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制。當(dāng)擾動(dòng)消除后，主、 從動(dòng)量都恢復(fù)到原設(shè)定值上，比值不變。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主動(dòng)量的抗擾動(dòng)控制和定值控 制，兩個(gè)閉合回路可以克服各自的外界干擾，使主、從動(dòng)量均比較穩(wěn)定，從而使總物料量也 比較平穩(wěn)，系統(tǒng)的運(yùn)行比較平穩(wěn)。它的另一方面的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整負(fù)荷比較方便，只需緩慢改變主動(dòng)量控制回路的給定值?！?】通過以上分析，考慮到生產(chǎn)過程中換熱器的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境， 主動(dòng)量的變化波動(dòng)不是很大, 并且對(duì)最后的總流量沒有像反應(yīng)器一樣要求嚴(yán)格，不允許變動(dòng)，另外，考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用 儀表多

27、少、設(shè)備的投資等因素，最終確定控制方案為單閉環(huán)比值控制。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 方框圖為：圖5單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖圖中，F(xiàn)C為流量控制器，GV為調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)，Gpi為流量對(duì)象傳遞函數(shù)，Glmi Glm2 為流量檢測變換傳遞函數(shù)，Gi為主回路干擾傳遞函數(shù)。其控制流程圖為：10中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書工藝介質(zhì)圖6控制系統(tǒng)流程圖三. 儀表的選型及參數(shù)的確定3.1流量測量儀選用SKLUC型插入式渦街流量計(jì)，如圖所示:圖7插入式渦街流量計(jì)11工作原理:按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織£07145（在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測定一在截面一點(diǎn)的速度 測量法），采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭，插入大口徑工業(yè)管道

28、內(nèi)，將卡門旋渦頻率轉(zhuǎn)換 為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號(hào)或 420mAD（電流信號(hào)。技術(shù)參數(shù)：中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書表1流量計(jì)技術(shù)參數(shù)公稱通經(jīng)（mr）2501500儀表材質(zhì)1Cr18Ni 9Ti公稱壓力（MpaPN1.6Mpa； PN2.5Mpa被測介質(zhì)溫度（C）40+250C環(huán)境條件溫度10+55C,相對(duì)濕度5%90%,大氣壓力86106Kpa精度等級(jí)示值的土 2.5%量程比1:10 ; 1:15阻力損失系數(shù)Cd<2.6輸出信號(hào)傳感器：脈沖頻率信號(hào) 0.1 3000Hz 低電平w 1V高電平6V變送器：兩線制4 20mADC電流信號(hào)3.2調(diào)節(jié)器選擇S3808/900系列智能PID調(diào)節(jié)

29、儀曰匚日1139圖7 SK 808/900系列智能PID調(diào)節(jié)儀智能PID調(diào)節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量，并配合各種執(zhí)行器對(duì)電加熱設(shè)備和電磁、電力、氣動(dòng)閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制、報(bào)警控制、數(shù)據(jù)采集等。12中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書3.3調(diào)節(jié)閥選擇KVQJ系列電動(dòng)單座、套筒調(diào)節(jié)閥。圖8調(diào)節(jié)閥KVQJ系列電動(dòng)單座、套筒調(diào)節(jié)閥，接受調(diào)節(jié)儀表來的直流電流信號(hào)，改變被調(diào)介質(zhì)流量, 使被控工藝參數(shù)保持在給定值。廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、石油、輕紡、制藥、造紙等 工業(yè)部門的生產(chǎn)自動(dòng)化控制。本系列產(chǎn)品公稱通徑由20至200mm公稱壓力有1.0、1.6、4.0、6

30、.4MPa,使用溫度范圍由-40 C 450C，接受信號(hào)為010mA.DC或 420mA.DC流量特性為線性或等百分比。配用不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為普通型和電子型兩種。表2調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)公稱通徑DN(mm)20253240506580（閥座直徑dn）11120250額定流直級(jí)12461117.627.54469110量系數(shù).8.8.4.9等百12461016254063100分比.6.5.3額定行程（mm）162540公稱壓力pn( MPa1.0 1.64.06.4固有流量特性直線等百分比13中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書固有可調(diào)比50工作溫度t （C）-20200 -40250 -40450 -6045

31、0信號(hào)范圍（mA.DC010 420作用方式電關(guān)式 電開式使用環(huán)境溫度（C）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：-2070 C伺服放大器：050 C使用環(huán)境條件電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：W 95%伺服放大器：W 85%電源電壓220V 50Hz 380V 50Hz 24AC/DC四. 控制系統(tǒng)的仿真4.1各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個(gè)參數(shù)的確定冷、熱流體流量測量儀表插入式渦街流量計(jì)為線性單元，動(dòng)態(tài)滯后可忽略，用一階環(huán)節(jié)來近似:Glm (s)二Kqmts 1(4-1)通過查找相關(guān)資料，這里假設(shè)渦街流量計(jì)的Ti = 2， Kqm - 1對(duì)于調(diào)節(jié)閥，由于其流量特性為直線和等百分比。對(duì)于調(diào)節(jié)閥控制流量對(duì)象，控制通道的動(dòng)態(tài)特性為:Gp2(s)K2T

32、2s 1Gdi(s)二 J(4-2)(4-3)這里假設(shè) K2 =1，T2 =0.5，Kd2 =1，對(duì)于換熱器的結(jié)構(gòu)及一般熱力學(xué)關(guān)系，流量控制通道的傳遞函數(shù)近似為Gp亠e-sTs 1(4-4)在本設(shè)計(jì)中討論的列管式換熱器中，假定K =1, Ts=3 , 3在MATLAB的Simulink工具箱組件中進(jìn)行系統(tǒng)的仿真 ，所搭建的系統(tǒng)模型如下圖9所示。由于是采用比值對(duì)流量進(jìn)行控制，所以選擇控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律為PID調(diào)節(jié)。根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)工程整定的相關(guān)內(nèi)容，應(yīng)用臨界比例度法先通過對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的使用，最終14中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書使控制系統(tǒng)的一些性能指標(biāo)都相對(duì)較好。Constan:TiflnsfefFcnBSx>pe12s+1T嵋咖Fm2537+57.17&am