換熱器溫度前饋控制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目錄TOC o 1-3 h u 換熱器溫度前饋控制1引言換熱器作為工藝過(guò)程中必不可少的單元設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、動(dòng)力、輕工、機(jī)械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中換熱器投資約占裝置建設(shè)總投資的 30%40%；在合成氨廠中，換熱器約占全部設(shè)備總臺(tái)數(shù)40%。由此可見(jiàn)，換熱器對(duì)整個(gè)企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響?；どa(chǎn)中所指的換熱器，常指間壁式換熱器，它利用金屬壁將冷、熱兩種流體間隔開(kāi)，熱流體將熱傳到避面的一側(cè)（對(duì)流傳熱），通過(guò)間壁

2、內(nèi)的熱傳導(dǎo)，再由間壁的另一側(cè)將熱傳遞給冷流體，從而使熱物流被冷卻，冷物流被加熱，滿足化工生產(chǎn)中對(duì)冷物流或熱物流溫度的控制要求。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（冷卻）介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段,以被加熱（冷卻）工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng),對(duì)于存在大的負(fù)荷干擾且對(duì)于控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)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).本文就通過(guò)對(duì)干擾的分析，重點(diǎn)闡述前饋對(duì)于干擾的控制作用。2 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案分析 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本文以用蒸汽液化給工藝介質(zhì)加熱為代表介紹換熱器溫度控制系統(tǒng)，針對(duì)工藝介質(zhì)出口溫度的主要干擾進(jìn)行分析，并對(duì)擾動(dòng)實(shí)施前饋控制以達(dá)到擾

3、動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹＞唧w要求為：擾動(dòng)分析，擾動(dòng)補(bǔ)償中的變送器選擇、執(zhí)行器選擇、控制器控制方案選擇和參數(shù)整定并進(jìn)行系統(tǒng)仿真。充分利用前饋控制的在擾動(dòng)對(duì)控制過(guò)程影響之前就加以抑制的特點(diǎn)達(dá)到控制溫度要求，避免較大超調(diào)的要求。2.2 方案分析前饋控制的特點(diǎn)是擾動(dòng)補(bǔ)償。在擾動(dòng)還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動(dòng)的影響。這就是前饋控制的思想。對(duì)于換熱器控制系統(tǒng)為什么采用前饋控制策略而不采用單回路的反饋控制方案呢？這要從換熱器溫控系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)看。換熱器溫度控制系統(tǒng)是個(gè)大慣性、時(shí)間滯后、非線性的系統(tǒng)。如果采用簡(jiǎn)單的反饋回路控制，滯后和超調(diào)會(huì)比較大，不能適應(yīng)工程的需要。而前饋可以比較好地解決

4、這個(gè)問(wèn)題。 換熱器溫控系統(tǒng)中存在著經(jīng)常變動(dòng)、可測(cè)而不可控的擾動(dòng)，反饋控制難以克服擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，這時(shí)可引入前饋控制以改善控制品質(zhì)。在蒸汽加熱器系統(tǒng)中，如果對(duì)工藝介質(zhì)流量波動(dòng)要求較高，采用前饋控制方案也可以很好地解決問(wèn)題。下圖就是當(dāng)蒸汽加熱溫控系統(tǒng)的前饋控制策略。只要控制器參數(shù)整定合適就可以降低乃至避免該擾動(dòng)對(duì)被控液體出口溫度的影響。圖2-1 蒸汽加熱器前饋控制系統(tǒng)原理圖3 建模分析3.1 換熱器的靜態(tài)特性分析 在工業(yè)生產(chǎn)中,生產(chǎn)負(fù)荷常常是在一定范圍內(nèi)不斷變化的,由此決定了傳熱設(shè)備的運(yùn)行工況必須不斷調(diào)節(jié)以與生產(chǎn)負(fù)荷變化相適應(yīng).假定換熱過(guò)程中的熱損失可忽略不計(jì),則有:1)熱平衡方程式 （3-1

5、） 式中,表示冷、熱流體的重量流量,kg/h;表示冷、熱流體在進(jìn)出口溫度范圍的平均比熱,kJ/(kg);表示冷、熱流體進(jìn)入換熱器的溫度,;表示冷、熱流體出換熱器的溫度,。傳熱速率方程式 （3-2）式中，q表示熱量傳遞速率，U表示傳熱系數(shù)，表示傳熱面積，表示平均溫差，如果只是為了表示變量之間的關(guān)系，用算術(shù)平均值就足夠精確了。即： （3-3）由（3-1）、（3-2）、（3-3）可以整理得到：3）靜態(tài)特性基本方程式 （3-4） 由此可以求得有關(guān)通道的靜態(tài)放大系數(shù)。3.2 換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)設(shè)換熱器的輸出變量是冷流體的出口溫度，而輸入變量是：載熱體流量，入口溫度，冷流體流量，入口溫度。下面通過(guò)式（3

6、-4）求得這四條通道的靜態(tài)放大系數(shù)。1） （3-5）這條通道基本是線性的，放大系數(shù)總是小于1，即出口溫度的變化小于入口溫度變化。 （3-6）這條通道也基本是線性的。 （3-7）這條通道時(shí)非線性的，且比較復(fù)雜。在小時(shí)，變化較顯著，即放大系數(shù)較大；而較大時(shí)，變化緩慢，且會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。 （3-8）這條通道是非線性的，小時(shí)，變化顯著；而較大時(shí)，變化緩慢且出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。3.3 被控過(guò)程分析換熱器的輸出變量即被控變量是出口介質(zhì)的溫度。一般來(lái)說(shuō)、都是不可控的，它們是擾動(dòng)的，故而選取載熱體流量作為操縱變量。而將其他變量作為擾動(dòng)量。由上靜態(tài)特性放大系數(shù)可以看出，調(diào)節(jié)通道呈現(xiàn)非線性且比較嚴(yán)重。這點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)

7、閥的選擇作出一定的緩解，當(dāng)然也可以選擇改進(jìn)的控制方案。4 前饋控制器的設(shè)計(jì)4.1 前饋控制通用模型分析前饋控制的基本概念是測(cè)取進(jìn)入過(guò)程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使受控變量維持在設(shè)定值上。物料出口溫度需要維持恒定，選用反饋控制系統(tǒng)。若考慮干擾僅是物料流量，則可組成下圖的前饋控制方案。 圖4-1 前饋控制方塊圖系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為： （4-1）式中、分別表示對(duì)象干擾通道和控制通道的傳遞函數(shù)；為前饋控制器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)臈l件是：時(shí)，要求 將上式代入（4-1）式，可得： （4-2）滿足（4-2）式的前饋補(bǔ)償裝置使受控變量不受擾動(dòng)

8、量變化的影響。圖4-2表示了這種全補(bǔ)償過(guò)程。圖4-2 前饋控制全補(bǔ)償示意圖在階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用和干擾作用的響應(yīng)曲線方向相反，幅值相同。所以它們的合成結(jié)果，可使達(dá)到理想的控制連續(xù)地維持在恒定的設(shè)定值上。顯然，這種理想的控制性能，反饋控制系統(tǒng)是做不到的。這是因?yàn)榉答伩刂剖前幢豢刈兞康钠顒?dòng)作的。在干擾作用下，受控變量總要經(jīng)歷一個(gè)偏離設(shè)定值的過(guò)渡過(guò)程。前饋控制的另一突出優(yōu)點(diǎn)是，本身不形成閉合反饋回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性矛盾。4.2 靜態(tài)前饋控制器的設(shè)計(jì)由（4-2）式求得的前饋控制器，它已考慮了兩個(gè)通道的動(dòng)態(tài)情況，是一種動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器。它追求的目標(biāo)是受控變量的完全不

9、變性。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)并沒(méi)有如此高的要求。只要在穩(wěn)態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。令（4-2）式中的s為0，即可得靜態(tài)前饋控制算式： （4-3）利用物料（或能量）衡算式，可方便地獲取較完善的靜態(tài)前饋算式。假若忽略熱損失，其熱平衡關(guān)系可表述為： （4-4）式中物料比熱蒸汽汽化潛熱物料量流量載熱體（蒸汽）流量換熱器入口溫度換熱器出口溫度由（4-4）式可解得： （4-5）上式即為靜態(tài)前饋控制算式。相應(yīng)的控制流程示下圖4-3換熱器的靜態(tài)前饋控制圖中虛線框表示了靜態(tài)前饋控制裝置。它是多輸入的，能對(duì)物料的進(jìn)口溫度、流量和出口溫度設(shè)定值作出靜態(tài)前饋補(bǔ)償。由于在（4-6）式中，Q與是相乘關(guān)系，所以這是一個(gè)非線

10、性算式。由此構(gòu)成的靜態(tài)前饋控制器也是一種靜態(tài)非線性控制器。4.3前饋控制的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償當(dāng)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性差異較大時(shí)，需要引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。對(duì)于線性系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法為： (4-6)這里，分別表示通道特性的動(dòng)態(tài)部分，其穩(wěn)態(tài)增益均為1。 對(duì)于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對(duì)象的非線性靜態(tài)模型計(jì)算得到，而動(dòng)態(tài)部分同樣可按線性對(duì)象處理。動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償?shù)囊话阈问綖? (4-7)圖4-4 換熱器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償圖5 調(diào)節(jié)閥和檢測(cè)變送元件介紹5.1 調(diào)節(jié)閥的選擇 調(diào)節(jié)閥選型的基本原則是在生產(chǎn)操作條件變化時(shí)，使廣義對(duì)象的放大系數(shù)基本保持恒值。被控對(duì)象為載熱體的流量，在蒸汽加熱器中，選用對(duì)氣體流量控制的調(diào)節(jié)閥，同

11、時(shí)由于被控通道的非線性，需選用對(duì)數(shù)型的調(diào)節(jié)閥。這樣特性的調(diào)節(jié)閥對(duì)控制通道的非線性具有一定的校正作用。圖5-1 動(dòng)三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥5.2 溫度變送器對(duì)于工藝介質(zhì)入口溫度的檢測(cè)，可以選用基于熱電偶原理的集成溫度變送器。如通用型智能溫度變送器。5.3 流量傳感器 可選用SKLUCB型，如下。圖5-2 SKLUCB型按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS07145(在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測(cè)定在截面一點(diǎn)的速度測(cè)量法)，采用埋入壓電晶體的渦街測(cè)速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(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420mADC電流信號(hào)。6 參數(shù)整定及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6.1 靜態(tài)工作點(diǎn)假設(shè)靜態(tài)工作點(diǎn)為:

12、=20，=10 T/hr,，=2T/hr，=800，=180。的測(cè)量?jī)x表量程為100 300, 儀表量程為0 5 T/hr，量程為0 50,儀表量程為0 20 T/hr。干擾通道純滯后可忽略, 控制通道純滯后為2.5 min。靜態(tài)前饋控制算法為： （6-1）代入，得：?？芍?，此時(shí)是靜態(tài)穩(wěn)定的。當(dāng)有擾動(dòng)影響時(shí)，可由上公式求得并與比較實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差調(diào)控。6.2動(dòng)態(tài)補(bǔ)償參數(shù)的整定擾動(dòng)為時(shí)，依據(jù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式和上面的靜態(tài)工作點(diǎn)， （6-2）下面就是一些取值和得到的仿真曲線。由圖可以看出，時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償；時(shí)會(huì)虧補(bǔ)償。圖6-1 曲線圖 圖6-2 曲線圖 圖6-3 曲線圖 圖6-4 曲線圖7 小結(jié)體會(huì)為期兩周的

13、過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。通過(guò)本次課設(shè)，我了解到了過(guò)程控制系統(tǒng)的基本控制原理；通過(guò)對(duì)換熱器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究，學(xué)到了許多專業(yè)知識(shí)，更深入理解過(guò)程控制本質(zhì)；最后通過(guò)牛老師和彭老師的指導(dǎo)，順利完成本次課設(shè)?？傊瑢?duì)自己的專業(yè)有了更深的理解。 本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于對(duì)換熱器數(shù)學(xué)模型的認(rèn)識(shí)，對(duì)與控制器參數(shù)的選擇，并且是應(yīng)用了整定方法，對(duì)選取的調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行了選擇和校驗(yàn)，用 matlab仿真驗(yàn)證了書(shū)上的方法，用SIMULINK軟件仿真的方法進(jìn)行參數(shù)整定，得到了理想的曲線，雖然書(shū)本上有些知識(shí)沒(méi)學(xué)過(guò)，但是自己通過(guò)查資料，和同學(xué)討論，將所學(xué)到得知識(shí)運(yùn)用起來(lái)。然后能夠一個(gè)模塊一個(gè)模塊的將問(wèn)題分解開(kāi)來(lái)，并一一攻克，這種感覺(jué)讓人難忘，并且明白了只有把學(xué)習(xí)的知識(shí)貫徹到實(shí)用中去，學(xué)以致才能使我們這四年的學(xué)習(xí)沒(méi)有白費(fèi)。我們都努力去硬記書(shū)上的公式和概念，由于只是抽象的去記憶，很難形象地將其理解并消化。當(dāng)遇到新的陌生的問(wèn)題時(shí)，我們很難舉一反三，觸類旁通。究其原因，這都是由于理論脫離實(shí)踐，沒(méi)能很好的將書(shū)本上所學(xué)的東西領(lǐng)悟，利用起來(lái)。而做課程設(shè)計(jì)是一次很難得的機(jī)會(huì)，學(xué)了一學(xué)期的運(yùn)動(dòng)控制，正好可