換熱器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1換熱器溫度控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)1.1換熱器的組成換熱器溫度控制系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級(jí)離心泵，變頻器、渦 輪流量傳感器、溫度傳感器等設(shè)備。根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將其分為簡(jiǎn)單控制 系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級(jí)控制系統(tǒng)和前饋 控制系統(tǒng)。1.2系統(tǒng)控制過程的特點(diǎn)換熱器溫度控制過程有如下特點(diǎn)：換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、 執(zhí)行器和被控對(duì)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)檢驗(yàn)元 件測(cè)量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測(cè)量信號(hào)，測(cè)量值與給定值的差值送入調(diào)節(jié)器，調(diào) 節(jié)器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出控制作用。換熱器的溫度控

2、制系統(tǒng)工藝流程如下：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。熱流體加熱爐加熱到某溫度，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。冷流體通過多級(jí)離心泵流經(jīng)換熱 器的殼程，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環(huán)使用。在換熱器的冷熱流體進(jìn)口處均設(shè) 置一個(gè)調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。在冷流體出口設(shè)置一個(gè)電功調(diào)節(jié)閥，可以根 據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷流體流量的大小。多級(jí)離心泵的轉(zhuǎn)速由便頻器來控制。1.3引起換熱器出口溫度變化的擾動(dòng)因素簡(jiǎn)要概括起來，引起換熱器出口溫度變化的擾動(dòng)因素主要有：（1）熱流體的流量和溫度的擾動(dòng)，熱流體的流量主要受到換熱器入口閥門的

3、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(dòng)。冷流體的流量主要受到離心泵的壓頭、轉(zhuǎn)速和 閥門的開度等因素的影響。（3）加熱爐的啟停機(jī)的影響。（4）室內(nèi)溫度與管路內(nèi)氣體變化和閥門開度的影響。2.1換熱器溫度控制原理介紹圖2.1為蒸汽水換熱器的工作原理圖。加熱介質(zhì)為蒸汽，冷流體為水，控制目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)蒸汽流量來保證換熱器出口熱水溫度穩(wěn)定，溫度控制器由微機(jī)控制。T，LT3溫度傳感器M電動(dòng)調(diào)節(jié)閥圖2.1換熱器溫度控制原理圖其工作原理為：溫度傳感器T測(cè)量換熱器出水溫度，把信號(hào)傳送至DDC現(xiàn)場(chǎng)控制器，此為溫度控制的主回路。同時(shí)，控制器還接受室

4、外溫度傳感器T3發(fā)出的輔助信號(hào)，控 制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的工作曲線，調(diào)整出水溫度的設(shè)定值，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥M的開度，調(diào) 節(jié)換熱器入口的高溫介質(zhì)流量，使得換熱器出水溫度隨室外溫度變化（見圖2.2）。CL溫水出器熱換2.2換熱器一般溫控系統(tǒng)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)及一般熱力學(xué)原理，可得被控對(duì)象傳遞函數(shù)的近似表達(dá)式：G (s) = 1 eTS = G (s)e-Ts口s式中Gp( s)對(duì)象的傳遞函數(shù)；K對(duì)象的放大系數(shù)；TS對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；T對(duì)象的純時(shí)間滯后；Go(s)對(duì)象傳遞函數(shù)中不含純滯后的部分?？梢钥闯觯且粋€(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。一般的溫控系統(tǒng)如圖2.3所示。F圖2.3 一般溫控系統(tǒng)方框圖R(S) +一

5、*+cGc(s)Go(s)e-ts圖中R(s)為參擾。從圖2.3可以得出換熱器一般溫控系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G (s )= G氣(2.2)1 + G (s) G (s) e -宮由于特征方程里含有e-T s項(xiàng)，這對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性極其不利，若t足夠大，系統(tǒng)就很 難穩(wěn)定；而且由于系統(tǒng)中含有純滯后環(huán)節(jié)，使控制器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。2.3 Smith預(yù)估器的控制機(jī)理Smith預(yù)估器控制的基本思路是：預(yù)先估計(jì)過程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后 由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償控制，力圖使被延遲了的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動(dòng)作， 以此來減小超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過程。對(duì)于帶長(zhǎng)時(shí)滯過程而言，Smith預(yù)估器是一種非常 有效的通用的

6、補(bǔ)償器，其主要優(yōu)點(diǎn)在于滯后時(shí)間能從閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中消除。然而， 預(yù)估器要求被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型非常準(zhǔn)確，這在實(shí)際工程中很難辦到，特別是對(duì)積分和 非穩(wěn)定系統(tǒng)，其控制更為困難。Smith預(yù)估器控制原理圖如圖2.4所示。圖2.4 Smith預(yù)估控制器原理圖圖中U(s)為控制器的輸出，L(s)為系統(tǒng)外擾(也稱負(fù)荷擾動(dòng))，GL(s)是C(s)對(duì)L(s) 的傳遞函數(shù)，GS(s)為Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。若Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù) 為 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark33 o Current Document GS(s) = Go(s) (1-e-。(2.

7、3)由圖2.4可得Smith預(yù)估控制器的傳遞函數(shù)中(s)為C(s)G (s)G (s)e-食(S) = oR(s)1 + G (s)G (s)(2.4)另有C(s) G 1 + G (s)G (s)(1 - e-食) = L( s)e oL(s)1 + Ge(s)Go(s)(2.5)由式(2.4)、(2.5)可以看出，在定值和外擾作用下的閉環(huán)特征方程中均不包含受控 對(duì)象的純延遲，因而起到了純延遲的補(bǔ)償作用。與式(3.4)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 與圖2.5所示原理圖等效的控制系統(tǒng)，很容易用MATLAB函數(shù)命令set ()來實(shí)現(xiàn)，這使 得控制品質(zhì)的仿真研究變得簡(jiǎn)單。圖2.5 Smith預(yù)估器

8、控制原理等效圖3換熱器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)換熱器的溫度控制系統(tǒng)以MCS51單片機(jī)為核心開發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)硬件部分包括溫度 測(cè)量變換、測(cè)量放大、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換、控制執(zhí)行系 統(tǒng)等。其結(jié)構(gòu)見圖3.1。圖3.1換熱器溫度控制系統(tǒng)硬件原理圖它的主要功能有：定期采集換熱器的出水溫度、室外環(huán)境溫度等且存儲(chǔ)，并上傳存 儲(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)控制相應(yīng)調(diào)節(jié)閥的開度，完成控制任務(wù)；具有顯 示、設(shè)定、控制和傳輸數(shù)據(jù)功能，可以全年不間斷地對(duì)換熱器進(jìn)行自動(dòng)控制。3.2溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序主要包括主程序和一些子程序。主程序主要完成單片機(jī)的初始化

9、和循環(huán) 調(diào)用子程序的功能。子程序則用來完成溫度信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、伯電阻的非線性補(bǔ) 償、溫度的顯示、控制算法的調(diào)用等具體功能。系統(tǒng)首先進(jìn)行參數(shù)初始化，然后進(jìn)行自診斷。通過按鍵設(shè)定所需要的溫度值，啟動(dòng) 溫度測(cè)量模塊，溫度測(cè)量模塊將測(cè)得的溫度值通過顯示模塊顯示出來，并與設(shè)定的溫度 值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量溫度等于設(shè)定溫度，程序返回自診斷模塊；當(dāng)測(cè)量溫度不等于設(shè)定 溫度時(shí)，啟動(dòng)智能PID自整定控制。當(dāng)溫度偏差大于閾值時(shí)采用模糊控制，當(dāng)偏差小 于閾值時(shí)啟動(dòng)PID控制。控制后重新啟動(dòng)測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量，如此循環(huán)直到測(cè)量值與設(shè)定值相等。由于溫度 具有非線性和不確定性，僅采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)不能滿足控制要求。因此，

10、軟件模塊也 相應(yīng)地設(shè)計(jì)成帶P【D參數(shù)智能化自整定功能。溫度控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖3.2所示。計(jì)算溫度偏差調(diào)算法子程序開始否是采樣時(shí)間到？被控對(duì)象數(shù)字濾波器經(jīng)D/瀚出i* 采集溫度值初始化D/AA/D圖3.2換熱器溫度控制系統(tǒng)軟件流程圖4系統(tǒng)仿真研究8 e -180 s G(s)= 360TZT(4.1)為了驗(yàn)證Smith預(yù)估器在換熱器溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性，先對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行仿真試驗(yàn)以指導(dǎo)下一步實(shí)際應(yīng)用研究。換熱器出口溫度與蒸汽流量的關(guān)系可由開環(huán) 階躍響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)獲得：圖2.4中的控制器選定PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(4.2)/、-1/、G (s)= K1+f+s)i式中匕為比例系數(shù)；T

11、為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品 質(zhì)，需要確定PID控制器的一些控制參數(shù)，而這些參數(shù)很難由計(jì)算獲得，需要通過實(shí)驗(yàn) 采用飛升曲線確定該對(duì)象慣性時(shí)間和純滯后時(shí)間。得出整定的PID參數(shù)為：Kp =013, TI = 360 s，TD = 90 s系統(tǒng)采用MATLAB平臺(tái)下的SIMULINK進(jìn)行仿真，圖4.1，4.2分別給出了？2 控制及Smith預(yù)估控制定值階躍擾動(dòng)下的閉環(huán)仿真曲線。圖4.1系統(tǒng)PID控制的階躍響應(yīng)曲線I. (J口 TOO I UOU 1 5DU 2 ClUIJ 2 5削時(shí)間/b圖4.2系統(tǒng)Smith預(yù)估器控制的階躍響應(yīng)曲線圖4.2曲線顯示Smith預(yù)估器控制的作

12、用完全實(shí)現(xiàn)，即常規(guī)PID控制由預(yù)估器進(jìn)行 補(bǔ)償控制后，使被延遲了的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動(dòng)作，以此來減小超調(diào)使 之成為單調(diào)上升的過程，預(yù)估補(bǔ)償器的控制作用十分明顯。從圖4.1，4.2可以看出，Smith預(yù)估控制的超調(diào)量及調(diào)節(jié)時(shí)間都明顯小于PID控制。 仿真表明Smith預(yù)估器控制具有較好的響應(yīng)速度和良好的對(duì)象適應(yīng)能力?？偨Y(jié)具有大時(shí)滯特征的換熱器溫度控制系統(tǒng)，采用Smith補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，可以取得?常規(guī)PID更好的控制效果，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、超調(diào)量小、控制精度高。基于Smith預(yù)估器的控制系統(tǒng)能有效克服大純滯后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn) 單，可靠性好，非常適用于換熱器的溫度控制系統(tǒng)，對(duì)其他工業(yè)過程的溫控也有借鑒意 義。在這次課程設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)了很多問題，對(duì)知識(shí)的掌握不夠，甚至有些概念不清， 缺乏理論與實(shí)踐的結(jié)合。通過老師的耐心講解和查閱大量的資料這些問題基本上都得到 了解決。首先加強(qiáng)鞏固了基礎(chǔ)知識(shí)，其次發(fā)現(xiàn)并解決了一些在實(shí)際生產(chǎn)中可能遇到的問 題。最重要的是這次課設(shè)涉及了傳感器、檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制等以前所學(xué)過的學(xué)科，我 不僅鞏固提高了以前的知識(shí)，更將它們?nèi)跁?huì)貫通。參考文獻(xiàn)1王鳴.一種換熱器的變PID參數(shù)的控制方法及實(shí)現(xiàn)J.機(jī)電工