液態(tài)氨冷卻器控制系統(tǒng)

1、目目 錄錄 1 引言.2 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案分析.2 2.1 控制系統(tǒng)的分析與選擇.2 2.2 選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).3 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施.4 3.1 正常調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).4 3.2 取代調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).4 3.3 選擇器高低值型式的選擇.4 3.4 溫度檢測(cè)器.6 3.5 液位變送器.7 4 系統(tǒng)的仿真.7 4.1 參數(shù)整定.7 4.2 控制器的正反作用.9 4.3 仿真.9 小結(jié)體會(huì) .12 參考文獻(xiàn) .13 液態(tài)氨冷卻器控制系統(tǒng)液態(tài)氨冷卻器控制系統(tǒng) 1 引言 液態(tài)氨蒸發(fā)冷卻器是工業(yè)生產(chǎn)中用的很多的一種換熱設(shè)備，它利用液氨的蒸發(fā)吸取 大量的氣化熱，來(lái)冷卻流經(jīng)管內(nèi)的被冷卻物料。通常需要被冷卻物料

2、出口溫度穩(wěn)定。此 時(shí)液氨液位在一定允許范圍內(nèi)。而在非正常工況下，液位高度是不超過(guò)給定的上限的， 所以需要使用選擇控制方法，通過(guò)對(duì)液位的檢測(cè)，來(lái)判斷液位高度是否工作在正常情況， 在正常情況下，使用被冷物料出口溫度回路控制系統(tǒng)，非正常情況下，使用液位單回路 控制系統(tǒng)，二者的切換通過(guò)選擇器自動(dòng)根據(jù)工況實(shí)現(xiàn)。 2 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案分析設(shè)計(jì)任務(wù)與方案分析 2.1 控制系統(tǒng)的分析與選擇 工藝上要求被冷卻物料的出口溫度穩(wěn)定為某一定值，所以將被冷卻物料的出口溫度 作為被控變量，以液態(tài)氨的流量為操縱變量，構(gòu)成正常工況下的單回路溫度定值控制系 統(tǒng)如圖 2-1（a）所示。從安全角度考慮，調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式，溫度控制

3、器選擇正作用方 式。當(dāng)被冷卻物料的出口溫度升高時(shí)，控制器輸出增大，調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度增大，液態(tài)氨流 量增大，從而有更多的液態(tài)氨氣化，使被冷卻物料的出口溫度下降。 這一控制方案實(shí)際上是基于改變換熱器列管淹沒(méi)在液態(tài)氨中的多少，以改變傳熱面 積來(lái)達(dá)到控制溫度的目的。所以液面的高度也就間接反映了傳熱面積的變化情況。在正 常的工況下，操縱液氨流量使被冷卻物料的出口溫度得到控制，而液位在允許的一定范 圍內(nèi)變化。如果突然出現(xiàn)非正常工況，假設(shè)有雜質(zhì)油漏入被冷卻物料管線，使導(dǎo)熱系數(shù) 下降，原來(lái)的傳熱面積不能帶走同樣多的熱量，只有使液位升高，加大傳熱面積。如果 當(dāng)液位升高刀全部淹沒(méi)換熱器的所有列管時(shí)，傳熱面積以達(dá)到極限

4、，出口溫度任沒(méi)有降 下來(lái)，溫度控制器會(huì)不斷的開(kāi)大調(diào)節(jié)閥門，使液位繼續(xù)升高。這時(shí)就可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故。 這時(shí)因?yàn)闅饣币?jīng)過(guò)壓縮機(jī)后，變成液態(tài)氨重復(fù)使用，如果液位太高，會(huì)導(dǎo)致氨中夾 帶液氨進(jìn)入壓縮機(jī)，損壞壓縮機(jī)葉片。為了保護(hù)壓縮機(jī)安全，要求氨蒸發(fā)器有足夠的氣 化空間，這就限制了氨液面的上限高度（安全軟限） ，這是根據(jù)工藝操作所提出的限制條 件。為此，需要在溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)液面超限的取代單回路控制系統(tǒng)， 如圖 2-1（b）所示。顯然，從工藝上看，操作變量只有液氨的流量一個(gè)，而被控變量卻 有溫度和液位兩個(gè)，從而形成了對(duì)被控變量的選擇性控制系統(tǒng)。 （a）一般控制系統(tǒng) （b）選擇性控制系統(tǒng)

5、圖 2-1 液態(tài)氨冷卻器控制系統(tǒng)圖 2.2 選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù)以上對(duì)液態(tài)氨冷卻器的工藝分析，可以畫出整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2：液態(tài)氨冷卻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 TC 氣氨 氣開(kāi)閥 液氨 待冷卻 物料 TC 氣氨 氣開(kāi)閥 液氨 LS Tsp Lsp LC LC 閥 液位 對(duì)象 溫度測(cè)量 Tsp 液位測(cè)量 Lmax LS TC 溫度 對(duì)象 Tm Lm u(t) 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施 3.1 正常調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 選擇性控制系統(tǒng)正常情況下是正常調(diào)節(jié)器回路工作而取代調(diào)節(jié)器回路不工作；事故 時(shí)取代調(diào)節(jié)器回路工作，正常調(diào)節(jié)器回路不工作，所以 2 個(gè)回路系統(tǒng)可單獨(dú)按單回路控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6、。正常調(diào)節(jié)器回路可按一般單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)；先確定被控量(即圖 1)，控制量， 據(jù)工藝要求確定執(zhí)行器氣開(kāi)、氣關(guān)型式，被控過(guò)程(被控對(duì)象)特性來(lái)確定正常調(diào)節(jié)器的正、 反作用。正常調(diào)節(jié)器的規(guī)律一般采用 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器，而調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可按 一般工程整定方法整定，如臨界比例度法、4：1 衰減曲線等。 3.2 取代調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 取代調(diào)節(jié)器回路測(cè)量值Y：是生產(chǎn)過(guò)程中的某一個(gè)工業(yè)參數(shù)，它與正常調(diào)節(jié)器回路 中的被控參數(shù)Y，并非一個(gè)參數(shù)，當(dāng)其達(dá)到某一個(gè)極限值(或大或小)時(shí)，生產(chǎn)就會(huì)出現(xiàn)事 故狀態(tài)，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該由取代調(diào)節(jié)器回路工作，這時(shí)要求取代回路的等效增益大一 些，以便有較強(qiáng)的控制作用，產(chǎn)生

7、及時(shí)的保護(hù)作用，使系統(tǒng)迅速脫離危險(xiǎn)狀態(tài)而回到正 常狀態(tài)，然后又切回到正常調(diào)節(jié)器回路工作。所以取代調(diào)節(jié)器也是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)， 可按單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般取代調(diào)節(jié)器回路為了滿足快速性都只用比例規(guī)律，且該 回路的比例增益K，要大一些，這是和正常調(diào)節(jié)器的主要區(qū)別。 3.3 選擇器高低值型式的選擇 選擇器在選擇性控制系統(tǒng)中是重要的部件，它的功能相當(dāng)于一個(gè)二選一的開(kāi)關(guān)，它 接受正常調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)a和取代調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)b，其輸出信號(hào)c去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。高 值選擇器是接收a信號(hào)和b信號(hào)數(shù)值高者作為選擇器輸出；低值選擇器是選a信號(hào)和b信號(hào) 低值作為輸出。看上去問(wèn)題較簡(jiǎn)單，但針對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)如何確定選擇器高

8、低值型式呢? 我們首先統(tǒng)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程可能出現(xiàn)的情況，做出選擇器高低值選擇的表格，如表2-1所 示。 表 2-1 選擇器型號(hào)選擇統(tǒng)計(jì)表 正常調(diào)節(jié)器回路 氣開(kāi)閥氣關(guān)閥取代調(diào)節(jié)器回路 正作用 1c k反作用 1c k正作用 1c k反作用 1c k 正作用 2c k 高值高值 氣 開(kāi) 閥 反作用 2c k 低值低值 正作用 2c k 低值低值氣 關(guān) 閥 反作用 2c k 高值高值 該表格是根據(jù)正常調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài)特性和取代調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài)特性聯(lián)合考慮的。 表中打的 是指不可能出現(xiàn)的組合。為清楚起見(jiàn)，我們用靜態(tài)特性交叉圖說(shuō)明，如正常 調(diào)節(jié)器回路的調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)式，調(diào)節(jié)器為反作用；取代調(diào)節(jié)器回路的調(diào)節(jié)閥

9、(與正常調(diào) 1c k 節(jié)器一樣)為氣開(kāi)式，取代調(diào)節(jié)器為反作用，畫出其靜態(tài)交叉圖(見(jiàn)圖2-3)。 2c k 圖 2-3 靜態(tài)特性交叉圖 a-a：表示正常調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性，b-b：表示取代調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性。 兩靜態(tài)交叉點(diǎn)為G點(diǎn)。箭頭表示調(diào)節(jié)器變化方向。從靜態(tài)特性圖中可以看出選擇器應(yīng) 選低值選擇器。注意這種情況取代調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài)增益要大于正常調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài) 增益。 3.4 溫度檢測(cè)器 在本文中，溫度變送器選擇的是熱電阻，熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè) 器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測(cè)量精確度是最高的，它 不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 與熱電偶的測(cè)

10、溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電 阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，?可以測(cè)量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。 金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即 （7） 00 1()RtRttt 式中，為溫度 t 時(shí)的阻值；為溫度時(shí)的阻值Rt 0 Rt 0 t 在此處使用的是金屬熱電阻變送器，使用三線制接法，即在熱電阻的根部的一端連 接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用， 可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過(guò)程控制中的最常用的。采用三線制是為了消 除連接導(dǎo)線

11、電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電 阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部 分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測(cè)量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一 根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣 消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。 熱電阻與熱電偶的選擇最大的區(qū)別就是溫度范圍的選擇，熱電阻是測(cè)量低溫的溫度 傳感器，一般測(cè)量溫度在-200800，而熱電偶是測(cè)量中高溫的溫度傳感器，一般測(cè)量 溫度在 4001800，在選擇時(shí)如果測(cè)量溫度在 200左右就應(yīng)該選擇熱電阻測(cè)量，如果 測(cè)量溫度在 600就

12、應(yīng)該選擇 K 型熱電偶，如果測(cè)量溫度在 12001600就應(yīng)該選擇 S 型或者 B 型熱電偶 熱電阻與熱電偶相比有以下特點(diǎn)： （1）同樣溫度下輸出信號(hào)較大，易于測(cè)量。 （2）測(cè)電阻必須借助外加電源。 （3）熱電阻感溫部分尺寸較大，而熱電偶工作端是很小的焊點(diǎn)，因而熱電阻測(cè)溫的 反應(yīng)速度比熱電偶滿； （4）同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測(cè)溫上限高。 在綜合分析熱電阻和熱電偶的特點(diǎn)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在選擇溫度檢測(cè)器時(shí)選擇 的是熱電阻溫度檢測(cè)器。 3.5 液位變送器 液位變送器在本設(shè)計(jì)中使用的是超聲波液位計(jì)，超聲波液位計(jì)是由微處理器控制的 數(shù)字物位儀表。在測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波

13、經(jīng)物體表面反射后 被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到 被測(cè)物體的距離。 由于采用非接觸的測(cè)量，被測(cè)介質(zhì)幾乎不受限制，可廣泛用于各種液 體和固體物料高度的測(cè)量。超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度主要受聲速隨溫度變化的影響。 此部分由 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和 8051 連接而成，本電路的作用是將采 4 系統(tǒng)的仿真 4.1 參數(shù)整定 目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律；比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律和 比例積分微分控制規(guī)律，分別簡(jiǎn)寫為 P、PI 和 PID。選擇哪種控制規(guī)律主要是根據(jù)廣義對(duì) 象的特性和工藝的要求來(lái)決定的。下面分別說(shuō)明各種控制規(guī)律的特點(diǎn)及應(yīng)用

14、場(chǎng)合。 比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器，它的輸出 p 與輸入偏差 e(實(shí)際上是指它 們的變化量)之間的關(guān)系為： eKp p 比例控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)或比例度，對(duì)于單元組合儀表來(lái)說(shuō)。它們 p K 的關(guān)系為： %100* 1 p K 比例控制器的特點(diǎn)是：控制器的輸出與偏差成比例，即控制閥門位置與偏差之間具有 一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過(guò)渡時(shí)間短。 在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采 用的。但是，純比例控制系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。 比例控制器適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變

15、化不大、工藝上沒(méi)有提出無(wú)差要求的系統(tǒng)， 例如中間貯槽的液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)等。 比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。它的輸出 p 與輸人偏差 e 的關(guān)系 為： edt T eKp I p 1 比例積分控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù) (或比例度)和積分時(shí)間。比例積 p K I T 分控制器的持點(diǎn)是：由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏 差的積分成比例、只要偏差存在、控制器的輸出就會(huì)不斷變化，直至消除偏差為止。所 以采用比例積分控制器，在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)是無(wú)余差的、這是它的顯著優(yōu)點(diǎn)。 但是，加 上積分作用，會(huì)使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作

16、用的同時(shí)，可以通過(guò)加大比例度，使穩(wěn) 定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間也加長(zhǎng)。 比例積分控制器是使用最普遍的控制器。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、 工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。例如流量、壓力和要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，常采用比 例積分控制器。 比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID） 控制器。理想的 PID 控制器，其輸出 p 與輸入偏差 e 之間具有下列關(guān)系： dt de Tedt T eKp D I p 1 比例積分微分控制器的特點(diǎn)是：微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成 比例，它對(duì)克服對(duì)象的滯后有顯著的效果。

17、在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性， 再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整、三個(gè)參數(shù)、可以使控制系統(tǒng) I T D T 獲得較高的控制質(zhì)量。比例積分微分控制器適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì) 量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。對(duì)于滯后很小或噪 聲嚴(yán)重的系統(tǒng)，應(yīng)避免引入微分作用，否則會(huì)由于被控變量的快速變化引起控制作用的 大幅度變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。 對(duì)于溫度液位選擇控制系統(tǒng)參數(shù)的整定，先按經(jīng)驗(yàn)法，按照“先正后取”的原則，把 正常、取代調(diào)節(jié)器的比例度調(diào)到某一適當(dāng)值，然后由大到小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò) 程呈緩慢的非周期衰減變化，最后根據(jù)過(guò)程的具

18、體情況，可給主調(diào)節(jié)器加上積分環(huán)節(jié)， 1 ( ) (101)(1) P Gs ss 調(diào)積分時(shí)間較大。 取代調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，可以通過(guò)停留時(shí)間法，停留時(shí)間是指介質(zhì)在被控過(guò)程的被 控參數(shù)允許變化范圍內(nèi)流過(guò)的時(shí)間。過(guò)程時(shí)間常數(shù)等于停留時(shí)間的兩倍，即 0 T 2 0 T 4.2 控制器的正反作用 生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值(或按一定規(guī)律變化)的變量稱為被控變量。 在構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，被控變量的選擇十分重要、它關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到穩(wěn)定操 作、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、保證安全等目的，關(guān)系到控制方案的成敗。 在本設(shè)計(jì)中，由于控制對(duì)象，當(dāng)閥門打開(kāi)時(shí)，液位，溫度都上升，所以均為正對(duì)象， 而

19、閥門時(shí)氣開(kāi)閥，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的性質(zhì)，控制器應(yīng)均選擇反租用控制器。 4.3 仿真 設(shè)某液態(tài)氨冷卻器控制系統(tǒng)，當(dāng)輸入小于臨界值時(shí)，選擇溫度控制，否則為液位控 制，假設(shè)該系統(tǒng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 設(shè)計(jì)一個(gè)液位溫度選擇性控制系統(tǒng)。 根據(jù)對(duì)被控變量的選擇性控制系統(tǒng)的方框圖，建立如圖 4-1 所示的 Simulink 仿真框 圖。其中 PID Controller 和 PID Controller1 模塊的參數(shù)分別設(shè)置為 Kc、Ki、Kd 和 Kc1、Ki1、Kd1：模塊 Step 模擬溫度輸入：Step1 模擬液位輸入：Switch 為選擇器，當(dāng)輸 入小于閾值時(shí)，選擇輸入下端口 3 進(jìn)行溫度控制

20、，否則選擇輸入上端口 1 進(jìn)行液位控制： 模塊 Step2 與 Step3 疊加，模擬干擾信號(hào)。系統(tǒng)仿真如圖 4-1 所示。 圖 4-1 液態(tài)氨冷卻器控制系統(tǒng)仿真圖 在無(wú)干擾且保護(hù)回路不起作用的情況下，PID 控制器參數(shù)可完全按照簡(jiǎn)單控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)原則來(lái)確定。整定后得到較好的單位階躍響應(yīng) （Kc=6.5、Ki=0.5、Kd=0：Kc1=1.2、Ki1=0.1、Kd1=0） ，如圖 4-2 所示。 （a）溫度控制回路 （b）液位控制回路 圖 4-2 單位階躍響應(yīng) 在時(shí)間 t=5060 之間加入幅值為 0.5 的干擾信號(hào)，此時(shí)若無(wú)保護(hù)回路作用，得到 如圖 4-3 所示的抗干擾特性曲線。假設(shè)選取選擇器的閾值為 1.1，再引入液位控制回路， 可得如圖 4-4 所示液位溫度選擇性控制系統(tǒng)的抗干擾特性曲線。 圖 4-3 干擾作用下溫度控制回路響應(yīng) 圖 4-4 液位溫度選擇性控制響應(yīng) 比較以上兩圖，可以看出引入液位保護(hù)控制回路后的液位溫度選擇器