管式换热器恒温控制系统设计

重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计课题：管式换热器恒温控制系统设计专业：电气工程及其自动化班级：学号：姓名：指导教师：设计日期：成绩：重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计1自动化仪表与过程控制课程设计一、设计目的自动化仪表与过程控制课程设计是电气工程专业一项重要的实践性教育环节，是学生在校期间必须接受的一项工程训练。以期通过该课程设计加强学生如下能力的培养：1、提高学生对所学自动化仪表和过程控制的原理、结构、特性的认识和理解，加深对所学知识的巩固和融会贯通。2、针对一个小型课题的设计开发，培养学生查阅参考书籍资料的自学能力，通过独立思考，学会分析问题的方法。3、综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。4、培养学生严谨的工作作风，相互合作的团队精神，提高其综合素质，获得初级工程应用经验，为将来从事专业工作建立基础。二、设计内容与要求1、查阅资料，深入掌握过程的工作原理及控制要求，绘制出生产过程工艺流程图。2、设计控制方案。(1)根据对象特性及控制要求，完成控制变量的选择、控制结构选择、控制仪表选择等方案设计。(2)绘制完整的系统工艺流程图，按工程要求标注所有仪表和变量。3、采用MATLAB/Simulink工具，完成系统仿真，验证以下内容：(1)系统跟踪能力、抗干扰能力的仿真。(2)控制器参数整定过程。4、节流装置和调节阀的计算。根据工艺数据和有关计算方法进行计算，分别列出仪表数据表中调节阀及节流装置计算数据表与结果。5、设计控制程序：反馈控制可采用PID控制，前馈控制可采用比例控制，被控过程可采用一阶惯性环节。6、整个工程设计工作基本完成后，要对所有设计文件进行整理，并编制设计文件目录。并对设计思想、方案确定、仿真过程及结果分析，组态设计等作出说明；对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中的经验教训进行总结。重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计2三、设计过程1.控制方案的确定1.1恒温控制系统生产工艺要求在工业生产用，往往需要对液体进行温度控制。图2-1是管式换热器恒温控制系统的结构图。其工艺要求用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度，并将热水温度维持在一定范围内(CTC11-)。图2-1管式恒温控制系统原理图1.2控制参数与被控参数的选择1.2.1被控参数的选择被控参数的选择对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。如果被控参数选取不当，无论是此何种控制方法，还是采用何种先进的检测仪表，都难以达到预期的控制效果。对于本系统，由于要对经换热器后的热水的温度进行控制，所以根据生产工艺的要求，选取换热器出口温度作为直接被控参数。设置合理的调节器对换热器的出口温度进行控制。1.2.2控制参数的选择由换热器控制系统的工作原理可知，影响影响换热器的出口温度的参数有两个，一个是冷水的流入量，再一个是热蒸汽的流入量。调节这两个参数均可以控制换热器出口的温度。但是根据生产工艺可知，流入乙烯裂解气的流量是一定的，所以选取热蒸汽的流入量作为控制参数。1.3系统原理图及方框图1.3.1控制系统控制结构图恒温控制系统结构图如图2-2所示重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计3图2-2系统控制结构图1.3.2系统框图控制系统框图如图2-3所示X(s)Y(s)sGCsGVsGOsGm图2-3控制系统框图2测量仪表的选择2.1变送器的选择根据生产工艺的要求，宜选用DDZ-III型仪表。采用24V直流电源集中统一供电，整套仪表可构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元─安全保持器，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表无论在正常运行，还是在事故状态下，都不会引爆，仪表的安全性、可靠性显著提高。采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mA直流电流，控制室联络信号为1-5V直流电压，信号电流和信号电压的转换电阻为250Ω。测温原件及变送器的选择。因为被控温度在150Co以下，故选用热电阻温度计。为提高精度，采用三线制接法，并配用温度变送器。重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计42.2调节阀的选择2.2.1调节阀的启开气关形式气开是指当气压信号p0.02MPa时，阀由关闭状态逐渐打开；气关则相反，即当气压信号p0.02MPa时，阀由全开状态逐渐关闭。由于执行机构有正、反作用两种方式，阀体也有正、反两种形式。所以，执行期的“气开”、“气关”有四种构成方式，如图3-1所示：图3-1气开、气关示意图调节阀的气开、气关选择，主要从工艺生产的安全来考虑。换句话说，当发生断电或其他故障引起控制信号中断是，执行器的工作状态应避免损坏设备和伤害操作人员。对于本系统，当控制信号为零时，要求蒸汽的进入量亦为零，避免当控制信号中断时，换热器由于进入的热蒸汽使其温度过高而发生事故。故调节阀应选用气开式调节阀。2.2.2调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门的相对开度数学表达式为Llfqqmax2.2.3调节阀的理想流量特性理想流量特性是指调节阀前后压差保持不变时得到的流量特性（1）直线流量特性：指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。其数学表达式为重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计5Klldqqdmaxmax（2）对数流量特性（等百分比）流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系，其数学表达式为：VKqqKlldqqdmax1maxmax（3）快开流量特性是在小开度时，就有较大流量，随着开度的增加，流量很快就增加到最大，此后再增加开度，流量的变化很小。其数学表达式为：1max2maxmaxlldqqdqqK综合以上调节阀的流量特性分析可知，选用对数流量特性的调节阀更为适宜。2.3调节器的选择2.3.1调节规律的选择在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，简称PID。即使是科学技术飞速发展、许多新的控制方法不断涌现的今天，PID仍作为最基本的控制方式显示出强大的生命力。其数学表达式为：dtdeTedtTeuDtI011其相应的传递函数为：sTsTsGDIC111其中为比例度，IT为积分时间，DT为微分时间PID调节提高了系统的误差度，为动态性能改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动态两个方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。所以本设计采用PID调节规律。2.3.2调节器仪表的选择根据设计要求，选用DDZ-III型PID基型调节器DDZ-III调节器的主要技术参数有：重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计6测量信号：1-5VDC；外给定信号：4-20mADC;内给定信号：1-5VDC；测量与给定的指示精度：1%;输入阻抗影响：满刻度的0.1%输出保持特性：-0.1%/h;输出信号：4-20mADC;调节精度：0.5%;负载电阻：205-7502.3.3调节器的内部结构由图3-2输入电路可知，给定信号VS和以零伏（地）为基准的Vi，分别通过两对并联输入电阻R加到运算放大器的正、反输入端，其输出是以10V为基准的电压信号，它一方面作为下一级电路的输入，另一方面则取出输出电压的一半通过反馈电阻反馈到输入端。图3-2输入电路设放大器为理想的放大器，其输入阻抗为无穷大，T点与F点同电位，即VVFT,由'''321III和III321，可得：RRRVVVVVVBOFFFi)21(01RRRVVVVVBTTsT0经整理有：)(21VVVsio由以上过程可知：1）输入电路能实现测量值与给定值的相减，获得放大两倍的偏差信号。2）输入电路将两个以零伏为基准的输入电压，转换成以电平VB为基准的偏差电压，实现了电平的移动。比例积分电路如图3-3所示。它接收以10V为基准的电信号VO1，进行PI重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计7运算后，输出以10V为基准的1-5V电压VO2，送至输出电路。根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换为：01)()()()(1)()(111SsssmsSssCVVRVVCVVMFoIFoIFo（3-1）式中，m=1或m=10.对于运算放大器，则有：)()(2sKsVVFo（3-2）式中，K为放大器增益。将式(3-1)代入式(3-2)，经整理后可得：sKKsmssCRCCCRCCvVMIMIIIMIoo1)1(11)11()()(12由于510K，所以有1)1(1CCMIK,若忽略不计，则有：SSTKTCCVVIIIMIo1111012（3-3）式中，KI为积分增益，CCKIMImK/;TI为积分时间，CRTIIIm。式（3-3）为具有饱和特性的比例积分调节器的传递函数。由式（）可见，由于增加了积分时间环节，积分时间有两档。当置于‘1’档时相当于m=1；当置于‘10’档时相当于m=10.重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计8a）b）图3-3简化的比例积分电路：a）‘1’b）‘10’调节器的输出电路如图3-4所示。其输入信号是经过PI运算、以电平VB为基准的1-5VDC的电压信号VO2，输出是经过一端接地的负载电阻RL的4-20mADC电流Io。图3-4输出电路在图3-3所示电路中，设1043RR,RRR3214,则用理想放大器的分析方法可得：重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计9VVVVRRRVVBBBT24545124223RVVVRVVVRVVBoFBoFFf443134(3-4)由式（3-4）中的第二式可得)(51543VVVVoBfF（3-5）根据VVfT、式（3-4）中的第一式和式（3-5）可得VVofV34124（3-6）又直接从图中可知RIVfofV'24（3-7）由式（3-6）和（3-7）解得VVIfoO43'（3-8）若忽略反馈支路中的电流If和晶体管基极电流IB，则有'IIoo（3-9）进而有VVIfoO43（3-10）若5.62Rf，当Vo3=1-5V时，输出电流则为4-20mADC,其输入/输出的传递系数为2501。理论分析表明，晶体管基极电流IB一般可以忽略，但若忽略反馈支路中的重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计10电流If时则会产生较大的输出误差。由图可知，反馈支路中的电流If为：RVVIFff4（3-11）以mAIo4'时为例，Vf的值可由式（3-7）计算，即：VVVf75.23)5.6210424(3（3-12）而VF的值由式（3-4）中的VT计算，即：VVVVfT2.21)24541051(（3-13）将Vf、VF的值代入式（3-11），可得：mAmAIf225.010102.2175.233（3-14）可见If约占'IO的6.4%，忽略它将产生较大的输出误差。为了提高转换精度，应使RR21。可以证明，当25.40)(431RRRf时，便可精确地获得转换关系式（3-10）。通过上面的讨论，输入电路、PI运算电路、输出电路的传递函数都以获得，整个调节器结构框图如图3-3所示：iV21oVsKTsTnaDDD112oVsTKsTCCIIIMI11113oV2501oI图3-4调节器整机结构图其整机传递函数为：250111112)()()()(SSssssTKTCCVVIGIIIMIsioC重庆大学城市科技学院自动化仪表与过程控制课程设计113调节器的参数整定调节器的参数整定主要有工程整定法、最佳整定法和经验法三种。其中，工程整定法又有临界比例度法、衰减曲线