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1、1 目录目录 目录.1 1、题目.2 2、换热器概述.2 2.1 换热器的用途.2 2.2 换热器的工作原理及工艺流程图.2 3、控制系统.3 3.1 控制系统的选择.3 3.2 工艺流程图和系统方框图.3 4、被控对象特性研究.4 4.1 被控变量的选择 .4 4.2 操纵变量的选择 .4 4.3 被控对象特性 .5 4.4 调节器的调节规律的选择 .6 5、过程检测控制仪表的选用.7 5.1 测温元件及变送器 .7 5.2 执行器 .9 5.3 调节器 .10 5.4、仪表型号清单列表 .11 6、系统方块图.11 7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能.12 7.1 调节
2、控制参数.12 7.2 PID 参数整定及系统仿真.13 7.3 系统性能分析 .15 8、参考文献.16 2 1 1、题目题目 热交换器出口温度的控制。 2 2、换热器概述换热器概述 2.12.1 换热器的用途换热器的用途 换热器又叫做热交换器（heat exchanger） ，是化工、石油、动力、食品及其它许多工 业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热的目的主要有下列四种： .使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行；.生产过 程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行；.某些 工艺过程需要改变无聊的相态；.回收热量。 由于换热目
3、的的不同，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下，被控变量是温度， 为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、调节加热蒸汽量使工 艺介质出口温度恒定。对于不同的工艺要求，被控变量也可以是流量、压力、液位等。 2.22.2 换热器的工作原理及工艺流程图换热器的工作原理及工艺流程图 换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器 的管程和壳程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度， 通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换 热器的壳程。在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以
4、调节冷热流体的大小。 图 2 换热器温度控制系统工艺流程图 3 从传热过程的基本方程式可知，为了保证出口的温度平稳，满足工艺生产的要求，必须 对传热量进行调节，调节传热量有以下几条途径： 、调节载热体的流量。调节载热体流量大小，其实只是改变传热速率方程中的传热系 数 K 和平均温差Tm，对于载热体在加热过程中不发生相变的情况，主要是改变传热速率方 程的热系数 K；而对于载热体在传热过程中发生相变的情况，主要是改变传热方程中的 Tm。 、调节传热平均温差Tm。这种控制方案滞后较小反应迅速，应用比较广泛。 、调节传热面积 F。这种方案滞后较大，只有在某些必要的场合才采用。 、将工艺介质分路。该方案
5、是一部分工艺介质经换热,另一部分走旁路。 在设计传热设备自动化控制方案时，要视具体传热设备的特点和工艺条件而定。而在某 些场合，当被加热工艺介质的出口温度较低，采用低压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较大 时，为了保证温度控制平稳及冷凝液排除畅通，往往以冷凝器流量作为操纵变量，调节传热 面积，以保持出口温度恒定。 3 3、控制系统控制系统 3.13.1 控制系统的选择控制系统的选择 由于本次设计的任务控制换热器被加热物料出口温度，工艺过程主要就是冷热流体热交 换，且外来干扰因素主要是载热体的流量变化，故选择单回路控制系统便可以达到预定的控 制精度。 3.23.2 工艺流程图和系统方框图工艺流程图和
6、系统方框图 单回路控制系统又称为简单控制系统，是有一个被控对象、一个检测元件及变送器、一 个调节器和一个控制器所构成的闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资 少、便于施工，并能满足一般的一般生产过程的控制要求，因此在生产过程中得到广泛的应 用，其方框图如下图所示。 4 图 1、 单回路控制系统方框图 其中，被控变量：被加热物料的出口温度； 操纵变量：载热体的流量。 如图所示：测量元件及变送器对冷物料出口温度进行测量，得到测量值 Ym 并传送给调节器，调节 器把 Ym 与内部给定值 Ys 比较得到偏差信号 e 按一定的调节运算规律计算出控制信号，并将控制信 u 号传送给执行器，执行
7、器接收到控制信号 u，自动的改变阀门的开度，改变蒸汽的流量。 4 4、被控对象特性研究、被控对象特性研究 换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。通常它两侧的介质(工艺介质 和载热体)在换热过程中均无相变。换热器换热的目的是保证工艺介质加热(或冷却)到一定 温度。为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。 4.14.1 被控变量的选择被控变量的选择 影响一个生产过程正常操作的因素很多,但并非对所有影响因素都要进行控制.被控参数 是一个输出参数,应为独立变量,与输入量之间应有单值函数关系.对于换热器过程控制系统, 人们最关心的是对换热器中介质即冷流体的温度和压力的自
8、动控制与调节,而在这两项当中, 温度的自动调节又处于首位.因为出口水温直接影响产品质量、产量、效率及安全性,即本系 统把换热器出口水温作为被控参数. 4.24.2 操纵变量的选择操纵变量的选择 在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。 将出口温度维持在一定值，影响冷物料出口温度的有很多因素，比说冷物料的流量，载热体 的流量，载热体的温度等。冷物料是工艺所需要的，不能选用冷物料作为被控变量，而若选 5 载热体温度作为操纵变量，改变其温度还需改变其他工艺过程如锅炉的温度，考虑工艺合理 性，我选择对热流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。 4.34.3 被控对象特
9、性被控对象特性 换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这 个方案的控制流程图如图6。 图 6 换热器的温度控制系统工艺流程图 为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，热流体失去的热量应 该等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为： 1 1io22oi q=G c TTG cTT 1122 （-）（-） 式中，q 为传热速率（单位时间内传递的热量） ；G 为质量流量；c 为比热容；T 为温度。式 中的下标处 1 为载热体；2 为冷流体；i 为入口；o 为出口。 传热过程中的传热速率为： qKF T 式中，K 为传热系数；F 为传热面积；为两流体间
10、的平均温差。T 其中，平均温差对于逆流、单程的情况为对数平均值：T iooi12 1i1o1 22o2i TTTTTT T= TTT lnln TTT 1122 （-）-（-） 6 当时，其误差在 5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为： 1i1o 2o2i TT1 3 3TT i1ooi TTTT T 122 （-）+（-） 2 由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，因此有下列关系 22oi G cTTKF T 22 （-）= 整理后得 oi 22 KF T TT G c 22 从上式可以看出，在传热面积 F、冷流体进口流量、温度和比热容一定的情况 2 G 2
11、i T 2 c 下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数 K 以及平均温差。T 4.34.3 调节器调节规律的选择调节器调节规律的选择 调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差 e(t)进行比例(P)、 比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择调节器 的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生 产工艺对控制质量指标的要求。 比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量 较高，但最后有余差。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求 又不太高的场合，可选用比例控制作用。 比例控制规律(P)的微分方程数学模型为： ( )( ) p u te t k 比例积分(PI)控制规律，结合了比例控制反应快，积分控制能消除余差。但是当过程控 制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振 荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或 压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。 比例积分(PI)控制规律的微分方程数学模型为： 0 1
