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1、过程控制大作业1 确定被控对象我的课题是以加热器为被控对象，设计一个加热器出口水温控制系统。2 课题的背景和研究意义温度是工业对象中的主要被控参数之一，在工业企业中如何提高诸如电炉这样的温度控制对象的运行性能一直是现场技术人员努力解决的问题。温度控制对于大型工业控制、制冷和制热等工程具有广阔的应用前景。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID 控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制
2、变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。3 生产过程和工艺流程当前国内小型加热器一般分为两种类型，电加热式和燃油加热式。我选用立式盘管燃油式加热器为例，由燃油供给系统、鼓风系统、燃烧器、加热管、控制系统等组成。它的工艺流程如下：首先盘管加热器的受热面是一组盘管。给水从加热器的底部进入内盘管，水沿内盘管螺旋上升至加热器上部，随即进外盘管，水沿外盘管螺旋下降至加热器底部。水在内外盘管中受热，最后从加热器底部排出同时燃油对加热器进行加热，使加热器达到一定温度，这样就可以改变流过加热器盘管的水的温度，来控制出水口水温。4 分析被控对象特性，建立数学模型对于被控对象的特性，我选
3、择通过实验方法应用 Matlab 软件仿真出来并建立其数学模型。通过得出的实验数据确定被控对象的数学模型：。() =2 4.5 + 1 1.55 控制方案对于加热器出口水温的控制系统，我们可以选用水出口温度为被控参量，燃料流量为控制变量，来进行分析。同时该系统也属于温度控制系统，具有滞后较大、纯滞后时间较长、扰动幅值大、负荷变化频繁、剧烈等特点。对于动态特性复杂、存在多种扰动或扰动幅度较大，控制质量要求高的生产过程，用简单控制系统无法实现良好的性能，也满足不了工艺控制精度要求，而串级控制系统属于复杂控制系统，主要用于对象容量滞后较大、纯滞后时间较长、扰动幅值大、负荷变化频繁、剧烈的被控过程，所
4、以这时可以考虑用串级控制系统。系统的结构示意图如下：系统的控制方框图如下：工作原理：如果出现外部干扰，使稳态工况遭到破坏，串级控制系统立即开始控制工作。根据扰动施加点的位置不同，分 3 种情况：（1)扰动作用于副回路；（2)扰动作用于主过程；（3)扰动同时作用于副回路和主过程。在这里主要介绍第二种情况。假设此时燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)为稳定值，只有水流量 f1(t)、水入口温度 f2(t)对主回路产生干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象加热器内温度部分特性的时间常数大为缩短，加快了校正作用，可以及时的改变加热器内的温度，也使扰动对出口水温度影响很小。本系统
5、实现了加热器内温度的控制的功能，和实现了加热器出口水温控制的功能。6 被控变量，控制变量的选择被控主变量为出口水温，被控副变量为加热器内的温度，控制主变量为燃料阀的开度，控制副变量为给水阀的开度。7 器件的选择温度传感器采用温度传感器铂电阻 Pt1000。因为铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在 0100 摄氏度时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。温度变送器我选用热电阻温度变送器，热电阻温度变送器可对温度传感器传感器输出的热电阻温度信号 Pt100,Pt1000,Cu50 进行精确测量，经隔离，变送，传输，转换成标准备的模拟信号输出，
6、且精度高，量程，零点外部连续可调 ，稳定性能好。这两个组成检测与变送单元。控制器我选用的是模拟式控制器 DDZ-型仪表，因为模拟式控制器 DDZ-型采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，由于集成运放均为差分放大器，且输人对称性好，漂移小，并且集成运放有高增益，开环放大倍数很高，因此提高了仪表精度、稳定性和可靠性。执行器我选用的是气动调节阀，是由气压信号控制的阀门。因为其结构简单，可靠，维护方便，防火防爆。对于本系统，当系统刚刚启动，或控制信号中断时，此时无控制信号，应切断进加热器的燃料，要求无燃料给加热器加热，以免加热器温度过高造成事故。同样当系统有故障时，要求此时加热器内有水，即开大进水阀，免
7、得由于无水而使得燃料直接给加热器加热，而损坏或损毁加热器。因此在加热器的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全：给水阀应选气关式，而燃料阀应选气开式。对于副控制器，当水温上升时，加热器内温度大于设定值为正偏差，控制器输出要随着减小，故为反作用。对于主控制器，水温和加热器温度都上升时，因给水阀为气关型，燃料阀为气开型，要使两个变量都下降，两个阀调节方向一致，故为反作用。8 控制器设计控制规律：我所设计的加热器出口水温系统属于连续控制。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格，要求无余差，稳定性好，又因被控对象有滞后环节，所以，主调节器选用 PID 调节器。而控制副参数是为了提高主参数的
8、控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选 P 调节即比例控制器就可以了。控制参数整定：参数的整定我是在不断的实验试凑下完成的，实验试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度,边观察系统的运行,边修改参数,直到满意为止。首先将积分系数 KI 和微分系数 KD 取零,即取消微分和积分作用,采用纯比例控制。将比例系数 KP 由小到大变化,观察系统的响应,直至速度快,且有一定范围的超调为止。如果比例控制系统的静差达不到设计要求,这时可以加入积分作用。在整定时将积分系数 KI 由小逐渐增加,积分作用就逐渐增强,观察输出会发现,系统的静差会逐渐减少直至消除。反复试验几次,直
9、到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大,应适当的降低一点比例系数 KP。若使用比例积分(PI)控制器经反复调整仍达不到设计要求,或不稳定,这时应加入微分作用,整定时先将微分系数 KD 从零逐渐增加,观察超调量和稳定性,同时相应地微调比例系数 KP、积分系数 KI,逐步使凑,直到满意为止。经过以上步骤的整定，得出比较合适的 PID 参数，P=2.3，I=3.93，D=1.1259 系统调试与仿真10 结果与展望仿真显示水温可以稳定的控制在设定温度。展望：加热器原理的核心的是能量转换，最广泛的就是电能转换成热能。比如电加热器，利用金属在交变磁场中产生涡流而使本身发热吸收。又如光能能转换成热能；比如太阳能热水器，吸收太阳光辐射热能和太阳光光能（光电效应）转换成热能两者兼有。生物能是以生物为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用。研究新型的能源，并开发出相应的技术进行转换是将来的研究方向，并且探索如何将加热器更加高效的应用和拓展应用的领域也是未来发展的重点。
