1、中北大學課程設計說明書目錄目錄 .11、概述.31.1 設備的分類.31.2 換熱設備的換熱目的.31.3 換熱器的組成.31.4 換熱器的工作原理.42、被控對象特性研究.52.1 被控變量的選擇.52.2 操縱變量的選擇.52.3 被控對象特性.5 2.4 目前換熱器的控制方法.123.控制方案的選擇 .133.1主回路的設計 .163.2副回路的設計 .163.3主副調節器規律選擇.163.4主副調節器正反作用方式確定.164、過程檢測控制儀表的選用.174.1 測溫元件流量計及變送器.174.2 調節器.194.3 執行器.194.4、儀表型號清單列表.195、調節控制參數、進行參數整

2、定及系統仿真及分析系統性能.205.1調節控制參數.205.2 PID參數整定及系統仿真.215.3 系統性能分析.246、課程設計結論.257、考文獻.271.概述使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備稱為換熱設備。換熱器又叫做熱交換器（heat exchanger），是化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位1在海水淡化工業生產當中，幾乎全部設備都是由換熱器組成的。換熱器的先進性、合理性和運轉的可靠性直接影響產品的質量、數量和成本。1.1設備的分類 根據不同的使用目的，換熱器可以分為四類：加熱器、冷卻器、蒸發器、冷凝器。按照傳熱原理和實現熱交換的形式不同可以分為間

3、壁式換熱器、混合式換熱器、蓄熱式換熱（冷熱流體直接接觸）、有液態載熱體的間接式換熱器四種。在石油、化工生產中間壁式換熱器應用的最為廣泛。按冷、熱流體進行熱量交換的形式分為兩類：一類是在無相變情況下的加熱或冷卻，另一種是在相變的情況下的加熱或冷卻。按傳熱設備的 結構形式來分，則有列管式、蛇管式、夾套式和套管式等2 。衡量一臺換熱器好壞的標準是傳熱效率高，流體阻力小，強度足夠，結構合理，安全可靠，節省材料，成本低，制造、安裝、檢修方便。 1.2換熱設備的換熱目的在煉油的化工生產中，換熱器設備應用極其廣泛。進行換熱的目的主要有下列四種：.使工藝介質達到規定的溫度，以使化學反應或其他工藝過程很好的進行

4、；.生產過程中加入吸收的熱量或除去放出的熱量，使工藝過程能在規定的溫度范圍內進行；.某些工藝過程需要改變無聊的相態；.回收熱量。由于換熱目的的不同，其被控變量也不完全一樣。在大多數情況下，被控變量是溫度，為了使被加熱的工藝介質達到規定的溫度，常常取出溫度問被控溫度、調節加熱蒸汽量使工藝介質出口溫度恒定。對于不同的工藝要求，被控變量也可以是流量、壓力、液位等。1.3 換熱器的組成有換熱器出口溫度控制系統流程圖1可以看出系統包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級離心泵、變頻器、渦輪流量傳感器、溫度傳感器等設備。根據控制系統的復雜程度，可以將其分為簡單控制系統和復雜控制系統3。溫度控制過程有如下特點：

5、換熱器溫度控制系統是由溫度變送器、調節器、執行器和被控對象（出口溫度）組成閉合回路。被調參數（換熱器出口溫度）經檢驗元件測溫并由溫度變送器轉換處理獲得測量信號，測量值與給定值的差值的送入調節器，調節器對偏差信號進行運算處理后輸出控制作用。1.4 換熱器的工作原理換熱器的溫度控制系統換熱器工作原理工藝流程如下：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，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，通過循環泵流經換熱器的管程，出口溫度穩定在設定值附近。冷流體通過多級離心泵流經換熱器的殼程，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環使用。在換熱器的冷熱流體進口處均設置一個調節閥，可以調節冷

6、熱流體的大小。在冷流體出口設置一個電功調節閥，可以根據數入信號自動調節冷流體流量的大小,多級離心泵的轉速由變頻器來控制4。圖1 換熱器溫度控制系統工藝流程圖從傳熱過程的基本方程式可知，為了保證出口的溫度平穩，滿足工藝生產的要求，必須對傳熱量進行調節，調節傳熱量有以下幾條途徑：(1) 調節載熱體的流量。調節載熱體流量大小，其實只是改變傳熱速率方程中的傳熱系數K和平均溫差Tm，對于載熱體在加熱過程中不發生相變的情況，主要是改變傳熱速率方程的熱系數K；而對于載熱體在傳熱過程中發生相變的情況，主要是改變傳熱方程中的Tm。(2) 調節傳熱平均溫差Tm。這種控制方案滯后較小反應迅速，應用比較廣泛。(3)

7、調節傳熱面積F。這種方案滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。(4) 將工藝介質分路。該方案是一部分工藝介質經換熱,另一部分走旁路。在設計傳熱設備自動化控制方案時，要視具體傳熱設備的特點和工藝條件而定。而在某些場合，當被加熱工藝介質的出口溫度較低，采用低壓蒸汽作載熱體，傳熱面積裕量又較大時，為了保證溫度控制平穩及冷凝液排除暢通，往往以冷凝器流量作為操縱變量，調節傳熱面積，以保持出口溫度恒定3。設計一個控制系統，首先應對被控對象做全面的了解。除被控對象的動靜態特性外，對于工藝過程、設備等也需要比較深入的了解；在此基礎上，確定正確的控制方案，包括合理選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送原件及

8、檢測位置，選用恰當的執行器、調節器以及調機器控制規律等；最后將調節器的參數整定到最佳值。2、被控對象特性研究換熱器是傳熱設備中較為簡單的一種，也是最常見的一種。通常它兩側的介質(工藝介質和載熱體)在換熱過程中均無相變。換熱器換熱的目的是保證工藝介質加熱(或冷卻)到一定溫度。為保證出口溫度平穩，滿足工藝要求，必須對傳遞的熱量進行調節。2.1 被控變量的選擇被控變量是生產過程中希望保持在定值或按一定規律變化的過程參數。在換熱器出口溫度串級回路控制系統設計中，選擇出口溫度作為被控變量，因為我們要得到流體穩定的出口溫度。2.2 操縱變量的選擇在控制系統中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變

9、量就是操縱變量。將出口溫度維持在一定值，主要是對冷熱流體間傳遞的熱量進行控制，有控制載熱體流量、工藝介質的旁路流量、傳熱面積等多種方式。考慮工藝合理性，我選擇對冷流體流量進行控制，保證出口溫度的穩定。2.3 被控對象特性換熱器系統在連續生產中，其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分析，這個方案的控制流程圖如圖2。 圖2 換熱器的溫度控制系統工藝流程圖在本文中，以列管式逆流單程換熱器進行分析，令為熱流體的流量，為冷流體流量。分別為熱流體和冷流體的入口溫度，分別為熱流體和冷流體的出口溫度，而分別為熱流體和冷流體的比熱容2。靜態特性分析：對象的靜態特性就是要確定之間的函數關系。靜態特性的求得

10、，可以作為控制方案設計時系統的擾動分析。靜態放大系數也能作為系統整定分析，以及控制閥流量特性選擇的依據。靜態特性推導的兩個基本方程式一熱量平衡關系式及傳熱速率方程式為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，則熱流體失去的熱量應該等于冷流體吸收的熱量，熱量平衡方程為 （1-1）式中，為傳熱速率(單位時間內傳遞的熱量)；為質量流量；為比熱容；為溫度。式中的下標處 1 為載熱體；2 為冷流體；為入口；為出口。另外，傳熱過程中的為傳熱速率為 （1-2）式中，為傳熱系數；為傳熱面積；為兩流體間的平均溫差。其中平均溫差對于逆流、單程的情況為對數平均值 （1-3）在，其誤差在5%以內，可采用算數平均值來代替。

11、算術平均值為： （1-4）對上述公式進行整理后得到： （1-5）上式為逆流、單程列管式換熱器靜態特性的基本表達式。其中各通道的靜態放大倍數均可由此式推出：(l)熱流體入口溫度對出口溫度的影響，即通道的靜態放大倍數。對上式進行增量化，令，則可得: （1-6） 由式可求得通道的靜態放大倍數為: （1-7）該式表明，與之間為線性關系，其靜態放大倍數為小于1的常數。（2）冷流體入口溫度對熱流體出口溫度的影響，即通道的靜態放大倍數。同樣對式（1-5）進行增量化，令，可得: （1-8）（1-8）式表明，之間也為線性關系。（3）熱流體流量對其出口溫度的影響，即通道的靜態放大倍數，通過對式（1-5）進行求導，

12、求取靜態放大倍數為: （1-9）由上式（1-9）可見，通道的靜態特性是一個非線性關系。從上式很難分清兩者之間的關系，因此，常用下圖來表示這個通道的靜態關系。可以看出，當較大時，曲線呈飽和狀，此時的變化，從靜態來看，對的影響微弱了。 (4) 冷流體流量對熱流體出口溫度的影響即通道的靜態放大倍數。同樣可通過對式(1-5)求導，其結果與式（1-9）相似，兩者為一復雜的非線性關系。為此，也用圖來表示這個通道的靜態關系。圖2表示了這個關系，可以看出，當較大時，曲線呈飽和狀，此時的變化，從靜態來看，對的影響已經很小了。動態特性分析：換熱器由于兩側都不發生相變化，一般均為分布參數對象。分布參數對象中輸出(即

13、被控變量)既是時間的函數，又是空間的函數，其變化規律需用偏微分方程來描述。現說明列管式換熱器動態特性的建立方法。為便于分析，對該管式換熱器作如下假設:1、間壁的熱容可以忽略;2、流體1和流體2均為液相，而且是層層流動;3、傳熱系數K和比熱容c為常數;4、同一截面上的各點溫度相同。 建立分布參數對象的數學模型，同樣是從熱量動態平衡方程入手，但這時必須取微元來分析問題，并假設這一微元中各點溫度相同。先分析流體1的熱量動態平衡問題。取長度為的圓柱體為微元，這一微元的熱量動態平衡方程可敘述為：（單位時間內流體1帶入微元的熱量)一(單位時間內流體1離開微元所帶走的熱量)+(單位時間內流體2傳給流體1微元

14、的熱量)=流體1微元內蓄熱量的變化率，即 （1-10）式中，為換熱器的總長度;內管的圓周長;微元的表面積;流體1單位長度的流體質量; 微元體的質量消去方程式中的，并適當的整理，得： （1-11） 同理，可得流體的熱量動態平衡方程式 （1-12）時間和空間的邊界表達式為： （1-13） 上述兩個方程式（1-11）和（1-12）及其邊界條件（1-13）就是描述列管式換熱器行為的動態方程。要對這樣的動態方程進行精確的解析求解是很困難的。通常為了便于計算機實時控制和現代控制理論的應用，可以采用時間、空間離散化的方法，將上述連續偏微分方程轉換成相應的離散狀態空間模型。為了能說明傳熱對象的動態特性的基本規

15、律，也可近似應用一些經驗公式來描述。對于換熱器的動態特性，可以用下面的近似關系式來表示。(l)熱流體入口溫度，冷流體入口溫度對熱流體出口溫度的影響，即，的通道特性。如用傳遞函數來描述，可為: （1-14）式中：K各通道的靜態放大倍數;分別為換熱器的容量和冷流體的流量;拉普拉斯運算子符號。(2)熱流體流量、冷流體流量對熱流體出口溫度的影響，即通道特性。如用傳遞函數來描述，可為: （1-15） 式中:K各通道的靜態放大倍數； （1-16） （1-17） 分別為熱流體和冷流體的儲存量和流量。由式（1-15）看出，過程通道的動態特性均可近似為帶有純滯后的二階慣性環種近似關系可以這樣理解，要從熱流體把熱

16、量傳遞到冷流體，必須先由熱流體傳給間壁，然后再由間壁傳給冷流體，這樣就成為二階慣性環節。此外，還考慮了由于停留時間所引起的純滯后。式（1-15）為一個近似的經驗表達式，因為二階環節的兩個時間常數不不僅取決于兩側流留時間，而且與列管的厚度、材質、結垢等情況有關，但是，這個式子一定程度上描述了換熱器動態特性的內在性質。在熱器出口溫度控制系統中，熱流體流量不發生變化，冷流體和熱流體表示冷水和熱水。換熱器熱流體進出口溫度差在附近，冷流體進出口溫差在30左右。假設熱流體溫度由80降低到40，則根據以下數據:水的比熱水的密度取971.9，40時水的密度為992.2;換熱器冷卻面積殼體長度;熱流體流量;冷流

17、體流量;根據式經驗公式（1-15）可求得換熱器動態特性的基本規律，由式（1-9）求出增益K為:故換熱器溫度控制的數學模型為: （1-18）由上式可以看出系統的滯后時間常數為11.85s，換熱器出口溫度控制系統是慣性和時間滯后均較大的系統。2.4目前換熱器的控制方法換熱器是傳熱設備中較為簡單的一種，也是最常見的一種。通常它兩側的介質(工藝介質和載熱體)在換熱過程中均無相變。換熱器換熱的目的是保證工藝介質加熱(或冷卻)到一定溫度。為保證出口溫度平穩，滿足工藝要求，必須對傳遞的熱量進行調節。調節熱量有以下幾種方式1。1) 控制載熱體流量由于冷流體的傳熱符合熱量平衡方程式，又符合傳熱速率方程式，通過對

18、換熱器靜態特性分析部分的內容，因此有下列關系 （1-19）整理后得 （1-20）當從上式可看出，在傳熱面積、冷流體進口流量 、溫度 和比熱容 一定的情況下，影響冷流體出口溫度 的因素主要為傳熱系數及平均溫差。控制載流體流量實質上是改變。若由于某種原因使降低，控制器 TC 將使控制閥門增大，載熱體流 量增加，傳遞的熱量增加，這就必然導致冷熱流體平均溫差升高，從而使工藝介質 的出口溫度增加。載熱體流量增加，一方面使溫差增加，另一方面傳熱系統數也會增加，但在通常情況下傳熱系統數變化不大，所以經常忽略。因此這種方案實質上是通過改變來控制工藝介質的出口溫度的。改變載熱體流量是應用最為普遍的控制方案，多適

19、用于載熱體流量的變化對溫度影響較靈敏的場合。當載熱體流量已經變得很大， 較小時，進入飽和區控制就很遲迍，此時不宜采用此方案。2) 控制載熱體旁路流量 當載熱體本身也是一種工藝物料，其流量不允許變化時，可采用此控制方案。它的控制原理也是利用改變溫差的手段來達到溫度控制的目的。這里采用三通控制閥來改變進入換熱器的載熱體流量與旁路流量的比例，這樣既可以改變進入換熱器的載熱體流量，又能保證載熱體總流量不受影響。3) 工藝介質的旁路控制當工藝介質的流量允許變化，而且換熱器的傳熱面有富余時，可將工藝介質的一部分經換熱器，其余部分由旁路直接流到出口處，然后將兩者混合起來控制溫度。該控制方案中被控變量是冷流體

20、和熱流體混合后的溫度，熱流體溫度大于設定溫度，冷流體溫度小于設定溫度，通過控制冷熱流體流量的配比，使混合 后的溫度等于設定溫度。從控制原理上來看，這種方案實際上是一個混合過程。所以反應及時，過程的滯后并不直接顯示出來，適用于停留時間較長的換熱器。但需注意的是換熱器必須有較大余量的傳熱面積，且載熱體一直處于最大流量，因此在通過換熱器的被加熱 介質流量較小時就不太經濟。考慮經濟性，旁路的流量通常占總流量的 10%30%。4) 控制傳熱面積從傳熱速率方程 來看，使傳熱系數 和傳熱平均溫差 基本保持不變，調節傳熱面積可能改變傳熱量，從而達到控制出口溫度的目的。此時調節閥裝在冷凝液的排出管線上。如果被加

21、熱物料出口溫度高于給定值，說明傳熱量過大，可將 冷凝液控制閥關小，冷凝液就會積累起來，減少了有效的蒸汽冷凝面積，從而使傳熱量減 少，工藝介質出口溫度就會降低。反之，如果被加熱物料出口溫度低于給定值，可將冷凝 液控制閥開大，增大傳熱面積，使傳熱量相應增加。3、控制方案的選擇根據控制系統的復雜程度，可以將其分為簡單控制系統和復雜控制系統。其中在換熱器上常用的復雜控制系統又包括串級控制系統和前饋控制系統。對于控制系統的選取，應當根據具體的控制對象、控制要求，經濟指標等諸多因素，選用合適的控制系統。以下是通過對換熱器過程控制系統的分析，確定合適的控制系統。換熱器的溫度控制系統工藝流程冷流體和熱流體分別

22、通過換熱器的殼程和管程，通過熱傳導，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，通過循環泵流經換熱器的管程，出口溫度穩定在設定值附近。冷流體通過多級離心泵流經換熱器的殼程，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環使用。在換熱器的冷熱流體進口處均設置一個調節閥，可以調節冷熱流體的大小。在冷流體出口設置一個電功調節閥，可以根據輸入信號自動調節冷流體流量的大小。多級離心泵的轉速由便頻器來控制。 換熱器過程控制系統執行器的選擇考慮到電動調節閥控制具有傳遞滯后大，反應遲緩等缺點，根具離心泵模型得到通過控制離心泵轉速調節流量具有反應靈敏，滯后小等特點，而離心泵轉速是通過變頻器調節的，因此，本系統中采用變

23、頻器作為執行器。 首先考慮單回路系統，但控制系統中可以看出，從冷流體管路閥門或離心泵轉速變化到熱流體出口溫度改變，在這中間要相繼通過冷流體流量變化，換熱器熱交換速率變化，熱流體出口溫度變化等一系列過程，因此整個控制通道的容量滯后大、時間常數大、這就導致控制系統的控制作用不及時、最大偏差大、過度時間長、抗干擾能力差、控制精度降低。而工藝上對出口溫度要求比較嚴格，一般希望波動范圍不超過+-（1%2%）。根據大量的工程實踐經驗和實驗的結果證明，采用單回路控制系統是達不到要求的，必須尋求其他控制方案。 分析各種影響熱器出口溫度的因素，除了熱流體的流量和溫度外，冷流體的流量、閥門的開度等因素和進入系統的

24、位置，首先影響冷流體的流量，而后經過換熱器從而影響影響熱流體的出口溫度。如果以冷流體流量為被控變量，輸送冷流體的離心泵轉速為操縱變量，夠成單回路控制系統，則該控制系統的通道的容量滯后大大減少，對來自離心泵的轉速、閥門開度變化等干擾能及時克服，減少他們對熱流體出口溫度的影響。但是很顯然，熱流體的流量和溫度的變化沒有包含在內，同時系統也沒有對熱流體出口溫度構成閉環控制，因此，仍然不能保證出口溫度穩定在設定值上，還需進行改造。 為了解決上述滯后時間和控制要求之間的矛盾，保持熱流體的出口溫度穩定，可以根據管路冷流量的變化，先調節離心泵的轉速，然后再根據熱流體出口溫度與設定值之間的偏差，根據合適的控制算

25、法，進一步調節流體的流量，以保持出口溫度的穩定，這樣組成流體出口溫度調節器和流體流量調節器串聯起來的串級控制系統。其方塊圖如下圖所示：系統框圖：圖5串級控制系統原理圖工藝流程圖：圖6工藝流程圖根據圖5可看出來自冷流體流量方面干擾因素包括副回路內，因此可大大減少這些擾動因素對于熱流體出口溫度影響。對于熱流體流量和溫度方面的干擾，采用串級控制系統可以得到改善，具體控制效果明顯改善。綜上對串級控制系統方案的基本參數進行確定：主回路：熱流體出口溫度冷流體流量控制回路副回路：冷流體流量離心泵轉速控制回路主變量：換熱器出口溫度副變量：冷流體流量主檢測變送器：鉑電阻溫度傳感器副檢測變送器：渦輪流量傳感器執行

26、器：變頻器3.1主回路設計換熱器溫度串級控制系統是以工藝介質出口溫度為主要被控參數的控制系統。溫度調節器對被控參數精確控制與溫度調節器對介質干擾的及時控制相結合，先根據換熱器出口溫度的變化，改變介質量，快速消除干擾；然后再根據工藝介質出口溫度與設定值的偏差，改變溫度調節器的設定值，進一步調節介質量，使出口溫度恒定，達到溫度控制的目的 3.2副回路設計副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數。工藝料由于其成分和流量變化，對控制過程產生極大干擾。所以，對于冷卻器我們選擇冷流體的流量為串級控制系統的輔助被控參數。串級系統中，通過調整副參數流量能夠有效地影響主參數出口溫度，提高了主參數的控制效

27、果。3.3 主副調節器規律選擇 在串級控制系統中，主、副調節器所起的作用不同。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用，這是選擇調節器規律的基本出發點。在換熱器溫度串級控制系統中，我們選擇出口溫度為主要被控參數，介質料溫度影響產品生產質量，工藝要求嚴格，又因為換熱器串級控制系統有較大容量滯后，所以，選擇PID調節作為住調節器的調節規律控制副參數是為了保證和提高主參數的控制質量，對副參數的要求一般不嚴格，可以在一定范圍內變化，允許有殘差，無明顯滯后，所以我們的負調節器調節規律選擇PI控制。3.4主副調節器正反作用方式確定由生產工藝安全考慮，燃料調節閥應選氣開方式，這樣保證系統出現故障時調節

28、閥處于全關狀態，確保設備安全，調節閥的Kv0。主調節器作用方式確定：出口溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程Ko10。為保證主回路為負反饋，各環節放大系數成績必須為正，所以負調節器的放大系數K10，主調節器作用方式為反作用。又為保證副回路是負反饋，各環節放大系數乘積必須為正，所以負調節器大于0，負調節器作用方式為反作用方式。4、過程檢測控制儀表的選用4.1.溫度的測量選擇裝配式熱電偶如圖7所示 圖7裝配式熱電偶熱電偶公稱壓力：一般是指在工作溫度下保護管所能承受的靜態外壓而破裂。 熱電偶最小插入深度：應不小于其保護套管外徑的810倍（特列產品例外） 絕緣電阻：當周圍空氣溫度為1535，相對濕

29、度80時絕緣電阻5兆歐（電壓100V）。具有防濺式接線盒的熱電偶，當相對溫度為93± 3 時，絕緣電阻0.5兆歐（電壓100V） 溫度變送器:選擇通用型智能溫度變送器如圖8所示圖8通用型智能溫度變送器性能簡介 輸入單路或雙路熱電偶、熱電阻信號，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號，并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。技術特點本產品采用了先進的數字化技術，具備了傳統模擬儀表所不具備的多項先進性能，在對高、低頻干擾信號的抑制方面均有著優異表現，即使在大功率變頻控制系統中依然能夠可靠應用，同時，數字化技術的應用徹底克服了傳統溫度變送器線性差的缺點，內部采用數字化調校、無零點及

30、滿度電位器、自動動態校準零點、溫度飄移自動補償等諸多先進技術，并符合IEC61000-4-4:1995中所規定的第四類(惡劣工業現場)環境對產品的抗電磁干擾要求,這一系列技術的應用使產品的穩定性及可靠性得到科學的保證。流量傳感器選用SKLUCB型插入式渦街流量計5圖9 SKLUCB型插入式渦街流量計因為此換熱器控制系統的兩流體均為液體，且換熱器管徑較大，則根據過程檢測技術及儀表第二章第五節流量檢測選用渦街流量計，插入式渦街流量傳感器適用口徑范圍為350-1200mm,所以選用KTLUI型插入式渦街流量計儀表特點1、可測量蒸汽,氣體,液體的體積流量和質量流量； 2、無機械運動部件,測量精度高,結

31、構緊湊維護方便；3、壓力損失小,量程范圍寬；范圍度達1:25； 4、采用消擾電路和抗振傳感頭； 5、采用消擾電路和抗振傳感頭，使儀表具有一定抗環境振動性能； 6、可測介質溫度達+250。 7、可實現不斷流拆裝傳感器，可實現放大器與傳感器分離（分離距離15m）；4.2調節器選用SK808/900系列智能PID調節儀如圖10所示圖10 SK808/900系列智能PID調節儀4.3調節閥選用電動三通合流（分流）調節閥 如圖10所示ZAZQ（X）型電動三通合流（分流）調節閥有合流和分流二種型式，由DKZ電動執行機構和三通合流或三通分流調節組成，以電源為動力，接受統一的標準信號010mA DC或4-20

32、mA Dc驅使閥門開度與此操作信號相對應。合流閥的作用是將一種流體分成兩路流體。分流合流閥只能對應選用，但當DN80時，和流閥可用于分流場合。可替代兩臺單、雙座調節閥，節省投資，占據空間小。三通調節閥通常用于熱交換器的兩種介質調節，及簡單的配比調節6。圖11動三通合流（分流）調節閥4.4儀表清單1.、裝配式熱電偶2、通用型智能溫度變送器3、SKLUCB型插入式渦街流量計4、SK808/900系列智能PID調節儀如圖5、電動三通合流（分流）調節閥5、調節控制參數，進行參數整定及系統仿真，分析系統性能5.1調節控制參數（1）變送測量環節假設流量測量儀表處理后為線性單元：動態滯后忽略則有： 而溫度環

33、節可用一階環節代替， 式中Ktm與Kqm分別與測量的儀表的量程有關；T10為流量測量環節的時間常數，單位為分(min)。在實際過程中這些參數基本不變。假設流量儀表的量程0-有=10%/（T/hr）t/h，溫度儀表的量程為100-200攝氏度。所以：Kqm=10%,Ktm=1%（2）執行器/調節閥假設控制閥為近似線性閥，其動態滯后忽略, （3）被控對象對于流量對象，假設控制通道與擾動通道的動態特性可表示為： ，擾動忽略式中K2通常在一定范圍內變化，假設K2=0.05-0.2.而pv的變化范圍是（-0.1-+0.1）；對于溫度對象，假設控制通道與擾動通道的動態特性可表示為： 對應的對象模型參數分別

34、取值為： 5.2 PID參數整定及系統仿真在MATLAB中的Simulink工具箱組件中進行系統的仿真7，所搭建的系統模型如下所示。為了便于說明串級控制系統的PID的整定過程為：先進性副控制器的參數整定，再在副回路閉合的前提下，進行主控制器的參數整定。對于本設計的系統中的副回路控制器，其廣義對象明顯的純滯后，無法用響應曲線法或臨界比例度法來整定PID，本設計采用經驗整定法。圖12 系統仿真圖副回路：（1）首先設定流量控制器PID的參數初始值為：式中，Kp為副回路廣義對象的穩態增益；Tp為副回路廣義對象的一階時間常數。圖12 副回路參數整定設置初始值圖像（2）在根據設定值跟蹤速度的快慢，調整控制

35、器增益Kc直到滿意為止。最后流量控制器的PID參數最后選取為：Kc=4,Ti=1.5,Td=0.如圖：圖13 副回路整定圖主回路：PID參數初始值Kc=1，Ti=0.2，Td=0，未整定之前系統的輸出曲線為：圖14 系統從動回路輸出響應曲線由上圖可看出，響應曲線不符合4:1衰減振蕩，所以需要進行參數整定。PID參數整定：PID參數整定方法就是確定調節器的比例系數Kp、積分時間Ti和微分時間Td，改善系統的靜態和動態特性，使系統過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。一般可以通過理論計算確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比例度法和響應曲線法。此次參數整定選用

36、臨界比例度法，這種整定方法是在閉環的情況下進行的。首先將控制器的積分作用和微分作用全部切除，將比例增益Kc由小到大變化，對于每一個Kc值做小幅度的設定值階躍變化，以獲得臨界情況下的等幅振蕩，按照下表的經驗算式求取控制器的最佳參數值。表1 臨界比例度法整定參數控制規律KcTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu(1) 去除積分時間和微分時間，設定PID參數為：Kc=1，Ti=0，Td=0圖15 系統從動回路輸出響應曲線（2）將KC由小到大變化，得到臨界情況下的等幅振蕩當Kc=6.1時，響應曲線近似為等幅振蕩，如圖16所示。得到特征參

37、數分別為：Kcmax=2.7，PU=30根據表1，冷流體流量控制器選用PID控制規律，所以PID參數分別為：Kc=0.5×2.7=1.62， Ti=0.5×30=15 0.12×30=3.6圖16 近似等幅振蕩（Kc=2.7）（3）PID參數整定完成后的響應曲線，如下圖：圖17 出口溫度串級控制系統設定值跟蹤響應由圖可得，響應曲線為接近4：1衰減振蕩曲線，整定參數較理想5.3系統性能分析1衰減振蕩的過渡過程是人們所希望得到的一種穩定過程，它能使被控變量在受到干擾作用后重新趨于穩定，并且控制速度快、回復時間短。下面將以階躍響應曲線形式表示的質量指標進行分析,由圖17

38、仿真圖可得: 最終穩態值C=1，B=0.4 B=0.1(1) 衰減比衰減比表示振蕩過程的衰減程度，是衡量過渡過程穩定程度的動態指標。它等于曲線中前后兩個相鄰波峰之比:,n>1則過程是衰減的，n越大衰減越快。 (2) 最大動態偏差最大動態偏差指的是在單位階躍擾動下，最大振幅與最終穩態值之和的絕對值。A=|B+C|=1+0.4=1.4(3) 超調量在隨動控制系統中，超調量是一個反映超調情況和衡量穩定程度的指標。式中，C表示最終穩態值與其初值的差(4) 調節時間調節時間是從過渡過程開始到結束所需的時間。過渡過程要絕對地達到新的穩態，理論上需要無限長的時間。一般認為當被控變量進入新穩態值附近 或 以內的區域，并保持在該區域內時，過渡過程結束，此時所需要的時間為調節時間，其是反應系統快速性的指標。調節時間t