1、管式加熱爐溫度溫度串級控制系統1設計意義及要求1.1設計意義管式加熱爐是石油工業中重要裝置之一，加熱爐控制的主要任務就是保證工藝介質最終溫度達到并維持在工藝要求范圍內，由于其具有強耦合、大滯后等特性，控制起來非常復雜。同時，近年來能源的節約、回收和合理利用日益受到關注。加熱爐是冶金、煉油等生產部門的典型熱工設備，能耗很大。因此，在設計加熱爐控制系統時，在滿足工藝要求的前提下，節能也是一個重要質量指標，要保證加熱爐的熱效率最高，經濟效益最大。另外，為了更好地保護環境，在設計加熱爐控制系統時，還要保證燃料充分燃燒，使燃燒產生的有害氣體最少，達到減排的目的。1.2設計要求1）本課程設計題目為加熱爐溫

2、度溫度串級控制系統設計，課程設計時間為2周；學生對選定的設計題目所涉及的生產工藝和控制原理進行介紹，針對具體設計選擇相應的控制參數、被控參數以及過程檢測控制儀表，并畫出控制流程圖及控制系統方框圖。2）課程設計說明書按學校“課程設計工作規范”中的“統一書寫格式”撰寫，具體包括： 目錄； 摘要； 生產工藝和控制原理介紹； 控制參數和被控參數選擇； 控制儀表及技術參數； 控制流程圖及控制系統方框圖； 總結與展望；（設計過程的總結，還有沒有改進和完善的地方）； 課程設計的心得體會（至少500字）； 參考文獻（不少于5篇）； 其它必要內容等。2方案論證2.1方案選擇管式加熱爐加熱爐的工作原理如圖1所示。

3、要加熱的冷物料從左端的管口流入管式加熱爐，而燃料從右端的管口流入管式加熱爐的燃燒部分，以供熱。經加熱的物料從右上端物料出口溫度的管口流出，物料出口溫度為被控參數。燃料物料入口管式加熱爐圖1 管式加熱爐工作原理圖分析管式加熱爐的工作過程可知，物料出口溫度受進入管式加熱爐的物料初始溫度，物料進入的流量（即物料入口的壓強），進入管式加熱爐的燃料的流量（也即燃料入口壓強），燃料的燃燒值等因素的影響。其中物料進入的流量（即物料入口的壓強）和進入管式加熱爐的燃料的流量（也即燃料入口壓強）是影響物料出口溫度的主要因素。如果采用單回路控制系統，根據操作量的選取原則，我們可以在物料入口處裝上一個調節閥，以控制物

4、料進入的流量；對于進入管式加熱爐的燃料的流量，可以使它保持某一恒定值。或在燃料的入口處安裝一個調節閥，以控制進入管式加熱爐的燃料的流量；對于進入管式加熱爐的物料的流量，則可以使它保持某一恒定值。而調節閥的開度大小由安裝在物料出口處的溫度傳感器輸出的大小間接控制。它雖然結構簡單，實現方便；但不符合生產工藝的要求。因為如果將物料的進入流量進行限定后，則日生產總量也被限定。這顯然不符合實際的工業生產情況。在此基礎上進行一點改進不對另一個量進行限制。基于對燃料進入量進行控制的管式加熱爐單回路溫度控制系統原理圖如圖2所示。燃料管式加熱爐物料入口物料出口溫度圖2 管式加熱爐單回路溫度控制系統原理圖如圖2所

5、示的單回路溫度控制系統初看起來是可行的。而且它的結構簡單，所需的器材少，投入小。也符合工業設計的經濟原則。但考慮到實際的被控對象管式加熱爐是一個大慣性系統，該方案實際上是行不通的。在如圖2所示的方案中，物料進入管式加熱爐的流量變化和燃料入口壓強的變化是一個對對被控量物料出口溫度影響比較大的干擾。假如流入管式加熱爐的物料突然減少而燃料入口處的壓強突然增大，由于物料在爐膛內的加熱是一個過程（存在一個較大的時間滯后），同時加熱的物料經過爐膛內蜿蜒曲折的管道（用以實現物料的加熱）流出加熱爐也存在一個較大的滯后時間。經過較長時間滯后，才開始相應的調節顯然是無法達到工藝要求的使物料出口溫度只在內波動。而串

6、級控制系統通常適用用于工業上一些有較大容量滯后或較大純滯后的過程，有必物料出口溫度要選擇串級控制系統對管式加熱爐的溫度控制。串級控制的原理圖如圖3所示。燃料管式加熱爐物料入口圖3 溫度串級控制系統原理圖在如圖3所示的溫度串級控制系統中，物料入口流量的變化和燃料入口壓強的變化是影響物料出口溫度的主要因素，而且它們對物料出口溫度的影響存在較大的時間滯后通過對管式加熱爐的工作原理的分析可知，前者的時間滯后來源與物料在管道中流動的時間；而后者的時間滯后來源于前者的滯后時間加上管壁的熱傳遞滯后時間。即后者作用滯后時間要大于前者的滯后時間。這種較大的滯后時間是給控制帶來麻煩的關鍵因素。那么減小或盡量消除這

7、種較大的時間滯后成為控制系統設計的核心問題。由工業生產工藝決定了由管道產生的時間滯后無法消除，而由爐膛和管壁產生的時間滯后可以盡量減小。故可以選擇物料出口溫度作為主變量，爐膛溫度作為副變量，構建串級控制系統。其原理圖如圖3所示，方框圖如圖4所示。圖4 溫度串級控制系統原理方框圖2.2溫度串級控制系統分析在圖4所示的溫度串級控制系統中，由副控制器，調節閥，爐膛，溫度變送器2構成溫度控制系統的副環（內環）。它將主控制器的輸出作為給定信號，跟隨信號X2；它的輸出信號直接控制燃料進入調節閥的開度，從而控制爐膛內的溫度。由工程實踐經驗有爐膛內的溫度同物料出口溫度存在某種關系，這樣就可以達到間接控制物料出

8、口溫度的目的。由于副環構成一個時間常數較小的負反饋環，它能在本環內引入的干擾信號（燃料入口壓強變化和燃料熱值變化分別用F3,F4表示）對物料出口溫度產生較大影響前，及時進行調節。對整個控制系統而言，可起到先調，粗調，快調的作用。主控制器，副環，管壁，物料，溫度變送器1構成主環（外環）。由于主環回路前向通道較副環要長，控制作用的滯后時間較大，它的調節作用較慢；而且對副環所產生的控制偏差和物料入口溫度及壓強（分別用F1,F2表示）變化引起的干擾起到抑制作用。它在整個控制系統中起到后調，慢調，細調的作用。除此以外，主環和副環的協同作用還能大大提高系統的抗干擾能力。假設在穩態工況下，物料進口溫度和流量

9、穩定，燃料的熱值和流量不變，控制燃料的調節閥閥門開度保持一定，此時爐膛內的溫度和物料出口溫度都保持恒定。如果干擾同時作用于主回路和副回路。當燃料入口壓強變化和燃料熱值（分別用F3,F4表示）變化同物料入口溫度及壓強（分別用F1,F2表示）變化的作用方向相同（即同時曾大或變小）時，假如同時增加，在F1和F2的作用下，物料出口溫度上升；通過溫度變送器1 的反饋作用，使主調節器的輸入減小，而相應的主調節器的輸出也減小（即副控制環的給定值減小，也即減小燃料進入閥的開度）。在副控制環中引入的干擾信號F3和F4使得爐膛內的溫度升高，通過溫度變送器2的反饋作用，也要使得副控制器的輸入減小，也是要達到減小燃料

10、進入閥的開度。同樣可以推出，當干擾信號同時減小時，主控制器和副控制器的控制作用都是使得燃料進入閥的開度增大。二者作用的疊加使得整個系統抗干擾性能有很大的提高。當燃料入口壓強變化和燃料熱值（分別用F3,F4表示）變化同物料入口溫度及壓強（分別用F1,F2表示）變化的作用方向相反時，例如當F1和F2的作用為減，而F3和F4的作用為曾時，F1和F2的作用使得物料的出口溫度減小，通過溫度變送器1的反饋作用，使得主調節器的輸入增加，而相應的主調節器的輸出也相應增加（即副控制環的給定值曾大，也即增大燃料進入閥的開度）。在副控制環中引入的干擾信號F3和F4的作用下，爐膛內的溫度增加，通過溫度變送器2的反饋作

11、用，使得副控制器的輸入減小（即有減小燃料進入閥開度的趨勢）。同樣可推出，當F1和F2的作用為曾，而F3和F4的作用為減時，主調節器有減小燃料進入閥開度的趨勢，而副調節器有增大燃料進入閥開度的趨勢。主調節器和副調節器的這種相反的控制作用在某種程度上相互抵消，可以有效的抑制外界的干擾。綜上分析可知，串級控制系統不僅有較好的時間特性，而且還有較好的抗干如性能和動態性能。2.3系統硬件及調節器選擇在串級控制系統中，主副調節器所起的作用是不同的。主調節器起定值控制作用，而副調節器起隨動控制作用。主參數是生產工藝的主要控制指標，它關系到所生產的產品的質量，一般都有較嚴格的工藝要求不允許有殘差，同時又由于要

12、控制的工業過程有較大的容量滯后，所以主調節器通常選擇PID型調節器以實現主參數的無差控制。而在串級控制系統中，穩定副參數并不是目的。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沒有像主參數那樣的嚴格，可以在一定的范圍內變化，允許有殘差。因此，副調節器一般選P調節器。為了能夠快速的跟蹤主調節器的輸出，一般不引入積分環節，因為積分環節會延長調節過程，減弱副回路的快速特性。副調節器一般也不引入微分環節，因為當調節器有微分環節時，主調節器輸出稍有變化，就容易引起調節閥有較大的開度變化，對系統的穩定性能不利。綜上所述，主調節器應選用PID型調節器，副調節器選用P型調節器。要使一個過程控

13、制系統能正常的運行，系統必須構成一個負反饋。因此，在串級控制系統中，主調節器和副調節器的正反作用方式的選擇原則是使整個系統構成負反饋。從生產工藝安全角度出發，燃料進入調節閥應選用氣開式（正作用），即一旦出現故障或冷物料流入中斷，調節閥完全關閉，切斷燃料的輸入，確保管式加熱爐的安全。由管式加熱爐的工作原理可知，對于副調節器，當爐膛溫度升高時，溫度變送器2的測量信號增大，為了保證副控制回路為負反饋，則要使得副調節器的輸出信號減小。按照測量信號增大，輸出信號減小的原則，副調節器應為反作用方式。對于主調節器，當副參數爐膛溫度升高時，主控參數物料出口溫度也升高，而溫度變送器一般都是正作用方式，故溫度變送

14、器1的測量信號也增大，為了保證主控制回路也為負反饋，要求主調節器的輸出信號減少，按照測量信號增大，輸出信號減小的原則，主調節器也應為反作用方式。各個環節的正反作用如下圖5所示。圖中“+”表示為正作用，“-”表示為反作用。物料出口溫度+管式加熱爐物料入口燃料圖5 管式加熱爐溫度串級控制系統各環節正反作用圖根據以上的分析選擇好相應的硬件后，構建管式加熱爐溫度串級控制系統。3控制儀表及技術參數3.1主控制器軟件設計管式加熱爐溫度串級控制系統主回路簡化方框圖如圖6所示。圖6 串級控制系統主回路簡化方框圖對于主控制器采用數字PID控制算法的選擇由兩種：位置型和增量型。位置型PID控制數學表達式如下：增量

15、型PID控制數學表達式如下：令,則比較兩種數字PID控制的數學表達式可知，增量型控制算法不需要做累加，控制量的增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，計算誤差和計算精度問題對控制量的計算影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差的累加值，容易產生較大的累加誤差。同時增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，不會嚴重影響系統的工作。而位置型算法輸出的是控制量的全量輸出，誤動作影響大。除此以外，采用增量型PID數字控制算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。經過以上的分析可知，采用增量型數字PID 控制算法較好。相應的數字PID增量型控制算法流程圖如圖7所示。

16、圖7 數字PID增量型控制算法流程圖3.2數字PID控制器參數整定串級控制系統通常用于對主參數控制要求比較嚴格的生產過程，同時在串級控制系統中，對副參數的要求是能準確快速地跟蹤主調節器輸出的變化。這種要求的不同是我們合理選擇參數整定方法的依據。串級控制系統的參數整定常用工程整定方法有：逐步逼近法，兩步整定法和一步整定法。逐步逼近法是依次整定主回路、副回路，然后循環進行，逐步逼近主、副回路的最佳狀態。兩步整定是讓系統處于串級控制狀態，首先按單回路控制系統整定副回路調節器的參數，然后把已經整定好的副回路視為串級控制系統的一個環節，仍然按照單回路參數整定的方法對主控制器的參數進行整定。一步整定法是根

17、據經驗，先將副調節器的參數一次調好，不再變動；然后按照單回路控制系統的整定方法直接整定主調節器的參數。比較幾種整定方法，逐步逼近法比較繁瑣，而且工作量大；兩步整定法雖然能滿足對主、副參數的要求，但是要分兩步進行，需要尋求兩個衰減比為4：1的衰減振蕩過程，同樣比較繁瑣。相比較而言，一步整定法的整定過程簡單而且工作量相對較小。故在這里選用一步參數整定法對串級控制系統進行參數整定。系統參數整定步驟：（1）在正常生產，系統為純比例運行的條件下（即為無窮大，為零），根據工程經驗，確定副環調節器（為P型控制器）的參數比例度。（2）將副回路視為一個環節，按照單回路參數整定的方法對主控制器的參數進行整定。把系

18、統中的調節器設置成純比例作用（即為無窮大，為零），將由大到小的規律進行調整，直到被控參數出現等副振蕩為止。記下此時的比例度（臨界比例度）和等副振蕩的周期（臨界振蕩周期）。根據相應的經驗公式可以計算出，。（3）在已整定參數條件下，觀察控制過程，適當調整主調節器的參數，使其滿足工藝要求。4總結與展望在為期一個多星期的課程設計中，遇到過很多很多的問題，但我通過很多有效地途徑，例如上網查相關資料，問身邊的同學與朋友，或者請教本專業的老師，都得到了解決。 剛開始的時候，對管式加熱爐與串級控制系統只有個大概的了解，我去圖書館仔細查閱了介紹過程控制系統的相關書籍，并在網上搜類似的設計來參考，詳細了解其工作原

19、理，并對管式加熱爐控制系統的設計有一個大概的構思。方案的選取也是一個問題，但通過綜合分析，與同學互相討論，覺得如果要對溫度控制要求高，必須得選串級控制系統，才能達到控制的相關要求。然后參考專業書籍，選取元器件，列好清單。在畫系統結構圖這一方面，一些是用畫圖工具畫出來的，但由于時間與經驗上的關系，有一部分是從相關資料上截下來的圖，這是以后做課程設計時需要改進提高的地方。當然，對一篇課程設計來說，格式也是一個重要的方面，我仔細按著知道老師的格式要求，認真編輯，達到好的效果。 在做課程設計的過程中，不斷發現新的問題，不斷去尋找好的解決方法，不斷去改變，改進，才能讓自己得到提高。我們首先要學好理論，然后抓住機會實踐，在實踐中加深對理論的理解，理論與實踐相結合，才能學好專業知識，為未來打好基礎。5心得體會本文是對管式加熱爐溫度控制系統的設計，通過幾天的努力對該電路有了較為深入的研究，也進一步熟悉了該系統的結構形式、工作原理及各個器件的作用和設計。課程設計期間，借用圖書館的書籍以及通過網絡上的搜索，查閱了許多關于本設計的書籍和資料，學會了如何使用現有的圖書館資料，讓我真正的把在大學里學的數字資源檢索教程課程運用到實踐的生活中，讓我也體會到理論的重要。在指導老師的指導下，并與有共同設計內容的同學交流，分析、整理和研究課題，先確立了