1、精選優質文檔-傾情為你奉上目 錄前言.2第一章 管式加熱爐溫度控制系統設計的目的意義.31.1管式加熱爐簡介.31.2目的及意義.3第二章 管式加熱爐溫度控制系統工藝流程及控制要求.4第三章 總體設計方案.53.1 方案比較.53.2 方案選擇.6第四章 串級控制系統分析.74.1 主回路設計.74.2 副回路選擇.74.3 主、副調節器規律選擇.74.4 主、副調節器正反作用方式確定.84.5 控制器參數工程整定.8第五章 各儀表的選取及元器件清單.85.1 溫度變送器.85.2 溫度檢測元件.95.3 調節閥.115.4 聯鎖保護.11第六章 MATLAB仿真實驗.126.1 副回路的整定

2、.126.2主回路的整定.136.3整體參數整定.13第七章 問題及解決辦法.16第八章 心得體會16【參考文獻】前言國內外控制系統發展情況1. 國外控制系統的發展情況 自 70 年代以來，由于工業過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發展以及自動控制理論和設計方法發展的推動下，國外溫度控制系統發展迅速，并在智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的控制器及儀器儀表，并在各行業廣泛應用。它們主要具有如下的特點：1、適應于大慣性、大滯后等復雜控制系統的控制。2、能夠適應于受控系統數學模型難以

3、建立的控制系統的控制。3、能夠適應于受控系統過程復雜、參數時變的控制系統的控制。 4、這些控制系統普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論，運用先進的算法，適應的范圍廣泛。 5、控制系統具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。目前，國外控制系統及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發展。2. 國內控制系統的發展概況  隨著人們物質生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產品的質量和功能也向更高的檔次發展，制造產品的工藝過程變得越來越復雜，為滿足優質、高產、低消耗，以及安全生產、保護環境等要求，做為工業自動化重要分支的過程控制的任務也愈來愈繁重。在現代工業控制中

4、, 過程控制技術是一歷史較為久遠的分支。在本世紀30 年代就已有應用。過程控制技術發展至今天, 在控制方式上經歷了從人工控制到自動控制兩個發展時期。在自動控制時期內，過程控制系統又經歷了三個發展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業過程控制取得了驚人的發展，無論是在大規模的結構復雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對于提高產品質量以及節省能源等均起著十分重要的作用。目前，過程控制正朝高級階段發展，不論是從過程控制的歷史和現狀看，還是從過程控制發展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發展，即計算機集成制造系統(CIMS)：

5、以智能控制理論為基礎，以計算機及網絡為主要手段，對企業的經營、計劃、調度、管理和控制全面綜合，實現從原料進庫到產品出廠的自動化、整個生產系統信息管理的最優化。第一章 設計的目的意義1.1管式加熱爐簡介管式加熱爐一般由四個主要部分組成：煙囪、對流室、輻射室及燃燒器，示意圖如圖1.1所示： 圖1.1 管式加熱爐通風系統：將燃燒用空氣引入燃燒器，并將煙氣引出爐子，可分為自然通風方式和強制通風方式。對流室：靠輻射室出來的煙氣進行以對流傳熱為主的換熱部分。輻射室：通過火焰或高溫煙氣進行輻射傳熱的部分。這部分直接受火焰沖刷，溫度很高（600-1600），是熱交換的主要場所（約占熱負荷的70-80%）。燃燒

6、器：是使燃料霧化并混合空氣，使之燃燒的產熱設備，燃燒器可分為燃料油燃燒器，燃料氣燃燒器和油一氣聯合燃燒器。1.2 設計目的及意義 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

7、害氣體最少，達到減排的目的。第二章 管式加熱爐溫度控系統工藝流程及控制要求管式加熱爐的主要任務是把原制油或重油加熱到一定溫度，以保證下一道工序（分餾或裂解）的順利進行。加熱爐的工藝流程圖如圖2.1所示。燃料油經過蒸汽霧化后在爐膛中燃燒，被加熱油料流過爐膛四周的排管中，就被加熱到出口溫度1。在燃料油管道上裝設一個調節閥，用它來控制燃油量以達到調節溫度1的目的。圖2.1 管式加熱爐工藝流程圖引起溫度1改變的擾動因素很多，主要有：（1）燃料油方面（它的組分和調節閥前的油壓）的擾動D2；（2）噴油用的過熱蒸汽壓力波動D4；（3）被加熱油料方面（它的流量和入口溫度）的擾動D1；（4）配風、爐膛漏風和大氣

8、溫度方面的擾動D3；其中燃料油壓力和過熱蒸汽壓力都可以用專門的調節器保持其穩定，以便把擾動因素減小到最低限度。從調節閥動作到溫度1改變，這中間需要相繼通過爐膛、管壁和被加熱油料所代表的熱容積，因而反應很緩慢。工藝上對出口溫度1要求不高，一般希望波動范圍不超過±12%。第三章 總體設計方案3.1 方案比較3.1.1簡單控制系統 溫度調節器TC是根據原料油的出口溫度1與設定值的偏差進行控制。當燃料部分出現干擾后，控制系統并不能及時產生控制作用，克服干擾對被控參數1的影響控制質量差。當生產工藝對原料油出口溫度1要求很嚴格時，簡單控制系統很難滿足要求。被控變量：原料油出口溫度；操控變量：燃料

9、流量。當對出口溫度控制要求不高時，簡單控制系統可以滿足要求。圖3.1 管式加熱爐溫度控制系統圖3.2 管式加熱爐出口溫度單回路控制系統框圖3.1.2 串級控制系統 串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。爐膛溫度變化時，TC可以及時動作，克服干擾。 圖3.3管式加熱爐溫度串級控制系統圖3.4管式加熱爐出口溫度串級控制系統框圖3.2 方案選擇 方案一的簡單控制系統有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進而改變燃料流量，在爐膛中燃燒后，爐膛溫度改變，改過程時間常數大，可達到15mi

10、n。因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，動作不及時，偏差在較長時間內不能被消除。 方案二的串級控制系統中，由于引進了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調、初調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，對副回路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制質量顯著提高。與單回路控制系統相比，串級控制系統多用了一個測量變送器與一個控制器（調節器），增加的投資并不多（對計算機控制系統來說，僅增加了一個測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統改善了被控過程的動態特

11、性，提高了系統的工作頻率； 對二次擾動有很強的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數變化的自適應能力。綜上所述，本設計選擇串級控制系統。第四章 串級控制系統分析4.1 主回路設計 加熱爐溫度串級控制系統是以原料油出口溫度為主要被控參數的控制系統。其他被控參數有爐膛溫度，膛壁溫度，燃料流量，原料油流量。溫度調節器對被控參數1精確控制與溫度調節器對來自燃料干擾的及時控制相結合，先根據爐膛溫度2的變化，改變燃料量，快速消除來自燃料的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再根據原料油出口溫度1與設定值的偏差，改變爐膛溫度調節器的設定值，進一步調節燃料量，使原料油出口溫度恒定，達到溫度控制的目的。4.2

12、 副回路選擇 副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數。燃料由于其成分和流量變化，對控制過程產生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為串級控制系統的輔助被控參數。串級系統中，通過調整副參數爐膛溫度2能夠有效地影響主參數原料油出口溫度1，提高了主參數的控制效果。4.3 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。 在加熱爐溫度串級控制系統中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數，原料油溫度影響產品生產質量，工藝要求嚴格，又因為加熱爐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

13、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，所以我們的負調節器調節規律選擇P控制。4.4 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閥處于全關狀態，防止燃料進入加熱爐，確保設備安全，調節閥的Kv0。主調節器作用方式確定：爐膛溫度升高，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

14、方式。4.5 控制器參數工程整定 1 串級控制系統主、副控制器的參數整定方法主要有三種：兩步整定法、一步整定法和逐步逼近法。1、按照串級控制系統主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做兩步整定法。2、一步整定法，就是根據經驗先將副控制器一次放好，不再變動，然后按照一般單回路孔控制系統的整定方法直接整定主控制器參數。3、逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環進行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。我們選擇兩步整定法來整定串級控制系統的參數。第五章 各儀表的選取及元器件清單5.1 溫度變送器DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表

15、可靠性和安全性，適應了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點：（1）采用國際電工委員會（IEC）推薦的統一信號標準，現場傳輸信號為DC420mA，控制室聯絡信號為DC15V，信號電流與電壓的轉換電阻為250。（2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。（3）整套儀表可構成安全火花型防爆系統。DDZ-III型儀表室按國家防爆規程進行設計的，而且增加了安全柵，實現了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險的場所中使用。DDZ-III型PID調節器主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。

16、調節器接收變送器送來的測量信號(DC420mA或DC15V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算，最后由輸出電路轉換為420mA直流電流輸出。圖5.1給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個品種、規格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結構基本相同。本設計采用DDZ-III型熱電偶溫度變送器。圖5.1 DDZ-III型調節器結果框圖5.2 溫度檢測元件熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號轉換成電動勢（mV）信號，配以測量毫伏的指示儀表或變送器可以實現溫度的測量指示或溫度信號的轉換。具有穩定、復現性好、體積小、響應時間較小等優點

17、、熱電偶一般用于500°C以上的高溫，可以在1600°C高溫下長期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數電阻的阻值隨溫度變化而變化，如果某材料具備電阻溫度系數大、電阻率大、化學及物理性能穩定、電阻與溫度的關系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。大多數金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。在使用熱電偶時，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環境溫度波動的影響，且距熱源較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導線的作

18、用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠、溫度較穩定的地方。補償導線的作用如圖5.2所示。用補償導線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩定的地方后，并沒有完全解決冷端溫度補償問題，為此還要采取進一步的補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體PN結補償法。采用熱電阻法測量溫度時，一般將電阻測溫信號通過電橋轉換成電壓，當熱電阻的鏈接導線很長時，導線電阻對電橋的影響不容忽視。為了消除導線電阻帶來的測量誤差，不管熱電阻和測量一邊之間的距離遠近，必須使導線電阻的阻值符合規定的數值，如果不足，用錳銅電阻絲湊足。同時，熱電阻必須用三線接法，如圖5.3所示，熱電阻用三根導線引出，一

19、根連接電源，不影響電橋平衡，另外兩根被分別置于電橋的兩臂內，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵消。 圖5.2 補償導線的作用圖5.3 熱電阻三線制接法5.3 調節閥 由前面可以知道，從生產工藝安全出發，燃料油調節閥選用氣開式，即一旦出現故障或氣源斷氣，調節閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全為了保證。調節閥按其工作能源形式可分為氣動、電動和液動三類。氣動調節閥用壓縮空氣作為工作能源，主要特點是能在易燃易爆環境中工作，廣泛地應用于化工、煉油等生產過程中；電動調節閥用電源工作，其特點是能源取用方便，信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環境中工作；液動調節閥用液壓推動，推力很大，一般生產

20、過程中很少使用。故本設計采用了氣動調節閥，且為氣開形式。5.4 聯鎖保護 聯鎖保護系統由壓力調節器、溫度調節器、流量變送器、火焰檢測器、低選器等部分組成。當燃料管道壓力高于規定的極限時，壓力調節系統通過低選器取代正常工作的溫度調節系統，此時出料溫度無控制，自行浮動。壓力調節系統投入運行保證燃料管道壓力不超過規定上限。當管道壓力恢復正常時，溫度調節系統通過低選器投入正常運行，出料溫度重新受到控制。當進料流量和燃料流量低于允許下限或火焰熄滅時，便會發出雙位信號，控制電磁閥切斷燃料氣供給量以防回火。第六章 MATLAB仿真實驗已知主對象傳遞函數：副對象的傳遞函數：在MATLAB中畫出仿真框圖，如圖6

21、.1所示： 圖6.1 系統仿真圖6.1 副回路的整定 將比例作用的條件下，由大到小逐漸降低副調節器的比例度。此時的仿真曲線如圖6.2所示： 圖6.2 仿真曲線1 6.2主回路的整定保持副回路的比例度不變，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路過渡過程衰減比為4：1的比例度P1S，記取過渡過程的振蕩周期T1S。當衰減比為4：1時，比例度為98，振蕩周期為為56.3，此時主回路的仿真曲線如圖6.3所示: 6.3 仿真曲線26.3整體參數整定按已求得的P1S、T1S和ll值，結合已選定的調節規律，按衰減曲線法整定參數的經驗公式，計算出主、副調節器的整定參數值。經計算以后，主、副調節的參數設置如圖

22、6.4、6.5所示：圖6.4 整定參數設置1圖6.5 整定參數設置2當副調節器參數整定好之后，視其為主回路的一個環節，按單回路控制系統的方法整定主調節器參數，而不再考慮主調節器參數變化對副回路的影響。一般串級系統對主參數的控制質量要求高，而對副參數的控制要求相對較低。因此，當副調節器參數整定好之后再去整定主調節器參數時，雖然會影響副參數的控制品質，但只要主參數控制品質得到保證，副參數的控制品質差一點也是可以接受的。主、副調節器參數整定好以后系統輸出圖如圖6.6所示。對設定值施加干擾信號以后，系統輸出如圖6.7所示。圖6.6整定完成后系統輸出圖圖6.7施加干擾時系統輸出圖第七章 問題及解決方法

23、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。第八章 心得體會不知不覺中，幾天時間的關于管式加熱爐溫度控制系統的課程設計已經做完了，感覺受益匪淺。在