管式加热炉温度控制系统设计

管式加热炉温度－温度串级控制系统1设计意义及要求

1.1设计意义

管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。

1.2设计要求

1）本课程设计题目为加热炉温度－温度串级控制系统设计，课程设计时间为2周；学生对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。

2）课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：

①目录；

②摘要；

③生产工艺和控制原理介绍；

④控制参数和被控参数选择；

⑤控制仪表及技术参数；

⑥控制流程图及控制系统方框图；

⑦总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；

⑧课程设计的心得体会（至少500字）；

⑨参考文献（不少于5篇）；

⑩其它必要内容等。

2方案论证

2.1方案选择

管式加热炉加热炉的工作原理如图1所示。要加热的冷物料从左端的管口流入管式加热炉，而燃料从右端的管口流入管式加热炉的燃烧部分，以供热。经加热的物料从右上端的管口流出，物料出口温度1()t θ为被控参数。

图1 管式加热炉工作原理图 分析管式加热炉的工作过程可知，物料出口温度1()t θ受进入管式加热炉的物料初始温度，物料进入的流量（即物料入口的压强），进入管式加热炉的燃料的流量（也即燃料入口压强），燃料的燃烧值等因素的影响。其中物料进入的流量（即物料入口的压强）和进入管式加热炉的燃料的流量（也即燃料入口压强）是影响物料出口温度1()t θ的主要因素。如果采用单回路控制系统，根据操作量的选取原则，我们可以在物料入口处装上一个调节阀，以控制物料进入的流量；对于进入管式加热炉的燃料的流量，可以使它保持某一恒定值。或在燃料的入口处安装一个调节阀，以控制进入管式加热炉的燃料的流量；对于进入管式加热炉的物料的流量，则可以使它保持某一恒定值。而调节阀的开度大小由安装在物料出口处的温度传感器输出的大小间接控制。它虽然结构简单，实现方便；但不符合生产工艺的要求。因为如果将物料的进入流量进行限定后，则日生产总量也被限定。这显然不符合实际的工业生产情况。在此基础上进行一点改进——不对另一个量进行限制。基于对燃料进入量进行控制的管式加热炉单回路温度控制系统原理图如图2所示。

管式加热炉

物料入口

燃料

物料出口温度1()t θ

图2 管式加热炉单回路温度控制系统原理图 如图2所示的单回路温度控制系统初看起来是可行的。而且它的结构简单，所需的器材少，投入小。也符合工业设计的经济原则。但考虑到实际的被控对象——管式加热炉是一个大惯性系统，该方案实际上是行不通的。在如图2所示的方案中，物料进入管式加热炉的流量变化和燃料入口压强的变化是一个对对被控量——物料出口温度1()t θ影响比较大的干扰。假如流入管式加热炉的物料突然减少而燃料入口处的压强突然增大，由于物料在炉膛内的加热是一个过程（存在一个较大的时间滞后1T ），同时加热的物料经过炉膛内蜿

蜒曲折的管道（用以实现物料的加热）流出加热炉也存在一个较大的滞后时间2T 。经过较

长时间滞后，才开始相应的调节显然是无法达到工艺要求的使物料出口温度只在2%±内波动。而串级控制系统通常适用用于工业上一些有较大容量滞后或较大纯滞后的过程，有必要选择串级控制系统对管式加热炉的温度控制。串级控制的原理图如图3所示。

图3 温度串级控制系统原理图

管式加热炉 物料出口温度1()t θ

物料入口

燃料

1TT

TT

2T T 1T C 2T C

物料出口温度1()t θ

物料入口

管式加热炉 1TT

TT

1T C

燃料

在如图3所示的温度串级控制系统中，物料入口流量的变化和燃料入口压强的变化是 影响物料出口温度的主要因素，而且它们对物料出口温度的影响存在较大的时间滞后——通过对管式加热炉的工作原理的分析可知，前者的时间滞后来源与物料在管道中流动的时间；而后者的时间滞后来源于前者的滞后时间加上管壁的热传递滞后时间。即后者作用滞后时间2T 要大于前者的滞后时间1T 。这种较大的滞后时间是给控制带来麻烦的关键因素。

那么减小或尽量消除这种较大的时间滞后成为控制系统设计的核心问题。

由工业生产工艺决定了由管道产生的时间滞后无法消除，而由炉膛和管壁产生的时间滞后可以尽量减小。故可以选择物料出口温度作为主变量，炉膛温度作为副变量，构建串级控制系统。其原理图如图3所示，方框图如图4所示。

图4 温度串级控制系统原理方框图

2.2温度串级控制系统分析

在图4所示的温度串级控制系统中，由副控制器，调节阀，炉膛，温度变送器2构成温度控制系统的副环（内环）。它将主控制器的输出作为给定信号，跟随信号X2；它的输出信号直接控制燃料进入调节阀的开度，从而控制炉膛内的温度。由工程实践经验有——炉膛内的温度同物料出口温度存在某种关系，这样就可以达到间接控制物料出口温度的目的。由于副环构成一个时间常数较小的负反馈环，它能在本环内引入的干扰信号（燃料入口压强变化和燃料热值变化分别用F3,F4表示）对物料出口温度产生较大影响前，及时进行调节。对整个控制系统而言，可起到先调，粗调，快调的作用。主控制器，副环，管壁，物料，温度变送器1构成主环（外环）。由于主环回路前向通道较副环要长，控制作用的滞后时间较大，它的调节作用较慢；而且对副环所产生的控制偏差和物料入口温度及压强（分别用F1,F2表示）变化引起的干扰起到抑制作用。它在整个控制系统中起到后调，慢调，细调的作用。

除此以外，主环和副环的协同作用还能大大提高系统的抗干扰能力。假设在稳态工况

下，物料进口温度和流量稳定，燃料的热值和流量不变，控制燃料的调节阀阀门开度保持一定，此时炉膛内的温度和物料出口温度都保持恒定。如果干扰同时作用于主回路和副回路。当燃料入口压强变化和燃料热值（分别用F3,F4表示）变化同物料入口温度及压强（分别用F1,F2表示）变化的作用方向相同（即同时曾大或变小）时，假如同时增加，在F1和F2的作用下，物料出口温度上升；通过温度变送器1 的反馈作用，使主调节器的输入减小，而相应的主调节器的输出也减小（即副控制环的给定值减小，也即减小燃料进入阀的开度）。在副控制环中引入的干扰信号F3和F4使得炉膛内的温度升高，通过温度变送器2的反馈作用，也要使得副控制器的输入减小，也是要达到减小燃料进入阀的开度。同样可以推出，当干扰信号同时减小时，主控制器和副控制器的控制作用都是使得燃料进入阀的开度增大。二者作用的叠加使得整个系统抗干扰性能有很大的提高。当燃料入口压强变化和燃料热值（分别用F3,F4表示）变化同物料入口温度及压强（分别用F1,F2表示）变化的作用方向相反时，例如当F1和F2的作用为减，而F3和F4的作用为曾时，F1和F2的作用使得物料的出口温度减小，通过温度变送器1的反馈作用，使得主调节器的输入增加，而相应的主调节器的输出也相应增加（即副控制环的给定值曾大，也即增大燃料进入阀的开度）。在副控制环中引入的干扰信号F3和F4的作用下，炉膛内的温度增加，通过温度变送器2的反馈作用，使得副控制器的输入减小（即有减小燃料进入阀开度的趋势）。同样可推出，当F1和F2的作用为曾，而F3和F4的作用为减时，主调节器有减小燃料进入阀开度的趋势，而副调节器有增大燃料进入阀开度的趋势。主调节器和副调节器的这种相反的控制作用在某种程度上相互抵消，可以有效的抑制外界的干扰。

综上分析可知，串级控制系统不仅有较好的时间特性，而且还有较好的抗干如性能和动态性能。

2.3系统硬件及调节器选择

在串级控制系统中，主副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，而副调节器起随动控制作用。主参数是生产工艺的主要控制指标，它关系到所生产的产品的质量，一般都有较严格的工艺要求——不允许有残差，同时又由于要控制的工业过程有较大的容量滞后，所以主调节器通常选择PID型调节器以实现主参数的无差控制。而在串级控制系统中，稳定副参数并不是目的。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般没有像主参数那样的严格，可以在一定的范围内变化，允许有残差。因此，副调节器一般选P调节器。为了能够快速的跟踪主调节器的输出，一般不引入积分

环节，因为积分环节会延长调节过程，减弱副回路的快速特性。副调节器一般也不引入微分环节，因为当调节器有微分环节时，主调节器输出稍有变化，就容易引起调节阀有较大的开度变化，对系统的稳定性能不利。综上所述，主调节器应选用PID 型调节器，副调节器选用P 型调节器。

要使一个过程控制系统能正常的运行，系统必须构成一个负反馈。因此，在串级控制系统中，主调节器和副调节器的正反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈。从生产工艺安全角度出发，燃料进入调节阀应选用气开式（正作用），即一旦出现故障或冷物料流入中断，调节阀完全关闭，切断燃料的输入，确保管式加热炉的安全。由管式加热炉的工作原理可知，对于副调节器，当炉膛温度升高时，温度变送器2的测量信号增大，为了保证副控制回路为负反馈，则要使得副调节器的输出信号减小。按照测量信号增大，输出信号减小的原则，副调节器应为反作用方式。对于主调节器，当副参数炉膛温度升高时，主控参数物料出口温度也升高，而温度变送器一般都是正作用方式，故温度变送器1的测量信号也增大，为了保证主控制回路也为负反馈，要求主调节器的输出信号减少，按照测量信号增大，输出信号减小的原则，主调节器也应为反作用方式。各个环节的正反作用如下图5所示。图中“+”表示为正作用，“-”表示为反作用。

图5 管式加热炉温度串级控制系统各环节正反作用图

根据以上的分析选择好相应的硬件后，构建管式加热炉温度串级控制系统。

物料出口温度1()t

1TT TT 2T T 1T C 2T C

燃料 物料入口

管式加热炉 +

+ + —— —

—

3控制仪表及技术参数

3.1主控制器软件设计

管式加热炉温度串级控制系统主回路简化方框图如图6所示。

图6 串级控制系统主回路简化方框图

对于主控制器采用数字PID 控制算法的选择由两种：位置型和增量型。 位置型PID 控制数学表达式如下：

0()(1)()[()()]k p D i I T E k E k U k K E k E i T T T

=--=+∑+ 增量型PID 控制数学表达式如下：

()[()(1)]()[()2(1)(2)]D p p p I T T U k K E k E k K E k K E k E k E k T T

?=--++--+- 令0(1)D p I T T q K T T

=++,1(12)D p T q K T =-+,2D p T q K T =则 012()()(1)(2)U k q E k q E k q E k ?=+-+-

012()(1)()(1)()(1)(2)U k U k U k U k q E k q E k q E k =-+?=-++-+-

比较两种数字PID 控制的数学表达式可知，增量型控制算法不需要做累加，控制量的增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差的累加值，容易产生较大的累加误差。同时增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，不会严重影响系统的工作。而位置型算法输出的是控制量的全量输出，误动作影响大。 除此以外，采用增量型PID 数字控制算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。

经过以上的分析可知，采用增量型数字PID 控制算法较好。相应的数字PID 增量型控制算法流程图如图7所示。

图7 数字PID增量型控制算法流程图

3.2数字PID 控制器参数整定

串级控制系统通常用于对主参数控制要求比较严格的生产过程，同时在串级控制系统中，对副参数的要求是能准确快速地跟踪主调节器输出的变化。这种要求的不同是我们合理选择参数整定方法的依据。

串级控制系统的参数整定常用工程整定方法有：逐步逼近法，两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，然后循环进行，逐步逼近主、副回路的最佳状态。两步整定是让系统处于串级控制状态，首先按单回路控制系统整定副回路调节器的参数，然后把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍然按照单回路参数整定的方法对主控制器的参数进行整定。一步整定法是根据经验，先将副调节器的参数一次调好，不再变动；然后按照单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器的参数。

比较几种整定方法，逐步逼近法比较繁琐，而且工作量大；两步整定法虽然能满足对主、副参数的要求，但是要分两步进行，需要寻求两个衰减比为4：1的衰减振荡过程，同样比较繁琐。相比较而言，一步整定法的整定过程简单而且工作量相对较小。故在这里选用一步参数整定法对串级控制系统进行参数整定。

系统参数整定步骤： （1）在正常生产，系统为纯比例运行的条件下（即I T 为无穷大，D T 为零），根据工程经验，确定副环调节器（为P 型控制器）的参数比例度。

（2）将副回路视为一个环节，按照单回路参数整定的方法对主控制器的参数进行整定。把系统中的调节器设置成纯比例作用（即I T 为无穷大，D T 为零），将δ由大到小的规律进行调整，直到被控参数出现等副振荡为止。记下此时的比例度K δ（临界比例度）和等副振荡的周期K T （临界振荡周期）。根据相应的经验公式可以计算出 1.6K δδ=，0.5I K T T =，0.5D I T T =。

（3）在已整定参数条件下，观察控制过程，适当调整主调节器的参数，使其满足工艺要求。

4总结与展望

在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。

刚开始的时候，对管式加热炉与串级控制系统只有个大概的了解，我去图书馆仔细查阅了介绍过程控制系统的相关书籍，并在网上搜类似的设计来参考，详细了解其工作原理，并对管式加热炉控制系统的设计有一个大概的构思。方案的选取也是一个问题，但通过综合分析，与同学互相讨论，觉得如果要对温度控制要求高，必须得选串级控制系统，才能达到控制的相关要求。然后参考专业书籍，选取元器件，列好清单。在画系统结构图这一方面，一些是用画图工具画出来的，但由于时间与经验上的关系，有一部分是从相关资料上截下来的图，这是以后做课程设计时需要改进提高的地方。当然，对一篇课程设计来说，格式也是一个重要的方面，我仔细按着知道老师的格式要求，认真编辑，达到好的效果。

在做课程设计的过程中，不断发现新的问题，不断去寻找好的解决方法，不断去改变，改进，才能让自己得到提高。我们首先要学好理论，然后抓住机会实践，在实践中加深对理论的理解，理论与实践相结合，才能学好专业知识，为未来打好基础。

5心得体会

本文是对管式加热炉温度控制系统的设计，通过几天的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了该系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。

课程设计期间，借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料，学会了如何使用现有的图书馆资料，让我真正的把在大学里学的《数字资源检索教程》课程运用到实践的生活中，让我也体会到理论的重要。在指导老师的指导下，并与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与指导老师沟通，在老师的指点和自己的努力，最后完成了整个设计。

在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。在设计中，遇到了许多困难，老师对该论文从开始的题目介绍，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成这次关于管式加热炉温度控制系统的设计。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。学校安排了这次管式加热炉温度控制系统的课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。

通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。

参考文献

[1] 陈宗海.过程系统建模与仿真.中国科学技术大学出版社

[2] 傅信鉴.过程计算机控制系统.西北工业大学出版社

[3] 李友善．自动控制原理．国防工业出版社

[4] 方康玲.过程控制系统.武汉理工大学出版社

[5] 胡寿松．自动控制原理．科学出版社