管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计
管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计
过程控制系统课程设计题目:管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
为了能将课程中所学理论知识初步尝试应用于实践，本次设计将采用过程控制系统原理来实现工业生产控制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级控制系统来实现对管式炉加热原料油的温度控制。
管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。
加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。
本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，控制器，调节阀，联锁保护等环节的具体选择与设计，最终形成一个可行可靠的完整串级过程控制系统方案，力图通过具体应用获得理论知识的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。
关键字：流量温度串级控制目录1.管式加热炉温度控制系统的设计意义 01.1管式加热炉简介 01.2温度控制系统设计意义 02.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (1)3.总体方案设计 (2)3.1传统简单控制系统 (2)3.2串级控制系统 (3)3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程 (4)4.系统的设计与参数整定 (6)4.1主回路设计 (6)4.2副回路设计 (6)4.3主副调节器调节规律的选择 (6)4.4主副调节器正反作用方式的确定 (7)4.5控制系统的参数整定 (7)5.所需检测元件、执行元件及调节仪表技术参数 (8)5.1温度变送器 (8)5.2温度检测元件 (9)5.3流量检测及变送 (9)5.4调节阀 (10)5.5联锁保护 (10)6. 组态软件设计 (11)6.1 新建工程 (11)6.2 连接设备及设备测试 (12)6.3 数据词典 (12)6.4 建立画面 (13)6.5 调试,执行 (13)6.6PID控制算法设计 (14)心得体会 (16)参考文献 (17)附录A 系统脚本程序 (18)1.管式加热炉温度控制系统的设计意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。
管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计
第1章绪论1.1 设计要求综合运用过程控制系统及自动控制原理课中所学到的理论知识，联系工程实际，选择合理的主变量、副变量，选择合理的控制方式，设计一个符合要求的串级控制系统。
1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统技术指标：1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
求出比例度与衰减振荡周期；4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5．求出系统的阶跃响应曲线；6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲线；7．分析系统特点。
8．撰写设计说明书及注意事项。
1.1.2 设计功能主要功能：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统。
第2章系统总体设计方案2.1工艺流程图管式加热炉是工业生产中的常用设备之一，其工艺流程图如图2-1所示：图2-1 管式加热炉工艺流程图2.2方框图和工艺流程的介绍此次管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的设计采用主副回路的串级控制方案，即选取炉口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。
其系统框图如图2-2所示：图2-2 管式加热炉出口温度串级控制系统框图管式加热炉简介：管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器管式加热炉示意图如图2-3所示：图2-3 管式加热炉 通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
主调节器 管壁 调节阀 副测量变送器物料主测量变送器炉膛 副调节器对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。
辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。
这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。
燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。
管式加热炉温度温度串级控制系统的设计说明
管式加热炉温度温度串级控制系统的设计说明一、引言二、系统结构温度串级控制系统主要由上位机、温度传感器、控制器、执行机构等组成。
1.上位机：负责启动和监控系统运行，提供温度设定值和参考模型，按照系统控制算法生成控制指令发送给下位控制器。
2.温度传感器：负责实时采集管式加热炉内的温度数据，并将其传输给控制器进行处理。
3.控制器：根据上位机提供的设定值和参考模型，根据传感器采集到的温度数据进行处理，生成控制指令并发送给执行机构。
4.执行机构：根据控制器发送的控制指令，调节管式加热炉内的加热功率或其他参数，以实现温度控制。
三、温度控制策略1.温度设定值的调整：上位机会根据需要设定管式加热炉内的目标温度，并将其发送给控制器。
控制器会根据设定值和参考模型，生成合适的控制指令来调节温度。
2.温度比例控制：控制器会根据当前温度和设定值之间的差异，生成一个控制量来调节加热功率，使加热炉内的温度趋近于设定值。
3.温度积分控制：为了消除静态误差，控制器会根据温度偏差的积分值生成一定的控制量，以提高系统的稳定性。
4.温度微分控制：为了快速响应温度变化，控制器还会根据温度变化的速率生成相应的控制量。
四、系统性能指标1.温度响应时间：系统需要具备较快的响应时间，即加热炉内的温度能够尽快达到设定值。
2.温度稳定度：系统应当保持较好的温度稳定度，即经过一定时间后，温度偏差应尽可能小。
3.抗干扰能力：系统需要具备较好的抗干扰能力，对于外界干扰因素的影响应尽可能小。
五、系统设计优化1.选择合适的温度传感器：合适的温度传感器能够提供准确的温度数据，为控制系统提供可靠的输入信号。
2.高性能控制器的选择：通过选用性能较好的控制器，能够提高控制系统的稳定性和响应速度。
3.优化控制策略：通过合理选择温度比例、积分和微分参数，能够提高控制系统的性能。
4.加入滤波器和抗干扰装置：通过加入合适的滤波器和抗干扰装置，能够降低系统对外界干扰的敏感度，提高系统的抗干扰能力。
管式加热炉出口温度与炉膛的温度串级控制
设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计系别：电子通讯与应用技术系班级：学生姓名：指导教师：成绩：________________________2012年 6 月29 日课程设计任务书课程设计题目管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计功能技术指标1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
求出比例度与衰减振荡周期；4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5．求出系统的阶跃响应曲线；6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶扰动信号，系统的输出曲线；7．分析系统特点。
工作量两周工作计划1 设计前准备1天2 总体设计1天3 检测变送器的选用0.5天4 控制器的选择0.5天5 执行器件的选择0.5天6 控制器算法确定及参数整定 1.5天7 过程控制系统整体构成2天8 编写课程设计报告1天指导教师评语2012年6月29日目录第１章绪论.................................................................................................. - 2 -1.1 设计要求...................................................................................... - 2 -1.1.1 设计题目和设计指标...................................................... - 2 -1.1.2 设计功能.......................................................................... - 2 -第２章系统总体设计方案........................................................................ - 3 -2.1. 工艺流程图.................................................................................. - 3 -2.2. 方框图工艺流程介绍.................................................................. - 3 -第3章硬件设计和器件的选择................................................................ - 4 -3.1. 系统电气接线图.......................................................................... - 4 -3.2. 器件选择...................................................................................... - 4 -3.3. 译码电路设计.............................................................................. - 4 -第4章控制算法选择及参数整定............................................................ - 5 -第5章系统软件设计................................................................................ - 6 -结论................................................................................................................ - 8 -心得和体会.................................................................................................... - 9 -致谢.............................................................................................................. - 10 -参考文献...................................................................................................... - 10 -第１章绪论1.1 设计要求设计要求：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计设计指标：1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计解析
过程控制系统课程设计题目:管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
为了能将课程中所学理论知识初步尝试应用于实践，本次设计将采用过程控制系统原理来实现工业生产控制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级控制系统来实现对管式炉加热原料油的温度控制。
管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。
加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。
本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，控制器，调节阀，联锁保护等环节的具体选择与设计，最终形成一个可行可靠的完整串级过程控制系统方案，力图通过具体应用获得理论知识的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。
关键字：流量温度串级控制目录1.管式加热炉温度控制系统的设计意义 (1)1.1管式加热炉简介 (1)1.2温度控制系统设计意义 (1)2.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (2)3.总体方案设计 (3)3.1传统简单控制系统 (3)3.2串级控制系统 (4)3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程 (5)4.系统的设计与参数整定 (7)4.1主回路设计 (7)4.2副回路设计 (7)4.3主副调节器调节规律的选择 (7)4.4主副调节器正反作用方式的确定 (8)4.5控制系统的参数整定 (8)5.所需检测元件、执行元件及调节仪表技术参数 (9)5.1温度变送器 (9)5.2温度检测元件 (10)5.3流量检测及变送 (10)5.4调节阀 (11)5.5联锁保护 (11)6.组态软件设计 (12)6.1 新建工程 (12)6.2 连接设备及设备测试 (13)6.3 数据词典 (13)6.4 建立画面 (14)6.5 调试执行 (14)心得体会 (16)参考文献 (17)1.管式加热炉温度控制系统的设计意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。
管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计.(DOC)
过程控制系统课程设计题目:管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
为了能将课程中所学理论知识初步尝试应用于实践，本次设计将采用过程控制系统原理来实现工业生产控制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级控制系统来实现对管式炉加热原料油的温度控制。
管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。
加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。
本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，控制器，调节阀，联锁保护等环节的具体选择与设计，最终形成一个可行可靠的完整串级过程控制系统方案，力图通过具体应用获得理论知识的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。
关键字：流量温度串级控制目录1.管式加热炉温度控制系统的设计意义 (1)1.1管式加热炉简介 (1)1.2温度控制系统设计意义 (1)2.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (2)3.总体方案设计 (3)3.1传统简单控制系统 (3)3.2串级控制系统 (4)3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程 (5)4.系统的设计与参数整定 (7)4.1主回路设计 (7)4.2副回路设计 (7)4.3主副调节器调节规律的选择 (7)4.4主副调节器正反作用方式的确定 (8)4.5控制系统的参数整定 (8)5.所需检测元件、执行元件及调节仪表技术参数 (9)5.1温度变送器 (9)5.2温度检测元件 (10)5.3流量检测及变送 (10)5.4调节阀 (11)5.5联锁保护 (11)6.组态软件设计 (12)6.1 新建工程 (12)6.2 连接设备及设备测试 (13)6.3 数据词典 (13)6.4 建立画面 (14)6.5 调试执行...................................................................................................... 错误！未定义书签。
加热炉温度串级控制系统(设计部分)
加热炉温度串级控制系统设计摘要：生产自动控制过程中 ,随着工艺要求 ,安全、经济生产不断提高的情况下 ,简单、常规的控制已不能适应现代化生产。
传统的单回路控制系统很难使系统完全抗干扰。
串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用．对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中．结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性．关键词：串级控制干扰主回路副回路Abstract:Automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern production. The traditional single-loop control system is difficult to make the system completely anti-interference. Cascade control system with good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade control system of the characteristics and the main and sub-loop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLAB-based incremental PID algorithm is applied in the control system. Combination of computer-based control method to achieve PID parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control accuracy and stabilityKeywords:Cascade control, interference, the main circuit, the Deputy loop目录1.前言 (2)2、整体方案设计 (3)2.1方案比较 (3)2.2方案论证 (5)2.3方案选择 (5)3、串级控制系统的特点 (6)4. 温度控制系统的分析与设计 (7)4.1控制对象的特性 (7)4.2主回路的设计 (8)4.3副回路的选择 (8)4.4主、副调节器规律的选择 (8)4.5主、副调节器正反作用方式的确定 (8)5、控制器参数的工程整定 (10)6 、MATLAB系统仿真 (10)6.1系统仿真图 (11)6.2副回路的整定 (12)6.3主回路的整定 (13)7.设计总结 (16)【参考文献】 (16)1.前言加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一。
加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计
加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计一、引言加热炉是一种常用于工业生产中的设备，其作用是通过燃烧燃料加热空气或其他介质，使其达到所需温度。
加热炉的出口温度和炉膛温度是评估加热炉性能的关键指标。
为了提高加热炉的控制精度和稳定性，需要设计出一个合理的加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统。
二、串级控制系统的基本原理串级控制系统是一种将两个或以上的控制回路串接在一起，将一个控制器的输出作为另一个控制器的输入，通过不同层次的控制，实现对被控对象的精确控制。
在加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统中，可以将炉膛温度作为外环控制，将加热炉出口温度作为内环控制。
三、串级控制系统的设计步骤1.确定控制目标：在此串级控制系统中，控制目标是将加热炉出口温度控制在一定范围内，并同时保持炉膛温度稳定。
2.确定输入变量和输出变量：输入变量为控制器输出信号，输出变量为加热炉出口温度。
3.系统的数学模型：确定加热炉出口温度与炉膛温度之间的动态关系，建立数学模型。
可以采用传统的PID控制器或者现代控制理论中的模型预测控制等方法。
4.设计外环控制器：外环控制器根据炉膛温度的反馈信号调整燃料供给，以控制炉膛温度的稳定性。
5.设计内环控制器：内环控制器根据外环控制器的输出信号和加热炉出口温度的反馈信号调整燃料供给，以控制加热炉出口温度。
6.仿真与优化：使用仿真软件对设计的串级控制系统进行仿真，观察系统的响应特性，并根据实际需求进行调整和优化。
7.实际系统应用：将优化后的串级控制系统应用到实际加热炉中，并进行调试和验证。
四、串级控制系统的优势1.提高控制精度：串级控制系统将控制精度分为两个层次进行控制，可以快速响应外环控制器的调整，从而提高系统的控制精度。
2.提高稳定性：串级控制系统通过多层次的控制，减少了外界扰动对系统稳定性的影响。
3.提高动态响应速度：串级控制系统可以根据内环的控制效果对外环的控制进行调整，从而实现更快的动态响应。
管式加热炉温度串级控制系统设计
目录一管式加热炉温度控制系统设计的目的意义 (1)1.1管式加热炉简介 (1)1.2目的及意义 (2)二管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (3)三总体设计方案 (4)3.1 方案比较 (4)3.2 方案选择 (5)四串级控制系统分析 (6)4.1主回路设计 (6)4.2副回路选择 (6)4.3主、副调节器规律选择 (6)4.4主、副调节器正反作用方式确定 (6)4.5控制器参数工程整定 (7)五各仪表的选取及元器件清单 (7)5.1温度变送器 (7)5.2温度检测元件 (8)5.3调节阀 (10)5.4联锁保护 (10)六M A T L A B仿真实验 (11)6.1副回路的整定 (11)6.2主回路的整定 (11)6.3整体参数整定 (12)心得体会 (14)参考文献.............................................................................................. (15)一设计的目的意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。
因此，常选原料油出口温度1tθ（）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所示的温度控制系统，控制系统框图如图1-2所示。
影响原料油出口温度1tθ（）的干扰有原料油流量1()f t、原料油入口温度2()f t、燃料压力3()f t、燃料压力4()f t等。
该系统根据原料油出口温度1tθ（）变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。
管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1-1所示：图1-1 管式加热炉通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。
管式加热炉出口温度串级控制系统设计说明
课程设计任务书1. 设计目的：L・・・・ VV・・■・R ■・・・ VV・・BTe ■・W ■・・・ VV・・■・R ■・・・ VT・・■・STB・・・ VT・・■・W ■・STB・・・・ VT・・■・R ■・STB・・・・ VT・・■・R ■・STB・・・・ VT・・■・VT ■・STB・・・・ VT・・■・VV ■・STB・・ n ・・ VT・（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。
（2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。
（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。
2. 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：* ■・・■・・・■■■・・■*・■・!■■■■・・P ■・・■・・・■*■!・・■«■・■-■!■・・2・・・*・・・■■■・・■ n ■・■■■!■・・*■・・ H ・・■*■■ ・・■*・■・■■■!■・・*■・・*・・・・^|・・■ W ■・■■■!■・・*■・・ H ・・・^|・・■ W ■・■■■!■・・*■・・■■・・・―^ ・・■ n ■・■■■!■・・0T・・・ H ・・・^!・・■■・■■■!■・・*■・・ H ・・・^!・・■ n ■・■*■!■・・H ・I 经过《过程检测仪表与控制》课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。
在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。
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管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计1方案选定管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。
因此，常选原料油出口温度1t?（）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所示的温度控制系统，控制系统框图如图1-2所示。
影响原料油出口温度1t?（）的干扰有原料油流量1()ft、原料油入口温度2()ft、燃料压力3()ft、燃料压力4()ft等。
该系统根据原料油出口温度1t?（）变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。
图1-1 管式加热炉出口单回路温度控制系统图1-2 管式加热炉出口温度单回路控制系统框图由图1-1可知，当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度。
从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。
而温度调节器1TC是根据原料油的出口温度1()t?与设定值的偏差进行控制。
当燃料部分出现干扰后，图1-1所示的控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数1()t?的影响，控制质量差。
当生产工艺对原料油出口温度1()t?要求严格时，上述简单控制系统很难满足要求。
燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度2()t?变化，再通过炉膛与原料油的温差将热量传给原料油，中间还要经过原料油管道管壁。
显然，燃料量变化或燃料热值变化，首先使炉膛温度发生改变。
如果以炉膛温度作为被控参数组成单回路控制系统，会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3min，对来自燃料的干扰3()ft、4()ft的控制作用比较及时，对应的控制系统如图1-3所示。
系统框图如图1-4。
但问题是炉膛温度2()t?毕竟不能真正代表原料油出口温度1()t?，即使炉膛温度恒定，原料油本身的流量或入口温度变化仍会影响原料油出口温度，图1-3 管式加热炉炉膛温度控制系统这是因为来自原料油的干扰1()ft、2()ft并没有包含在图1-4所示的控制系统（反馈回路）之内，控制系统不能克服1()ft、2()ft对原料油出口温度的影响，控制效果仍达不到生产工艺要求。
如果将上面两种控制系统的优点——温度调节器1TC对被控参数1()t?的精图1-4管式加热炉炉膛温度控制系统框图图1-5 管式加热炉出口温度串级控制系统确控制、温度调节器2TC对来自燃料的干扰3()ft、4()ft的及时控制结合起来，先根据炉膛温度2()t?的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰3()ft、4()ft对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度1()t?与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器2TC的设定值，进一步调节燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。
管式加热炉串级控制系统流程图及系统框图分别如图1-5、图1-6。
这样干扰3()ft、4()ft对原油出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（图1-5中的2TC，图1-6中的副调节器）构成的控制回路进行校正；由原料油出口温度调节器（图1-5中的1TC，图1-6中的主调节器）构成的控制回路克服干扰1()ft、2()ft对原料油出口温度1()t?的影响，并对其他干扰所引起的1()t?的偏差进行校正。
图1-6 管式加热炉出口温度串级控制系统框图综上所述，由于管式加热炉动态性复杂、存在多种扰动，简单控制系统难以满足控制要求，所以采用串级控制系统。
2环节设计串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
2.1副回路的设计与副参数的选择副回路的选择是确定副回路的被控参数，串级系统的特点主要来源于它的副回路，副回路的参数选择一般应遵行下面几个原则：（1）主、副参数有对应关系。
即通过调整副参数能有效地影响主参数，副参数的变化应反映主参数的变化趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择的副参数必须是物理上可测的；另外，由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反应速度，改善系统控制品质。
（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰。
在选择副参数时一定要把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中，但也不是副回路包含的干扰越多越好，因为副回路包含的干扰越多，其控制通道时间常数必然越大，响应速度变慢，副回路快速克服干扰的能力将受到影响。
所以在选择副参数时，应在副回路反应灵敏与包含较多干扰之间进行合理的平衡。
（3）副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生。
在串级控制系统中，主、副回路中控制过程的时间常数不能太接近，一方面是为了保证副回路具有较快的反应能力，另一方面由于在串级控制系统中，主、副会理密切相关，如果主、副回路中的时间常数比较接近，系统一旦受到干扰，就有可能产生“共振”，使控制质量下降，甚至使系统因震荡而无法工作。
在选择副参数时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为3~10，以减少主、副回路的动态联系、避免“共振”。
（4）应注意工艺上的合理性和经济性。
2.2主、副调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主，副调节器起的作用不同。
主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。
主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选PI或PID调节规律。
副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。
为此，副调节器选择P调节规律。
2.3主、副调节器正、反作用方式的确定在串级控制系统中，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈。
串级控制系统中，主、副调节器的正反作用的选择方法是：首先根据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式，并决定副调节器的正反作用;然后再依据主、副过程的正、反形式最终确定主调节器的正、反作用方式。
由图1-5可以得到，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。
对于副调节器，当炉膛温度升高时，测量信号增大、为保证副回路为负反馈，此时调节阀应关小，要求副调节器输出信号减小。
按照测量信号增大，输出信号减小的原则要求，副调节器应为反作用方式。
对于主调节器，当副参数升高时，主参数也升高，故主调节器应为反作用方式。
2.4主、副调节器选用 DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。
III型仪表具有以下主要特点：（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4~20mA，控制室联络信号为DC1~5V，信号电流与电压的转换电阻为250?。
（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。
（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。
DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。
DDZ-III型PID调节器的结构框图如图2-1。
主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。
调节器接收变送器送来的测量信号(DC4~20mA或DC1~5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。
图2-1 DDZ-III型调节器结构框图 2.5 主、副电路检测变送器的确定 2.5.1 温度检测元件热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。
具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。
热电阻也可以作为温度传感元件。
大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。
热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。
由图1-6可知，副回路中的温度变送器2检测的是炉膛的温度2?，一般较高，故选择热电偶；主电路的温度变送器1则检测的是原料油的出口温度1?，温度较低，选择热电阻即可。
在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。
补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。
补偿导线的作用如图2-2所示。
用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。
具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。
采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。
为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值图2-2 补偿导线的作用图2-3 热电阻三线制接法符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。
同时，热电阻必须用三线接法，如图2-3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。
2.5.2温度变送器检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。
变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。
因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。