管式加热炉温度-温度串级控制系统的设计

课程设计任务书学生姓名：方诗豪专业班级：自动化0804指导教师：傅剑工作单位：自动化学院题目: 管式加热炉温度-温度串级控制系统的设计初始条件：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。

试以温度-温度串级控制控制策略设计过程控制系统，使得管式加热炉出口温度为为70℃，稳态误差±2℃。

要求完成的主要任务:1、了解管式加热炉工艺设备及其工作流程2、基于对象特点分析，绘制控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书5、总结课程设计的经验和收获时间安排12月19日选题、理解课题任务、要求12月20日方案设计12月21~28日参数计算、撰写说明书12月29日答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录前言 (2)1设计的目的及意义 (3)1.1管式加热炉简介 (3)1.2 设计目的及意义 (4)2 管式加热炉温度控系统工作原理及控制要求 (4)3 总体设计方案 (5)3.1 温度—温度串级控制系统 (5)3.2 方案特点 (6)4 串级控制系统分析 (6)4.1 主回路设计 (6)4.2 副回路选择 (7)4.3 主、副调节器规律选择 (7)4.4 主、副调节器正反作用方式确定 (7)4.5 控制器软件设计 (7)4.6数字PID控制器参数整定 (9)5 各仪表的选取及元器件清单 (10)5.1 温度检测元件 (10)5.2 温度变送器 (12)5.3 调节阀 (13)5.4 联锁保护 (13)6 感受和体会 (14)管式加热炉温度-温度串级控制系统的设计前言自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表，并在各行业广泛使用。

它们主要具有如下的特点：1、适应于大惯性、大滞后等复杂控制系统的控制。

2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的控制系统的控制。

3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的控制系统的控制。

4、这些控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范围广泛。

5、控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。

目前，国外控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。

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。

在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。

在本世纪30 年代就已有使用。

过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。

几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，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。

目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

1设计的目的及意义1.1管式加热炉简介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。

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所示：图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。

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。

1.2 设计目的及意义由于管式加热炉具有强耦合、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。

2 管式加热炉温度控系统工作原理及控制要求管式加热炉加热炉的工作原理如图2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2 管式加热炉工作原理图引起温度θ1改变的扰动因素很多，主要有：（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动F2；（2）喷油用的过热蒸汽压力波动F4；（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动F1；（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动F3；其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰物料出口温度1()t θ管式加热炉燃料物料入口动因素减小到最低限度。

从调节阀动作到温度θ1改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。

工艺上要求管式加热炉出口温度为为70℃，稳态误差±2℃。

3 总体设计方案3.1 温度—温度串级控制系统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。

中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。

T C可以及时动作，克服干扰。

炉膛温度变化时，S图3管式加热炉温度串级控制系统图4管式加热炉出口温度串级控制系统框图其中X1为给定温度，X2为物料温度，X3为炉膛温度，F1为被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动，F2为燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动，F3为配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动，F4为喷油用的过热蒸汽压力波动。

3.2 方案特点串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。

副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。

由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。

和单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器和一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。

其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

4 串级控制系统分析4.1 主回路设计加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。

其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。

温度调节器对被控参数θ1精确控制和温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1和设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。

4.2 副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。

燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。

所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。

串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的控制效果。

4.3 主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。

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。

在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。

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不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。

4.4 主、副调节器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。

主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1﹥0。

为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。

又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。

4.5 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5所示。

R(t)图5 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 =--=+∑+ (1)增量型PID 控制数学表达式如下：012()(1)()(1)()(1)(2)U k U k U k U k q E k q E k q E k =-+∆=-++-+- (2) 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和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。