换热器变比值串级控制系统_完整版

课程设计

题目换热器变比值串级控制系统学院自动化学院

专业自动化

班级自动化ZY1102

姓名郝文汉

指导教师刘红丽

2015 年 1 月8 日

课程设计任务书

学生姓名：郝文汉专业班级：自动化ZY1102班

指导教师：刘红丽工作单位：武汉理工大学自动化学院

题目:换热器变比值串级控制系统

初始条件：

换热器出水温度保持稳定，波动小。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1）分析被控对象特性，设一计种加热器出口水温控制系统，引入工艺介质流量作为前馈信息，一方面减少生产负荷变化对出口温度控制质量的影响，另一方面克服控制通道增益随负荷变化所造成的非线性。

2）绘制系统的结构示意图和原理方框图，说明其工作原理和工艺流程。

3）系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定。

4）系统硬件电路与软件设计.

5）控制器控制规律的实现以及参数整定.

6）论文用WORD打印，方框图，流程图，电路图等均用protel、autocad，visio 等软件绘制。

时间安排：2014年12月29日至2015年1月8日，具体进度安排见下表

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

目录 (1)

1绪论 (1)

1.1概述 (1)

1.2换热器变比值串级控制系统设计的任务及要求 (1)

2 系统对象特性设计分析 (2)

3 系统设计方案论证与选择 (4)

3.1方案论证 (4)

3.2 设计方案的选择 (6)

4 系统硬件设计 (8)

4.1控制器正反作用的确定 (8)

4.2 主控制器的选型 (8)

4.3 主回路检测变送元件的选型 (9)

4.4 副回路检测变送元件的选型 (10)

4.5 执行器的选型 (10)

5 控制器控制规律的选择以及参数整定 (12)

5.1 串级控制系统参数的选择 (13)

5.2 变比值控制的参数选择 (14)

小结分析 (15)

参考文献 (16)

附录控制器电路图 (17)

1绪论

1.1概述

加热器出口水温度是换热器的重要质量指标，直接关系到设备的安全与系统的生产效率。生活中要求使用一定温度的水，设计一个水温控制系统，能更好的控制水温到合适的温度，防止温度过高带来不利影响，并有效节约能源。不过出口温度控制有一定困难，波动幅度很大，控制不理想的原因在于被控对象十分复杂：

(1) 加热器口温度抗干扰能力差，在水温平稳时，出口温度也发生明显变化；

(2) 进出水口水的流入流出也造成出口温度的波动；

(3) 加热炉的温度存在较大的时滞。

一般的加热器在运行中都具有以上所述的特点。所以可以说加热器系统是一个时变、大时滞、多干扰的复杂系统。为了对加热器系统实现稳定控制，必须寻求出一种能对时变、大时滞、多干扰的复杂系统实现稳定控制的方法。为此引入工艺介质流量作为前馈信息，一方面减少生产负荷变化对出口温度控制质量的影响，另一方面克服控制通道增益随负荷变化所造成的非线性。

1.2换热器变比值串级控制系统设计的任务及要求

换热器出水温度保持稳定，波动小。

(1) 分析被控对象特性，设计一种加热器出口水温控制系统，引入工艺介质流量作为前馈信息，一方面减少生产负荷变化对出口温度控制质量的影响，另一方面克服控制通道增益随负荷变化所造成的非线性。

(2) 绘制系统的结构示意图和原理方框图，说明其工作原理和工艺流程。

(3) 系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定。

(4) 系统硬件电路与软件设计。

(5) 控制器控制规律的实现以及参数整定。

2 系统对象特性设计分析

在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。被控对象的数学模型是指过程在各输入量(包括控制量和扰动量)作用下，其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。所以为了实现对变热器温度的控制，先要对其被控过程进行数学建模。

变热器为一个温度过程，如图2.1所示。它有电炉、加热容器、回路组成。容器内盛水，由于加热容器有保温材料构成，内部温度变化甚是微小，为了简单起见，设阀门TI 处加热器出水口处水的温度不变为T1，进入的冷却水温度为T2，回馈的热水温度为T3。生产过程要求流出热水温度T1保持不变，所以T1是被控量，即温度过程的输出量。而温度过程的输入量是电炉给水的供热量Q1、冷却水输入量H1和热水的回馈量H2，这个过程中流出热水由温度T1降到回馈热水的温度T2。

图2.1加热器温度对象

将流入冷水和回馈热水有各自温度升到T1热量设为Q2，则当Q1=Q2时，则水从电炉得到的热量和水流失的热量相等，出水口水温T1保持不变。如果在某瞬间突然加大电炉电流使Q1增大了，这时水温就慢慢升高了。为了保持水温T1，需要调节调节阀TV-1，加大冷水进入量，与此同时由于加热容器容量是一定的需要增大阀门TI使热水加速流出，再通过调节阀门TV-2和TV-3最终影响调节阀TV-1的冷水流入量，使Q1=Q2，热量的输入输出的平衡关系又重新建立起来，温度T1也就保持不变了。

根据能量平衡关系，可以建立加热器的微分方程，即在单位时间内的能量变化关系式。于是可得

dt

dT Gc dt dT C Q -Q 1p 121== 式中：G ——加热器内水的总重量；

c p ——水的比热，在常压下c p =1；

C ——热容。它等于水升高1°C 所需储蓄的热量，C=Gc p 。

回馈热水通过回路向四周空气发散热量这个热量可以表示为

Q 3=H 2c p (T 1-T 3)

冷端补偿所需热量可以表示为

Q 4=H 1c p (T 1-T 2)+H 2c p (T 1-T 2)

而 Q 2=Q 3+Q 4

由于电炉加热使温度升高与冷水流入热水的流出与补偿是一个反复的过程，整个加热器由多个控制阀调节流入流出水量，因而系统过程有很大的惯性与滞后性，过程容量滞后和纯时延都较大，而且外部温度的不确定使得扰动变化剧烈而且幅度较大，同时四个控制阀同时作用使得各个参数相互关联，控制过程的过程特性都具有明显的非线性。

3 系统设计方案论证与选择

3.1方案论证

由于变热器是由多变量、多控制阀控制的系统，显然单回路的控制系统难以满足要求，需要选用复杂控制系统。

通常复杂控制系统是多变量的，具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多个回路的控制系统，所以又称为多回路控制系统。常见的复杂控制系统有均匀控制、前馈控制、串级控制、比值控制等系统。

方案一：串级控制

串联控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的。在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路，有两个控制器。

图3.1串级控制系统

串级控制系统主要有几种结构组成：

主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。

副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。

主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。

副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为“副控”。

主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。

副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。

主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控变量表征其主要特性的生产设备或过程。

副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。

副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路, 又称为“副环”或“内环”。

主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。

串级控制系统有许多优点，对于进入副回路的干扰具有较强的抗干扰能力。并改善了对象特性，使控制过程加快，提高了控制质量，而且串级控制系统有很强的自适应能力。

实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统，用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。

方案二：变比值控制

变比值控制是相对于定比值控制而言的。当要求两种物料的比值大小能灵活地随第三变量的需要而加以调整时，就要求设计比值不是恒定值的比值控制系统，称为变比值控制系统。

K= F2/F1

式中K为从动流量与主动流量的工艺流量比值。F1---主动流量(其物料处于主导地位既主物料)，F2---从动流量(其物料在控制过程中随主物料而变化)

图3.2 变比值控制系统

变比值控制系统的特点两种物料流量的比值能灵活地随第三变量的需要而变化。

这种方案的优点是结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。缺点是如主物料Fl稳定不变，从物料的流量F2将受控制阀前后压差变化影响而改变。

方案三：变比值—串级控制

该方案综合变比值控制和串级控制的优点，虽然使系统的结构更加复杂，但是可以达

图3.3比值控制器方框图

3.2 设计方案的选择

换热器出口温度的反馈控制中，控制信号总是要在干扰已经造成影响后，被控变量偏离给定值以后才能产生，控制作用总是不及时的。

众所周知，串级控制对克服被控系统的时滞能收到好的效果。这是因为当用两个控制器进行串级控制时，每个控制器克服时滞的负担相对减小，这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。

由于整个加热器的控制通道中，换热器具有明显的非线性，所以使整个系统的过程特性随着电流的变化而变化，具有较大非线性。为了保持系统原有的衰减率不变，则必须不断相应地改变调节器比例放大系数，流出热水量与流入冷水量同时受到回馈热水量的影响，为了满足上述工艺要求，可以应用变比值控制系统。变比值控制系统以第三参数和以两个流量比为副参数所组成的串级控制系统，由一个除法器连接。当Q1、Q2出现扰动时，通

过比值控制回路，保证比值不变，从而不影响(扰动幅值不大时)主参数，或大大减小扰动对主参数的影响。

由以上对各种控制方法的论证，适宜采用变比值—串级控制（方案三）方法对系统进行控制。

4 系统硬件设计

4.1控制器正反作用的确定

换热器串级控制系统中主变量为出水口水温T1，副变量为流入冷却水温度T2和回馈热水T3。主调节器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量增加（或减小）时，如果要求调节阀的动作方向是一致的，则主调节器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。如果将整个副回路看做是构成主回路的一个环节时，其方块图可以简化为图 4.1所示。

图4.1简化方框图

在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主调节器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性（即副变量增加时，主变量亦增加）时，主调节器应选“反”作用方向；反之，当主对象具有“反”作用特性时，主调节器应选“正”作用方向。

4.2 主控制器的选型

此部分是电路的核心部分，单片机接受A/D 转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的电路，完成控电磁阀的任务。系统的控制采用了单片机89C52。单片机89C52内部有8KB单元的程序储存器及256字节的数据存储器。

如图4.2为主机控制部分电路图。

图4.2 主机控制电路

4.3 主回路检测变送元件的选型

系统的信号采集电路主要有温度传感器（AD590）、基准电压（7812）及A/D转换电路组成。温度采样电路的基本原理是采用电流温度传感器AD590将温度的变化量转化成电流量，再将电流量转换为电压量通过A/D转换器ADC0804将其转换为数值量交由单片机处理。基本结构电路如图4.3所示。

图4.3信号采样电路

传感器选用AD590,测量范围为-50O C~+150O C,满刻度范围误差为0.3O C，当电源电压在5——10V之间，稳定度为1%时，误差只有0.01O C。其管脚图如图4.3所示。

A/D转换电路采用ADC0804转换器。将采集来的模拟信号转换成数字信号输出转换完成的信号EOC经反相器接单片机的P3.2口，A/D转换电路如图4.4所示。

图4.4 A/D转换电路

4.4 副回路检测变送元件的选型

副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。

导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。能够得到与容积流量成正比的输出信号。由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小，测量范围宽，测量精度高。

4.5 执行器的选型

执行器选择动型电磁阀，通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上水压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入压强上限时，阀门处于全开状态。反过

来，当压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入时，阀门全闭。气关型动作方向正好与气开型相反。通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现气动调节阀的气开或气关。

由于调节器是电动的，执行器(调节阀)是气动的，所以还需要气动单元组合仪器的一个电——气转换器。

5 控制器控制规律的选择以及参数整定

在变热器控制系统中，主回路控制温度，进行细调。副回路控制冷水流量进行粗调。由于主变量（温度）是重要指标，对其要求很高，所以主控制器采用常规 PID 控制。而对副变量（冷水流量）的要求不高，允许有余差，所以副控制器采用 P 控制。用温度控制器的输出信号作为冷水流量控制器的设定植，而冷水流量控制器的输出信号去控制冷水阀，达到控制温度的目的。

本次设计采用增量式PID 控制算法，来实现温度控制。增量式PID 控制算法公式如下：

]2[K 21111T

e e e T e T T e e u u u k k k d k k k p k k k ----+-++-=-=? 2-k p 1-k p 1p e K e )21(K )1(K T

T T T e T T T T d d k d ++-++= 调节器参数整定采用先副后主方式。因为副回路整定的要求较低，一般可参照单回路的方法来设置。有时为更好发挥副回路的快速作用，控制作用可调的强一些（相应的衰减比可略小于4∶1）。现在采用衰减曲线法进行参数整定如下：

1 先置调节器积分时间I T =∞，微分时间0D T =，比例度σ置于较大数值，将系统投入运行。

2 等系统运行稳定后，对设定值做阶跃变化，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，择减小比例度。反之亦然。如此反复，直到衰减比为4：1的过程，记下此时的S σ以及S T 值，按照表1所给的经验公式计算σ、I T 、D T 。

表1 衰减曲线法整定表

5.1 串级控制系统参数的选择

变热器要求水温稳定，波动小。出水口温度作为主变量，系统对主变量要求较高，不允许有余差，所以主调节器采用PID 控制规律。串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主调节器的输出变化而变化的，所以副调节器采用比例控制规律。

流出热水量与流入冷水量同时受到回馈热水量的影响，即主副变量间有一定内在联系，系统的主要干扰应包围在副回路中，副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生，由于前馈热水具有较大的纯滞后，选择副变量时应使副环尽量不包含纯滞后。

Gv(s)为执行机构的传递函数 Go 1(s) Go 2(s)分别为主副控制对象的传递函数 Gm 1(s) Gm 2(s)分别为主副变送器的传递函数 N 1(s) N 2(s)分别为一次干扰和二次干扰的传递函数。

假设副回路中各环节传递函数分别为

Go 2(s) =Ko 2/(1+T O2S)

Gc2(s) = Kc2

Gv(s) = Kv

Gm 2(s) = Km 2

将图2中副回路反馈信号相加点由副调节器前向后移至副对象之前，经简化可得出其等效副对象为：

)()()()()()()()()()(1)

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()()()(2211122212222221112221221s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s D s Y p v c p m c m p v c p d m p v c p v c p m c m p v c p d ++=

+++= G C2(s)=

)()()()(+1)(222020s G s G s G s G s G v c m =s

T K s T K K K K K O O V c m 2022220202+1=++1 式中 222222<+1=)(o v

c m o o o K K K K K K s K

222222<+1=)(o v

c m o o o T K K K K T s K 因此 在此控制系统中，等效副对象的时间常数和放大倍数都缩小了，而且随着副控放大倍数K c2整定得越大，等效副对象的放大倍数和时间常数缩小得越显著，这相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节，这会使系统的响应速度加快，控制更为及时，有利于提高控制品质和系统可控性。

5.2 变比值控制的参数选择

在换热器变比值控制系统中，流量变比值只是一种控制手段，第三参数出水口水温T 1才是系统控制效果的指标。系统工作时，按原始给定冷水与回馈热水比例控制供水，当温度发生变化时，比例控制器的输出将修改比例系数K ，从而修改了给水闭环系统给定值，给水闭环系统及时调节给水比例，保证温度T 1相对稳定。

电加热器的发热量Q 1与外加电流的平方成正比，故Q 1与电流变化成非线性变化，而电——气转化器使流量变化与电流变化相联系，故测量流量值与输出信号成非线性关系。当流量从0~max H 变化时，则任一中间流量H 1所对应的流量变送器输出信号为

416H H I 21max

211+?= 416H H I 22max

2

22+?= 从以上两式可得比例系数K 为

21max

22max '121max 222max 212

2H H K 4)-(I H 4-I H H H K ===）（ 动态参数的整定时，主调节器可按串级系统进行整定。

小结分析

这次课程设计的几天里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计我感受颇多，在正式进行设计之前，我参考了一些网上的资料，通过对这些设计方案来开拓自己的思路。但是最终仍然有很多没能完全弄懂的东西，不能不说是一个遗憾，在以后的的学习中再深化吧。

课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

本次设计的变热器的温度控制系统，采用串级——变比值控制系统实现对温度的控制。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。

系统采用单片机作为主控制器，单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。

我深感学习要注重理论联系实际。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。理论计算的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。

总得来说，在设计过程中，我学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现、分析、解决新问题的能力。

参考文献

[1] 何离庆.过程控制系统与装置.重庆：重庆大学出版社，2003

[2] 施仁，刘文江.自动化仪表与过程控制.北京：电子工业出版社，2003

[3] 向婉成.控制仪表与装置.北京：机械工业出版社，1999

[4] 侯志林.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社，2000

[5] 王再英，刘怀霞.过程控制系统及仪表.北京：机械工业出版社，2009

附录控制器电路图