摘要
目前,换热器控制中大多数仍采用简单控制系统及传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID 控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。使换热器普遍存在控制效果差，换热效率低的现象，造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果，提高换热效率，对于缓解我国能源紧张的状况，具有长远的意义
本课题是针对换热器实验设备温度控制改进提出的。设计中首先通过对现阶段换热器出口温度控制的特点进行分析，从而发现了制约控制效果进一步提高的瓶颈，为下一步改善换热器的控制效果提供了理论依据。然后根据换热系统组成、控制流程的特点对换热器温度控制系统建立数学模型。再根据所建立的数学模型，联系换热器温度控制的特点，给出了相应的控制策略，提出了串级控制及前馈控制或串级—反馈，前馈—反馈等复杂控制系统，来满足对于存在大的负荷干扰且和控制品质要求较高的应用场合。
关键字：换热器、数学模型、PID 、出口温度控制、串级控制
前言
换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设、大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。
未来换热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。
1 换热器出口温度控制系统概述
1.1设计目的
换热器作为石油、化工、轻工业生产中重要的生产设备，除本身设计上应达到一定的性能指标外，在对它的控制上也应达到工艺的要求指标。尤其是对它的出口温度控制，直接影响到产品的质量和生产过程的安全。因此，设计出一套高性能的控制系统是解决这一问题的关键，本文正是基于这一目的，对换热器出口温度控制进行了研究。
当前，换热器出口温度控制还面临两大急需解决的问题：
1、结构庞大,成本昂贵，极大地阻碍了换热器工业化应用进程；
2、过渡段的衔接不合理，导致部分热管处于不工作和非正常工作状态。
要解决好上述问题的关键是优化换热器结构有两个途径：一是对换热器出口温度控制方案的强化研究；二是合理预测工业环境下对换热器出口温度的干扰因素，研制出新型的抗干扰方法，二者的优化组合研究是今后换热器出口温度控制优化技术发展的方向。过渡段的强化传热对优化换热器出口温度起着非常重要的作用。
在生产过程中，由于换热器管板受水分冲刷、气蚀和微量化学介质的腐蚀，线路老化等原因导致成本的增加。通过福世蓝高分子复合材料的耐腐蚀性和抗冲刷性，在以后的定期维修时，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属；即使使用后出现了渗漏现象，也可以通过福世蓝技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影响生产[2]。正是由于此种精细化的管理，才使得换热器渗漏问题出现的概率大大降低，不仅降低了换热器的设备采购成本，更保证了产品质量、生产时间，提高了产品竞争力。
换热器出口温度控制在工业生产中的应用取得成功，并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明，因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的。回收利用六大耗能工业(冶金、化工、炼油、玻璃、水泥及陶瓷)的高温余热，使这些领域的能源利用率达到一个新的水平。由以上可以预见，换热器出口温度控制将具有广阔的推广应用前景，对工业生产和节能技术的发展产生重大的影响。
通过大量资料获悉：目前在国内，对换热器出口温度的控制主要是双重控制和串级控制。
在一些要求不高的场合，则多采用单回路反馈控制，所采用的算法也多是常规的PID算法。1.2设计主要内容
本文首先介绍换热器的结构装置及换热器的工艺流程，然后根据换热器的特点选择控制方案并进行了PID算法的研究，最后进行仿真分析。本论文的结构安排和主要内容如下：第一章首先指出了课题的背景、目的和主要研究内容。
第二章介绍了换热器工作原理及工艺流程，及换热器的类型。
第三章介绍了控制系统的组成，重点介绍怎样选择PID控制器，然后对其算法原理特点等一一做了介绍，并对其参数整定做了讲解以便之后的仿真工作，并在这章中进行了控制方案的设计。
第四章针对系统进行仿真工作。首先介绍了MATLAB/simulink。之后对单回路控制系统、串级控制系统、前馈-反馈控制系统建立simulink模型，仿真出图，观察控制系统的特性，进一步了解各个控制系统。
最后对所做工作进行总结得出结论。
2 换热器概述
2.1．1换热器工艺流程
换热器出口温度控制系统流程图2.1
图2.1换热器出口温度控制系统图
可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵、变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。
温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测温并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值的送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。
2.1.2 换热器工作原理
换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。
2.1.3 换热器类型
换热器的分类良多，可以按传热原理、结构和用途等进行分类，按其结构分类主要有管壳式和板式两种。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。
1、间壁式换热器的类型
夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。
沉浸式蛇管换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。
喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善。
套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大。套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目). 特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。管壳式换热器管壳式(又称列管式) 换热器是
最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。
2、混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：
(1) 冷却塔(或称冷水塔)在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。
(2)气体洗涤塔(或称洗涤塔)在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气
体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用!
(3)喷射式热交换器在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。
(4)混合式冷凝器这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。
3.蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。
2.1.4 换热器工作特点
1、间壁式换热器：所谓间壁式换热器，是指两种不同温度的流体在固定的壁面（称为传热面）相隔的空间里流动，通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要，也有用非金属（如石墨，聚四乙烯等）制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类换热器。
2、混合式换热器：利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如：冷水塔（凉水塔）、造粒塔、气流干燥装置、流化床
等。
3、蓄热式换热器：在这类换热器中，能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气气热交换的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。
3 换热器出口温度控制方案的设计
3.1 控制系统组成
3.1.1 被控对象
在自动控制系统中，一般指被控制的设备或过程为对象，如反应器、精馏设备的控制，或传热过程、燃烧过程的控制等。从定量分析和设计角度，控制对象只是被控设备或过程中影响对象输入、输出参数的部分因素，并不是设备的全部。例如：在精馏过程控制中，定回流控制系统的控制对象，只涉及到设备的回流管道；塔釜液位控制系统的对象，只与塔釜有关。在简单控制系统中，工程上也有称被控参数为对象的，如流量控制、压力控制和温度控制等。控制系统中，作为广义的控制对象，除控制器（调节器）以外的执行器（调节阀）及测量变送装置都包括在内。作为狭义的控制对象，其端部参数(输入、输出)有被控参数、控制参数和扰动参数，它们通过控制对象的内部状态而相互联系[5]。
在被控制的设备或过程中，控制系统设计时选取的被控参数和控制参数不同。通常选择夹套中冷却液流量数为控制参数，而被控参数的选择可有多种方案。最常见的控制方案是选取反应器内的反应温度作为被控参数，此时的控制对象应包括夹套在内，冷却液与反应物之间传递热量的速率、反应流体的质量及其热性能等，都影响对象的特征[6]。这些因素也就影响到控制系统的品质，设计时必须考虑。有些场合也可利用反应器内的压力作为被控参数，以间接达到快速、灵敏地控制反应温度的目的。这种情况的对象特性除考虑反应器本身外，还要涉及溶液蒸气压与温度的关系、反应器中气相压力与反应温度的关系等。
在设计控制系统时，控制参数也可能有多种选择，例如在蒸汽加热器的温度控制中，蒸汽量和凝液量都可作为控制参数。选择时必须考虑工艺合理、经济、响应快速等因素。当控制参数变动后，控制对象特性同样也要变化。
3.1.2 测量变送器
应用在工业现场、能输出标准信号的传感器称为变送器。变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。至于有时候与传感器通用是因为现代的多数传感器的输出信号已经是通用的控制器可以接收的信号，此信号可以不经过变送器的转换直接为控制器所
识别。所以，传统意义上的“变送器”意义应该是：“把传感器的输出信号转换为可以被控制器或者测量仪表所接受标准信号的仪器”。在自控中：信号源-->传感器-->变送器-->运算器控制器-->执行机构-->控制输出。
变送器种类很多，总体来说就是由变送器发出一种信号来给二次仪表使二次仪表显示测量数据。将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。一般分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。
3.1.3 执行器
控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。执行器是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成[7]。
分类：
1、执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器三种。
2、按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。
3、按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。
4、按输入控制信号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。
3.1.4 控制器
1、PID控制器的介绍
PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元、积分单元和微分单元组成。通过K p，K i和K d三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证
明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。
顾名思义，P指是比例（Proportion），I指是积分（Integral），D指微分（Differential）。在电机调速系统中，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。要想搞懂PID算法的原理，首先必须先明白P、I、D各自的含义及控制规律：
1、比例控制器
比例控制的优点是简单而且调整方便，但它会产生余差.余差的大小随开环增益的增加而减小。比例控制适用于低阶过程，对于一个具有大时间常数的过程,因为过程的稳定裕度大，往往允许有很大的开环增益。另外对于具有积分环节的对象，使用比例控制器不会产生余差，而采用PI控制器却会使系统的稳定性严重恶化，因此具有积分环节的对象特别适合比例控制器。
比例控制器多用于就地控制以及允许有余差存在的场合。例如，大多数液位控制系统不必要严格控制，只要储罐不出现满溢或抽干，因此比例控制特别适用。
2、比例积分控制器
积分会消除余差，所以当比例控制产生的余差超过限定值时，可适用比例积分控制器。在反馈控制器中,约有75%是采用PI作用的。
一般液位或压力控制系统对于参数的要求不严，它追求的是平均值的控制，所以可用比例控制。但流量或快速压力系统，几乎总是采用PI控制。这些系统的广义对象时间常数比较接近，稳定裕度小，因而所用比例度大，开环静态增益小，不用积分会产生很大余差。另外由于滞后小，运行周期短，积分时间可以取得很小，比例作用随偏差的产生会瞬时变化，而积分作用总是有些滞后，所以有了积分作用并相应地将比例作用调弱，还有利于减少高频噪声的影响。
3、比例积分微分控制器
PI作用消除了余差，但降低了响应速度。对于多容过程，它的响应速度本身就很慢，加入PI控制器后，就变得更加缓慢了，在这种情况下加入微分作用，用它来补偿容量滞后，使系统稳
定性得到改善，从而允许使用高的增益，并提高了响应速度。
由于温度控制和成分控制属于缓慢和多容的过程。所以常使用PID控制。不过在具有高频噪声的场合，不宜使用微分，除非先对噪声进行滤波。
4、PID控制器的设计
PID控制的应用范围非常广泛,对于不同的控制对象，控制器的性能要求往往差异很大。一般来说，PID控制器的设计过程需要满足以下几个方面的要求：
(1)设计得到的PID控制器满足性能指标；
(2)基于可知的/可获得的过程知识；
(3)满足计算能力的限制，设计所需要的资源是可获取的。
(4) 参数选择和调节原则
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
(1)比例P控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
(2)积分I控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System
with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
(3)微分D控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
在PID 参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID 参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID 的参数。增大比例系数P 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分时间I 有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时间D 有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。
首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加
入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。
如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D 设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。当响应曲线没有超调量，应该增加比例系数P 使响应有一定的超调量。当响应曲线超调量太大，应该减小比例系数P 使响应的超调量减小。当响应曲线有一定超调量，但是由于积分时间太长导致响应无法平稳，应该减小积分时间。当响应曲线超调量偏大，积分时间偏小导致响应振荡，应该适当减小比例系数和适当增大积分时间。
按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。控制器分组合逻辑控制器和微程序控制器，两种控制器各有长处和短处。组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但它的速度快。微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序；要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，但是，它是通过执行一段微程。组合逻辑控制器又称硬布线控制器，由逻辑电路构成，完全靠硬件来实现指令的功能[8]。
3.2控制方案的设计
3.2.1 单回路控制方案的设计
单回路控制系统由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成，系统原理方块图如图3.1所示。
图3.1 单回路控制系统原理方块图
对于载热体无相变的换热器来说，大多采用以载热体的流量为操作变量，其方案如图3.2所示
图3.2换热器单回路控制系统流程图
控制参数如下：
1、被控变量y：换热器管程出口温度。
2、给定值(或设定值)Ts：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。
3、测量值T m：由温度变送器TT检测出的换热器管程出口温度实际值。
4、操纵变量(或控制变量)：在本实验中为冷水流量，使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4~20mA；输出：阀门开度0~16mm。
3.2.2 串级控制方案的设计
在过程控制中，串级是改善过程控制质量极为有效的方法之一，在生产过程中得到了广
泛的应用。串级控制系统在本质上是一个定值控制系统，系统的最终控制目标是将主变量稳定在给定值上，副回路的引入大大提高了系统的工作性能，它在克服干扰的过程中起到粗调的作用，主回路则起到细调的作用，并最终保证主变量满足工艺要求。两个回路相互配合，充分发挥各自的长处，因而控制质量必然高于单回路控制系统[9]。换热器出口温度的串级控制方案图如图3.3所示
图3.3换热器串级控制流程图
1、串级的主要特点是:
(1).对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力
(2).改善了系统的动态特性,提高了工作频率
(3).对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力
2、串级控制系统的设计原则
(1).在单回路不能满足要求的情况下可以采用串级控制。串级控制系统虽然可以有效抑制副回路中的干扰，但是串级系统比单回路控制复杂。因此只有在单回路控制不能达到满意控制精度时才采用串级控制。
(2).具有能够检测的副变量，且主要干扰要包括在副回路中。能从对象中引出可以检测的副变量是设计串级系统的前提条件。由于串级系统对副回路中的干扰的抑制作用明显，因此需要将主要干扰或尽可能多的干扰包括在副回路中。
(3).副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能。根据前面对串级控制的分析可以看到，只有当副对象的滞后不大，副回路具有快速响应特性时，串级控制才能有效抑制回路中的干扰。
(4).将对象中具有显著非线性或时变特性的部分归于副对象中[10]。
串级控制系统由两个控制器串联而成，一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，其方框图如图3.4所示
图3.4 换热器出口温度串级控制系统方框图
3、控制参数如下：
(1)被控变量y：换热器管程出口温度。
(2)给定值(或设定值)Ts：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。
(3)测量值T m：由温度变送器TT检测出的换热器管程出口温度实际值。
(4)操纵变量(或控制变量)：在本实验中为冷水流量，使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4~20mA；输出：阀门开度0~16mm。
(5)干扰变量f1：热水循环系统的温度变化。利用燃油炉间歇工作造成的温度变化实现。
(6)偏差信号e：被控变量的实际值与给定值之差，e=T s-T m。T m---换热器出口温度。T s---换热器出口温度设定值。
3.2.3 前馈反馈控制方案的设计
前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。
前馈-反馈特点：
1、从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选做前馈信号的干扰产生校正作用。
2、从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对主要干扰作了及时的粗调作用，大大减少对控制的负担。
前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度[11]。换热器前馈反馈控制系统流程图和换热器出口温度前馈反馈控制系统方框图分别如图3.5和图3.6所示控制参数如下：
1、被控变量y：换热器管程出口温度。给定值(或设定值)Ts：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。
2、测量值T m：由温度变送器TT检测出的换热器管程出口温度实际值。
操纵变量(或控制变量)：在本实验中为冷水流量，使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4~20mA；输出：阀门开度0~16mm。
3、干扰变量f1：热水循环系统的温度变化。利用燃油炉间歇工作造成的温度变化实现。
4、偏差信号e：被控变量的实际值与给定值之差，e=T s-T m。
图3.5 换热器前馈反馈控制系统流程图T m---换热器出口温度。
3.6 换热器出口温度前馈反馈控制系统方框图3.3 仪表选型
1、.温度的测量
选择装配式热电偶如表3.1所示
表3.1测量范围及允许误差范围
毕业设计说明书 G RADUATE T HESIS 论文题目：换热器热流出口温度控制学院：电气工程学院
摘要 换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。以工业上常用的列管式换热器为例,热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的,从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。但由于目前制造工艺的限制,控制方式的单一性,换热器普遍存在控制效果差,换热效率低的现象,造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果,提高换热效率,对于缓解我国能源紧张的状况,具有长远的意义。 本课题来源于对SMPT—1000实验平台换热器的研究，对于换热器热流出口温度的控制，使用PID控制来进行调节，通过不断的调整其参数，确定一个比较准确的参数值，通过调整冷水阀的开度调整其流量来控制热流的出口温度。 本设计利用PCS7来完成整个系统自动控制，通过PCS7软件对系统进行硬件和软件组态，完成控制出口温度的编程，最后通过人机界面监控维护控制系统正常运行。 关键词换热器;温度;PID控制;PCS7
Abstract Heat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the field of power engineering and other process industries. In the industry commonly used shell and tube heat exchanger, for example, the hot fluid and cold fluid heat transfer by convection heat transfer to achieve the purpose, so that the heat exchanger outlet temperature of the material to meet the needs of industrial production. However, as the manufacturing process constraints, control unity, common heat exchanger control is poor, the phenomenon of low heat transfer efficiency, resulting in waste of energy. How to improve the control performance of the heat exchanger to improve heat transfer efficiency, to ease China's energy shortage situation, have long-term significance. The design comes from the SMPT-1000 test platform research exchanger for heat exchanger outlet temperature control, the use of PID control to adjust, through continuous adjusting its parameters to determine a more accurate parameter values by adjusting opening of the cold water valve to control the flow of adjustment of the outlet temperature of the heat flow. This design uses PCS7 to complete the system of automatic control by PCS7 software on the system hardware and software configuration, complete control of the outlet temperature of the programming, the last operating normally by HMI monitoring and control system. Keywords Heat;temperature; PID control; PCS7
换热器温度控制系统简单控制系统方案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
目录 目录 (2) 1、题目................................................................................................................. 错误!未定义书签。 2、换热器概述..................................................................................................... 错误!未定义书签。 换热器的用途............................................................................................... 错误!未定义书签。 换热器的工作原理及工艺流程图............................................................... 错误!未定义书签。 3、控制系统 (3) 控制系统的选择 (3) 工艺流程图和系统方框图 (3) 4、被控对象特性研究 (4) 被控变量的选择 (4) 操纵变量的选择 (4) 被控对象特性 (5) 调节器的调节规律的选择 (6) 5、过程检测控制仪表的选用 (7) 测温元件及变送器 (7) 执行器 (10) 调节器 (12) 、仪表型号清单列表 (12) 6、系统方块图 (13) 7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (13) 调节控制参数 (13) PID参数整定及系统仿真 (14) 系统性能分析 (16) 8、参考文献 (17)
吉林建筑大学城建学院课程设计报告 题目名称加热炉出口温度控制系统设计院（系）电气工程及其自动化 课程名称过程控制工程课程设计 班级电气13-1 学号 学生姓名 指导教师 起止日期2016.6.20-2016.7.1 成绩
目录 摘要 (Ⅰ) ABSTRACT (Ⅱ) 第1章绪论 (1) 1.1 设计目的 (1) 1.2 设计任务 (1) 1.3加热炉温度控制系统简介 (1) 1.4加热炉温度控制系统的发展 (2) 第2章对象模型建立 (4) 2．1 建立数学模型 (4) 2．2控制系统分析 (5) 第3章系统设备选型 (6) 3.1 测量变送器和传感器的选择 (6) 3.2执行器的选择 (6) 3.3控制器的选择 (6) 第4章控制器参数整定及Simulink仿真 (9) 4.1控制器参数整定 (9) 4.2Simulink仿真 (11) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14)
摘要 随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。随着网络技术的发展和整个工厂完全实现两级自动化管理，在过程级上通过相应的终端了解任何一个设备或任何一个装置的控制情况以及生产情况。过程控制系统在加热炉系统中得到广泛的应用，它是加热炉控制系统的重要部分，是对以及控制系统的一个总领和扩充。现代加热炉的生产过程可以实现高度的过程控制，以保证在加热过程中温度的准确控制，这就为工业生产提供了有利条件。加热炉是工业生产中的一个重要装置，它的任务是把原料加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用。 关键词：加热炉；过程控制系统；温度控制
热交换器温度控制系统 一．控制系统组成 由换热器出口温度控制系统流程图1可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。 图1换热器出口温度控制系统流程图 控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 二、设计控制系统选取方案 根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。以下是通过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。
换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。多级离心泵的转速由便频器来控制。 换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到通过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是通过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。 图2换热器的温度控制系统工艺流程图 引起换热器出口温度变化的扰动因素有很多，简要概括起来主要有： （1）热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口阀门的开度和循环泵压头的影响。热流体的温度主要受到加热炉加热温度和管路散热的影响。 （2 ）冷流体的流量和温度的扰动。冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速
1. E-0101B混合加热器设计 为确保混合加热器（E-0101B)中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K 的加热蒸汽加热入口温度为294K的工艺介质。为保证生成物的产量，质 量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此 实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。 1.1 换热器概述 换热器工作状态如何, 可用几项工作指标加以衡量。常用的工作指标主要有漏损率、换热效率 和温度效率。它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这 些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、 动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷 却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上 流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流 体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的 主要设备之一。 1.2换热器的分类 适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器 的具体分类如下： 一按传热原理分类：间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触 式换热器，复式换热器 二按用途分类：加热器，预热器，过热器，蒸发器 三、按结构分类：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等 此设计要求是将进料温度都为297.99K 的MN（亚硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加热到出
作者：旧在几 作品编号：2254487796631145587263GF24000022 时间：2020.12.13 目录 目录 (1) 1、题目........................................................ 错误!未定义书签。 2、换热器概述.................................................. 错误!未定义书签。 2.1换热器的用途............................................ 错误!未定义书签。 2.2换热器的工作原理及工艺流程图............................ 错误!未定义书签。 3、控制系统 (3) 3.1控制系统的选择 (3) 3.2工艺流程图和系统方框图 (3) 4、被控对象特性研究 (4) 4.1 被控变量的选择 (4) 4.2 操纵变量的选择 (4) 4.3 被控对象特性 (5) 4.4 调节器的调节规律的选择 (6) 5、过程检测控制仪表的选用 (7) 5.1 测温元件及变送器 (7) 5.2 执行器 (10) 5.3 调节器 (13) 5.4、仪表型号清单列表 (13) 6、系统方块图 (14) 7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (14) 7.1调节控制参数 (14)
7.2 PID参数整定及系统仿真 (15) 7.3 系统性能分析 (18) 8、参考文献 (19) 1、题目 热交换器出口温度的控制。 2、换热器概述 2.1 换热器的用途 换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及 其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热的目的主要有 下列四种： ①.使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行； ②.生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度 范围内进行；③.某些工艺过程需要改变无聊的相态；④.回收热量。 由于换热目的的不同，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下，被控变 量是温度，为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、 调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不同的工艺要求，被控变量也可 以是流量、压力、液位等。 2.2 换热器的工作原理及工艺流程图 换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：冷流体和热流体分别 通过换热器的管程和壳程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体
二○一三～二○一四学年第一学期信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：自动化2010级4班 学号：201004134140 姓名：肖翔 指导教师：万恒 二○一三年十一月
一．设计题目和设计要求； 设计题目：加热炉出口温度控制系统的设计 图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 被加热物料 图1 加热炉出口温度系统 但是，由于炉子时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 设计要求： 1.绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。 2.以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。 3.假设主对象的传递函数为0140()(1)(2) G s s s =++，副对象的传递函数为02()(1) G s s =+40，主、副控制器的传递函数分别为s K s G c c 21)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ， 请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。 4.利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出 响应曲线。
换热器出口温度设置 Prepared on 24 November 2020
摘要 目前,换热器控制中大多数仍采用简单控制系统及传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。使换热器普遍存在控制效果差，换热效率低的现象，造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果，提高换热效率，对于缓解我国能源紧张的状况，具有长远的意义 本课题是针对换热器实验设备温度控制改进提出的。设计中首先通过对现阶段换热器出口温度控制的特点进行分析，从而发现了制约控制效果进一步提高的瓶颈，为下一步改善换热器的控制效果提供了理论依据。然后根据换热系统组成、控制流程的特点对换热器温度控制系统建立数学模型。再根据所建立的数学模型，联系换热器温度控制的特点，给出了相应的控制策略，提出了串级控制及前馈控制或串级—反馈，前馈—反馈等复杂控制系统，来满足对于存在大的负荷干扰且和控制品质要求较高的应用场合。 关键字：换热器、数学模型、PID 、出口温度控制、串级控制
前言 换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设、大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。 未来换热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。
换热器温度控制系 统
1.E-0101B混合加热器设计 为确保混合加热器（E-0101B)中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K的加热蒸汽加热入口温度为294K 的工艺介质。为保证生成物的产量，质量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。 1.1换热器概述 换热器工作状态如何,可用几项工作指标加以衡量。常见的工作指标主要有漏损率、换热效率和温度效率。它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。
1.2换热器的分类 适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 一按传热原理分类：间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触式换热器，复式换热器 二按用途分类：加热器，预热器，过热器，蒸发器 三、按结构分类：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等 此设计要求是将进料温度都为297.99K的MN（亚硝酸甲酯）和CO （一氧化碳）加热到出口温度为473K，因此我们经过调查研究，综合比较之后选择了管壳式(又称列管式) 换热器。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 1.3换热器的用途 换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热的
热交换器温度控制系统课程设计
热交换器温度控制系统 一．控制系统组成 由换热器出口温度控制系统流程图1能够看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。 图1换热器出口温度控制系统流程图 控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 二、设计控制系统选取方案
根据控制系统的复杂程度，能够将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常见的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。以下是经过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。 换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，冷流体和热流体分别经过换热器的壳程和管程，经过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，经过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体经过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，能够调节冷热流体的大小。在冷流体出口设置一个电功调节阀，能够根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。多级离心泵的转速由便频器来控制。 换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到经过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是经过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。
换热器温度控制系统 设计
换热器温度控制系统设计 1、换热设备概述 换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。换热器广泛应用于化工、石化、炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业。换热器应用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备；板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。 2、控制方案的确定 实验控制对象位列管式换热器,主要的扰动是冷物料的流量Q。换热器温度控制系统包括换热器、控制冷流体的离心泵，传感器等设备。实验采用温度流量串级控制，以冷物料出口温度为主对象，以冷物料流量Q为副对象。 换热器控制图 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3 3、系统硬件设计 或控制量 型号 参数 温度变送器 （Endress+Hauser ） TR13 工作温度范围 PT100 (薄膜式(TF) 50 °C...500 °C (58 °F...932 °F) PT100 (绕线式(WW))： -200 °C (600) °C (- 328 °F...1,112 °F) PT100 (薄膜式(TF))： -50 °C...400 °C (58 °F...752 °F) 最大过程压力(静压) 20 °C 时：50 bar (725 psi) 73W 参数： 标称口径 DN 15…150 (1/2"…6") 测量范围 气体: 4…5 210 m3/h 过程温度 -200...+400°C (-328...+752°F) 最高可达 +450°C / 842°F (特殊选型) 输出信号 4…20 mA 电流输出 防爆认证 ATEX 、FM 、CSA 、TIIS 、NEPSI 、IEC 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制
换热器温度控制系统设计 1、换热设备概述 换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。换热器广泛应用于化工、石化、炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业。换热器应用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备；板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。 2、控制方案的确定 实验控制对象位列管式换热器,主要的扰动是冷物料的流量Q。换热器温度控制系统包括换热器、控制冷流体的离心泵，传感器等设备。实验采用温度流量串级控制，以冷物料出口温度为主对象，以冷物料流量Q为副对象。 换热器控制图
3、系统硬件设计 或控制量 型号 参数 温度变送器 （Endress+Hauser ） TR13 热保护套管末端类型 直管型 工作温度范围 PT100 (薄膜式(TF) 50 °C...500 °C (58 °F...932 °F) PT100 (绕线式(WW))： -200 °C...600 °C (-328 °F...1,112 °F) PT100 (薄膜式(TF))： -50 °C...400 °C (58 °F...752 °F) 最大过程压力(静压) 20 °C 时：50 bar (725 psi) 流量变送器 （Endress+Hauser ）73W 涡街 流量计 73W 参数： 标称口径 DN 15 (150) (1/2"…6") 测量范围 气体: 4…5 210 m3/h 过程温度 -200...+400°C (-328...+752°F) 最高可达 +450°C / 842°F (特殊选型) 输出信号 4…20 mA 电流输出 防爆认证 ATEX 、FM 、CSA 、TIIS 、NEPSI 、IEC 防护等级 IP 67 (NEMA 4x) X 主调节器 副调节器 换热器热水出口温 主回路干 给定值+ - 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图 X - 调节阀 涡街流量 流量 换热器热水出口温 变频器干扰 水泵
换热器温度控制系统 一．控制系统组成 由换热器出口温度控制系统流程图1可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。 图1换热器出口温度控制系统流程图 控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 二、设计控制系统选取方案 根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。以下是通过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。
换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。多级离心泵的转速由便频器来控制。 换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到通过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是通过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。 图2换热器的温度控制系统工艺流程图 引起换热器出口温度变化的扰动因素有很多，简要概括起来主要有： （1）热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口阀门的开度和循环泵压头的影响。热流体的温度主要受到加热炉加热温度和管路散热的影响。 （2 ）冷流体的流量和温度的扰动。冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速
二○一六～二○一七学年第一学期 信息科学与工程学院课程设计报告书 课程名称： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 二○一六年十月
1. 设计题目 加热炉出口温度控制系统的设计 2. 设计任务 图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 被加热物料 图1 加热炉出口温度系统 但是，由于炉子时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 3. 设计要求 1)绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。 2)以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。 3)假设主对象的传递函数为) 2)(1(1)(01++=s s s G ，副对象的传递函数为) 1(1)(02+=s s G ，主、副控制器的传递函数分别为s K s G c c 21)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。 4)利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。
一．单回路反馈控制系统的设计 单回路反馈控制系统结构框图 原料出口温度T受进入管式加热炉原料的初始温度和进入流量和燃烧值的影响。在原料流量一定的情况下，在燃料入口处安装一个调节阀，控制进入管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉出口温度单回路反馈控制系统。 二．串级控制系统的设计 单回路控制系统的控制效果较差，很难达到满意的效果。采用串级控制系统，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统。 串级控制系统回路的结构框图
1.E-0101B混合加热器设计 为确保混合加热器（E-0101B)中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K的加热蒸汽加热入口温度为294K的工艺介质。为保证生成物的产量，质量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。 1.1换热器概述 换热器工作状态如何,可用几项工作指标加以衡量。常用的工作指标主要有漏损率、换热效率和温度效率。它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。 1.2换热器的分类 适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 一按传热原理分类：间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触式换热器，复式换热器 二按用途分类：加热器，预热器，过热器，蒸发器 三、按结构分类：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等 此设计要求是将进料温度都为297.99K的MN（亚硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加热到出
目录 摘要 (1) 1换热器过程控制概述、组成及特点 (2) 1.1 概述 (2) 1.2 换热器的组成 (2) 1.3 系统控制过程的特点 (3) 1.4 引起换热器出口温度变化的扰动因素 (3) 2 换热器出口温度控制系统方案图 (4) 2.1 换热器出口温度控制系统流程图 (4) 2.2换热器出口温度控制系统方框图 (5) 3 换热器过程控制系统分析 (4) 3.1 系统介绍 (4) 3.2 两极Smith预估补偿器 (6) 3.3模糊控制器 (7) 4 方案比较 (9) 4.1 换热器一般温控系统 (9) 4.2 Smith预估器的控制机理 (9) 5 控制器的选择 (10) 5.1 LDG型系列电磁流量计 (10) 5.2 HR-WP-201TR/TC22W智能热电阻/热电偶温度变送器 (10) 5.3 LWGB系列涡轮流量变送器 (11) 5.4 KVHV电动V型调节球阀 (11) 5.5 AI-7048型4路PID 温度控制器 (12) 5.6 流量控制器：型号TLS11-LC (13) 参考文献 (13)
摘要 换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。这个对象的特点是：热流体和冷流体通过对流热传导进行换热，从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。本设计采用一带有Smith预估补偿的模糊串级控制器的控制系统，主控变量为换热管出口温度，副变量为冷水流量。对换热器出口温度偏差、偏差变化率和冷流体的流量值模糊化,使换热器热流体出口温度控制过渡过程平稳，具有较传统PID串级控制算法过渡时间缩短，超调量减少，抗干扰能力强等特点。
目录 目录 (1) 1、题目....................................................... 错误!未定义书签。 2、换热器概述................................................. 错误!未定义书签。 2.1换热器的用途........................................... 错误!未定义书签。 2.2换热器的工作原理及工艺流程图........................... 错误!未定义书签。 3、控制系统 (3) 3.1控制系统的选择 (3) 3.2工艺流程图和系统方框图 (3) 4、被控对象特性研究 (4) 4.1 被控变量的选择 (4) 4.2 操纵变量的选择 (4) 4.3 被控对象特性 (5) 4.4 调节器的调节规律的选择 (6) 5、过程检测控制仪表的选用 (7) 5.1 测温元件及变送器 (7) 5.2 执行器 (9) 5.3 调节器 (10) 5.4、仪表型号清单列表 (11) 6、系统方块图 (12) 7、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (12) 7.1调节控制参数 (12) 7.2 PID参数整定及系统仿真 (13) 7.3 系统性能分析 (15) 8、参考文献 (16)
1、题目 热交换器出口温度的控制。 2、换热器概述 2.1 换热器的用途 换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热的目的主要有下列四种： ①.使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行；②.生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行；③.某些工艺过程需要改变无聊的相态；④.回收热量。 由于换热目的的不同，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下，被控变量是温度，为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不同的工艺要求，被控变量也可以是流量、压力、液位等。 2.2 换热器的工作原理及工艺流程图 换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器的管程和壳程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程。在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。 图2 换热器温度控制系统工艺流程图
南华大学 过程控制仪表课程设计 设计题目换热器温度控制系统设计 学生姓名 XXXXXXXX 专业班级自动化0X X 学号 200944XXXXX 指导老师 XXXXXX 2012年6月25日
目录 引言 (3) 一、设计任务与方案分析 (4) 1.1 设计任务 (4) 1.2 方案分析 (4) 二、系统结构与框图 (5) 三、系统设计 (6) 3.1温度变送器选择 (6) 3.2执行器(调节阀)选择 (7) 3.3 调节器选择 (9) 四、系统组成 (12) 4.1 原件清单 (12) 4.2 系统配接图 (12) 五、总结 (13)
引言 换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。据统计，在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的 30%~40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器，它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到避面的一侧（对流传热），通过间壁内的热传导，再由间壁的另一侧将热传递给冷流体，从而使热物流被冷却，冷物流被加热，满足化工生产中对冷物流或热物流温度的控制要求。 目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合。
一、设计任务与方案分析 1.1 设计任务 本文以用蒸汽液化给工艺介质加热为代表介绍换热器温度控制系统，针对工艺介质出口温度的主要干扰进行分析，并对扰动实施反馈控制以达到控制目的。具体要求为：变送器选择、执行器选择、控制器控制方案选择；仪表的工作原理及性能指标，仪表间的配接说明。 1.2 方案分析 简单控制系统是指那些只有一个被控量、一个操作量，只用一个控制器和一个调节阀所组成的控制回路。根据题目所提供的系统原理图，可知改系统只需用简单控制系统既能完成控制要求。 被控参数选择被加热物料出口温度，而不选冷物料为被控参数，只要是因为本系统主要干扰是冷物料流量的变化，若选冷物料入量为被控参数，扰动进入的位置离被控参数太近，干扰对被控参数的影响大，控制品质差。但若选择被加热物料出口温度为被控参数，蒸汽入量为控制参数，则可以使主要干扰进入系统的位置远离被控参数，从而干扰对被参数的影响不，提高了系统的控制品质。 控制参数选择蒸汽入量。若系统出现故障时，应立刻关闭蒸汽进入换热器，以免蒸汽进入过多，使温度过高，烧坏换热器。从系统整体来看，扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。因此，选蒸汽入量为控制参数。 综上所诉，选择简单控制系统作为换热器温度控制系统的方案。
内蒙古科技大学 过程控制工程课程设计说明书 题目：高炉热风炉出口温度控制系统设计 学生姓名：====== 学号：====== 专业：测控技术与仪器 班级：====== 指导教师：======
目录 引言 (2) 1 高炉炼铁概述 (3) 1.1 高炉炼铁的工艺过程 (3) 1.2 高炉炼铁的主要组成部分 (4) 1.3热风炉的工作原理 (4) 2 热风炉出口温度过程控制设计 (4) 2.1 被控参数与控制参数的选择 (4) 2.2 出口温度控制方案设计 (5) 2.2.1 单回路控制系统结构与原理 (5) 2.2.2 出口温度单回路控制方案 (6) 2.3 仪器仪表的选用 (7) 2.3.1 检测仪表的选型 (7) 2.3.2 执行器的选型 (8) 2.3.3 调节器的选用 (9) 3 课程设计总结与心得 (11) 参考文献 (12)
引言 近年来，随着我国经济的快速发展，在基础实施行业的带动下我国炼铁控制也处于高速发展阶段。我国高炉现有1300多座，大于1000m3以上容积的高炉有150多座，高炉大型化的进程步伐加快，建设了四座4000 m3级的高炉，五座3200 m3级的高炉。现在存在的炼铁方法有：高炉炼铁、冲天炉炼铁、电化铁路炼铁、感应炉炼铁等，但现代大型工业中普遍采用高炉炼铁，因为高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大,劳动生产率高,能耗低，高炉炼铁方法生产的铁占世界铁总产量的95％以上。 在炼铁产量不断增长的同时，我国高炉炼铁技术也取得了很大的进步，入炉焦比和炼铁工序能耗不断下降，喷煤比、热风温度和利用系数不断提高，高炉操作技术也日趋成熟，各项技术经济指标得到进一步改善。高炉在钢铁厂生产中处于十分重要的位置，高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程，高炉炼铁主要有五大系统组成：送风系统、渣铁处理系统、喷吹系统、煤气系统、上料系统。 送风系统是高炉最重要的部分之一，风是高炉冶炼过程的物质基础之一，同时又是高炉行程的运动因素。高炉送风系统是由风机、冷风管道、热风炉、热风管道及相关的各种阀门和烟囱、烟道等所组成。热风炉把加热的热风与冷风管道的风混合，把具有一定温度的热风送给高炉。