加热器温度控制

天津城建大学

课程设计任务书

2014 -2015学年第2学期

控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级姓名学号

课程设计名称：过程控制

设计题目：加热器温度控制

完成期限：自 2015 年 7 月 13 日至 2015 年 7 月 17 日共 1 周

设计依据、要求及主要内容：

一、设计任务

试根据实验数据设计一个超调量25%

δ≤的无差控制系统。具体要求如下：

p

（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；

（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；

（4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

二、设计要求

采用MATLAB仿真；需要做出以下结果：

（1）超调量

（2）峰值时间

（3）过渡过程时间

（4）余差

（5）第一个波峰值

（6）第二个波峰值

（7）衰减比

（8）衰减率

（9）振荡频率

（10）全部P、I、D的参数

（11）PID的模型

（12）设计思路

三、设计报告

课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。

四、参考资料

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004

[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000

[3] 过程控制教材

指导教师（签字）：

教研室主任（签字）：

批准日期：年月日

目录

绪论 (3)

一、设计内容 (3)

1.1总体思路 (3)

1.2设计要求 (3)

二、数学模型的建立 (3)

2.1PID参数K、T、Τ的确定 (3)

2.2传递函数的确定 (5)

三、控制系统的设计 (6)

3.1原系统方框图 (6)

3.2PID温度控制器原理 (6)

3.3控制规律与控制变量的确定 (7)

3.4过程控制系统设备的选择 (7)

四、系统仿真及其分析 (9)

4.1仿真波形图 (9)

4.2系统的性能指标 (10)

五、课程设计心得体会 (10)

六、参考文献 (11)

绪论

过程控制课程是自动化专业最主要的一门课程，它是在自动控制理论的基础上发展起来的应用课程，既有理论又有工程实践。以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。例如，锅炉中蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参数的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少同时本次课程设计还综合应用了多款软件如MATLAB,VISIO 绘图软件。

供水系统是一个普遍存在的实际问题，有一个水箱需要维持一定的水位，该水塔里的水以变化的速度流出。这就需要有一个输入控制液体阀以不同的速度给水塔供水，以维持水位的变化，这样才能使水塔不断水。利用过程控制课程中所学的PID 控制可以实现水塔水位的精确控制，建立的水塔液位闭环控制系统，实现了水塔中的进、出水的水位自动控制。

一、设计内容 1.1 总体思路

在课程设计过程中，可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，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。同时也使学生加深理解所学的理解知识，提供运用所学知识的能力，按照给定的设计资料和设计要求，使学生掌握电气控制系统设计的基本技能，增强独立分析与解决问题的能力。

根据任务书中要求，对表格中数据进行分析计算，得到相应的传递函数，用MATLAN 进行仿真实验，最后得到相应的符合要求的PID 参数。对修正后的波形进行仿真，得到任务书中要求的未知量。

1.2 设计要求

试根据实验数据设计一个超调量25%p δ≤的无差控制系统。具体要求如下： 1、根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；

2、根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；

3、根据设计方案选择相应的控制仪表；

4、对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。

二、数学模型的建立

2.1 PID 参数K 、T 、τ的确定

静态放大系数 45

.10

.6u y ==?∞=

）（K t=[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11];

h=[4.0 4.0 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 5.8 5.85 5.9 6.0 ]; plot(t,h);

图2-1 传递函数响应曲线

图2-2 取y（t）=0.39是的响应曲线

图2-3 取y （t ）=0.63时的响应曲线

取t 1=3.9，t 2=6.3故Y 1=4.77，Y 2=5.49 由MA TLAB 仿真可得 t 1=3.9，t 2=6.3 T=2(t 2 - t 1)=4.8

τ=2t 1 - t 2 =1.5 31

.0=T τ（0.2<0.31<1）

τ19.081.0+=T T I =4.17 T T D 25.0==2.1

2.2 传递函数的确定

s

e s T K s W τ-+=

1

)(00 其中33.13

45.10.40.60≈=-=??=

I y K 33.253.593.32263.039.0=-*=-=t t τ 28.4)93.353.5(2)(239.063.00=-*=-=t t T

所以该系统的数学模型为：s e s s W 33.21

28.433

.1)(-+=

三、控制系统的设计

3.1 原系统方框图

图3-1 系统方框图

3.2 PID温度控制器原理

电脑控制温度控制器：采用PID模糊控制技术，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。

采用了PID模糊控制技术，较好地解决了惯性温度误差的问题。传统的温度控制器，是利用热电偶线在温度化变化的情况下，产生变化的电流作为控制信号，对电器元件作定点的开关控制器。

PID模糊控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问题。然而，在很多情况下，由于传统的温度控制器温控方式存在较大的惯性温度误差，往往在要求精确的温控时，很多人会放弃自动控制而采用调压器来代替温度控制器。当然，在电压稳定工作的速度不变、外界气温不变和空气流动速度不变的情况下，这样做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的环境因素是不断改变的，同时，用调压器来代替温度控制器时，必须在很大程度上靠人力调节，随着工作环境的变化而用人手调好所需温度的度数，然后靠相对稳定的电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温。当需要控温的关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压器就派不上用场，因为靠人手不能同时调节那么多需要温控的关键，只有采用PID模糊控制技术，才能解决这个问题，使操作得心应手，运行畅顺。

图3-2 加热器控制系统方框图

图3-3 PID系统控制方框图

3.3 控制规律与控制变量的确定

在此可根据a =T

τ

的值来选择控制规律，当a=0.2时应选用比例或比例积分控制规律；当0.2

应选用比例-积分-微分控制规律；当a>1时应采用串级控制或前馈控制。而该系统的a 属于第二种情况，所以应当选用比例-积分-微分控制规律。

具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID 控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为：

dt

t de K dt t e T K t e K t m p t

i

p p )

()()()(0

τ

++

=?

相应的传递函数是：

)1

1()(s s

T K s G i p τ++

= s s T s T T K i i i p

1

2++?=τ

在现实情况下，可直接选择测量的参数作为被控参数，这里选择出口处的水温作为被控变量。同时可以选择燃料的多少作为控制出口温度的控制变量。

3.4 过程控制系统设备的选择

测量与变送是控制系统设计中的一个重要组成部分，是系统产生控制作用的依据，要使系统良好运行，测量值必须迅速可靠地反映被控变量的真是变化情况，测量与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。

本处选择热网加热器，热网加热器其结构采用：卧式、固定管板式结构。依据其介质特性，采用二管程、单壳程。加热蒸汽走壳程，循环水走管程。管板与壳体、管箱均采用焊接结构，管箱上设有人孔，便于换热管的维护清理和更换。

热网加热器有以下性能特点：

由于本热网特殊结构和加工工艺，同时强化汽水两侧，传热系数高。（凝结水导流装置、管内增加水流速形成紊流）、水侧阻力小、耐高压、高温、不易泄露、较宽的负荷范围热工性能变化不大等特点

其中优化的结构设计应该如下：

（1）为减小热应力，换热器壳体采用大筒体间和小筒体用两个半波膨胀节相连，这样既满足了蒸汽进口的流通面积要求同时也消除了管束与壳体的膨胀差应力。

（2）在蒸汽进口设置蒸汽分散组件，在特大蒸汽流量状态下，具有蒸汽分散作用，使进入管束的蒸汽流速迅速降低到10m/s 以下，大大缓解了特大流量对管束的冲刷；该组件在蒸汽进口处设置较大的弧形有锈钢防冲板，对开车阶段开启蒸汽阀门瞬间对管束的冲击或正常操作阶段进入壳程的蒸汽流对管束的冲击具有阻挡和分流的作用，延长了管束使用寿命。

（3）为了减小热网加热器在运行中管束的震动，采取减小管束无撑跨距。管板与换热管采用强度焊加贴胀的方式以消除间隙并防止间隙腐蚀。

（4）为防止蒸汽冷凝液在换热管外表面形成大量水膜及底部换热管被上部换热管冷凝液所浇淋，特设置蒸汽分区导流装置，减少了冷凝水大量的附着在换热管表面。

（5）由于本热网加热器直径较大，按常规的布管方式则管束心部的换热管对于蒸汽凝结换热来讲，

将很难参与换热，这样就影响了换热效果。为此本热网加热器在布管上均匀地增设了蒸汽通道，使加热蒸汽能顺利地进入到管束心部，使所有的换热管都充分地参与换热。

（6）为保证较低的疏水温度，避免蒸汽进入凝结水管道，确保水泵不发生气蚀现象，使疏水更加稳定、可靠，特设置疏水井，便于水位调节。

（7）为防止管程循环水由于误关阀门，而蒸汽继续通入使循环水受热膨胀，造成设备损坏，管侧设置安全阀，使循环水受热膨胀时通过安全阀释放压力，保护设备。为防止由于换热管的破裂而使循环水进入壳程蒸汽侧,使壳程水位急剧升高,当水位高于设定水位时,平衡容器会与紧急疏水阀一起将过量的水泄掉,保护设备。当出现特别情况时，壳程会灌满水，相应压力会高到危及设备的安全，此时安全阀自动打开，与紧急疏水阀一起泄水，确保热网加热器的安全。

四、系统仿真及其分析

4.1 仿真波形图

图4-1原系统的仿真图

图4-2 校正后的仿真图

4.2 系统的性能指标

超调量：()()()

%100h h t h %p ?∞∞-=

δ=

%0.2200

.150

.172.1=-

峰值时间：p t =16s 过度过程时间：s t =30s 余差p=1.5012-1.50=0.0012

第一个波峰值：1.75，第二个波峰值：1.52 衰减比：75:52 衰减率：0.04 振荡频率：5.8

调节后全部PID 参数：I P =1 16.0=I D PID 的模型：此设计采用比例-积分控制规律

五、课程设计心得体会

虽然这次课程是那么短暂的一周时间，我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期所学，这次任务原则上是设计，其实就是一次大的作业，是让我对课本知识的巩固和对基本公式的熟悉和应用。课程设计是培训学生运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节，是对三年所学知识的复习和巩固。同样，也促使了同学们的相互探讨，相互学习。因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个项目，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。此次设计让我明白了一个很深刻的道理：团队精神固然很重要，担人往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多。

总之，这次课程设计使我收获很多、学会很多、比以往更有耐心很多。感谢学校及老师给我们这次课程设计的机会，最真挚的感谢我们的辅导老师 ，在设计过程中，老师精心的辅导和不厌其烦地的态度才使得我们以顺利的完成这次设计，他那无私的奉献的精神照耀着我们对学习的热爱，同时也增加我们对知识的追求和欲望度。

六、参考文献

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004

[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000

[3] 于海生．微型计算机控制技术．清华大学出版社，2004

[4] 戴焯. 传感与检测技术. 武汉理工大学出版社，2006