管式加热炉温度－温度串级控制系统1设计意义及要求1.1设计意义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，由于其具有强耦合、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。
1.2设计要求1）本课程设计题目为加热炉温度－温度串级控制系统设计，课程设计时间为2周；学生对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。
2）课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：① 目录；② 摘要；③ 生产工艺和控制原理介绍；④ 控制参数和被控参数选择；⑤ 控制仪表及技术参数；⑥ 控制流程图及控制系统方框图；⑦ 总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；⑧ 课程设计的心得体会（至少500字）；⑨ 参考文献（不少于5篇）；⑩ 其它必要内容等。
2方案论证2.1方案选择管式加热炉加热炉的工作原理如图1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1 管式加热炉工作原理图分析管式加热炉的工作过程可知，物料出口温度1()t θ受进入管式加热炉的物料初始温度，物料进入的流量（即物料入口的压强），进入管式加热炉的燃料的流量（也即燃料入口压强），燃料的燃烧值等因素的影响。
其中物料进入的流量（即物料入口的压强）和进入管式加热炉的燃料的流量（也即燃料入口压强）是影响物料出口温度1()t θ的主要因素。
如果采用单回路控制系统，根据操作量的选取原则，我们可以在物料入口处装上一个调节阀，以控制物料进入的流量；对于进入管式加热炉的燃料的流量，可以使它保持某一恒定值。
或在燃料的入口处安装一个调节阀，以控制进入管式加热炉的燃料的流量；对于进入管式加热炉的物料的流量，则可以使它保持某一恒定值。
而调节阀的开度大小由安装在物料出口处的温度传感器输出的大小间接控制。
它虽然结构简单，实现方便；但不符合生产工艺的要求。
因为如果将物料的进入流量进行限定后，则日生产总量也被限定。
这显然不符合实际的工业生产情况。
在此基础上进行一点改进——不对另一个量进行限制。
基于对燃料进入量进行控制的管式加热炉单回路温度控制系统原理图如图2所示。
图2 管式加热炉单回路温度控制系统原理图如图2所示的单回路温度控制系统初看起来是可行的。
而且它的结构简单，所需的器材少，投入小。
也符合工业设物料出口温度1()t θ1T C物料入口燃料 物料出口温度1()t θ计的经济原则。
但考虑到实际的被控对象——管式加热炉是一个大惯性系统，该方案实际上是行不通的。
在如图2所示的方案中，物料进入管式加热炉的流量变化和燃料入口压强的变化是一个对对被控量——物料出口温度1()t θ影响比较大的干扰。
假如流入管式加热炉的物料突然减少而燃料入口处的压强突然增大，由于物料在炉膛内的加热是一个过程（存在一个较大的时间滞后1T ），同时加热的物料经过炉膛内蜿蜒曲折的管道（用以实现物料的加热）流出加热炉也存在一个较大的滞后时间2T 。
经过较长时间滞后，才开始相应的调节显然是无法达到工艺要求的使物料出口温度只在2%±内波动。
而串级控制系统通常适用用于工业上一些有较大容量滞后或较大纯滞后的过程，有必要选择串级控制系统对管式加热炉的温度控制。
串级控制的原理图如图3所示。
图3 温度串级控制系统原理图在如图3所示的温度串级控制系统中，物料入口流量的变化和燃料入口压强的变化是影响物料出口温度的主要因素，而且它们对物料出口温度的影响存在较大的时间滞后——通过对管式加热炉的工作原理的分析可知，前者的时间滞后来源与物料在管道中流动的时间；而后者的时间滞后来源于前者的滞后时间加上管壁的热传递滞后时间。
即后者作用滞后时间2T 要大于前者的滞后时间1T 。
这种较大的滞后时间是给控制带来麻烦的关键因素。
那么减小或尽量消除这种较大的时间滞后成为控制系统设计的核心问题。
由工业生产工艺决定了由管道产生的时间滞后无法消除，而由炉膛和管壁产生的时间滞后可以尽量减小。
故可以选择物料出口温度作为主变量，炉膛温度作为副变量，构建串级控制系统。
其原理图如图3所示，方框图如图4所示。
主控制器温度变送器1温度变送器2物料管壁炉膛调节阀副控制器+-+-X1X2X3X4F3，F4F1,F2图4 温度串级控制系统原理方框图2.2温度串级控制系统分析在图4所示的温度串级控制系统中，由副控制器，调节阀，炉膛，温度变送器2构成温度控制系统的副环（内环）。
它将主控制器的输出作为给定信号，跟随信号X2；它的输出信号直接控制燃料进入调节阀的开度，从而控制炉膛内的温度。
由工程实践经验有——炉膛内的温度同物料出口温度存在某种关系，这样就可以达到间接控制物料出口温度的目的。
由于副环构成一个时间常数较小的负反馈环，它能在本环内引入的干扰信号（燃料入口压强变化和燃料热值变化分别用F3,F4表示）对物料出口温度产生较大影响前，及时进行调节。
对整个控制系统而言，可起到先调，粗调，快调的作用。
主控制器，副环，管壁，物料，温度变送器1构成主环（外环）。
由于主环回路前向通道较副环要长，控制作用的滞后时间较大，它的调节作用较慢；而且对副环所产生的控制偏差和物料入口温度及压强（分别用F1,F2表示）变化引起的干扰起到抑制作用。
它在整个控制系统中起到后调，慢调，细调的作用。
除此以外，主环和副环的协同作用还能大大提高系统的抗干扰能力。
假设在稳态工况下，物料进口温度和流量稳定，燃料的热值和流量不变，控制燃料的调节阀阀门开度保持一定，此时炉膛内的温度和物料出口温度都保持恒定。
如果干扰同时作用于主回路和副回路。
当燃料入口压强变化和燃料热值（分别用F3,F4表示）变化同物料入口温度及压强（分别用F1,F2表示）变化的作用方向相同（即同时曾大或变小）时，假如同时增加，在F1和F2的作用下，物料出口温度上升；通过温度变送器1 的反馈作用，使主调节器的输入减小，而相应的主调节器的输出也减小（即副控制环的给定值减小，也即减小燃料进入阀的开度）。
在副控制环中引入的干扰信号F3和F4使得炉膛内的温度升高，通过温度变送器2的反馈作用，也要使得副控制器的输入减小，也是要达到减小燃料进入阀的开度。
同样可以推出，当干扰信号同时减小时，主控制器和副控制器的控制作用都是使得燃料进入阀的开度增大。
二者作用的叠加使得整个系统抗干扰性能有很大的提高。
当燃料入口压强变化和燃料热值（分别用F3,F4表示）变化同物料入口温度及压强（分别用F1,F2表示）变化的作用方向相反时，例如当F1和F2的作用为减，而F3和F4的作用为曾时，F1和F2的作用使得物料的出口温度减小，通过温度变送器1的反馈作用，使得主调节器的输入增加，而相应的主调节器的输出也相应增加（即副控制环的给定值曾大，也即增大燃料进入阀的开度）。
在副控制环中引入的干扰信号F3和F4的作用下，炉膛内的温度增加，通过温度变送器2的反馈作用，使得副控制器的输入减小（即有减小燃料进入阀开度的趋势）。
同样可推出，当F1和F2的作用为曾，而F3和F4的作用为减时，主调节器有减小燃料进入阀开度的趋势，而副调节器有增大燃料进入阀开度的趋势。
主调节器和副调节器的这种相反的控制作用在某种程度上相互抵消，可以有效的抑制外界的干扰。
燃料1TTTT2T T 1T C 2T C物料出口温度1()t θ综上分析可知，串级控制系统不仅有较好的时间特性，而且还有较好的抗干如性能和动态性能。
2.3系统硬件及调节器选择在串级控制系统中，主副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，而副调节器起随动控制作用。
主参数是生产工艺的主要控制指标，它关系到所生产的产品的质量，一般都有较严格的工艺要求——不允许有残差，同时又由于要控制的工业过程有较大的容量滞后，所以主调节器通常选择PID 型调节器以实现主参数的无差控制。
而在串级控制系统中，稳定副参数并不是目的。
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没有像主参数那样的严格，可以在一定的范围内变化，允许有残差。
因此，副调节器一般选P 调节器。
为了能够快速的跟踪主调节器的输出，一般不引入积分环节，因为积分环节会延长调节过程，减弱副回路的快速特性。
副调节器一般也不引入微分环节，因为当调节器有微分环节时，主调节器输出稍有变化，就容易引起调节阀有较大的开度变化，对系统的稳定性能不利。
综上所述，主调节器应选用PID 型调节器，副调节器选用P 型调节器。
要使一个过程控制系统能正常的运行，系统必须构成一个负反馈。
因此，在串级控制系统中，主调节器和副调节器的正反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈。
从生产工艺安全角度出发，燃料进入调节阀应选用气开式（正作用），即一旦出现故障或冷物料流入中断，调节阀完全关闭，切断燃料的输入，确保管式加热炉的安全。
由管式加热炉的工作原理可知，对于副调节器，当炉膛温度升高时，温度变送器2的测量信号增大，为了保证副控制回路为负反馈，则要使得副调节器的输出信号减小。
按照测量信号增大，输出信号减小的原则，副调节器应为反作用方式。
对于主调节器，当副参数炉膛温度升高时，主控参数物料出口温度也升高，而温度变送器一般都是正作用方式，故温度变送器1的测量信号也增大，为了保证主控制回路也为负反馈，要求主调节器的输出信号减少，按照测量信号增大，输出信号减小的原则，主调节器也应为反作用方式。
各个环节的正反作用如下图5所示。
图中“+”表示为正作用，“-”表示为反作用。
图5 管式加热炉温度串级控制系统各环节正反作用图根据以上的分析选择好相应的硬件后，构建管式加热炉温度串级控制系统。
3控制仪表及技术参数3.1主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6所示。
主控制器温度变送器1广义被控对象+-R(t)E(t)U(t)Y(t)图6 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=--=+∑+ 增量型PID 控制数学表达式如下：()[()(1)]()[()2(1)(2)]D p pp I T T U k K E k E k K E k K E k E k E k T T ∆=--++--+- 物料出口温度1()t θ1TT TT 2T T1T C 2T C 燃料 物料入口管式加热炉 ++ + —— ——令0(1)D p I T T q K T T=++,1(12)D p T q K T =-+,2D p T q K T =则 012()()(1)(2)U k q E k q E k q E k ∆=+-+-012()(1)()(1)()(1)(2)U k U k U k U k q E k q E k q E k =-+∆=-++-+-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与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。
