加热器出口水温串级控制系统解析

目录1设计要求及分析 (1)2被控对象分析 (2)3系统设计过程分析 (4)3.1方案论证 (4)3.2 串级控制系统 (4)3.3 测量环节 (8)3.3.1 温度传感器 (8)3.3.2 温度变送器 (9)3.4 控制器 (10)3.5 执行器 (12)4小结 (15)参考文献 (16)1设计要求及分析这次是要进行设计一个加热器出口水温控制系统，要求学习调节仪表与过程控制、传感与检测技术、单片机原理及应用、电子电路等知识。

主要涉及的知识有控制理论、检测理论与方法。

而主要采用的工具MATLAB、PROTEL、AUTOCAD等。

所要设计的被控对象为加热器，针对它的相关特性，和在实际应用中的工艺要求及特性，来确定控制被控对象，实现控制加热器出口水温的系统的类型。

我们学过的如简单控制系统，复杂控制系统，其中包括串级控制系统、比例控制系统，均匀控制系统等。

结合被控对象特性和各控制系统的适用范围去进行设计。

具体的设计任务可分为：1、了解被控对象相关特性及工艺要求2、设计系统实现方案3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书2被控对象分析被控对象为加热器。

当前国内小型加热器一般分为两种类型，电加热式和燃油加热式。

用油或者电都几乎不产生灰渣，二氧化硫、二氧化碳的排放量也极少，另外占用体积小。

故在小型加热器中极少采用煤、气等其它燃料方式。

电加热式以电源作动力，其效率较高、运行成本比燃油加热式略低，但体积比燃油加热式大，其适宜于宾馆及住宅等有稳定市电场所的集中供热用能。

而燃油加热式可以满足大功率、野外作业的要求，而不会消耗过多的能源的形式。

我选用立式盘管燃油式加热器为例，由燃油供给系统、鼓风系统、燃烧器、加热管、控制系统等组成，它的材料选择、结构设计上具有独到的特点，具有体积小、效率高、启动快和安全可靠的优点。

燃油式加热器原理图如图1所示图1 燃油加热器工作原理图此加热器加热水的工作原理可叙述如下：盘管加热器的受热面是一组盘管。

给水从加热器的底部进入内盘管，水沿内盘管螺旋上升至加热器上部，随即进外盘管，水沿外盘管螺旋下降至加热器底部。

水在内外盘管中受热，最后从加热器底部排出。

同时燃油对加热器进行加热，使加热器达到一定温度，这样就可以改变流过加热器盘管的水的温度，来控制出水口水温。

因此出口水温可以认为是被控参数，而燃料的流量可以被看做控制参量。

这样我们可以设计一个简单的温度控制系统，但如果满足不了生产的要求，就要改善设计，使其符合。

所以也有可能有必要设计成复杂的温度控制系统。

在诸如冶炼、钢铁、化工等由过程控制系统组成的现代工业生产中，水温与水流量是非常重要的控制因素，其中温度因滞后性比较强，所以控制起来比较困难．而对于加热器出口水温的控制也属于温度控制系统，同样具有滞后较大、纯滞后时间较长、扰动幅值大、负荷变化频繁、剧烈等特点。

3系统设计过程分析3.1方案论证对于加热器出口水温的控制系统，我们可以选用水出口温度为被控参量，燃料流量为控制变量，来进行分析。

同时该系统也属于温度控制系统，具有滞后较大、纯滞后时间较长、扰动幅值大、负荷变化频繁、剧烈等特点。

对于动态特性复杂、存在多种扰动或扰动幅度较大，控制质量要求高的生产过程，用简单控制系统无法实现良好的性能，也满足不了工艺控制精度要求，此外，由于对产品产量、质量、节能降耗、提高经济利益及环境保护等提出了更高要求，对生产条件要求越来越苛刻，简单控制系统也无法满足。

所以这时可以考虑用串级控制系统。

串级控制系统属于复杂控制系统，主要用于对象容量滞后较大、纯滞后时间较长、扰动幅值大、负荷变化频繁、剧烈的被控过程。

所以我选择用串级控制加热器系统来实现对加热器出口水温的控制。

而对于测量环节传感器的选择，考虑到我们测量的温度是水温，它的温度范围为0到100°，我们可以采用热电阻，这样测量范围就比较适当，测量的也比较精确。

而对于控制器和执行器的类型，将在后面具体的叙述。

3.2 串级控制系统我选用了串级控制系统。

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为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀．前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称为主变量(主被控参数)；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称为副变量(副被控参数)，起到的作用是为稳定主变量而引入的辅助变量．整个系统由主回路和副回路两个控制回路构成．副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程、主过程构成。

将水出口温度为被控参量即主变量，，加热器内温度为副控制参量即为副变量。

而燃料流量为控制变量，通过控制燃料的多少，来进行温度的控制。

串级控制系统的控制原理框图如图2所示。

图2 串级控制系统原理框图在串级控制系统中，系统有两个闭合回路，形成内外环。

主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。

主副调节器所起作不同，主调节器的控制任务是使主参数等于给定值，不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用．在控制过程中，副回路是一个随动系统，跟随主回路的输入，对副变量的动态性能和余差无特殊要求，所以副控制器一般采用比例控制规律，必要时引入适当的积分环节．温度控制系统可以看做是简单控制系统，但由于此系统扰动种类过多，且影响的效果不同，而该温度控制系统又是一个大滞后系统，如果用简单控制系统，无法使系统快速的响应并排除扰动对系统的干扰，从而带来一些不必要的或者是系统不允许的影响。

假设在稳态工况下，水进口温度和流量稳定，燃料的热值和流量不变，控制燃料的阀门保持一定的开度，加热器内温度保持相对稳定状态，此时水出口温度稳定在设定值。

如果出现外部干扰，使稳态工况遭到破坏，串级控制系统立即开始控制工作。

根据扰动施加点的位置不同，分3种情况：1)扰动作用于副回路；2)扰动作用于主过程；3)扰动同时作用于副回路和主过程．一次扰动作用在主被控过程上的，不包括在副回路范围内的扰动．二次扰动作用在副被控过程上的，包括在副回路范围内的扰动．串级控制系统工作过程为当扰动发生时，破坏了系统稳定状态，两个调节器进行工作．共同进行调节。

对于加热器出口水温控制系统来说，它的原理框图如图3所示。

图3 加热器出水口温度控制系统原理框图控制过程分析：1．燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动——干扰进入副回路假设此时扰动水流量f1(t)、水入口温度f2(t)保持稳定，只有扰动燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)，进入副回路的干扰首先影响加热器内的温度，这样副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，可使控制过程大为缩短。

如果干扰量小，经过副回路调节后，一般不会影响到水出口温度1t（）；当扰动幅度较大时，其大部分影响为副回路所克服，热会对水出口温度产生一定影响，但引起的偏差幅度要比简单控制回路系统小很多。

此时再通过主调节器改变副调节器的设定值，可完全消除干扰的影响，使被控参数回复到设定值。

2．水流量f1(t)、水入口温度f2(t)发生扰动——干扰进入主回路假设此时燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)为稳定值，只有水流量f1(t)、水入口温度f2(t)对主回路产生干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象加热器内温度部分特性的时间常数大为缩短，加快了校正作用，可以及时的改变加热器内的温度，也使扰动对出口水温度影响很小。

这样主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。

3．干扰同时作用于副回路和主回路主副回路干扰的综合影响有两种情况：（1）主副回路的干扰影响方向相同。

即同时增加或同时减小。

如：燃料压力f3(t)上升引起加热器内温度则会引起出口水温度上升，此时副控制器开始调节。

而水流量f1(t)变少也会引起出口温度上升，此时主副控制器共同作用，因此加强了控制作用，加快了控制过程。

（2）主副回路的干扰影响方向相反。

如：燃料压力f3(t)上升引起加热器内温度上升从而使得出口水温度上升，于是副控制器开始调节。

而原油流量f1(t)上升则出口水温度下降，于是主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。

如果两者相反的变化量恰好抵消，则执行器阀门不需要动作，若两个增加量不相等，也能相互抵消一部分，这样调节器输出变化幅度也会变小，调节阀开度只要做较小的改变，即可校正变差，使其重新回到设定值。

由前面的分析可以看出，在串级控制系统中，由于引入了副回路，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、粗调、快调的特点；主回路有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。

由于主、副回路相互配合，相互补充，使控制质量显著提高。

这样通过主副两个回路的共同作用，就可以使主要的扰动都得到了控制，有的甚至可以消除。

同时又是系统响应很快，未受到扰动很大的影响。

该系统对进入副回路的干扰有很强的克服能力，同时也改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善，而且对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。

前面已经说过，在串级控制系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。

这是选择调节规律的基本出发点。

因此主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。

所以，主调节器通常选用PI调节器，或PID调节器。

而控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。

因此，副调节器一般选P调节就可以了。

这样可以使它快速响应，快速消除扰动。

同时在设计副回路时要注意，在它的设计中，最重要的是选择副回路的被控参数即串级系统的副参数。

副参数的选择一般应遵循下面几个原则：①主、副变量有对应关系。

副参数应与主参数有一定的内在联系，副参数的变化应反映主参数的变化趋势、并在很大程度上影响主参数，而且副参数必须在物理上是可测的。

而且副回路的调节通道要尽可能的短，调节过程时间常数不能太大，时间之后笑，以便加快控制过程。

②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰。

为了充分发挥串级控制系统对进入副回路的扰动有较强克服能力的特点，在选择副参数时一定要把主要干扰包含在副回路中，并力求包含更多的干扰，但也不是副回路包含的干扰越多越好，因为包含的越多，其控制通道时间常数必然增大，响应速度变慢，那么副回路快速克服干扰的能力将受到影响。

③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振” 的发生，因此主、副回路中控制过程的时间常数不能太接近。

一般使其时间常数之比为3到10.④应注意工艺上的合理性和经济性。