换热器变比值串级控制系统 - 完整版 - 图文

学 号：

0121111360407

课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

换热器变比值串级控制系统

自动化学院 自动化 自动化ZY1102

郝文汉 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

具体时间 12月29日 12月31日,1月4日，5日 1月6日，7日 1月8日 设计内容 指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求 开始查阅资料，完成方案的初步设计 由指导老师指导完成课设情况。学生修改、完善 撰写课程设计说明书，并进行答辩

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书

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

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武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书

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。

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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

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