换热器串级控制课程设计.doc

中北大学课程设计说明书目录目录 .11、概述.31.1 设备的分类.31.2 换热设备的换热目的.31.3 换热器的组成.31.4 换热器的工作原理.42、被控对象特性研究.52.1 被控变量的选择.52.2 操纵变量的选择.52.3 被控对象特性.5 2.4 目前换热器的控制方法.123.控制方案的选择 .133.1主回路的设计 .163.2副回路的设计 .163.3主副调节器规律选择.163.4主副调节器正反作用方式确定.164、过程检测控制仪表的选用.174.1 测温元件流量计及变送器.174.2 调节器.194.3 执行器.194.4、仪表型号清单列表.195、调节控制参数、进行参数整定及系统仿真及分析系统性能.205.1调节控制参数.205.2 PID参数整定及系统仿真.215.3 系统性能分析.246、课程设计结论.257、考文献.271.概述使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。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1在海水淡化工业生产当中，几乎全部设备都是由换热器组成的。换热器的先进性、合理性和运转的可靠性直接影响产品的质量、数量和成本。1.1设备的分类 根据不同的使用目的，换热器可以分为四类：加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器。按照传热原理和实现热交换的形式不同可以分为间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热（冷热流体直接接触）、有液态载热体的间接式换热器四种。在石油、化工生产中间壁式换热器应用的最为广泛。按冷、热流体进行热量交换的形式分为两类：一类是在无相变情况下的加热或冷却，另一种是在相变的情况下的加热或冷却。按传热设备的 结构形式来分，则有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等2 。衡量一台换热器好坏的标准是传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构合理，安全可靠，节省材料，成本低，制造、安装、检修方便。 1.2换热设备的换热目的在炼油的化工生产中，换热器设备应用极其广泛。进行换热的目的主要有下列四种：.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；.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；.某些工艺过程需要改变无聊的相态；.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。1.3 换热器的组成有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。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3。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。1.4 换热器的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。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，可以根据数入信号自动调节冷流体流量的大小,多级离心泵的转速由变频器来控制4。图1 换热器温度控制系统工艺流程图从传热过程的基本方程式可知，为了保证出口的温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节，调节传热量有以下几条途径：(1) 调节载热体的流量。调节载热体流量大小，其实只是改变传热速率方程中的传热系数K和平均温差Tm，对于载热体在加热过程中不发生相变的情况，主要是改变传热速率方程的热系数K；而对于载热体在传热过程中发生相变的情况，主要是改变传热方程中的Tm。(2) 调节传热平均温差Tm。这种控制方案滞后较小反应迅速，应用比较广泛。(3) 调节传热面积F。这种方案滞后较大，只有在某些必要的场合才采用。(4) 将工艺介质分路。该方案是一部分工艺介质经换热,另一部分走旁路。在设计传热设备自动化控制方案时，要视具体传热设备的特点和工艺条件而定。而在某些场合，当被加热工艺介质的出口温度较低，采用低压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较大时，为了保证温度控制平稳及冷凝液排除畅通，往往以冷凝器流量作为操纵变量，调节传热面积，以保持出口温度恒定3。设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送原件及检测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调机器控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。2、被控对象特性研究换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。通常它两侧的介质(工艺介质和载热体)在换热过程中均无相变。换热器换热的目的是保证工艺介质加热(或冷却)到一定温度。为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。2.1 被控变量的选择被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。在换热器出口温度串级回路控制系统设计中，选择出口温度作为被控变量，因为我们要得到流体稳定的出口温度。2.2 操纵变量的选择在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。将出口温度维持在一定值，主要是对冷热流体间传递的热量进行控制，有控制载热体流量、工艺介质的旁路流量、传热面积等多种方式。考虑工艺合理性，我选择对冷流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。2.3 被控对象特性换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这个方案的控制流程图如图2。 图2 换热器的温度控制系统工艺流程图在本文中，以列管式逆流单程换热器进行分析，令为热流体的流量，为冷流体流量。分别为热流体和冷流体的入口温度，分别为热流体和冷流体的出口温度，而分别为热流体和冷流体的比热容2。静态特性分析：对象的静态特性就是要确定之间的函数关系。静态特性的求得，可以作为控制方案设计时系统的扰动分析。静态放大系数也能作为系统整定分析，以及控制阀流量特性选择的依据。静态特性推导的两个基本方程式一热量平衡关系式及传热速率方程式为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，则热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为 （1-1）式中，为传热速率(单位时间内传递的热量)；为质量流量；为比热容；为温度。式中的下标处 1 为载热体；2 为冷流体；为入口；为出口。另外，传热过程中的为传热速率为 （1-2）式中，为传热系数；为传热面积；为两流体间的平均温差。其中平均温差对于逆流、单程的情况为对数平均值 （1-3）在，其误差在5%以内，可采用算数平均值来代替。算术平均值为： （1-4）对上述公式进行整理后得到： （1-5）上式为逆流、单程列管式换热器静态特性的基本表达式。其中各通道的静态放大倍数均可由此式推出：(l)热流体入口温度对出口温度的影响，即通道的静态放大倍数。对上式进行增量化，令，则可得: （1-6） 由式可求得通道的静态放大倍数为: （1-7）该式表明，与之间为线性关系，其静态放大倍数为小于1的常数。（2）冷流体入口温度对热流体出口温度的影响，即通道的静态放大倍数。同样对式（1-5）进行增量化，令，可得: （1-8）（1-8）式表明，之间也为线性关系。（3）热流体流量对其出口温度的影响，即通道的静态放大倍数，通过对式（1-5）进行求导，求取静态放大倍数为: （1-9）由上式（1-9）可见，通道的静态特性是一个非线性关系。从上式很难分清两者之间的关系，因此，常用下图来表示这个通道的静态关系。可以看出，当较大时，曲线呈饱和状，此时的变化，从静态来看，对的影响微弱了。 (4) 冷流体流量对热流体出口温度的影响即通道的静态放大倍数。同样可通过对式(1-5)求导，其结果与式（1-9）相似，两者为一复杂的非线性关系。为此，也用图来表示这个通道的静态关系。图2表示了这个关系，可以看出，当较大时，曲线呈饱和状，此时的变化，从静态来看，对的影响已经很小了。动态特性分析：换热器由于两侧都不发生相变化，一般均为分布参数对象。分布参数对象中输出(即被控变量)既是时间的函数，又是空间的函数，其变化规律需用偏微分方程来描述。现说明列管式换热器动态特性的建立方法。为便于分析，对该管式换热器作如下假设:1、间壁的热容可以忽略;2、流体1和流体2均为液相，而且是层层流动;3、传热系数K和比热容c为常数;4、同一截面上的各点温度相同。 建立分布参数对象的数学模型，同样是从热量动态平衡方程入手，但这时必须取微元来分析问题，并假设这一微元中各点温度相同。先分析流体1的热量动态平衡问题。取长度为的圆柱体为微元，这一微元的热量动态平衡方程可叙述为：（单位时间内流体1带入微元的热量)一(单位时间内流体1离开微元所带走的热量)+(单位时间内流体2传给流体1微元的热量)=流体1微元内蓄热量的变化率，即 （1-10）式中，为换热器的总长度;内管的圆周长;微元的表面积;流体1单位长度的流体质量; 微元体的质量消去方程式中的，并适当的整理，得： （1-11） 同理，可得流体的热量动态平衡方程式 （1-12）时间和空间的边界表达式为： （1-13） 上述两个方程式（1-11）和（1-12）及其边界条件（1-13）就是描述列管式换热器行为的动态方程。要对这样的动态方程进行精确的解析求解是很困难的。通常为了便于计算机实时控制和现代控制理论的应用，可以采用时间、空间离散化的方法，将上述连续偏微分方程转换成相应的离散状态空间模型。为了能说明传热对象的动态特性的基本规律，也可近似应用一些经验公式来描述。对于换热器的动态特性，可以用下面的近似关系式来表示。(l)热流体入口温度，冷流体入口温度对热流体出口温度的影响，即，的通道特性。如用传递函数来描述，可为: （1-14）式中：K各通道的静态放大倍数;分别为换热器的容量和冷流体的流量;拉普拉斯运算子符号。(2)热流体流量、冷流体流量对热流体出口温度的影响，即通道特性。如用传递函数来描述，可为: （1-15） 式中:K各通道的静态放大倍数； （1-16） （1-17） 分别为热流体和冷流体的储存量和流量。由式（1-15）看出，过程通道的动态特性均可近似为带有纯滞后的二阶惯性环种近似关系可以这样理解，要从热流体把热量传递到冷流体，必须先由热流体传给间壁，然后再由间壁传给冷流体，这样就成为二阶惯性环节。此外，还考虑了由于停留时间所引起的纯滞后。式（1-15）为一个近似的经验表达式，因为二阶环节的两个时间常数不不仅取决于两侧流留时间，而且与列管的厚度、材质、结垢等情况有关，但是，这个式子一定程度上描述了换热器动态特性的内在性质。在热器出口温度控制系统中，热流体流量不发生变化，冷流体和热流体表示冷水和热水。换热器热流体进出口温度差在附近，冷流体进出口温差在30左右。假设热流体温度由80降低到40，则根据以下数据:水的比热水的密度取971.9，40时水的密度为992.2;换热器冷却面积壳体长度;热流体流量;冷流体流量;根据式经验公式（1-15）可求得换热器动态特性的基本规律，由式（1-9）求出增益K为:故换热器温度控制的数学模型为: （1-18）由上式可以看出系统的滞后时间常数为11.85s，换热器出口温度控制系统是惯性和时间滞后均较大的系统。2.4目前换热器的控制方法换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。通常它两侧的介质(工艺介质和载热体)在换热过程中均无相变。换热器换热的目的是保证工艺介质加热(或冷却)到一定温度。为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。调节热量有以下几种方式1。1) 控制载热体流量由于冷流体的传热符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，通过对换热器静态特性分析部分的内容，因此有下列关系 （1-19）整理后得 （1-20）当从上式可看出，在传热面积、冷流体进口流量 、温度 和比热容 一定的情况下，影响冷流体出口温度 的因素主要为传热系数及平均温差。控制载流体流量实质上是改变。若由于某种原因使降低，控制器 TC 将使控制阀门增大，载热体流 量增加，传递的热量增加，这就必然导致冷热流体平均温差升高，从而使工艺介质 的出口温度增加。载热体流量增加，一方面使温差增加，另一方面传热系统数也会增加，但在通常情况下传热系统数变化不大，所以经常忽略。因此这种方案实质上是通过改变来控制工艺介质的出口温度的。改变载热体流量是应用最为普遍的控制方案，多适用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏的场合。当载热体流量已经变得很大， 较小时，进入饱和区控制就很迟迍，此时不宜采用此方案。2) 控制载热体旁路流量 当载热体本身也是一种工艺物料，其流量不允许变化时，可采用此控制方案。它的控制原理也是利用改变温差的手段来达到温度控制的目的。这里采用三通控制阀来改变进入换热器的载热体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又能保证载热体总流量不受影响。3) 工艺介质的旁路控制当工艺介质的流量允许变化，而且换热器的传热面有富余时，可将工艺介质的一部分经换热器，其余部分由旁路直接流到出口处，然后将两者混合起来控制温度。该控制方案中被控变量是冷流体和热流体混合后的温度，热流体温度大于设定温度，冷流体温度小于设定温度，通过控制冷热流体流量的配比，使混合 后的温度等于设定温度。从控制原理上来看，这种方案实际上是一个混合过程。所以反应及时，过程的滞后并不直接显示出来，适用于停留时间较长的换热器。但需注意的是换热器必须有较大余量的传热面积，且载热体一直处于最大流量，因此在通过换热器的被加热 介质流量较小时就不太经济。考虑经济性，旁路的流量通常占总流量的 10%30%。4) 控制传热面积从传热速率方程 来看，使传热系数 和传热平均温差 基本保持不变，调节传热面积可能改变传热量，从而达到控制出口温度的目的。此时调节阀装在冷凝液的排出管线上。如果被加热物料出口温度高于给定值，说明传热量过大，可将 冷凝液控制阀关小，冷凝液就会积累起来，减少了有效的蒸汽冷凝面积，从而使传热量减 少，工艺介质出口温度就会降低。反之，如果被加热物料出口温度低于给定值，可将冷凝 液控制阀开大，增大传热面积，使传热量相应增加。3、控制方案的选择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。 首先考虑单回路系统，但控制系统中可以看出，从冷流体管路阀门或离心泵转速变化到热流体出口温度改变，在这中间要相继通过冷流体流量变化，换热器热交换速率变化，热流体出口温度变化等一系列过程，因此整个控制通道的容量滞后大、时间常数大、这就导致控制系统的控制作用不及时、最大偏差大、过度时间长、抗干扰能力差、控制精度降低。而工艺上对出口温度要求比较严格，一般希望波动范围不超过+-（1%2%）。根据大量的工程实践经验和实验的结果证明，采用单回路控制系统是达不到要求的，必须寻求其他控制方案。 分析各种影响热器出口温度的因素，除了热流体的流量和温度外，冷流体的流量、阀门的开度等因素和进入系统的位置，首先影响冷流体的流量，而后经过换热器从而影响影响热流体的出口温度。如果以冷流体流量为被控变量，输送冷流体的离心泵转速为操纵变量，够成单回路控制系统，则该控制系统的通道的容量滞后大大减少，对来自离心泵的转速、阀门开度变化等干扰能及时克服，减少他们对热流体出口温度的影响。但是很显然，热流体的流量和温度的变化没有包含在内，同时系统也没有对热流体出口温度构成闭环控制，因此，仍然不能保证出口温度稳定在设定值上，还需进行改造。 为了解决上述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持热流体的出口温度稳定，可以根据管路冷流量的变化，先调节离心泵的转速，然后再根据热流体出口温度与设定值之间的偏差，根据合适的控制算法，进一步调节流体的流量，以保持出口温度的稳定，这样组成流体出口温度调节器和流体流量调节器串联起来的串级控制系统。其方块图如下图所示：系统框图：图5串级控制系统原理图工艺流程图：图6工艺流程图根据图5可看出来自冷流体流量方面干扰因素包括副回路内，因此可大大减少这些扰动因素对于热流体出口温度影响。对于热流体流量和温度方面的干扰，采用串级控制系统可以得到改善，具体控制效果明显改善。综上对串级控制系统方案的基本参数进行确定：主回路：热流体出口温度冷流体流量控制回路副回路：冷流体流量离心泵转速控制回路主变量：换热器出口温度副变量：冷流体流量主检测变送器：铂电阻温度传感器副检测变送器：涡轮流量传感器执行器：变频器3.1主回路设计换热器温度串级控制系统是以工艺介质出口温度为主要被控参数的控制系统。温度调节器对被控参数精确控制与温度调节器对介质干扰的及时控制相结合，先根据换热器出口温度的变化，改变介质量，快速消除干扰；然后再根据工艺介质出口温度与设定值的偏差，改变温度调节器的设定值，进一步调节介质量，使出口温度恒定，达到温度控制的目的3.2副回路设计副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。工艺料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，对于冷却器我们选择冷流体的流量为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数流量能够有效地影响主参数出口温度，提高了主参数的控制效果。3.3 主副调节器规律选择 在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在换热器温度串级控制系统中，我们选择出口温度为主要被控参数，介质料温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为换热器串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律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不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，无明显滞后，所以我们的负调节器调节规律选择PI控制。3.4主副调节器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，确保设备安全，调节阀的Kv0。主调节器作用方式确定：出口温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko10。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K10，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。4、过程检测控制仪表的选用4.1.温度的测量选择装配式热电偶如图7所示 图7装配式热电偶热电偶公称压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。 热电偶最小插入深度：应不小于其保护套管外径的810倍（特列产品例外） 绝缘电阻：当周围空气温度为1535，相对湿度80时绝缘电阻5兆欧（电压100V）。具有防溅式接线盒的热电偶，当相对温度为93 3 时，绝缘电阻0.5兆欧（电压100V） 温度变送器:选择通用型智能温度变送器如图8所示图8通用型智能温度变送器性能简介 输入单路或双路热电偶、热电阻信号，变送输出隔离的单路或双路线性的电流或电压信号，并提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。技术特点本产品采用了先进的数字化技术，具备了传统模拟仪表所不具备的多项先进性能，在对高、低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现，即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用，同时，数字化技术的应用彻底克服了传统温度变送器线性差的缺点，内部采用数字化调校、无零点及满度电位器、自动动态校准零点、温度飘移自动补偿等诸多先进技术，并符合IEC61000-4-4:1995中所规定的第四类(恶劣工业现场)环境对产品的抗电磁干扰要求,这一系列技术的应用使产品的稳定性及可靠性得到科学的保证。流量传感器选用SKLUCB型插入式涡街流量计5图9 SKLUCB型插入式涡街流量计因为此换热器控制系统的两流体均为液体，且换热器管径较大，则根据过程检测技术及仪表第二章第五节流量检测选用涡街流量计，插入式涡街流量传感器适用口径范围为350-1200mm,所以选用KTLUI型插入式涡街流量计仪表特点1、可测量蒸汽,气体,液体的体积流量和质量流量； 2、无机械运动部件,测量精度高,结构紧凑维护方便；3、压力损失小,量程范围宽；范围度达1:25； 4、采用消扰电路和抗振传感头； 5、采用消扰电路和抗振传感头，使仪表具有一定抗环境振动性能； 6、可测介质温度达+250。 7、可实现不断流拆装传感器，可实现放大器与传感器分离（分离距离15m）；4.2调节器选用SK808/900系列智能PID调节仪如图10所示图10 SK808/900系列智能PID调节仪4.3调节阀选用电动三通合流（分流）调节阀 如图10所示ZAZQ（X）型电动三通合流（分流）调节阀有合流和分流二种型式，由DKZ电动执行机构和三通合流或三通分流调节组成，以电源为动力，接受统一的标准信号010mA DC或4-20mA Dc驱使阀门开度与此操作信号相对应。合流阀的作用是将一种流体分成两路流体。分流合流阀只能对应选用，但当DN80时，和流阀可用于分流场合。可替代两台单、双座调节阀，节省投资，占据空间小。三通调节阀通常用于热交换器的两种介质调节，及简单的配比调节6。图11动三通合流（分流）调节阀4.4仪表清单1.、装配式热电偶2、通用型智能温度变送器3、SKLUCB型插入式涡街流量计4、SK808/900系列智能PID调节仪如图5、电动三通合流（分流）调节阀5、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能5.1调节控制参数（1）变送测量环节假设流量测量仪表处理后为线性单元：动态滞后忽略则有： 而温度环节可用一阶环节代替， 式中Ktm与Kqm分别与测量的仪表的量程有关；T10为流量测量环节的时间常数，单位为分(min)。在实际过程中这些参数基本不变。假设流量仪表的量程0-有=10%/（T/hr）t/h，温度仪表的量程为100-200摄氏度。所以：Kqm=10%,Ktm=1%（2）执行器/调节阀假设控制阀为近似线性阀，其动态滞后忽略, （3）被控对象对于流量对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为： ，扰动忽略式中K2通常在一定范围内变化，假设K2=0.05-0.2.而pv的变化范围是（-0.1-+0.1）；对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为： 对应的对象模型参数分别取值为： 5.2 PID参数整定及系统仿真在MATLAB中的Simulink工具箱组件中进行系统的仿真7，所搭建的系统模型如下所示。为了便于说明串级控制系统的PID的整定过程为：先进性副控制器的参数整定，再在副回路闭合的前提下，进行主控制器的参数整定。对于本设计的系统中的副回路控制器，其广义对象明显的纯滞后，无法用响应曲线法或临界比例度法来整定PID，本设计采用经验整定法。图12 系统仿真图副回路：（1）首先设定流量控制器PID的参数初始值为：式中，Kp为副回路广义对象的稳态增益；Tp为副回路广义对象的一阶时间常数。图12 副回路参数整定设置初始值图像（2）在根据设定值跟踪速度的快慢，调整控制器增益Kc直到满意为止。最后流量控制器的PID参数最后选取为：Kc=4,Ti=1.5,Td=0.如图：图13 副回路整定图主回路：PID参数初始值Kc=1，Ti=0.2，Td=0，未整定之前系统的输出曲线为：图14 系统从动回路输出响应曲线由上图可看出，响应曲线不符合4:1衰减振荡，所以需要进行参数整定。PID参数整定：PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。此次参数整定选用临界比例度法，这种整定方法是在闭环的情况下进行的。首先将控制器的积分作用和微分作用全部切除，将比例增益Kc由小到大变化，对于每一个Kc值做小幅度的设定值阶跃变化，以获得临界情况下的等幅振荡，按照下表的经验算式求取控制器的最佳参数值。表1 临界比例度法整定参数控制规律KcTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu(1) 去除积分时间和微分时间，设定PID参数为：Kc=1，Ti=0，Td=0图15 系统从动回路输出响应曲线（2）将KC由小到大变化，得到临界情况下的等幅振荡当Kc=6.1时，响应曲线近似为等幅振荡，如图16所示。得到特征参数分别为：Kcmax=2.7，PU=30根据表1，冷流体流量控制器选用PID控制规律，所以PID参数分别为：Kc=0.52.7=1.62， Ti=0.530=15 0.1230=3.6图16 近似等幅振荡（Kc=2.7）（3）PID参数整定完成后的响应曲线，如下图：图17 出口温度串级控制系统设定值跟踪响应由图可得，响应曲线为接近4：1衰减振荡曲线，整定参数较理想5.3系统性能分析1衰减振荡的过渡过程是人们所希望得到的一种稳定过程，它能使被控变量在受到干扰作用后重新趋于稳定，并且控制速度快、回复时间短。下面将以阶跃响应曲线形式表示的质量指标进行分析,由图17仿真图可得: 最终稳态值C=1，B=0.4 B=0.1(1) 衰减比衰减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。它等于曲线中前后两个相邻波峰之比:,n1则过程是衰减的，n越大衰减越快。 (2) 最大动态偏差最大动态偏差指的是在单位阶跃扰动下，最大振幅与最终稳态值之和的绝对值。A=|B+C|=1+0.4=1.4(3) 超调量在随动控制系统中，超调量是一个反映超调情况和衡量稳定程度的指标。式中，C表示最终稳态值与其初值的差(4) 调节时间调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间。过渡过程要绝对地达到新的稳态，理论上需要无限长的时间。一般认为当被控变量进入新稳态值附近 或 以内的区域，并保持在该区域内时，过渡过程结束，此时所需要的时间为调节时间，其是反应系统快速性的指标。调节时间t_s=