管式加热炉温度温度串级控制系统的设计说明

1、课程设计作业书 题目：管式炉温温串级控制系统设计初始条件：管式加热炉是石油工业的重要设备之一。它的任务是将原油加热到一定温度，以保证下一道工序的顺利进行。加热炉的过程如下：燃料油在炉内雾化燃烧，加热后的油流经炉周围的管道后，加热到出口温度。尝试采用温度-温度串级控制策略设计过程控制系统，使管式加热炉出口温度为70，稳态误差为 2。需要的主要任务：1、了解管式加热炉的工艺设备和工作流程2.根据对象特征分析，绘制控制系统方案图3、确定系统所需的检测元件、执行器、控制器的技术参数4.编写系统调整原理及调整流程手册5.总结课程设计的经验和收获目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l

2、 _Toc312977416 前言 PAGEREF _Toc312977416 h 2 HYPERLINK l _Toc312977417 1设计目的和意义 PAGEREF _Toc312977417 h 4 HYPERLINK l _Toc312977418 1.1管式加热炉介绍 PAGEREF _Toc312977418 h 4 HYPERLINK l _Toc312977419 1.2设计目的及意义 PAGEREF _Toc312977419 h 4 HYPERLINK l _Toc312977420 2管式加热炉温控系统工作原理及控制要求 PAGEREF _Toc312977420 h

3、 6 HYPERLINK l _Toc312977421 3总体设计方案 PAGEREF _Toc312977421 h 7 HYPERLINK l _Toc312977422 3.1温度-温度串级控制系统 PAGEREF _Toc312977422 h 7 HYPERLINK l _Toc312977423 3.2程序特点 PAGEREF _Toc312977423 h 8 HYPERLINK l _Toc312977424 4串级控制系统分析 PAGEREF _Toc312977424 h 9 HYPERLINK l _Toc312977425 4.1主电路设计 PAGEREF _Toc3

4、12977425 h 9 HYPERLINK l _Toc312977426 4.2二次回路选择 PAGEREF _Toc312977426 h 9 HYPERLINK l _Toc312977427 4.3定期选择主辅调节器 PAGEREF _Toc312977427 h 9 HYPERLINK l _Toc312977428 4.4确定主辅调节器的正反作用方式 PAGEREF _Toc312977428 h 10 HYPERLINK l _Toc312977429 4.5控制器软件设计 PAGEREF _Toc312977429 h 10 HYPERLINK l _Toc312977430

5、 4.6数字PID控制器参数整定 PAGEREF _Toc312977430 h 12 HYPERLINK l _Toc312977431 5每个仪器的选择和组件列表 PAGEREF _Toc312977431 h 13 HYPERLINK l _Toc312977432 5.1温度检测元件 PAGEREF _Toc312977432 h 13 HYPERLINK l _Toc312977433 5.2温度变送器 PAGEREF _Toc312977433 h 14 HYPERLINK l _Toc312977434 5.3调节阀 PAGEREF _Toc312977434 h 15 HYPE

6、RLINK l _Toc312977435 5.4联锁保护 PAGEREF _Toc312977435 h 16 HYPERLINK l _Toc312977436 6感受和经历 PAGEREF _Toc312977436 h 17管式炉温度-温度串级控制系统的设计前言1970年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的飞速发展以及自动控制理论和设计方法的发展，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自动化对此，日本、美国、德国、瑞典等国家生产了一批性能优良的商品化控制器和仪表，广泛应用于各行各业。被广泛使用的。它们主要具有以下特点：1 、适用于大惯量、大滞后等复杂控制系统的

7、控制。2 、能适应控制系统数学模型难以建立的控制系统的控制。3 、能适应被控系统过程复杂、参数随时间变化的控制系统的控制。4 、这些控制系统一般采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论，并采用先进的算法，以适应广泛的应用。5 、控制系统具有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好等特点。目前，国外控制系统和仪器仪表在高精度、智能化、小型化方面发展迅速。随着人们物质生活水平的提高和与市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也在向更高的层次发展，产品的制造过程也越来越复杂。为了满足高质量、高产、低消耗的要求，为了满足安全生产和环境保护的要求，作为工业自动化的重要分支的过程控制的任务越来越艰巨.在

8、现代工业控制中，过程控制技术是一个历史悠久的分支。它自 1930 年代以来一直在使用。过程控制技术发展到今天，在控制方式上经历了从手动控制到自动控制的两个发展时期。在自动控制时期，过程控制系统经历了三个发展阶段，分别是：分散控制阶段、集中控制阶段和分布式控制阶段。在过去的几十年里，工业过程控制取得了惊人的发展。无论是在结构复杂的大型工业生产过程中，还是在传统工业过程的改造中，过程控制技术在提高产品质量和节约能源方面都发挥着重要作用。非常重要的作用。目前，过程控制正向高级阶段发展。无论从过程控制的历史和现状，还是从过程控制发展的必要性和可能性来看，过程控制都在向集成化、智能化方向发展，即计算机集

9、成化。制造系统（CIMS）：以智能控制理论为基础，以计算机和网络为主要手段，综合集成企业的运行、计划、调度、管理和控制，实现自动化和整个生产系统从原材料的进货到产品的交付。优化信息管理。1 设计的目的和意义1.1 管式加热炉介绍管式加热炉是石油工业中的重要设备之一。加热炉控制的主要任务是保证工艺介质的最终温度达到并保持工艺要求。管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室和燃烧器。示意图如图1所示：图1 管式炉通风系统：将助燃空气引入燃烧器，将烟气引出炉膛，可分为自然通风和强制通风。对流室：以对流换热为主的换热部分是由辐射室排出的烟气进行的。辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部

10、件。该部分直接被火焰冲刷，温度较高（600 -1600），是进行热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。燃烧器：是将燃料雾化并混合空气进行燃烧的发热装置。燃烧器可分为燃油燃烧器、燃气燃烧器和油气联合燃烧器。1.2 设计目的及意义由于管式加热炉具有耦合性强、滞后大的特点，控制起来非常复杂。同时，近年来，节能、循环利用和合理利用越来越受到重视。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，消耗大量能源。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一项重要的质量指标。要保证加热炉具有最高的热效率和最大的经济效益。另外，为了更好的保护环境，在设计加热炉控制系统时，要保证燃料充分燃

11、烧，以尽量减少燃烧产生的有害气体，达到排放的目的。减少。2 管式加热炉温控系统的工作原理及控制要求管式加热炉的工作原理如图2所示。被加热的冷物料从左端的喷嘴流入管式加热炉，燃料从喷嘴流入管式加热炉的燃烧部分在右端供热。被加热的物料从右上端的喷嘴流出，出物料出口温度料温度为受控参数。物料入口燃料管式加热炉管式加热炉工作原理图引起温度1变化的扰动因素很多，主要包括：(1)燃油扰动F2(其成分及调节阀前油压)；(2) 燃油喷射用过热蒸汽的压力波动F4；(3)被加热油的扰动F1(其流量和入口温度)；(4) 气流分布、炉膛漏风和大气温度的扰动F3；其中，燃油压力和过热蒸汽压力可通过专用调节器保持稳定，将

12、扰动因素降至最低。从调节阀动作到温度1的变化，需要依次通过炉膛、管壁和被加热油所代表的热量，所以反应很慢。该工艺要求管式加热炉出口温度为70，稳态误差为 2。3 总体设计方案3.1温度-温度串级控制系统串级控制系统采用两组检测变送器和两个调节器。前级调节器的输出作为后级调节器的设定，后级调节器的输出送至调节阀。中间控制变量：炉温；操纵变量：燃料流量。当炉温发生变化时，能随时间动作，克服干扰。图3 管式加热炉温度串级控制系统X3X2图4 管式加热炉出口温度串级控制系统框图式中 X1 为给定温度，X2 为物料温度，X3 为炉温，F1 为被加热油的扰动（其流量和入口温度）， F2 为燃料油（其成分和

13、加热前的油调节阀）压力）， F3是空气分布、炉膛泄漏和大气温度的扰动， F4是燃料喷射过热蒸汽的压力波动。3.2 程序特点在串级控制系统中，由于引入了次级电路，不仅可以快速克服作用于次级电路的干扰，而且可以快速克服主电路的干扰。辅助电路具有初调、初调、快速调整的特点；主电路具有后调、微调、慢调的特点，可以完全消除辅助电路没有完全克服干扰的影响。由于主、辅电路相互配合，控制质量显着提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多使用一台测量变送器和一台控制器（调节器），增加的投资并不多（对于计算机控制系统，只增加一台测量变送器。），但防治效果显着提高。原因是在串级控制系统中增加了一个含有二次扰动的二次

14、回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的运行频率； 具有较强的克服二次干扰的能力。 ; 提高克服第一次扰动的能力和对回路参数变化的适应能力。4 串级控制系统分析4.1 主电路设计加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要控制参数的控制系统。其他受控参数是炉温、室壁温度、燃料流量和原料油流量。温度调节器对受控参数1的精确控制与温度调节器对燃料干扰的时间控制相结合。首先，根据炉温2的变化，改变燃料量，快速消除燃料的干扰和对炉温的影响；然后根据原料油出口温度1与设定值的偏差，改变炉温调节器的设定值，进一步调整燃料量，使原料油出口温度恒定，达到调温的目的。控制。4.2 二次回路选择二次回

15、路的选择是确定二次回路的受控参数。由于其成分和流量变化，燃料极大地干扰了控制过程。因此，我们选择炉温作为串级控制系统的辅助控制参数。在串级系统中，通过调节辅助参数炉温2，可以有效影响主要参数原料油出口温度1，提高主要参数的控制效果。4.3 主辅调节器规则选择在串级控制系统中，主辅调节器起不同的作用。主调节器起定值控制作用，辅助调节器起跟随控制作用，是选择调节器规律的基本出发点。在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度作为主要控制参数。原料油温度影响产品的生产质量，工艺要求严格，而且由于加热炉串级控制系统有较大的容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。控制次要参数的目的是

16、保证和提高主要参数的控制质量。对二次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。因此，我们的负调节器调节规律选择P控制。4.4 主辅调节器正反作用方式的确定考虑到生产过程的安全，燃料调节阀应为空开，以保证系统发生故障时调节阀完全关闭，防止燃料进入加热炉，保证设备安全，和调节阀的Kv0。主调节器动作方式确定：炉温升高，出料温度也升高，主控过程为Ko10。为保证主回路为负反馈，各环节的放大系数必须为正，故负调节器的放大系数K10，主调节器的作用方式为反应。为保证二次回路为负反馈，各环节放大系数的乘积必须为正，故负调节器大于0，负调节器的作用方式为反应方式。4.5 控制器软件设计管式加热

17、炉温度串级控制系统主电路简化框图如图5所示。图5 串级控制系统主电路简化框图主控制器使用数字PID控制算法：位置和增量。位置式PID控制的数学表达式如下：(1)增量PID控制的数学表达式如下：(2)比较两种数字PID控制的数学表达式可以看出，增量控制算法不需要做累加，控制量增量的确定只与最近的误差采样值有关。影响较小。基于位置的算法使用过去误差的累加值，容易出现较大的累加误差。同时，增量算法得到控制量的增量。例如在阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误操作影响不大，不会严重影响系统的工作。但是基于位置的算法的输出是控制量的全输出，故障影响很大。另外，采用增量PID数字控制算法，易于实现手动到

18、自动的无冲击切换。经过以上分析，我们可以看出使用增量式数字PID控制算法效果更好。相应的数字PID增量控制算法流程图如图6所示。将A/D结果赋给Y（K）求E（K）=R（K）-Y（K）计算控制增量将控制增量输给DAC令E（K）-2=E（K）-1，E（K）-1=E（K）采样时刻到否NY设定q0，q1，q2置E（K-1）和E（k）为0图6数字PID增量控制算法流程图4.6 数字PID控制器参数设置串级控制系统通常用于对主要参数有严格控制要求的生产过程中。同时，在串级控制系统中，辅助参数应能准确、快速地跟踪主调节器的输出变化。这种需求差异是我们合理选择参数调优方式的基础。串级控制系统参数整定常用的工程

19、整定方法有：逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。逐步逼近法是依次设置主循环和子循环，然后循环，逐步逼近主循环和子循环的最优状态。两步调优就是将系统置于串级控制状态。先按照单回路控制系统设置子回路调节器的参数，然后把已经设置好的子回路作为串级控制系统的一部分，仍然按照单回路控制系统设置参数。循环参数。调整主控制器参数的方法。一步调法是凭经验，先调好辅助调节器的参数，不要改变；然后根据单回路控制系统的整定方法直接调节主调节器的参数。比较几种调优方法，逐步逼近法繁琐，工作量大；两步调谐法虽然可以满足主、辅参数的要求，但需要分两步进行，需要寻求4 : 1的两个衰减比。阻尼振荡的过程也是繁琐的。相比之下

20、，一步调优法的调优过程比较简单，工作量也比较小。因此，采用一步参数整定的方法来整定串级控制系统的参数。系统参数调优步骤：( 1 )在系统正常生产和纯比例运行条件下(即无穷大、零)，根据工程经验，确定二次回路调节器(为P型控制器)的参数比例。( 2 )以副回路为一个环节，按照单回路参数设置的方法设置主控制器的参数。将系统中的调节器设置为纯比例作用（即无穷大，零），由大到小调节，直到出现受控参数等二次振荡。记下此时的比例（临界比例）和等次振荡的周期（临界振荡周期）。根据相应的经验公式可以计算出， ， 。( 3 )在设定参数条件下，观察控制过程，适当调整主调节器参数，使其符合工艺要求。5 每个仪器的

21、选择和组件列表5.1温度检测元件热电偶作为温度传感元件，可将温度信号转换成电动势（mV）信号，配合测量毫伏的指示仪表或变送器，可实现温度测量指示或温度信号转换。具有稳定性好、重现性好、体积小、响应时间短等优点。热电偶一般用于500C以上高温，可1600C在高温下长期使用。RTD 也可用作温度传感元件。大多数电阻器的电阻随温度变化。如果材料具有电阻温度系数大、电阻率高、化学物理性质稳定、电阻与温度接近线性关系的条件，则可用作感温元件。温度测量，称为热电阻。热敏电阻分为金属热敏电阻和半导体热敏电阻两大类。大多数金属热敏电阻的电阻随着温度的升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的电阻随着温度的升高而降低

22、。使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且靠近热源，其温度波动也较大，给测量带来误差.为了减少这种影响，通常使用补偿。该线用作热电偶的连接线。补偿线的作用是将热电偶的冷端延伸到离热源更远的地方，温度更稳定。补偿线的作用如图7所示。将热电偶的冷端用补偿线延长到温度比较稳定的地方后，冷端的温度补偿问题还没有完全解决，为此必须采取进一步的补偿措施。具体方法有：查表法、仪器调零法、冰浴法、补偿电桥法和半导体PN结补偿法。使用热电阻法测温时，电阻测温信号一般通过电桥转换成电压。当热电阻的导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除线电阻引起的测量误差，无论热电阻与被测端的距

23、离如何，线电阻的阻值都必须满足规定值。同时热电阻必须接三根线，如图8所示，热电阻由三根线引出，一根接电源，不影响电桥平衡，另外两个分别放在电桥的两个臂上，这样引线电阻值对电桥作为温度函数的影响大致抵消了。本设计中管式加热炉出口温度70为，稳态误差为 2，故选用热电阻、电流输出型集成温度传感器AD590，灵敏度为1 A/K，测量范围为 -55 150。图7 补偿线的作用图8 热电阻三线连接5.2 温度变送器DDZ-III型仪表采用集成电路和安全火花防爆结构，提高了仪表的精度、可靠性和安全性，满足大型化工厂、炼油厂的防爆要求。 III型仪表具有以下主要特点：(1)采用国际电工委员会(IEC)推荐的

24、统一信号标准。现场传输信号为DC420mA，控制室接点信号为DC15V，信号电流电压转换电阻为250 。(2)集成电路的广泛应用，简化了仪器的电路，提高了精度，提高了可靠性，减少了维护工作量。(3)整套仪表可组成安全的火花式防爆系统。 DDZ-III型仪表室按国家防爆规范设计，加装安全栅，实现控制室与危险场所的能量隔离，使仪表在危险场所使用.DDZ-III型PID调节器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动和自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调节器接收变送器发出的测量信号（DC420mA或DC15V），与输入电路中的给定信号进行比较，得到偏差信号，然后在PD和PI电路中进行PID运

25、算，最后由输出电路转换成4-20mA直流电流输出。图 9 显示了温度变送器的原理框图。虽然温度变送器的品种和规格很多，以满足不同传感元件和不同量程的需要，但它们的结构基本相同。本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器。图9 DDZ-III调节器结果框图5.3调节阀由上可知，从生产过程的安全出发，燃油调节阀应为空开，即一旦出现故障或切断气源，应将调节阀完全关闭切断进入加热炉的燃油，确保设备安全。调节阀按其工作能量形式可分为气动、电动和液压三大类。气动调节阀以压缩空气为工作能源，其主要特点是可在易燃易爆环境下工作，广泛应用于化工、炼油等生产过程；电动调节阀与电源一起工作，其特点是容易获得能源，信

26、号传输速度快，但在易燃易爆环境下工作困难；液压控制阀采用液压驱动，推力大，一般生产过程中很少使用。因此，本设计采用气动调节阀，采用气开形式。5.4 联锁保护联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰探测器、低位选择器等部分组成。当燃油管路压力高于规定限值时，压力调节系统通过低位选择器代替正常工作的温度调节系统。此时出料温度不受控制，自行上浮。调压系统投入运行，保证燃油管路压力不超过规定上限。当管道压力恢复正常时，通过低位分离器使温度调节系统投入正常运行，再次控制排放温度。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，将发出两位信号，控制电磁阀切断燃气供应，防止回火。6 感受和经历通过这次课程设计，我发现了很多平时学习中的不足，也学到了很多以前没有接触过的知识。在我平时的学习中，我经常学习在考试中要测试什么。没有理解和演绎，导致考试后忘记了这方面的知识，也无法将其转化为自己的知识，所以一开始设置课程有点困难。在一个多星期的课程设计过程中，遇到了很多问题，但是我通过很多有效的方式解决了，比如在网上搜索相关资料，问身边的同学朋友，或者问我专业的老师。一开始对管式加热炉和串级控制系统只有一个大概的了解。我去图书馆