换热器出口温度设置

换热器出口温度设置换热器出口温度设置PAGEPAGE49PAGE11换热器出口温度控制系统概述1.1设计目的换热器作为石油、化工、轻工业生产中重要的生产设备，除本身设计上应达到一定的性能指标外，在对它的控制上也应达到工艺的要求指标。尤其是对它的出口温度控制，直接影响到产品的质量和生产过程的安全。因此，设计出一套高性能的控制系统是解决这一问题的关键，本文正是基于这一目的，对换热器出口温度控制进行了研究。当前，换热器出口温度控制还面临两大急需解决的问题：1、结构庞大,成本昂贵，极大地阻碍了换热器工业化应用进程；2、过渡段的衔接不合理，导致部分热管处于不工作和非正常工作状态。要解决好上述问题的关键是优化换热器结构有两个途径：一是对换热器出口温度控制方案的强化研究；二是合理预测工业环境下对换热器出口温度的干扰因素，研制出新型的抗干扰方法，二者的优化组合研究是今后换热器出口温度控制优化技术发展的方向。过渡段的强化传热对优化换热器出口温度起着非常重要的作用。在生产过程中，由于换热器管板受水分冲刷、气蚀和微量化学介质的腐蚀，线路老化等原因导致成本的增加。通过lank"福世蓝高分子复合材料的耐腐蚀性和抗冲刷性，在以后的定期维修时，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属；即使使用后出现了渗漏现象，也可以通过福世蓝技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影响生产[2]。正是由于此种精细化的管理，才使得换热器渗漏问题出现的概率大大降低，不仅降低了换热器的设备采购成本，更保证了产品质量、生产时间，提高了产品竞争力。换热器出口温度控制在工业生产中的应用取得成功，并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明，因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的。回收利用六大耗能工业(冶金、化工、炼油、玻璃、水泥及陶瓷)的高温余热，使这些领域的能源利用率达到一个新的水平。由以上可以预见，换热器出口温度控制将具有广阔的推广应用前景，对工业生产和节能技术的发展产生重大的影响。通过大量资料获悉：目前在国内，对换热器出口温度的控制主要是双重控制和串级控制。在一些要求不高的场合，则多采用单回路反馈控制，所采用的算法也多是常规的PID算法。1.2设计主要内容本文首先介绍换热器的结构装置及换热器的工艺流程，然后根据换热器的特点选择控制方案并进行了PID算法的研究，最后进行仿真分析。本论文的结构安排和主要内容如下：第一章首先指出了课题的背景、目的和主要研究内容。第二章介绍了换热器工作原理及工艺流程，及换热器的类型。第三章介绍了控制系统的组成，重点介绍怎样选择PID控制器，然后对其算法原理特点等一一做了介绍，并对其参数整定做了讲解以便之后的仿真工作，并在这章中进行了控制方案的设计。第四章针对系统进行仿真工作。首先介绍了MATLAB/simulink。之后对单回路控制系统、串级控制系统、前馈-反馈控制系统建立simulink模型，仿真出图，观察控制系统的特性，进一步了解各个控制系统。最后对所做工作进行总结得出结论。2换热器概述2.1．1换热器工艺流程换热器出口温度控制系统流程图2.1图2.1换热器出口温度控制系统图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。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。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。换热器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。换热器类型换热器的分类良多，可以按传热原理、结构和用途等进行分类，按其结构分类主要有管壳式和板式两种。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。

1、间壁式换热器的类型夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管.夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。沉浸式蛇管换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善。套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大。套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目).特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。管壳式换热器管壳式(又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大,换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。2、混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：(1)冷却塔(或称冷水塔)在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。(2)气体洗涤塔(或称洗涤塔)在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用!(3)喷射式热交换器在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。(4)混合式冷凝器这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。3.蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。换热器工作特点1、间壁式换热器：所谓间壁式换热器，是指两种不同温度的流体在固定的壁面（称为传热面）相隔的空间里流动，通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要，也有用非金属（如石墨，聚四乙烯等）制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类换热器。2、混合式换热器：利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如：冷水塔（凉水塔）、造粒塔、气流干燥装置、流化床等。3、蓄热式换热器：在这类换热器中，能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气气热交换的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。3换热器出口温度控制方案的设计3.1控制系统组成被控对象在HYP自动控制系统中，一般指被控制的设备或过程为对象，如反应器、精馏设备的控制，或/view/4439488.htm"传热过程、燃烧过程的控制等。从定量分析和设计角度，控制对象只是被控设备或过程中影响对象输入、输出参数的部分因素，并不是设备的全部。例如：在精馏过程控制中，定回流控制系统的控制对象，只涉及到设备的回流管道；塔釜液位控制系统的对象，只与塔釜有关。在简单控制系统中，工程上也有称被控参数为对象的，如流量控制、压力控制和温度控制等。控制系统中，作为广义的控制对象，除控制器（调节器）以外的执行器（调节阀）及测量变送装置都包括在内。作为狭义的控制对象，其端部参数(输入、输出)有被控参数、控制参数和扰动参数，它们通过控制对象的内部状态而相互联系[5]。在被控制的设备或过程中，控制系统设计时选取的被控参数和控制参数不同。通常选择夹套中冷却液流量数为控制参数，而被控参数的选择可有多种方案。最常见的控制方案是选取反应器内的反应温度作为被控参数，此时的控制对象应包括夹套在内，冷却液与反应物之间传递热量的速率、反应流体的质量及其热性能等，都影响对象的特征[6]。这些因素也就影响到控制系统的品质，设计时必须考虑。有些场合也可利用反应器内的压力作为被控参数，以间接达到快速、灵敏地控制反应温度的目的。这种情况的对象特性除考虑反应器本身外，还要涉及溶液蒸气压与温度的关系、反应器中气相压力与反应温度的关系等。在设计控制系统时，控制参数也可能有多种选择，例如在蒸汽加热器的温度控制中，蒸汽量和凝液量都可作为控制参数。选择时必须考虑工艺合理、经济、响应快速等因素。当控制参数变动后，控制对象特性同样也要变化。测量变送器应用在工业现场、能输出标准lank"信号的传感器称为变送器。变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。至于有时候与传感器通用是因为现代的多数传感器的输出信号已经是通用的控制器可以接收的信号，此信号可以不经过变送器的转换直接为控制器所识别。所以，传统意义上的“变送器”意义应该是：“把传感器的输出信号转换为可以被控制器或者测量仪表所接受标准信号的仪器”。在自控中：信号源-->传感器-->变送器-->运算器控制器-->执行机构-->控制输出。变送器种类很多，总体来说就是由变送器发出一种信号来给HYPERLI二次仪表使二次仪表显示测量数据。将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。一般分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。执行器控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。执行器是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成[7]。分类：1、执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器三种。2、按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。3、按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。4、按输入控制信号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。控制器1、PID控制器的介绍PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元、积分单元和微分单元组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。顾名思义，P指是比例（Proportion），I指是积分（Integral），D指微分（Differential）。在电机调速系统中，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。要想搞懂PID算法的原理，首先必须先明白P、I、D各自的含义及控制规律：1、比例控制器比例控制的优点是简单而且调整方便，但它会产生余差.余差的大小随开环增益的增加而减小。比例控制适用于低阶过程，对于一个具有大时间常数的过程,因为过程的稳定裕度大，往往允许有很大的开环增益。另外对于具有积分环节的对象，使用比例控制器不会产生余差，而采用PI控制器却会使系统的稳定性严重恶化，因此具有积分环节的对象特别适合比例控制器。比例控制器多用于就地控制以及允许有余差存在的场合。例如，大多数液位控制系统不必要严格控制，只要储罐不出现满溢或抽干，因此比例控制特别适用。2、比例积分控制器积分会消除余差，所以当比例控制产生的余差超过限定值时，可适用比例积分控制器。在反馈控制器中,约有75%是采用PI作用的。一般液位或压力控制系统对于参数的要求不严，它追求的是平均值的控制，所以可用比例控制。但流量或快速压力系统，几乎总是采用PI控制。这些系统的广义对象时间常数比较接近，稳定裕度小，因而所用比例度大，开环静态增益小，不用积分会产生很大余差。另外由于滞后小，运行周期短，积分时间可以取得很小，比例作用随偏差的产生会瞬时变化，而积分作用总是有些滞后，所以有了积分作用并相应地将比例作用调弱，还有利于减少高频噪声的影响。3、比例积分微分控制器PI作用消除了余差，但降低了响应速度。对于多容过程，它的响应速度本身就很慢，加入PI控制器后，就变得更加缓慢了，在这种情况下加入微分作用，用它来补偿容量滞后，使系统稳定性得到改善，从而允许使用高的增益，并提高了响应速度。由于温度控制和成分控制属于缓慢和多容的过程。所以常使用PID控制。不过在具有高频噪声的场合，不宜使用微分，除非先对噪声进行滤波。4、PID控制器的设计PID控制的应用范围非常广泛,对于不同的控制对象，控制器的性能要求往往差异很大。一般来说，PID控制器的设计过程需要满足以下几个方面的要求：(1)设计得到的PID控制器满足性能指标；(2)基于可知的/可获得的过程知识；(3)满足计算能力的限制，设计所需要的资源是可获取的。(4)参数选择和调节原则在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。(1)比例P控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。(2)积分I控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。(3)微分D控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。当响应曲线没有超调量，应该增加比例系数P使响应有一定的超调量。当响应曲线超调量太大，应该减小比例系数P使响应的超调量减小。当响应曲线有一定超调量，但是由于积分时间太长导致响应无法平稳，应该减小积分时间。当响应曲线超调量偏大，积分时间偏小导致响应振荡，应该适当减小比例系数和适当增大积分时间。按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。控制器分组合逻辑控制器和微程序控制器，两种控制器各有长处和短处。组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但它的速度快。微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序；要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，但是，它是通过执行一段微程。组合逻辑控制器又称硬布线控制器，由逻辑电路构成，完全靠硬件来实现指令的功能[8]。3.2控制方案的设计单回路控制方案的设计单回路控制系统由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成，系统原理方块图如图3.1所示。图3.1单回路控制系统原理方块图对于载热体无相变的换热器来说，大多采用以载热体的流量为操作变量，其方案如图3.2所示图3.2换热器单回路控制系统流程图控制参数如下：1、被控变量y：换热器管程出口温度。2、给定值(或设定值)Ts：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。3、测量值Tm：由温度变送器TT检测出的换热器管程出口温度实际值。4、操纵变量(或控制变量)：在本实验中为冷水流量，使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4~20mA；输出：阀门开度0~16mm。串级控制方案的设计在过程控制中，串级是改善过程控制质量极为有效的方法之一，在生产过程中得到了广泛的应用。串级控制系统在本质上是一个定值控制系统，系统的最终控制目标是将主变量稳定在给定值上，副回路的引入大大提高了系统的工作性能，它在克服干扰的过程中起到粗调的作用，主回路则起到细调的作用，并最终保证主变量满足工艺要求。两个回路相互配合，充分发挥各自的长处，因而控制质量必然高于单回路控制系统[9]。换热器出口温度的串级控制方案图如图3.3所示图3.3换热器串级控制流程图1、串级的主要特点是:(1).对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力(2).改善了系统的动态特性,提高了工作频率(3).对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力2、串级控制系统的设计原则 (1).在单回路不能满足要求的情况下可以采用串级控制。串级控制系统虽然可以有效抑制副回路中的干扰，但是串级系统比单回路控制复杂。因此只有在单回路控制不能达到满意控制精度时才采用串级控制。(2).具有能够检测的副变量，且主要干扰要包括在副回路中。能从对象中引出可以检测的副变量是设计串级系统的前提条件。由于串级系统对副回路中的干扰的抑制作用明显，因此需要将主要干扰或尽可能多的干扰包括在副回路中。(3).副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能。根据前面对串级控制的分析可以看到，只有当副对象的滞后不大，副回路具有快速响应特性时，串级控制才能有效抑制回路中的干扰。(4).将对象中具有显著非线性或时变特性的部分归于副对象中[10]。串级控制系统由两个控制器串联而成，一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，其方框图如图3.4所示图3.4换热器出口温度串级控制系统方框图3、控制参数如下：(1)被控变量y：换热器管程出口温度。(2)给定值(或设定值)Ts：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。(3)测量值Tm：由温度变送器TT检测出的换热器管程出口温度实际值。(4)操纵变量(或控制变量)：在本实验中为冷水流量，使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4~20mA；输出：阀门开度0~16mm。(5)干扰变量f1：热水循环系统的温度变化。利用燃油炉间歇工作造成的温度变化实现。(6)偏差信号e：被控变量的实际值与给定值之差，e=Ts-Tm。Tm换热器出口温度。Ts换热器出口温度设定值。前馈反馈控制方案的设计前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。前馈-反馈特点：1、从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选做前馈信号的干扰产生校正作用。2、从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对主要干扰作了及时的粗调作用，大大减少对控制的负担。前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度[11]。换热器前馈反馈控制系统流程图和换热器出口温度前馈反馈控制系统方框图分别如图3.5和图3.6所示控制参数如下：1、被控变量y：换热器管程出口温度。给定值(或设定值)Ts：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。2、测量值Tm：由温度变送器TT检测出的换热器管程出口温度实际值。操纵变量(或控制变量)：在本实验中为冷水流量，使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4~20mA；输出：阀门开度0~16mm。3、干扰变量f1：热水循环系统的温度变化。利用燃油炉间歇工作造成的温度变化实现。4、偏差信号e：被控变量的实际值与给定值之差，e=Ts-Tm。图3.5换热器前馈反馈控制系统流程图Tm换热器出口温度。3.6换热器出口温度前馈反馈控制系统方框图3.3仪表选型1、.温度的测量选择装配式热电偶如表3.1所示表3.1测量范围及允许误差范围注:t为感温元件实测温度值(℃)热电偶的时间常数如表3.2所示。表3.2热电偶时间常数热电偶工程压力：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8-10倍。表3.3热电偶参数2、流量调节器按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法)，采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20mADC电流信号。技术参数表3.4：表3.4流量计技术参数3、执行器（调节阀）ZAZQ(X)型电动三通合流（分流）调节阀有合流和分流两种形式，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0~10mADC或4~20mADC驱使阀门只能对应选用，但当DN<80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[13]。选用电动三通合流（分流）调节器如图所示。4换热器出口温度控制系统的仿真4.1仿真软件介绍MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多。用户可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。Simulink简介imulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为:从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。4.2换热器出口温度控制系统的仿真分析单回路控制系统仿真1、参数选取：Kp=30，Td=90，1/Ti=1/5942、系统simulink模型为：图4.1单回路控制系统Simulink模型3、参数整定当Kp=30出现等幅震荡曲线，此时Tk=2.81，等幅震荡曲线如图4.2所示图4.2系统等幅震荡曲线比例放大系数Kp=15，将Kp的值置为15，曲线如图4.3所示图4.3系统P控制时的单位阶跃响应曲线比例放大系数Kp=13.5，积分时间常数Ti=2.3417曲线如图4.4所示图4.4系统PI控制时的单位阶跃响应曲线根据表可知PID控制整定时，比例放大系数Kp=17.6417，积分时间常数Ti=1.405，微分时间常数为0.35125，曲线如图4.5所示图4.5系统PID控制时的单位阶跃响应曲线4、分析由图4.3、图4.4、和图4.5对比看出，P控制和PI控制的阶跃响应上升速度基本相同，由于这两种控制的比例系数不同，因此系统稳定的输出值不同。PI控制的超调亮比P控制的要小，PID控制比P控制和PI控制的响应速度快，但是超调量要大些。串级控制系统仿真1、对象为：QUOTE(4.2)(4.3)(4.4)2、参数选取：PIDC1：P=3PIDC2：P=183、simulink模型（1）一次扰动，延迟位于主回路系统simulink模型为：图4.6传输延迟位于主回路的Simulink仿真框图当Kc1=3，Tic1=30，Kc2=10时，系统阶跃响应如图4.7所示图4.7一次扰动延迟位于主回路系统阶跃响应曲线图（2）二次扰动，延迟位于主回路系统simulink模型为：图4.8二次扰动延迟位于主回路simulink模型当Kc1=3，Tc1=30，Kc2=10时，加上二次阶跃扰动，此时系统的输出曲线如图4.9所示。图4.9系统二次阶跃扰动二次扰动延迟位于主回路响应曲线图（3）一次扰动，延迟位于副回路系统simulink模型为：图4.10二次扰动传输延迟位于副回路中的Simulink仿真框图（4）二次扰动，延迟位于副回路当Kc1=3，Tc1=0，Kc2=0.8时，系统阶跃响应如图4.11所示图4.11一次扰动传输延迟位于副回路中的系统阶跃响应曲线图当Kc1=3，Tc1=0，Kc2=0.8时，加上二次阶跃扰动，此时系统的输出曲线如图4.12所示图4.12系统二次扰动传输延迟位于副回路中阶跃响应曲线图4、分析对比延迟位于主回路中时系统对二次扰动的响应曲线图，以及延迟位于副回路中时系统对二次扰动的响应曲线图，可以明显地看出，延迟位于主回路时，通过串级控制可以很好地消除其影响。前馈反馈控制系统仿真1、对象为：干扰通道传递函数为：、QUOTE(4.5)系统被控部分传递函数：QUOTE(4.6)给定部分传递函数为：(4.7)2、参数选取：PID：P=0.29，I=0.009控制通道1：Tranfun模块：Disturb模块：Forth模块：图4.13各模块封装图3、simulink模型图4.14前馈反馈控制系统simulink模型当Kd=-2.5，Td1=5，Td2=8。若系统采用PID控制，则系统结构框图如图4.15所示。图4.15系统前馈-反馈复合控制Simulink仿真结果最上方曲线为系统输出波形，中间曲线为干扰波形，下方曲线为规范随机干扰波形。4、分析前馈-反馈复合控制系统利用前馈抑制对系统影响较大的干扰，利用反馈控制抑制其他干扰及前馈所留下的部分干扰。结论通过将单回路、串级、前馈-反馈应用于回路中，通过使用matlab软件的simulink进行仿真，通过对仿真曲线的分析，验证了各控制方案的优缺点如下：1、单回路控制系统的特点是简单而有效，适合用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不高的场合。2、串级控制系统的