换热器温度前馈控制

目录1引言 (2)2 设计任务与方案分析 (2)2.1 设计任务 (2)2.2 方案分析 (2)3 建模分析 (3)3.1 换热器的静态特性分析 (3)3.2 换热器的静态放大系数 (4)3.3 被控过程分析 (5)4 前馈控制器的设计 (6)4.1 前馈控制通用模型分析 (6)4.2 静态前馈控制器的设计 (7)4.3前馈控制的动态补偿 (8)5 调节阀和检测变送元件介绍 (9)5.1 调节阀的选择 (9)5.2 温度变送器 (10)5.3 流量传感器 (10)6 参数整定及系统实现 (11)6.1 静态工作点 (11)6.2动态补偿参数的整定 (11)7 小结体会 (13)8 参考文献 (14)换热器温度前馈控制1引言换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。

据统计，在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的 30%~40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。

由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。

化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器，它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到避面的一侧（对流传热），通过间壁内的热传导，再由间壁的另一侧将热传递给冷流体，从而使热物流被冷却，冷物流被加热，满足化工生产中对冷物流或热物流温度的控制要求。

目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合,多采用加入负荷干扰的前馈控制构成前馈反馈控制系统.本文就通过对干扰的分析，重点阐述前馈对于干扰的控制作用。

2 设计任务与方案分析2.1 设计任务本文以用蒸汽液化给工艺介质加热为代表介绍换热器温度控制系统，针对工艺介质出口温度的主要干扰进行分析，并对扰动实施前馈控制以达到扰动补偿的目的。

具体要求为：扰动分析，扰动补偿中的变送器选择、执行器选择、控制器控制方案选择和参数整定并进行系统仿真。

充分利用前馈控制的在扰动对控制过程影响之前就加以抑制的特点达到控制温度要求，避免较大超调的要求。

2.2 方案分析前馈控制的特点是扰动补偿。

在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。

这就是前馈控制的思想。

对于换热器控制系统为什么采用前馈控制策略而不采用单回路的反馈控制方案呢？这要从换热器温控系统的特点来看。

换热器温度控制系统是个大惯性、时间滞后、非线性的系统。

如果采用简单的反馈回路控制，滞后和超调会比较大，不能适应工程的需要。

而前馈可以比较好地解决这个问题。

换热器温控系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动，反馈控制难以克服扰动对被调量的影响，这时可引入前馈控制以改善控制品质。

在蒸汽加热器系统中，如果对工艺介质流量波动要求较高，采用前馈控制方案也可以很好地解决问题。

下图就是当蒸汽加热温控系统的前馈控制策略。

只要控制器参数整定合适就可以降低乃至避免该扰动对被控液体出口温度的影响。

图2-1 蒸汽加热器前馈控制系统原理图3 建模分析3.1 换热器的静态特性分析在工业生产中,生产负荷常常是在一定范围内不断变化的,由此决定了传热设备的运行工况必须不断调节以与生产负荷变化相适应.假定换热过程中的热损失可忽略不计,则有: 1)热平衡方程式)()(11112222i o o i c G c G q θθθθ-=-= （3-1） 式中,21,G G 表示冷、热流体的重量流量,kg/h;21,c c 表示冷、热流体在进出口温度范围的平均比热,kJ/(kg·℃);i i 21,θθ表示冷、热流体进入换热器的温度,℃;o o 21,θθ表示冷、热流体出换热器的温度,℃。

2)传热速率方程式m m UA q θ∆= （3-2）式中，q 表示热量传递速率，U 表示传热系数，m A 表示传热面积，m θ∆表示平均温差，如果只是为了表示变量之间的关系，用算术平均值就足够精确了。

即：2)()(1212o i i o m θθθθθ-+-=∆ （3-3）由（3-1）、（3-2）、（3-3）可以整理得到： 3）静态特性基本方程式)1(2112211111211c G c G UA c G mii i o ++=--θθθθ （3-4）由此可以求得有关通道的静态放大系数。

3.2 换热器的静态放大系数设换热器的输出变量是冷流体的出口温度o 1θ，而输入变量是：载热体流量2G ，入口温度i 2θ，冷流体流量1G ，入口温度i 1θ。

下面通过式（3-4）求得这四条通道的静态放大系数。

1）)(11o i θθ∆--∆)1(21)1(21221111221111110++-+=∆∆c G cG UA c G c G c G UA c G mm iθθ （3-5）这条通道基本是线性的，放大系数总是小于1，即出口温度的变化小于入口温度变化。

2）)(12o i θθ∆--∆)1(21122111121++=∆∆c G cG UA c G mio θθ （3-6）这条通道也基本是线性的。

3）)(11o G θ∆--∆)2()1(21221122211112111c G c UA c c G c G UA c G G mm ii o +⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=∆∆θθθ （3-7）这条通道时非线性的，且比较复杂。

在mUA c G 11小时，o 1θ变化较显著，即放大系数较大；而mUA c G 11较大时，o 1θ变化缓慢，且会出现饱和现象。

4）)(12o G θ∆--∆2221122211111221)1(212c G c G c G cG UA c G G m ii o ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=∆∆θθθ （3-8）这条通道是非线性的，mUA c G 22小时，o 1θ变化显著；而较大时，o 1θ变化缓慢且出现饱和现象。

3.3 被控过程分析换热器的输出变量即被控变量是出口介质的温度o 1θ。

一般来说1G 、i 1θ、i2θ都是不可控的，它们是扰动的，故而选取载热体流量2G 作为操纵变量。

而将其他变量作为扰动量。

由上静态特性放大系数可以看出，调节通道)(12o G θ∆--∆呈现非线性且比较严重。

这点可以通过对调节阀的选择作出一定的缓解，当然也可以选择改进的控制方案。

4 前馈控制器的设计4.1 前馈控制通用模型分析前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。

物料出口温度θ需要维持恒定，选用反馈控制系统。

若考虑干扰仅是物料流量1G ，则可组成下图的前馈控制方案。

图4-1 前馈控制方块图系统的传递函数可表示为：)()()()()(11s G s G s G s G s PC ff PD o +=θ （4-1）式中)(s G PD 、)(s G PC 分别表示对象干扰通道和控制通道的传递函数；)(s G ff 为前馈控制器的传递函数。

系统对扰动Q 实现全补偿的条件是：0)(1≠s G 时，要求0)(1=s o θ将上式代入（4-1）式，可得：)()()(s G s G s G PC PD ff -= （4-2）满足（4-2）式的前馈补偿装置使受控变量o 1θ不受扰动量1G 变化的影响。

图4-2表示了这种全补偿过程。

图4-2 前馈控制全补偿示意图在1G 阶跃干扰下，调节作用c θ和干扰作用d θ的响应曲线方向相反，幅值相同。

所以它们的合成结果，可使o 1θ达到理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。

显然，这种理想的控制性能，反馈控制系统是做不到的。

这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。

在干扰作用下，受控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。

前馈控制的另一突出优点是，本身不形成闭合反馈回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。

4.2 静态前馈控制器的设计由（4-2）式求得的前馈控制器，它已考虑了两个通道的动态情况，是一种动态前馈补偿器。

它追求的目标是受控变量的完全不变性。

而在实际生产过程中，有时并没有如此高的要求。

只要在稳态下，实现对扰动的补偿。

令（4-2）式中的s 为0，即可得静态前馈控制算式：)0()0()0(PC PD ffG G G-= （4-3）利用物料（或能量）衡算式，可方便地获取较完善的静态前馈算式。

假若忽略热损失，其热平衡关系可表述为：221111)(c G c G i o =-θθ（4-4）式中1c ——物料比热2c ——蒸汽汽化潜热1G ——物料量流量2G ——载热体（蒸汽）流量i 1θ——换热器入口温度o 1θ——换热器出口温度由（4-4）式可解得：)(112112i o c c G G θθ-= （4-5）上式即为静态前馈控制算式。

相应的控制流程示下图4-3换热器的静态前馈控制图中虚线框表示了静态前馈控制装置。

它是多输入的，能对物料的进口温度、流量和出口温度设定值作出静态前馈补偿。

由于在（4-6）式中，Q 与i θθ-10是相乘关系，所以这是一个非线性算式。

由此构成的静态前馈控制器也是一种静态非线性控制器。

4.3前馈控制的动态补偿当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。

对于线性系统，动态补偿算法为：)()(*)0()0()()()(s g s g G G s g s Ks G PC PD PC PD ff ffff -== (4-6)这里，)(),(s g s g PC PD 分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1。

对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。

动态前馈补偿的一般形式为:sff es s s g τττ-++=11)(21 (4-7)图4-4 换热器动态补偿图5 调节阀和检测变送元件介绍5.1 调节阀的选择调节阀选型的基本原则是在生产操作条件变化时，使广义对象的放大系数基本保持恒值。

被控对象为载热体的流量，在蒸汽加热器中，选用对气体流量控制的调节阀，同时由于被控通道的非线性，需选用对数型的调节阀。

这样特性的调节阀对控制通道的非线性具有一定的校正作用。

图5-1 动三通合流（分流）调节阀5.2 温度变送器对于工艺介质入口温度的检测，可以选用基于热电偶原理的集成温度变送器。

如通用型智能温度变送器。

5.3 流量传感器可选用SKLUCB型插入式涡街流量计，如下。

图5-2 SKLUCB型插入式涡街流量计按国际标准化组织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。