换热器出口温度单回路控制
管式热裂解反应器出口温度单回路控制系统
1管式热裂解反应器概述及控制方案管式热裂解反应器是主要用于烃类热裂解的反应装置。
烃类热裂解过程是指石油烃类原料(天然气、炼厂气、油田气、汽油和重油）在高温（700-1000℃）、隔绝空气的条件下发生分解反应而生成碳原子数较少、相对分子质量较低的三烯（乙烯、丙烯和丁二烯）、三苯（苯、甲苯和二甲苯）等短裢烃的化学过程。
管式反应器从结构上可以分为单管反应器和多管反应器，多管反应器是将多个管式电反应单元并联组装成电反应器；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。
管式反应器结构简单、加工方便，耐高压、传热面积大，特别适用于强烈放热和加压下的反应。
管式应器还具有容易实现自动控制、节省动力、生产能力高等特点，因此广泛用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应过程。
为保证管式反应器内具有良好的传热与传质条件, 使之接近于理想反应器，一般要求流体在管内作高速湍流运动。
热裂解的原理：烃类热裂解的过程十分复杂，不仅裂解原料发生反应，而且生成物还会继续反应，同一种烃也会发生不同的反应。
按反应进行的先后顺序，可以反应划分为一次反应和二次反应。
本次课程设计是要完成管式热裂解反应器出口温度控制系统的设计，采用的是单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。
单回路控制系统的有如下特点：系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛的应用。
但单回路控制系统也有一些缺点，如系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意控制质量。
2 管式热裂解反应器温度控系统工艺流程及控制要求管式热裂解反应器的主要任务是把原油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。
换热器出口温度控制系统设计
过程控制综合实践换热器热水出口温度控制系统设计小组成员：指导教师：目录一、被控对象的系统分析 (4)1.1、被控对象的工艺流程 (4)1，锅炉工艺流程： (4)2，换热器冷水工艺流程： (4)3、监控点和被测点分析 (5)1.2、控制需求（阐述控制系统的设计目标） (5)1，锅炉控制要求 (5)2，换热器控制要求 (5)1.3 对象特性分析（特点、扰动及难点） (5)1，锅炉特性分析 (5)2，换热器特性分析 (6)3、调节阀特性分析 (7)4、变频器特性分析 (8)二、控制系统分析和设计 (9)2.1、被控变量、操纵变量、扰动变量的选择 (9)1、换热器的相关变量选择 (9)2、锅炉对象的相关变量选择 (10)2.2、控制回路、控制算法的设计 (10)1.换热器串级控制方框图 (10)2、锅炉简单回路控制方框图 (11)2.3、I/O表(包括控制的仪表位号、名称、输入、输出信号) (11)三、控制系统设备选型与电气控制图绘制 (11)1．控制系统设备选型 (11)2．电气控制图绘制 (13)1、P&ID图（根据控制方案绘制工艺管道与控制流程图） (13)2、仪表盘或控制柜布局图、端子排和配电装置接线图等 (13)四、组态王监控软件的详细设计 (14)4.1、计算机及设备通讯 (14)1、工业网关ADAM4571的配置 (14)2、亚当ADAM4017、4024、4050配置及I/O口的检测 (15)3、组态王与亚当模块的连接 (16)4、设备连接故障检测 (17)4.2、人机界面的建立 (18)1、画面的建立 (18)2、工艺流程画面 (18)3、实时和历史曲线的建立 (19)4、调节器控件的使用 (21)4.3、变量定义和数据记录表格 (22)1、变量定义 (22)2、数据表格 (22)4.4、报警记录设计 (23)五、控制系统仿真研究 (24)5.1、锅炉仿真部分 (24)5.2、换热器仿真部分 (25)六、系统投运及参数整定 (27)1、锅炉温度控制系统投运与参数整定 (27)2、换热器控制系统投运与参数整定 (28)七、实验结果分析 (29)1、不同控制器参数对控制品质的影响 (29)2、实验结果 (29)3、控制系统性能分析 (30)八、实验分工、感受和文献资料 (31)8.1、实验分工 (31)8.2、实验感受 (31)8.2参考文献： (31)一、被控对象的系统分析1.1、被控对象的工艺流程1，锅炉工艺流程：（1）用泵1或者泵2给锅炉注水锅炉泵1注水：大水箱→泵1→换热器/电磁阀→锅炉锅炉泵2注水：大水箱→泵2→电动阀→锅炉（2）锅炉内热水循环工艺流程锅炉→泵1→换热器冷进→换热器冷出→锅炉2，换热器冷水工艺流程：大水箱→泵2→电动阀→换热器热进→换热器热出→大水箱备注：换热器上热进热出与冷进冷出标签贴反，但是对应的控制柜监测点没有反。
换热器出口温度单回路控制
目录目录 (1)1、概述 (2)1.1设备的分类 (2)1.2换热设备的换热目的 (2)1.3 换热器的组成 (3)1.4 换热器的工作原理 (3)2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定 (4)3、被控对象特性研究 (6)3.1 被控变量的选择 (6)3.2 操纵变量的选择 (6)3.3 被控对象特性 (6)4、过程检测控制仪表的选用 (8)4.1 测温元件及变送器 (8)4.2 执行器 (9)4.3 调节器 (12)4.4、仪表型号清单列表 (13)5、系统方块图 (13)6、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (14)6.1调节控制参数 (14)6.2 PID参数整定及系统仿真 (14)6.3 系统性能分析 (18)7、课程设计结论 (18)8、参考文献 (19)1、概述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。
本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象（换热器）、一个检测元件及变送器（温度传感器）、一个调节器（PID）和一个执行器（阀门）所构成的闭合系统，方框图如下：F干扰作用参比信号（设定点）控制信号操纵变量 (干扰变量）Ys 偏差e u m 被控变量Y -Ym图1、单回路控制系统方框图其中，被控变量：温度；操纵变量：流量[1]。
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[1]。
SIMATIC-PCS7换热器出口温度控制(高端培训)
和过程控制任务。
WinCC提供适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功 能模板，具有良好的开放性和灵活性，便于实施用户的解决方
案。
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OS组态
❖ 操作员站（OS）
WinCC是编辑操作员站（OS）的软件平台。 工厂操作员可在组态软件的运行模式下，在操作员站（OS）上
操作并监视过程，为此必须给操作员提供过程画面。 自动化系统（AS）用于开环或闭环控制过程，而OS将从AS读取
观察TIC1104块LMN的值，是否和小锅的FV1103值一致？
将TIC1104块MAN_OP的值设为53，观察TIC1104块LMN的值。
观察TIC1104块PV_IN参数的变化，是否和小锅的TI1104的变化趋势一致。
当TIC1104块PV_IN参数的值接近120时，将AUT_ON_OP参数的状态设置为Auto，观察LMN是否有变化，是 否和小锅的FV1103的变化趋势一致。
p 在SIMATIC管理器的工厂视图中，选择与系统对应的层级文件夹Plant文件夹，选择菜单栏中 【Options】→【Plant Hierarchy】（工厂层级）→【Settings】（设置）命令，打开 Customize Plant Hierarchy（自定义工厂层级）对话框，在OS Area（OS区域）列中，单击用 于OS区域的级别对应的单选按钮，单击【OK】。
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管式热裂解反应器出口温度单回路控制系统
2.2 控制方案2设计 ....................................................................................................................................................................................................................... 9
2 课程设计方案论证 .......................................................................................................................... 8
2.1 控制方案1设计 ................................................................................................................... 8
1.前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和加其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。
2.由于增加了反馈控制回路，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。
3.在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾，往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈-反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。
1.2 管式热裂解反应器的扰动分析 ........................................................................................... 7
《过程控制工程》课程设计参考题目
《过程控制工程》课程设计参考题目14级过程控制课程设计题目1班课程设计参考题目：一、温度控制（单回路、串级、前馈—反馈、比值控制）（40）1、换热器出口温度单回路控制方案设计2、乳化物干燥器温度单回路控制方案设计3、精馏塔提馏段温度单回路控制方案设计4、管式加热炉出口温度单回路控制方案设计5、夹套式反应器温度单回路控制控制方案设计6、燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计7、精馏塔精馏段温度单回路控制方案设计8、流化床反应器温度单回路控制方案设计9、管式热裂解反应器出口温度单回路控制方案设计10、发酵罐温度单回路控制方案设计11、换热器出口温度串级控制方案设计12、乳化物干燥器温度串级控制方案设计13、精馏塔提馏段温度串级控制方案设计14、管式加热炉出口温度串级控制方案设计15、夹套式反应器温度串级控制控制方案设计16、燃烧式工业窑炉温度串级控制方案设计17、精馏塔精馏段温度串级控制方案设计18、流化床反应器温度串级控制方案设计19、发酵罐温度串级控制方案设计20、管式热裂解反应器出口温度串级控制方案设计21、换热器出口温度前馈—反馈控制方案设计22、乳化物干燥器温度前馈—反馈控制方案设计23、精馏塔提馏段温度前馈—反馈控制方案设计24、管式加热炉出口温度前馈—反馈控制方案设计25、夹套式反应器温度前馈—反馈控制控制方案设计26、燃烧式工业窑炉温度前馈—反馈控制方案设计27、精馏塔精馏段温度前馈—反馈控制方案设计28、流化床反应器温度前馈—反馈控制方案设计29、发酵罐温度前馈—反馈控制方案设计30、管式热裂解反应器出口温度前馈—反馈控制方案设计31、换热器出口温度比值控制方案设计32、乳化物干燥器温度比值控制方案设计33、精馏塔提馏段温度比值控制方案设计34、管式加热炉出口温度比值控制方案设计35、夹套式反应器温度比值控制方案设计36、燃烧式工业窑炉温度比值控制方案设计37、精馏塔精馏段温度比值控制方案设计38、流化床反应器温度比值控制方案设计39、发酵罐温度比值控制方案设计40、管式热裂解反应器原料油与蒸汽流量比值控制方案设计41、锅炉出口蒸汽压力单回路控制方案设计42、锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计43、锅炉出口蒸汽压力前馈—反馈控制方案设计44、锅炉出口蒸汽压力比值控制方案设计45、炉膛负压单回路控制方案设计46、炉膛负压前馈—反馈控制方案设计47、离心泵压力定值控制方案设计2班课程设计参考题目：1、换热器出口温度单回路控制方案设计2、乳化物干燥器温度单回路控制方案设计3、精馏塔提馏段温度单回路控制方案设计4、管式加热炉出口温度单回路控制方案设计5、夹套式反应器温度单回路控制控制方案设计6、燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计7、精馏塔精馏段温度单回路控制方案设计8、流化床反应器温度单回路控制方案设计9、管式热裂解反应器出口温度单回路控制方案设计10、发酵罐温度单回路控制方案设计11、换热器出口温度串级控制方案设计12、乳化物干燥器温度串级控制方案设计13、精馏塔提馏段温度串级控制方案设计14、管式加热炉出口温度串级控制方案设计15、夹套式反应器温度串级控制控制方案设计16、燃烧式工业窑炉温度串级控制方案设计17、精馏塔精馏段温度串级控制方案设计18、流化床反应器温度串级控制方案设计19、发酵罐温度串级控制方案设计20、管式热裂解反应器出口温度串级控制方案设计21、换热器出口温度前馈—反馈控制方案设计22、乳化物干燥器温度前馈—反馈控制方案设计23、精馏塔提馏段温度前馈—反馈控制方案设计24、管式加热炉出口温度前馈—反馈控制方案设计25、夹套式反应器温度前馈—反馈控制控制方案设计26、燃烧式工业窑炉温度前馈—反馈控制方案设计27、精馏塔精馏段温度前馈—反馈控制方案设计28、流化床反应器温度前馈—反馈控制方案设计29、发酵罐温度前馈—反馈控制方案设计30、管式热裂解反应器出口温度前馈—反馈控制方案设计31、换热器出口温度比值控制方案设计32、乳化物干燥器温度比值控制方案设计33、精馏塔提馏段温度比值控制方案设计34、管式加热炉出口温度比值控制方案设计35、夹套式反应器温度比值控制方案设计36、燃烧式工业窑炉温度比值控制方案设计37、精馏塔精馏段温度比值控制方案设计38、流化床反应器温度比值控制方案设计39、发酵罐温度比值控制方案设计40、管式热裂解反应器原料油与蒸汽流量比值控制方案设计41、锅炉出口蒸汽压力单回路控制方案设计42、锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计43、锅炉出口蒸汽压力前馈—反馈控制方案设计44、锅炉出口蒸汽压力比值控制方案设计45、炉膛负压单回路控制方案设计46、炉膛负压前馈—反馈控制方案设计47、离心泵压力定值控制方案设计课程设计教材及主要参考资料：1、戴连奎，《过程控制工程》，化学工业出版社，20122、杜维，《过程检测技术及仪表》，化学工业出版社，20013、姜培正，《过程流体机械》，化学工业出版社，20024、王毅，《过程装备控制技术与应用》，化学工业出版社，20015、厉玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社，2006一、课程设计教学目的及基本要求：1．课程设计的教学目的培养学生将理论知识应用到解决实际问题的能力，通过该课程的学生，可以很好地训练学生的实际动手能力和解决工程问题的能力，为学生从学校到工厂和技术部门提供前期的训练。
温度单回路控制要点
工业过程控制课程设计题目: 温度单回路控制系统设计院系名称：专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：设计时间：设计成绩：指导教师：摘要随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。
伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。
关键词：组态软件 PID控制仪表系统设计目录1 引言 (1)2 系统设计分析 (1)2.1 设计目的 (1)2.2设计要求 (2)2.3 设计的内容 (2)3系统方案的设计及控制规律的选择 (2)3.1系统控制方案 (2)3.2 系统结构框图 (2)4仪表与模块的选择 (3)4.1 仪器仪表的选择 (3)4.2 模块的选择 (4)5组态画面设计 (5)5.1组态王简介 (5)5.2组态软件设计 (6)5．3 组态画面 (6)6 组态程序设计 (8)6.1 PID 控制算法 (8)6.2PID 控制算法流程图 (10)6.3 PID脚本程序 (10)7组态王标记名字典 (12)8系统调试过程 (13)设计心得................................................... 错误！未定义书签。
1 引言现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。
温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
本文以它为例进行介绍，希望能收到举一反三和触类旁通的效果。
换热器出口温度设置
摘要目前,换热器控制中大多数仍采用简单控制系统及传统的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。
但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID 控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。
使换热器普遍存在控制效果差，换热效率低的现象，造成能源的浪费。
如何提高换热器的控制效果，提高换热效率，对于缓解我国能源紧张的状况，具有长远的意义本课题是针对换热器实验设备温度控制改进提出的。
设计中首先通过对现阶段换热器出口温度控制的特点进行分析，从而发现了制约控制效果进一步提高的瓶颈，为下一步改善换热器的控制效果提供了理论依据。
然后根据换热系统组成、控制流程的特点对换热器温度控制系统建立数学模型。
再根据所建立的数学模型，联系换热器温度控制的特点，给出了相应的控制策略，提出了串级控制及前馈控制或串级—反馈，前馈—反馈等复杂控制系统，来满足对于存在大的负荷干扰且和控制品质要求较高的应用场合。
关键字：换热器、数学模型、PID 、出口温度控制、串级控制前言换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。
随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。
换热器因而面临着新的挑战。
换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。
在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。
随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。
从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。
石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设、大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。
马化腾管式加热炉出口温度单回路控制系统设计
目录一、管式加热炉的概论 (2)二、管式加热炉的意义 (3)2.1管式加热炉简介..................................... 错误！未定义书签。
2.2设计目的及意义 (4)三、管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (4)3.1控制系统的简介 (4)3.2管式加热炉任务 (5)3.3控制系统的构成 (6)四、各仪表的选取及元器件清单 (6)4.1温度变送器 (6)4.2温度检测元件 (7)4.3调节阀 (8)4.4保护系统 (9)五、控制算法及系统仿真 (9)六、心得体会 (12)参考文献 (13)一、管式加热炉的概论管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。
管式加热炉的传热方式以辐射传热为主，管式加热炉通常由以下几部分构成：辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。
这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。
对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。
燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。
通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
管式加热炉，包括加热炉本体和余热回收系统，余热回收系统包括空气预热器，其中空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，冷凝液收集池与引风机相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。
使用本发明所提供的加热炉，其加热炉的排烟温度可降低到100℃左右，实现烟气中含酸水蒸气的部分冷凝，且在回收烟气低温显热的同时，能回收部分含酸水蒸气的汽化潜热，进一步提高加热炉热效率，节约能源。
一种管式加热炉，包括加热炉本体和余热回收系统，加热炉本体内设置有烟囱档板，加热炉本体于烟囱档板下方设置有高温烟气出口，余热回收系统包括空气预热器，其特征在于：空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，非冷凝式空气预热器上设置有非冷凝式空气预热器烟气入口、非冷凝式空气预热器空气出口、非冷凝式空气预热器烟气出口和非冷凝式空气预热器空气入口，内部设有非冷凝式空气预热器调节档板，非冷凝式空气预热器烟气入口通过高温烟气管道与加热炉本体上的高温烟气出口相连，冷凝式空气预热器上设有冷凝式空气预热器烟气入口、冷凝式空气预热器空气出口和冷凝式空气预热器空气入口，内部设有冷凝式空气预热器调节档板，非冷凝式空气预热器烟气出口与冷凝式空气预热器烟气入口之间通过两预热器间烟气管道相连，非冷凝式空气预热器空气入口与冷凝式空气预热器空气进口之间通过两预热器间空气管道相连，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，引风机与冷凝液收集池相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。
06 换热器热流出口温度控制
15
实验步骤
整定控制器参数。
当比例增益Kc取1时，改变热流出口温度TI1104的SP，如从 120℃变为130℃，当TI1104稳定后再将SP从130℃改为 120℃，观察并记录TI1104的响应曲线。
控制器参数 Ti ----
0.85Tk 0.5Tk
Td ------0.13Tk
计算出控制器参数之后，先将K---c放在比计算值稍小一些
（一般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再
将K---c放回到计算值上即可。修改SP的值加入阶跃干扰，观
察1104的响应曲线，看衰减比是否达到4:1。
0.5Ts 0.3Ts
Td ------0.1Ts
计算出控制器参数之后，先将Kc放在比计算值稍小一些（一
般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再将Kc放
回到计算值上即可。施加扰动，观察换热器热流出口温度的
响应情况。
30
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
1.将TI1104设定值从120变为130，记录TI1104的响应曲线。 2.待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记录 TI1104的响应曲线。 3.待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察 TI1104曲线的变化趋势。 4.当TI1104稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待TI1104 稳定。
根据比例控制器的特点，不断修改Kc的值，每修改一次都要 通过改变SP来加入阶跃扰动，直到热流出口温度曲线出现4:1 衰减。观察并记录TI1104的响应曲线，同时记录下此时Kc的 值。
温度单回路控制实验
温度单回路控制实验一．实验目的通过实验掌握单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成单回路温度控制系统，并采用经验法整定单回路控制系统的PID参数。
二．实验装置面板图三．实验内容：1. 设计单回路温度控制系统，并进行正确接线。
2. 熟悉组态王软件的使用和参数设置的方法。
3. 温度单回路闭环控制系统的参数整定和分析。
四．实验接线图及设备所用设备：水泵、变频器、压力变送器、主回路调节阀、副回路调节阀、可控硅、热电阻、温度变送器、牛顿模块（输入、输出）。
五．控制系统原理图3．将变频器控制选择开关放在“内控”位置，使水泵在恒压供水状态下工作，打开加热筒进水阀V1（在实验装置面板背面），将加热圆筒内注满水（观察加热圆筒外玻璃管液位计显示），直至出水管有水流出。
4．确认接线无误并且加热筒注满水后，接通加热器电源，在实验界面中，手动自动按钮选择手动，同时调整PID设定中的U（K）0使流量约为12%左右，U（K）约为200左右，保持U（K）0与U（K）不变。
5．待加热筒水温稳定后（观察PV值，不变化为稳定），设定PID参数，加给定值扰动，即调整给定值SP，使SP大于PV。
6．在实验界面中，手动自动按钮选择自动，选择实时曲线，观察温度变化。
7. 同时可点击“历史曲线”按钮，观察温度响应的历史曲线，并进行数据分析。
8. 重复实验步骤5、6，完成不同PID参数整定，使温度响应达到接近4：1衰减曲线。
七．注意事项1．接线后未经教师检查严禁接通总电源。
2. 循环水从水槽经底部水管由水泵抽出流过调节阀Ⅰ，流量计Ⅰ，电磁阀V1到达加热圆筒，加热筒水满后由上部水管溢出经V10到达下水箱并由下水箱流回到水槽。
若加热筒内无水或水不够时打开加热器，则会报警以避免干烧。
3．不要频繁修改PID参数，待温度稳定后再进行修改。
4. 验曲线以计算机截图的方式进行保存，打印后附于实验报告后。
换热器温度控制系统过程控制
换热器温度控制系统的设计院系专业___________________________________ 班级___________________________________ 学号___________________________________ 姓名___________________________________ 指导教师________________________________ 负责教师________________________________2010年X月课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室: 学号 学生姓名 专业班级 课程设计 （论文） 换热器温度控制系统的设计 题目 课程设计{论文>任务换热器温度控制系统，通过换热器用蒸汽对冷物料进行加热， 使换热器出口温度 为某一定值。
工艺要求换热器出口温度在185土 2C 以内，引起出口温度变化的扰动有：冷物料的流量与初温、蒸汽压力波动等，其中最主要的扰动是冷物料的流 量Q 。
试设计换热器温度控制系统。
1 •技术要求：测量范围：0-250 C 控制温度：185± 2C 最大偏差：8C 2 •说明书要求：确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；选择传感、变送器、控制器、执行器，给出具体型号； 确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序 流程图；编写设计说明书。
指导教师评语及成绩指导教师签字： ___________第1章换热器温度控制系统设计任务和要求 (1)1.1概述...................................................................... 1.1.2换热器温度控制系统设计的任务 (1)1.3换热器温度控制系统设计的要求 (1)第2章换热器温度控制系统设计的论证方案 (2)2.1 课程设计的方案论证................................................ 2.2. 2换热器温度控制系统结构及框图 (2)第3章换热器温度控制系统内容的设计 (4)3.1温度变送器的选择.........................................................4.3.2流量变送器的选择..........................................................4.3.3执行器（调节阀）的选择： ................................................. 6.3.4调节器的选择：........................................................... 8.第4章课程设计总结............................................................... 9.参考文献 (10)第1章换热器温度控制系统设计任务和要求1.1概述随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张己成为一个世界性的问题。
单回路温度控制例子详解
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主控制模 块流程
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五、输出通道的自检
间接参数判断法 指根据模拟量输入通道 的采样值的变化情况来判断 模拟量输出通道或开关量输 出通道是否正常。
例如
一个输出数字量控制泵的启停，管路已安装流量 检测，在流量检测回路没有故障情况下(上述直接参数 判断法自检可以保障)，不仅可依据流量有无变化情况 来判断该开关、驱动电路、继电器、交流接触器、热 继电器、电机、泵以及现场连线是否正常，而且可以 根据泵的流量特性在线判断泵的性能优劣。
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三、 PID控制算法的实现
位置式PID算法计算公式
Pout(t)=Kp*e(t)+Ki×Sum_e(t)+Kd*(e(t)-e(t-1))
基本偏差为 e(t) ，表示当前测量值与设定目标值之间 的差值，结果可以是正或负，设定目标作为被减数的话，正 数表示还没有达到设定值，负数表示已经超过了设定值。 累 计 偏 差 Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+ … +e(1) 是 每次偏差值的代数和。 相对偏差 e(t)-e(t-1) 是用本次的基本偏差减去上一次 的基本偏差，以考察当前被控量的变化趋势，有利于快速反 应。
温度单回路设计
过程控制大作业如图6-30所示热交换器，将进入其中的冷却物料加热到设定温度。
工艺要求热物料温度的C∆1，而且不能发生过热≤T︒±情况，以免造成生产事故。
试设计一个简单控制系统，实现热物料的温度控制，并确定调节阀的气开、气关方式，调节器的正反作用方式，以及调节器的调节规律。
图6-30 题6-22图解：1、被控参数选择：热交换器出口温度。
2、控制参数选择：载热介质流量。
3、检测仪表选择：温度传感器与温度变送器。
4、调节阀选择：○1流量特性选择：对数流量特性，由于对数特性的放大系数K随开度增加而增加，因此有利于系统调节；在小开度时，流量小，流量的变化也小，调节阀放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，流量大，流量的变化也大，调节阀放大系数大，调节灵敏有效。
○2气开、气关方式选择：由于工艺要求不能发生过热情况，以免造成生产事故，所以调节阀应选用气开型式，一旦载热介质发生故障，调节阀自动关闭，载热介质不再进入热交换器，以避免热交换器内温度过高发生事故。
5、调节器选择：○1调节规律选择： PID, PID能改善系统的稳定性，还可以消除静差；工艺要求热物料温度的C∆1，微分调节可以≤T︒±提前预测系统的变化趋势，对防止系统出现较大动态偏差有利。
○2正反作用方式选择：由于载热介质流量增大，热交换器出口温度也增大，所以选反作用方式。
系统各环节正、负符号判别：被控过程：＋；变送器：＋；调节阀：＋；根据系统构成负反馈条件：各环节符号之积必为“－”，则调节器为“－”。
6、画出控制系统流程图：如图所示。
7、画出控制系统方框图：如图所示。
8、简述控制系统工作原理：载热介质流量加大（或减小），由于TC为反作用，故其输出降低（或升高），因而气开型的调节阀关小（或开大），载热介质流量减少（或增加）以及时克服载热介质流量的影响，因而减小以致消除载热介质流量对热交换器出口物料温度的影响，提高了控制质量。
冷物料流量加大（或减小），热交换器出口物料温度降低（或升高），反作用的TC输出增加（或减少），于是气开型的调节阀开大（或关小），载热介质增加（或减少）以使热交换器出口物料温度增加（或减少），起到负反馈的控制作用。
换热器冷却水出口温度组态监控系统设计
控制系统综合设计题目换热器冷却水出口温度组态监控系统设计目录摘要 (1)第一章绪论 (2)1.概述 (2)2. 设计任务 (2)3. 设计目的与意义 (2)第二章换热器工艺流程介绍 (3)1.工艺流程图 (3)2.工艺过程简述 (3)3.控制方式的选择 (4)第三章硬件的选择与设计 (4)1. 传感器的选择 (4)2. 调节器的选择 (6)3. 执行器的选择 (9)4.组态软件的选择 (10)第四章总体设计 (11)1. 系统组成 (11)2. 组态王界面设计 (12)第五章仿真调试 (13)设计小结 (14)参考文献 (15)摘要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。
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。
本文主要介绍了换热器冷却水出口温度组态监控系统的设计过程，通过对硬件和软件两部分的设计，从而实现对换热器冷却水出水口温度的控制。
第一章绪论1.概述随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张己成为一个世界性的问题。
近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾依然十分尖锐。
我国的能源利用率很低，只有28%左右。
由此可见，我国在节能方面存在着很大的潜力。
换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两个方面:一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消耗，同时，提高换热器的控制效果，也可以充分满足工业生产对于温度的需求，显著提高产品的质量;另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著的提高设备的热效率。
换热器热流出口温度控制
1.2
近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数[1]热换器是化工和一些工业部门生产过程中主要的换热设备，生产中通常对流体加热或冷却都要有热量交换，因而都需要换热器，随着科研人员的不断发展和创新对能源的利用和开发。热换器在生活中的应用也日益增进，在现在的工业生产换热器占有较大的份额。
KeywordsHeat;temperature;PID control; PCS7
第
1.
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。换热器按传热面的结构分类为以下几种：
近年来，跟着我国石化、钢铁等行业的快速发展，热交换器的需求水平大幅上涨，但海内企业的供应能力有限，导致热交换器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供应缺口需要入口来弥补[3]。我国能源利用率大约只有33%,其利用率还很低,比发达国家低约10个百分点。国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。由此可见,在节能方面,我国还存在着非常大的潜力。
(1)表面式换热器又称为间壁式换热器。在此类换热器中，温度不同的两种流体，在被一固体壁面分开的不同空间里流动。热流体放出的热量通过固体壁面传给冷流体。如列管式换热器，一种流体在管内（管程）流动，另一种流体在管外〔壳程）流动。这类换热器类型多，应用广.化工生产中所用换热器绝大多数属于此类，如列管式换热器、夹套式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、板式换热器等等。
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1、概述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。
本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，方框图如下：图1、单回路控制系统方框图单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用。
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、换热器温度控制原理以及控制方案的确定换热器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、执行器和被控对象组成的闭合回路。
被调参数经检测元件测量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。
换热器温度控制系统的工艺流程如下：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，从而使冷流体的出口温度升高。
冷流体通过循环泵流经换热器的壳程，出口温度稳定在设定值附近。
热流体通过多级泵流经换热器的管程，与冷流体热交换后流回蓄水池，循环使用。
从控制任务要求可知，换热器温度控制系统是单点、恒值控制。
且题目要求用单回路控制系统，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID控制。
图2 PID 控制系统原理图PID 控制是偏差比例（P ）、偏差积分（I ）、偏差微分（D ）控制的简称。
控制系统由PID 控制器和被控对象组成。
PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r （t ）与实际输出值y （t ）构成偏差，将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。
其控制规律为tD p 0I T de t 1u t K e t e t dt T dt ⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎰（）（）=（）+（）+ 其传递函数形式为：p D I U s 1G s K 1T S E s TS ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭（）（）=（） 3、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。
3.1 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。
在换热器出口温度单回路控制系统设计中，当然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。
3.2 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，我选择对热流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。
3.3 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1。
图3 换热器的温度控制系统工艺流程图为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，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：11i o 22o i q=G c T T G c T T =1122（-）（-）式中，q 为传热速率（单位时间内传递的热量）；G 为质量流量；c 为比热容；T 为温度。
式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i 为入口；o 为出口。
传热过程中的传热速率为：q KF T =∆式中，K 为传热系数；F 为传热面积；T ∆为两流体间的平均温差。
其中，平均温差T ∆对于逆流、单程的情况为对数平均值：i o o i 121i 1o 122o 2iT T T T T T T=T T Tln lnT T T ∆-∆∆=-∆∆-1122（-）-（-） 当1i 1o 2o 2i T T133T T -≤≤-时，其误差在5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为： i 1oo i T T T T T ∆=122（-）+（-）2由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，因此有下列关系22o i G c T T KF T ∆22（-）=整理后得o i22KF T T T G c ∆=+22从上式可以看出，在传热面积F 、冷流体进口流量2G 、温度2i T 和比热容2c 一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K 以及平均温差T ∆。
4、过程检测控制仪表的选用4.1 测温元件及变送器根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。
热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。
热电偶温度计有以下特点： ①测温精度高，性能稳定；②结构简单，易于制造，产品互换性好；③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量； ④测温范围广，可达-200~2000℃； ⑤形式多样，适用于多种测温条件；选用热电偶测温仪，同时选用与之相对应的DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器。
该种温度变送器的反馈回路具有与测温元件相类似的特性，即非线性反馈，结果使被测温度t 与0I 之间成线性关系。
图4 SBWR 系列温度变送模块DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器主要性能指标如下：①测量范围 最小量程3mV ，最大量程60mV ；零点迁移-50~+50mV 。
②基本误差 0.5%±③温度特性 环境温度每变化25℃，附加误差不超过千分之五。
④恒流性能 当负载电阻在0~100Ω范围变化时，附加误差不超过千分之五。
⑤防爆指标 结构为安全火花型；防爆等级为H Ⅲe ；防爆额定电压为220V AC/DC 。
其优点有以下几点：①采用了低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性和各项性能指标。
②在热电偶温度变送器中用线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号保持了线性关系。
③线路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能。
热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回路两部分组成。
为了得到线性关系，必须使放大回路具有非线性，热电偶输入温度变送方框图如图所示。
因而有温度变送器的传递函数12W s W s W s = （）（）（）式中 W s （）——温度变送器的传递函数； 1W s （）——热电偶的传递函数；2W s （）——放大回路的传递函数； 由于变送器放大回路的放大系数K 很大，故放大回路的传递函数可以认为等于反馈电路的传递函数f W s （）的倒数，即 2f 1W s W s ≈（）（） 则热电偶输入温度变送器的传递函数为 1fW s W s W s ≈（）（）（） 4.2 执行器根据生产工艺原则以及被控介质特点，我选用电动执行器。
执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。
电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。
考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。
可分为角行程（DKJ 型）和直行程（DKZ 型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。
按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。
根据实际情况和介质特性，我选用直行程（DKZ 型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。
DKZ 系列直行程电动执行器是由DKZ 直行程电动执行机构与直通单座调节阀或直通双座调节阀组装而成的，具有推力大、定位精度高、反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源突然断电时能自动保持调节阀原来的位置等特点。
图5 DKZ 系列直行程电动执行器表1 DKZ系列直行程电动执行器主要技术参数表2 型号规格表考虑流量特性，通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律。
对不可压缩流体而言，流体流经调节阀时的阻力损失为 212v p -p p 2ggωξρ∆==式中 ξ——调节阀的阻力系数； ω——流过阀的流体平均流速； 1p ——阀前压力； 2p ——阀后压力；阀体体积流量V q ，接管截面积为A ，则 Vq Aω=V q A ω==以上为调节阀的流量方程。
由该式可见，在调节阀口径一定、p/ρ∆也不变的情况下，流量V q 仅随阻力系数的变化而变化。
当移动阀芯使开度改变时，阻力系数ξ也随之变化，从而改变了流量V q 的大小，达到了调节流量的目的。
4.3 调节器调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。
目前在中国工业上广泛应用的DDZ-Ⅲ型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。
我选用DTZ-2100型全刻度指示调节器。
图6 DTZ-2100型全刻度指示调节器表3 DTZ-2100型全刻度指示调节器相关参数5、仪表型号清单列表表4 仪表型号清单6、参数整定与仿真通过对换热器特性的研究，通过查阅资料，换热器出口温度与热流体流量的关系可有开环阶跃响应的实验获得：180sp 8e G s 360s 1-+（）=控制器选定PID 调节器，其传递函数为 c p D 11G s K [1T s ]T s ++（）=（）（） 式中p K 为比例系数；1T 为积分时间；D T 为微分时间。
为使系统获得良好的控制品质，需要确定PID 控制器的一些参数，而这些参数很难由计算获得，需要通过实验采用飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。
得出整定的PID 参数为：7、课程设计结论本文首先描述了换热器温度控制的原理，通过对换热器静态、动态特性的研究，制定了相应的控制方案。
进一步完成了控制过程中所需要的仪表的选型。
然后用MATLAB 软件进行仿真，并对控制参数进行整定。
最后，使整个系统处于稳定状态，完成了对出口温度的控制。
此次课程设计增强了我运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，能够独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。
设计过程中我也遇到了很多问题，比如换热器温度控制数学模型的建立、执行器的选型等等。
但是通过老师的悉心指导，同时查阅大量的资料，这些问题都得到了解决。