管式加热炉温度-温度串级控制系统的设计.doc-资料库

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武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书目录前言.................................................................................................................................................2 1 设计的目的及意义......................................................................................................................4 1.1 管式加热炉简介...............................................................................................................4 1.2 设计目的及意义..............................................................................................................4 2 管式加热炉温度控系统工作原理及控制要求.........................................................................6 3 总体设计方案...........................................................................................................................7 3.1 温度—温度串级控制系统..............................................................................................7 3.2 方案特点..........................................................................................................................8 4 串级控制系统分析.....................................................................................................................9 4.1 主回路设计......................................................................................................................9 4.2 副回路选择......................................................................................................................9 4.3 主、副调节器规律选择..................................................................................................9 4.4 主、副调节器正反作用方式确定................................................................................10 4.5 控制器软件设计............................................................................................................10 4.6 数字 PID 控制器参数整定............................................................................................ 12 5 各仪表的选取及元器件清单...................................................................................................13 5.1 温度检测元件................................................................................................................13 5.2 温度变送器....................................................................................................................14 5.3 调节阀............................................................................................................................15 5.4 联锁保护........................................................................................................................16 6 感受与体会...............................................................................................................................17 1

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书管式加热炉温度- 温度串级控制系统的设计前言自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点： 1、适应于大惯性、大滞后等复杂控制系统的控制。 2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的控制系统的控制。 3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的控制系统的控制。 4、这些控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范围广泛。 5、控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪 30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制 2

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。 3

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书 1 设计的目的及意义 1.1 管式加热炉简介管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内。管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图 1 所示：图 1 管式加热炉通风系统：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。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。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%）。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。 1.2 设计目的及意义由于管式加热炉具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉 4

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。 5

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书 2 管式加热炉温度控系统工作原理及控制要求管式加热炉加热炉的工作原理如图 2 所示。要加热的冷物料从左端的管口流入管式加热炉，而燃料从右端的管口流入管式加热炉的燃烧部分，以供热。经加热的物料从右上端的管口流出，物料出口温度 1( )t 为被控参数。物料出口温度 1( )t 管式加热炉物料入口燃料图 2 管式加热炉工作原理图引起温度θ1 改变的扰动因素很多，主要有：（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动 F2；（2）喷油用的过热蒸汽压力波动 F4；（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动 F1；（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动 F3；其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调节阀动作到温度θ1 改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。工艺上要求管式加热炉出口温度为为 70℃，稳态误差±2℃。 6

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书 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套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时， ST C 可以及时动作，克服干扰。图 3 管式加热炉温度串级控制系统 X2 X3 图 4 管式加热炉出口温度串级控制系统框图其中 X1 为给定温度，X2 为物料温度，X3 为炉膛温度，F1 为被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动，F2 为燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动，F3 为配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动，F4 为喷油用的过热蒸汽压力波动。 7

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书 3.2 方案特点串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率； ②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。 8

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