过程控制课程设计

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1、1引言1.1研究背景管式加热炉是炼油厂和石油化工厂的重要设备之一，，它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气作为热源，加热在炉管中高速流动的介质，使其达到工艺规定的温度，以供给介质再进行分馏、裂解或反应等加工过程中所需要的热量，保证生产正常进行。与其它加热方式相比，管式加热炉的主要优点是加热温度高(可达l273K)，传热能力大和便于操作管理。近年来，管式炉的发展很快，它已成为近代炼油和石油化工工业中必不可少的工艺设备之一。1.2课题重要性在生产中，为延长炉子的寿命，保证下一道工序精馏分离的质量，控制炉出口温度t的稳定是十分重要的。而目前，在国内仍有相当部分工业企业所用的窑

2、、炉干生产线存在着控制精度不高，炉内温度均匀性差等问题，达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产品的品质低下，严重影响企业经济效益。其主要原因是温度控制具有工况复杂、参数多变、控制滞后等特点，所以在实际的控制中，温度的准确性和精度很难控制。由此可以看出，准确地测量和控制温度，对于新材料的研究与生产、获得正确的科研数据和保证产品质量都是十分重要的。管式加热炉工艺上要求炉出口温度在±2℃内波动，而影响加热炉出口温度的干扰因素主要有管式加热炉的扰动，包括被加热流体的进料量、进料温度、燃料压力、燃料的热值、雾化状况、空气量助燃风量、烟道抽力等。同时，温度控制的大滞后特点增加了控制的

3、困难性。因此，研究管式加热炉的温度控制是十分重要的。1.3通常控制策略长期以来，国内外科技工作者对温度控制进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟、应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。通常，温度控制的策略有经典的PID控制，基于智能控制策略（专家系统、神经网络、模糊控制系统、自适应控制、学习控制等）的PID控制，基于先进控制的控制策略等。针对控制对象特点及PID控制的重要性，我们研究了被控对象的特性及PI、PID控制策略在加热炉中的控制性能及其仿真验证。关键词管式加热炉温度PID控制串级控制第18页共18页2加热炉控制对象分析2.1加热炉

4、工作流程图2.1加热炉工作流程图燃料由管道进入加热炉中，通过电子设备打火，在炉底燃烧，加热炉内物料至指定温度，在入口处设置阀门以控制燃气流量。待加热物料由入口管道进入加热炉中，在炉中弯曲辐射受热，加大了受热面积，在出口处设置温度传感器，以检测是否到达指定温度，如不符合指标则进行调节，加大或减小燃气流量，使出口物料稳定在要求值。2.2系统参数设定1.物料以恒定速度进入管道，流速为20L/s，管道直径为10cm，不考虑物料浓度变化、压力变化等其他条件。2.物料在加热炉内的长度为5m，假定物料受热均匀，并在4s后上升至指定温度。3.假定燃气混合浓度不变，物料温度上升只受燃料流量影响

5、。4.不考虑环境温度、燃料热值等影响，主要考虑燃料流量的扰动。2.3问题描述及模型建立工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量，同时当炉子温度过高时会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦，而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命，因此加热炉出口温度必须严加控制。建立下图所示串级控制传递函数方框图图2.2串级控制传递函数方框图第18页共18页加热炉是传热设备的一种，同样具有热量的传递过程，热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧，产生热的火焰和高温的烟气流，

6、主要通过辐射给热将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介质。工艺介质在辐射室获得热量约占总热负荷的７０％～８０％，而对流段获得的热量约占热负荷的２０％～３０％。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得对象特性是很困难的。加热炉的对象特性一般从定性分析和实验测试获得。从定性角度出发，可看出其热量的传递过程是：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经热传导，对流传热给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛具有较大的热容量，滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的调节对象。根据若干实验测试，并作一些简化，可以用一阶环节加纯滞后来近似，其时间常数和纯滞后时间与

7、炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关，炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。根据部分前馈,反馈调节实践来看，用一阶环节加纯滞后来近似还是可以的。因此（1）假设扰动也为一阶线性模型，即(2)控制阀门的传递函数可近似为(3)因此，由（1）、（2）（3）及控制原理相关计算可得（4）将p-a之间方框图综合化简可得以下方框图图2.3化简后串级控制传递函数方框图其中（5）（6）第18页共18页于是，可得（7）2.4模型参数的确定1．温度变送器传递函数经查阅相关资料，温度变送器的传递函数可近似为为