換熱器復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

梁福林 徐銘陽 蘇俊龍 顏鵬

摘 要 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用廣泛。換熱器在工作時(shí)，存在很多干擾，若采用單回路簡(jiǎn)單控制，就不能克服這些變化很大的干擾，最后無法取得良好的控制效果。所以此次設(shè)計(jì)過程中，會(huì)對(duì)比單回路控制和復(fù)合控制，針對(duì)特定的干擾進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過參數(shù)的不斷調(diào)試、整定得到合理的參數(shù)值，通過輸出的仿真結(jié)果，最后得出合理的方案。

關(guān)鍵詞 換熱器 復(fù)合控制 單回路控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）02-0024-03

在我國，換熱器涉及的領(lǐng)域眾多，已成為現(xiàn)代工業(yè)必不可缺的重要設(shè)備。不管是哪一種換熱器，工業(yè)領(lǐng)域都對(duì)換熱器的控制精度和效率有要求。此次設(shè)計(jì)的對(duì)象存在變化幅度大、變化速度快的干擾；另一方面蒸汽流量對(duì)物料溫度的影響速度較慢而且具有一定的滯后，致使控制中物料出口溫度波動(dòng)較大。所以考慮采用復(fù)合控制，即動(dòng)態(tài)前饋-simth控制復(fù)合。[1]主要干擾通過動(dòng)態(tài)前饋控制得到即時(shí)的修正，simth控制補(bǔ)償被控對(duì)象中的滯后因素。該復(fù)合控制不僅工程上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，還具備相當(dāng)高的控制精度。

1 對(duì)象分析

1.1 換熱器工作流程

通過換熱器的接口，冷凝裝置等部分，等熱蒸汽通過裝置的時(shí)候，通過冷蒸汽的充分接觸，最后實(shí)現(xiàn)了熱量交換，起到降溫的作用。[2]

1.2 換熱器控制目標(biāo)與要求

設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合控制系統(tǒng)，來解決換熱器工作時(shí)，存在的幅值變化大、速度變化快的干擾問題，以及對(duì)于蒸汽流量的滯后因素，進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

1.3 換熱器復(fù)合控制相關(guān)分析

首先，換熱器工作時(shí)，冷物料進(jìn)入換熱器，加熱后的蒸汽通過換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)給物料，實(shí)現(xiàn)加熱，所以物料的出口溫度是被控量，這里用Y（s）表示。[3]

然后控制量的選擇，對(duì)于同一個(gè)換熱器，能夠控制Y（s）的變量主要有物料的流量f（t）、蒸汽流量q（h），這里我們選擇蒸汽流量q（h）作為唯一的控制變量。該控制系統(tǒng)顯然是恒值控制，因?yàn)閺谋豢亓康奶攸c(diǎn)看，換熱器的出口溫度應(yīng)該穩(wěn)定在某一數(shù)值，才能達(dá)到工業(yè)要求。最后，因?yàn)閾Q熱器工作的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、存在干擾幅值大、速度變化快，因此需要很高的控制品質(zhì)，所以這里選擇pi控制。[4]

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 方案一：閉環(huán)單回路反饋控制

即只有一個(gè)負(fù)反饋回路，在反饋回路內(nèi)只要有干擾存在，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)總能得到較好的控制效果，由換熱器工作原理可知，倘若主要干擾為冷物料的入口溫度、蒸汽壓力且不考慮前饋干擾，那么采用該方案能夠達(dá)到較好的控制效果。但由于實(shí)際工作環(huán)境的影響這套方案并不可取，所以提出方案二。

2.2 方案二：動(dòng)態(tài)前饋-反饋復(fù)合控制

又稱為擾動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，前饋控制分為動(dòng)態(tài)前饋和靜態(tài)前饋兩種。靜態(tài)前饋控制能讓靜態(tài)偏差趨于零，控制比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)偏差可以忽略的時(shí)候，往往采用靜態(tài)前饋；當(dāng)需要克服幅值較大、變化較快的干擾時(shí)，需要用到動(dòng)態(tài)前饋控制，做到時(shí)時(shí)刻刻都及時(shí)消除較大干擾的影響，達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高控制精度。采用該復(fù)合控制能夠把動(dòng)態(tài)誤差消除干凈，但由于對(duì)象通道存在滯后，該方案不能達(dá)到穩(wěn)定。[5]

2.3 方案三：動(dòng)態(tài)前饋-反饋-simth預(yù)估補(bǔ)償復(fù)合控制

2.4 方案的仿真比較與選擇

假設(shè)采取方案一：閉環(huán)單回路控制，在無動(dòng)態(tài)干擾時(shí)，仿真得出很好的控制效果。

無干擾仿真結(jié)論：通過閉環(huán)控制，在調(diào)節(jié)好pid參數(shù)之后，系統(tǒng)超調(diào)量在30%左右，經(jīng)過兩次震蕩，在120秒左右達(dá)到穩(wěn)定，可以取得良好效果。

然后對(duì)比用噪聲信號(hào)模擬干擾，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不具備抗干擾能力。

抗干擾結(jié)論：對(duì)比發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)態(tài)干擾完全不具備抵抗能力，也說明該方案無法在換熱器工作時(shí)采用。

方案一結(jié)論：雖然閉環(huán)反饋單回路控制成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于動(dòng)態(tài)干擾等因素的影響，該系統(tǒng)呈現(xiàn)高頻震蕩，完全無法穩(wěn)定，無法抵抗動(dòng)態(tài)干擾。[7]

提出方案二：動(dòng)態(tài)前饋-反饋系統(tǒng)控制，假設(shè)不考慮對(duì)象通道中的滯后因素，添加存在幅值變化大、速度變化快的干擾時(shí)仿真測(cè)試，發(fā)現(xiàn)工作情況良好。通過仿真測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)完全無法穩(wěn)定。

結(jié)論：系統(tǒng)變得不再穩(wěn)定，這是因?yàn)樵O(shè)置的前饋通道來抵消干擾通道的作用時(shí)，前向通道中有純滯后因子作用，即抵消因子始終會(huì)滯后干擾影響一個(gè)相位差，所以系統(tǒng)穩(wěn)定性變得惡劣，同時(shí)不具備抵抗干擾的能力。[8]

故提出方案三，在方案二的基礎(chǔ)上應(yīng)用simth預(yù)估補(bǔ)償器來抵消純滯后的影響，仿真測(cè)試曲線得知，系統(tǒng)工作非常好，達(dá)到了控制要求。

結(jié)論：通過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)方案三對(duì)于滯后因素的處理比較合理，它不僅兼顧了動(dòng)態(tài)前饋對(duì)于動(dòng)態(tài)干擾的處理，還能在基礎(chǔ)上消除滯后的影響。[9]

下面進(jìn)行噪聲干擾仿真與分析：

結(jié)論與改進(jìn)：該干擾直接加在被控對(duì)象上，相比于原來結(jié)構(gòu)多了一個(gè)噪聲干擾，而原有結(jié)構(gòu)并沒有對(duì)新干擾進(jìn)行備用前饋回路的設(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)無法抵抗此情況下的干擾。要糾正此缺陷，可以如法炮制，在相應(yīng)回路添加前饋裝置和simth補(bǔ)償器。另一方面也可通過設(shè)置微分環(huán)節(jié)和動(dòng)態(tài)前饋裝置的共同作用，重新整定參數(shù)，消除多余的干擾影響

綜合上述分析：方案三>方案二>方案一，在設(shè)計(jì)要求中，方案三，可以解決靜態(tài)干擾、動(dòng)態(tài)干擾、還能消除對(duì)象通道中的滯后因素，在實(shí)際換熱器工作時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)也能夠?qū)崿F(xiàn)。

3 調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)器的選擇

調(diào)節(jié)閥的選用，因?yàn)檫@里的唯一控制量是蒸汽流量q（h），所以選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。我們知道氣開式調(diào)節(jié)閥隨著控制信號(hào)的增加而開度增加，當(dāng)無壓力控制信號(hào)時(shí)，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥隨著壓力信號(hào)增加而閥門開度減小，無信號(hào)時(shí)則全開。所以根據(jù)第一條原則：人身安全、系統(tǒng)與設(shè)備安全，這里應(yīng)該選用氣開式調(diào)節(jié)閥，可保證事故發(fā)生時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)位置，從而阻斷換熱器持續(xù)通入高溫蒸汽，避免損壞設(shè)備。最后在保障產(chǎn)品質(zhì)量、避免浪費(fèi)等原則上看，選擇氣開閥也相對(duì)合理。根據(jù)氣開閥的原理，可以判斷氣開調(diào)節(jié)閥是正作用。[10]

4 控制規(guī)律選擇

這里先對(duì)比p、pi、pd、pid等控制的優(yōu)缺點(diǎn)，然后結(jié)合設(shè)計(jì)和換熱器實(shí)際工作要求，選出合理的控制規(guī)律。

本設(shè)計(jì)中存在的干擾有物料流量、蒸汽壓力、冷物料入口溫度以及被控對(duì)象中含有明顯的滯后環(huán)節(jié)等，以及換熱器在工作時(shí)，對(duì)物料出口溫度有比較嚴(yán)格的要求，一般都在一個(gè)常值附加。所以結(jié)合有滯后、要無差調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，在這里選擇了pi控制。

5 控制器參數(shù)整定

控制器的參數(shù)整定即通過一定方法設(shè)置p、i、d對(duì)應(yīng)的參數(shù)來確定系統(tǒng)最佳的狀態(tài)，從而達(dá)到一個(gè)較好的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。常見的方法如下：

5.1 穩(wěn)定邊界法

一般也叫臨界比例度法，具體的邏輯就是先p后pi最后pid。先僅有比例調(diào)節(jié)作用，把參數(shù)從大往小調(diào)試，產(chǎn)生等幅震蕩之時(shí)就是記錄臨界比例度Pm和震蕩周期Tm時(shí)，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，做定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，讓過渡曲線達(dá)到要求即可。此整定方法應(yīng)用較廣，但也存在一定局限性，從調(diào)試過程不難發(fā)現(xiàn)，需要產(chǎn)生等幅震蕩，那么對(duì)于一些生產(chǎn)過程在一定時(shí)間內(nèi)根本無法產(chǎn)生等幅震蕩，則該整定方法也就失效。

5.2 衰減曲線法

在穩(wěn)定邊界法上衍生出的一種整定方法，同樣道理先讓p作用，調(diào)試到系統(tǒng)達(dá)到衰減震蕩曲線，以衰減率為指標(biāo)，用0.75為分水嶺，大于它說明衰減過快，小于它說明衰減太慢。然后記錄相應(yīng)的震蕩周期和比例度，不斷調(diào)試，直到衰減率達(dá)到0.75，此時(shí)控制質(zhì)量比較好。

5.3 經(jīng)驗(yàn)法

看整定名就可以知道，根據(jù)一定經(jīng)驗(yàn)來配置合理的參數(shù)，在具體操作時(shí)，也是先調(diào)好比例系數(shù)，然后是積分調(diào)誤差，最后是微分增強(qiáng)控制作用。

綜合對(duì)比以上參數(shù)整定的方法各有優(yōu)劣，本次設(shè)計(jì)過程中，考慮了換熱器工作的實(shí)際情況以及仿真pi的模塊，參數(shù)整定頗為簡(jiǎn)單，所以選用了經(jīng)驗(yàn)法。

5.4 整定參數(shù)過程

由于被控對(duì)象中含有純滯后環(huán)節(jié)，相角滯后，閉環(huán)控制穩(wěn)定性變差，所以這里需要減小P的值，即剛開始把P放在1附近，積分系數(shù)放一個(gè)很大的數(shù)，微分系數(shù)置零。得到輸出波形，發(fā)現(xiàn)完全不穩(wěn)定，需要調(diào)節(jié)比例度。

即再不斷縮小P的過程中，均沒有太大變化，說明光調(diào)節(jié)P不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。故而開始調(diào)節(jié)積分時(shí)間Ti，因?yàn)榉e分時(shí)間越短，消除靜態(tài)誤差的效果越好，所以經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，比例度在0.1、積分常數(shù)在0.02附近比較好，此時(shí)的仿真測(cè)試圖比較理想。

此系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)定，消除了誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間在90秒。所以pi調(diào)節(jié)能夠得到較好的精度。

6 仿真軟件介紹

本次設(shè)計(jì)采用MATLAB里面的仿真模塊sumilink，MATLAB是一款功能非常強(qiáng)大的軟件，不管是數(shù)學(xué)、工科學(xué)，很多相關(guān)的設(shè)計(jì)與仿真都離不開該軟件，設(shè)計(jì)的復(fù)合控制系統(tǒng)就通過MATLAB內(nèi)含sumilink的組件搭建起來的，不管是簡(jiǎn)單的單回路控制還是復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，里面都有對(duì)應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn)，只需要按照設(shè)計(jì)好的控制流程圖連接起來即可，在仿真方面可以通過示波器連接輸出，觀察工作曲線的變化趨勢(shì)和穩(wěn)定值，判斷復(fù)合控制系統(tǒng)是否設(shè)計(jì)好。

7 結(jié)論

通過方案的設(shè)計(jì)與對(duì)比，系統(tǒng)的測(cè)試與仿真，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)前饋-反饋-simth復(fù)合控制能夠解決設(shè)計(jì)要求中大幅且快速的干擾、以及對(duì)象通道中含有的滯后分量，對(duì)應(yīng)的仿真測(cè)試結(jié)果和預(yù)期基本吻合。該復(fù)合控制的優(yōu)點(diǎn)在于在結(jié)構(gòu)上處理了滯后和干擾的影響，對(duì)于控制環(huán)節(jié)的pid影響不大，對(duì)于特殊存在的干擾有很高的控制精度。該復(fù)合控制的缺點(diǎn)也比較明顯，如果滯后時(shí)間常數(shù)計(jì)算不精確，得出的simth補(bǔ)償裝置就不能很好地彌補(bǔ)滯后分量，同樣在換熱器實(shí)際工作時(shí)，如果系統(tǒng)對(duì)象和干擾通道的傳遞函數(shù)計(jì)算不精確，動(dòng)態(tài)前饋裝置也無法得到很好的補(bǔ)償效果，那么就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，達(dá)不到很好的控制效果。所以針對(duì)補(bǔ)償滯后而言，可以使用微分環(huán)節(jié)，來抵消滯后影響，最后不斷調(diào)試出合理的pid參數(shù)。

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