換熱器復合控制系統設計與仿真

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備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動力、食品及其它許多工業生產中占有重要地位，其在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用廣泛。換熱器在工作時，存在很多干擾，若采用單回路簡單控制，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。所以此次設計過程中，會對比單回路控制和復合控制，針對特定的干擾進行設計，通過參數的不斷調試、整定得到合理的參數值，通過輸出的仿真結果，最后得出合理的方案。

關鍵詞 換熱器 復合控制 單回路控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）02-0024-03

在我國，換熱器涉及的領域眾多，已成為現代工業必不可缺的重要設備。不管是哪一種換熱器，工業領域都對換熱器的控制精度和效率有要求。此次設計的對象存在變化幅度大、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較大。所以考慮采用復合控制，即動態前饋-simth控制復合。[1]主要干擾通過動態前饋控制得到即時的修正，simth控制補償被控對象中的滯后因素。該復合控制不僅工程上相對容易實現，還具備相當高的控制精度。

1 對象分析

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候，通過冷蒸汽的充分接觸，最后實現了熱量交換，起到降溫的作用。[2]

1.2 換熱器控制目標與要求

設計一個復合控制系統，來解決換熱器工作時，存在的幅值變化大、速度變化快的干擾問題，以及對于蒸汽流量的滯后因素，進行補償設計。

1.3 換熱器復合控制相關分析

首先，換熱器工作時，冷物料進入換熱器，加熱后的蒸汽通過換熱器內部結構傳導給物料，實現加熱，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，對于同一個換熱器，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。該控制系統顯然是恒值控制，因為從被控量的特點看，換熱器的出口溫度應該穩定在某一數值，才能達到工業要求。最后，因為換熱器工作的動態特性復雜、存在干擾幅值大、速度變化快，因此需要很高的控制品質，所以這里選擇pi控制。[4]

2 總體方案設計

2.1 方案一：閉環單回路反饋控制

即只有一個負反饋回路，在反饋回路內只要有干擾存在，調節適當的參數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到較好的控制效果。但由于實際工作環境的影響這套方案并不可取，所以提出方案二。

2.2 方案二：動態前饋-反饋復合控制

又稱為擾動補償系統，前饋控制分為動態前饋和靜態前饋兩種。靜態前饋控制能讓靜態偏差趨于零，控制比較簡單，動態偏差可以忽略的時候，往往采用靜態前饋；當需要克服幅值較大、變化較快的干擾時，需要用到動態前饋控制，做到時時刻刻都及時消除較大干擾的影響，達到系統的穩定，提高控制精度。采用該復合控制能夠把動態誤差消除干凈，但由于對象通道存在滯后，該方案不能達到穩定。[5]

2.3 方案三：動態前饋-反饋-simth預估補償復合控制

2.4 方案的仿真比較與選擇

假設采取方案一：閉環單回路控制，在無動態干擾時，仿真得出很好的控制效果。

無干擾仿真結論：通過閉環控制，在調節好pid參數之后，系統超調量在30%左右，經過兩次震蕩，在120秒左右達到穩定，可以取得良好效果。

然后對比用噪聲信號模擬干擾，對系統進行抗干擾測試，發現不具備抗干擾能力。

抗干擾結論：對比發現系統對于動態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采用。

方案一結論：雖然閉環反饋單回路控制成本低、系統簡單便于實現，但對于動態干擾等因素的影響，該系統呈現高頻震蕩，完全無法穩定，無法抵抗動態干擾。[7]

提出方案二：動態前饋-反饋系統控制，假設不考慮對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仿真測試，發現工作情況良好。通過仿真測試后，發現系統完全無法穩定。

結論：系統變得不再穩定，這是因為設置的前饋通道來抵消干擾通道的作用時，前向通道中有純滯后因子作用，即抵消因子始終會滯后干擾影響一個相位差，所以系統穩定性變得惡劣，同時不具備抵抗干擾的能力。[8]

故提出方案三，在方案二的基礎上應用simth預估補償器來抵消純滯后的影響，仿真測試曲線得知，系統工作非常好，達到了控制要求。

結論：通過測試，發現方案三對于滯后因素的處理比較合理，它不僅兼顧了動態前饋對于動態干擾的處理，還能在基礎上消除滯后的影響。[9]

下面進行噪聲干擾仿真與分析：

結論與改進：該干擾直接加在被控對象上，相比于原來結構多了一個噪聲干擾，而原有結構并沒有對新干擾進行備用前饋回路的設計，所以系統無法抵抗此情況下的干擾。要糾正此缺陷，可以如法炮制，在相應回路添加前饋裝置和simth補償器。另一方面也可通過設置微分環節和動態前饋裝置的共同作用，重新整定參數，消除多余的干擾影響

綜合上述分析：方案三>方案二>方案一，在設計要求中，方案三，可以解決靜態干擾、動態干擾、還能消除對象通道中的滯后因素，在實際換熱器工作時，這樣的結構也能夠實現。

3 調節閥和調節器的選擇

調節閥的選用，因為這里的唯一控制量是蒸汽流量q（h），所以選擇氣動調節閥。我們知道氣開式調節閥隨著控制信號的增加而開度增加，當無壓力控制信號時，閥門處于關閉狀態；氣關式調節閥隨著壓力信號增加而閥門開度減小，無信號時則全開。所以根據第一條原則：人身安全、系統與設備安全，這里應該選用氣開式調節閥，可保證事故發生時，調節閥處于全關位置，從而阻斷換熱器持續通入高溫蒸汽，避免損壞設備。最后在保障產品質量、避免浪費等原則上看，選擇氣開閥也相對合理。根據氣開閥的原理，可以判斷氣開調節閥是正作用。[10]

4 控制規律選擇

這里先對比p、pi、pd、pid等控制的優缺點，然后結合設計和換熱器實際工作要求，選出合理的控制規律。

本設計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象中含有明顯的滯后環節等，以及換熱器在工作時，對物料出口溫度有比較嚴格的要求，一般都在一個常值附加。所以結合有滯后、要無差調節等特點，在這里選擇了pi控制。

5 控制器參數整定

控制器的參數整定即通過一定方法設置p、i、d對應的參數來確定系統最佳的狀態，從而達到一個較好的動態指標。常見的方法如下：

5.1 穩定邊界法

一般也叫臨界比例度法，具體的邏輯就是先p后pi最后pid。先僅有比例調節作用，把參數從大往小調試，產生等幅震蕩之時就是記錄臨界比例度Pm和震蕩周期Tm時，然后根據經驗公式，做定值擾動實驗，讓過渡曲線達到要求即可。此整定方法應用較廣，但也存在一定局限性，從調試過程不難發現，需要產生等幅震蕩，那么對于一些生產過程在一定時間內根本無法產生等幅震蕩，則該整定方法也就失效。

5.2 衰減曲線法

在穩定邊界法上衍生出的一種整定方法，同樣道理先讓p作用，調試到系統達到衰減震蕩曲線，以衰減率為指標，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。然后記錄相應的震蕩周期和比例度，不斷調試，直到衰減率達到0.75，此時控制質量比較好。

5.3 經驗法

看整定名就可以知道，根據一定經驗來配置合理的參數，在具體操作時，也是先調好比例系數，然后是積分調誤差，最后是微分增強控制作用。

綜合對比以上參數整定的方法各有優劣，本次設計過程中，考慮了換熱器工作的實際情況以及仿真pi的模塊，參數整定頗為簡單，所以選用了經驗法。

5.4 整定參數過程

由于被控對象中含有純滯后環節，相角滯后，閉環控制穩定性變差，所以這里需要減小P的值，即剛開始把P放在1附近，積分系數放一個很大的數，微分系數置零。得到輸出波形，發現完全不穩定，需要調節比例度。

即再不斷縮小P的過程中，均沒有太大變化，說明光調節P不能實現系統的穩定。故而開始調節積分時間Ti，因為積分時間越短，消除靜態誤差的效果越好，所以經過測試發現，比例度在0.1、積分常數在0.02附近比較好，此時的仿真測試圖比較理想。

此系統已達到穩定，消除了誤差，調節時間在90秒。所以pi調節能夠得到較好的精度。

6 仿真軟件介紹

本次設計采用MATLAB里面的仿真模塊sumilink，MATLAB是一款功能非常強大的軟件，不管是數學、工科學，很多相關的設計與仿真都離不開該軟件，設計的復合控制系統就通過MATLAB內含sumilink的組件搭建起來的，不管是簡單的單回路控制還是復雜控制系統設計，里面都有對應的模塊實現，只需要按照設計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和穩定值，判斷復合控制系統是否設計好。

7 結論

通過方案的設計與對比，系統的測試與仿真，發現動態前饋-反饋-simth復合控制能夠解決設計要求中大幅且快速的干擾、以及對象通道中含有的滯后分量，對應的仿真測試結果和預期基本吻合。該復合控制的優點在于在結構上處理了滯后和干擾的影響，對于控制環節的pid影響不大，對于特殊存在的干擾有很高的控制精度。該復合控制的缺點也比較明顯，如果滯后時間常數計算不精確，得出的simth補償裝置就不能很好地彌補滯后分量，同樣在換熱器實際工作時，如果系統對象和干擾通道的傳遞函數計算不精確，動態前饋裝置也無法得到很好的補償效果，那么就會產生很大的誤差，達不到很好的控制效果。所以針對補償滯后而言，可以使用微分環節，來抵消滯后影響，最后不斷調試出合理的pid參數。

參考文獻：

[1] 楊延西.過程控制與自動化儀表[M].北京：機械工業出版社， 2017.

[2] 李宜達.控制系統設計與仿真[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3] 王毅.過程裝備控制技術及應用（第2版）[M].北京：化學工業出版社，2012.

[4] 王樹清.過程控制工程（第2版）[M].北京：化學工業出版社， 2011.

[5] PID控制教程兩篇：（《PID算法解析》、《由入門到精通—吃透PID》[EB/OL].儀控工程網：http：∥www.gongcheng365.cn/ down/show-134.html.

[6] 過程控制系統與儀表[M].北京：機械工業出版社，2005.

[7] 潘立登.過程控制技術原理及應用[M].北京：中國電力出版社， 2007.

[8] 俞金壽.過程自動化及儀表[M].北京：化學工業出版社，2002.

[9] 周澤魁.控制儀表與計算機控制裝置[M].北京：化學工業出版社，2007.

[10] 黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統[M].北京：清華大學出版社，2010.