换热器复合控制系统设计与仿真

    梁福林 徐铭阳 苏俊龙 颜鹏

    摘 要 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器在工作时，存在很多干扰，若采用单回路简单控制，就不能克服这些变化很大的干扰，最后无法取得良好的控制效果。所以此次设计过程中，会对比单回路控制和复合控制，针对特定的干扰进行设计，通过参数的不断调试、整定得到合理的参数值，通过输出的仿真结果，最后得出合理的方案。

    关键词 换热器 复合控制 单回路控制

    中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）02-0024-03

    在我国，换热器涉及的领域众多，已成为现代工业必不可缺的重要设备。不管是哪一种换热器，工业领域都对换热器的控制精度和效率有要求。此次设计的对象存在变化幅度大、变化速度快的干扰；另一方面蒸汽流量对物料温度的影响速度较慢而且具有一定的滞后，致使控制中物料出口温度波动较大。所以考虑采用复合控制，即动态前馈-simth控制复合。[1]主要干扰通过动态前馈控制得到即时的修正，simth控制补偿被控对象中的滞后因素。该复合控制不仅工程上相对容易实现，还具备相当高的控制精度。

    1 对象分析

    1.1 换热器工作流程

    通过换热器的接口，冷凝装置等部分，等热蒸汽通过装置的时候，通过冷蒸汽的充分接触，最后实现了热量交换，起到降温的作用。[2]

    1.2 换热器控制目标与要求

    设计一个复合控制系统，来解决换热器工作时，存在的幅值变化大、速度变化快的干扰问题，以及对于蒸汽流量的滞后因素，进行补偿设计。

    1.3 换热器复合控制相关分析

    首先，换热器工作时，冷物料进入换热器，加热后的蒸汽通过换热器内部结构传导给物料，实现加热，所以物料的出口温度是被控量，这里用Y（s）表示。[3]

    然后控制量的选择，对于同一个换热器，能够控制Y（s）的变量主要有物料的流量f（t）、蒸汽流量q（h），这里我们选择蒸汽流量q（h）作为唯一的控制变量。该控制系统显然是恒值控制，因为从被控量的特点看，换热器的出口温度应该稳定在某一数值，才能达到工业要求。最后，因为换热器工作的动态特性复杂、存在干扰幅值大、速度变化快，因此需要很高的控制品质，所以这里选择pi控制。[4]

    2 总体方案设计

    2.1 方案一：闭環单回路反馈控制

    即只有一个负反馈回路，在反馈回路内只要有干扰存在，调节适当的参数总能得到较好的控制效果，由换热器工作原理可知，倘若主要干扰为冷物料的入口温度、蒸汽压力且不考虑前馈干扰，那么采用该方案能够达到较好的控制效果。但由于实际工作环境的影响这套方案并不可取，所以提出方案二。

    2.2 方案二：动态前馈-反馈复合控制

    又称为扰动补偿系统，前馈控制分为动态前馈和静态前馈两种。静态前馈控制能让静态偏差趋于零，控制比较简单，动态偏差可以忽略的时候，往往采用静态前馈；当需要克服幅值较大、变化较快的干扰时，需要用到动态前馈控制，做到时时刻刻都及时消除较大干扰的影响，达到系统的稳定，提高控制精度。采用该复合控制能够把动态误差消除干净，但由于对象通道存在滞后，该方案不能达到稳定。[5]

    2.3 方案三：动态前馈-反馈-simth预估补偿复合控制

    2.4 方案的仿真比较与选择

    假设采取方案一：闭环单回路控制，在无动态干扰时，仿真得出很好的控制效果。

    无干扰仿真结论：通过闭环控制，在调节好pid参数之后，系统超调量在30%左右，经过两次震荡，在120秒左右达到稳定，可以取得良好效果。

    然后对比用噪声信号模拟干扰，对系统进行抗干扰测试，发现不具备抗干扰能力。

    抗干扰结论：对比发现系统对于动态干扰完全不具备抵抗能力，也说明该方案无法在换热器工作时采用。

    方案一结论：虽然闭环反馈单回路控制成本低、系统简单便于实现，但对于动态干扰等因素的影响，该系统呈现高频震荡，完全无法稳定，无法抵抗动态干扰。[7]

    提出方案二：动态前馈-反馈系统控制，假设不考虑对象通道中的滞后因素，添加存在幅值变化大、速度变化快的干扰时仿真测试，发现工作情况良好。通过仿真测试后，发现系统完全无法稳定。

    结论：系统变得不再稳定，这是因为设置的前馈通道来抵消干扰通道的作用时，前向通道中有纯滞后因子作用，即抵消因子始终会滞后干扰影响一个相位差，所以系统稳定性变得恶劣，同时不具备抵抗干扰的能力。[8]

    故提出方案三，在方案二的基础上应用simth预估补偿器来抵消纯滞后的影响，仿真测试曲线得知，系统工作非常好，达到了控制要求。

    结论：通过测试，发现方案三对于滞后因素的处理比较合理，它不仅兼顾了动态前馈对于动态干扰的处理，还能在基础上消除滞后的影响。[9]

    下面进行噪声干扰仿真与分析：

    结论与改进：该干扰直接加在被控对象上，相比于原来结构多了一个噪声干扰，而原有结构并没有对新干扰进行备用前馈回路的设计，所以系统无法抵抗此情况下的干扰。要纠正此缺陷，可以如法炮制，在相应回路添加前馈装置和simth补偿器。另一方面也可通过设置微分环节和动态前馈装置的共同作用，重新整定参数，消除多余的干扰影响

    综合上述分析：方案三>方案二>方案一，在设计要求中，方案三，可以解决静态干扰、动态干扰、还能消除对象通道中的滞后因素，在实际换热器工作时，这样的结构也能够实现。

    3 调节阀和调节器的选择

    调节阀的选用，因为这里的唯一控制量是蒸汽流量q（h），所以选择气动调节阀。我们知道气开式调节阀随着控制信号的增加而开度增加，当无压力控制信号时，阀门处于关闭状态；气关式调节阀随着压力信号增加而阀门开度减小，无信号时则全开。所以根据第一条原则：人身安全、系统与设备安全，这里应该选用气开式调节阀，可保证事故发生时，调节阀处于全关位置，从而阻断换热器持续通入高温蒸汽，避免损坏设备。最后在保障产品质量、避免浪费等原则上看，选择气开阀也相对合理。根据气开阀的原理，可以判断气开调节阀是正作用。[10]

    4 控制规律选择

    这里先对比p、pi、pd、pid等控制的优缺点，然后结合设计和换热器实际工作要求，选出合理的控制规律。

    本设计中存在的干扰有物料流量、蒸汽压力、冷物料入口温度以及被控对象中含有明显的滞后环节等，以及换热器在工作时，对物料出口温度有比较严格的要求，一般都在一个常值附加。所以结合有滞后、要无差调节等特点，在这里选择了pi控制。

    5 控制器参数整定

    控制器的参数整定即通过一定方法设置p、i、d对应的参数来确定系统最佳的状态，从而达到一个较好的动态指标。常见的方法如下：

    5.1 稳定边界法

    一般也叫临界比例度法，具体的逻辑就是先p后pi最后pid。先仅有比例调节作用，把参数从大往小调试，产生等幅震荡之时就是记录临界比例度Pm和震荡周期Tm时，然后根据经验公式，做定值扰动实验，让过渡曲线达到要求即可。此整定方法应用较广，但也存在一定局限性，从调试过程不难发现，需要产生等幅震荡，那么对于一些生产过程在一定时间内根本无法产生等幅震荡，则该整定方法也就失效。

    5.2 衰减曲线法

    在稳定边界法上衍生出的一种整定方法，同样道理先让p作用，调试到系统达到衰减震荡曲线，以衰减率为指标，用0.75为分水岭，大于它说明衰减过快，小于它说明衰减太慢。然后记录相应的震荡周期和比例度，不断调试，直到衰减率达到0.75，此时控制质量比较好。

    5.3 经验法

    看整定名就可以知道，根据一定经验来配置合理的参数，在具体操作时，也是先调好比例系数，然后是积分调误差，最后是微分增强控制作用。

    综合对比以上参数整定的方法各有优劣，本次设计过程中，考虑了换热器工作的实际情况以及仿真pi的模块，参数整定颇为简单，所以选用了经验法。

    5.4 整定参数过程

    由于被控對象中含有纯滞后环节，相角滞后，闭环控制稳定性变差，所以这里需要减小P的值，即刚开始把P放在1附近，积分系数放一个很大的数，微分系数置零。得到输出波形，发现完全不稳定，需要调节比例度。

    即再不断缩小P的过程中，均没有太大变化，说明光调节P不能实现系统的稳定。故而开始调节积分时间Ti，因为积分时间越短，消除静态误差的效果越好，所以经过测试发现，比例度在0.1、积分常数在0.02附近比较好，此时的仿真测试图比较理想。

    此系统已达到稳定，消除了误差，调节时间在90秒。所以pi调节能够得到较好的精度。

    6 仿真软件介绍

    本次设计采用MATLAB里面的仿真模块sumilink，MATLAB是一款功能非常强大的软件，不管是数学、工科学，很多相关的设计与仿真都离不开该软件，设计的复合控制系统就通过MATLAB内含sumilink的组件搭建起来的，不管是简单的单回路控制还是复杂控制系统设计，里面都有对应的模块实现，只需要按照设计好的控制流程图连接起来即可，在仿真方面可以通过示波器连接输出，观察工作曲线的变化趋势和稳定值，判断复合控制系统是否设计好。

    7 结论

    通过方案的设计与对比，系统的测试与仿真，发现动态前馈-反馈-simth复合控制能够解决设计要求中大幅且快速的干扰、以及对象通道中含有的滞后分量，对应的仿真测试结果和预期基本吻合。该复合控制的优点在于在结构上处理了滞后和干扰的影响，对于控制环节的pid影响不大，对于特殊存在的干扰有很高的控制精度。该复合控制的缺点也比较明显，如果滞后时间常数计算不精确，得出的simth补偿装置就不能很好地弥补滞后分量，同样在换热器实际工作时，如果系统对象和干扰通道的传递函数计算不精确，动态前馈装置也无法得到很好的补偿效果，那么就会产生很大的误差，达不到很好的控制效果。所以针对补偿滞后而言，可以使用微分环节，来抵消滞后影响，最后不断调试出合理的pid参数。

    参考文献：

    [1] 杨延西.过程控制与自动化仪表[M].北京：机械工业出版社， 2017.

    [2] 李宜达.控制系统设计与仿真[M].北京：机械工业出版社，2014.

    [3] 王毅.过程装备控制技术及应用（第2版）[M].北京：化学工业出版社，2012.

    [4] 王树清.过程控制工程（第2版）[M].北京：化学工业出版社， 2011.

    [5] PID控制教程两篇：（《PID算法解析》、《由入门到精通—吃透PID》[EB/OL].仪控工程网：http：∥www.gongcheng365.cn/ down/show-134.html.

    [6] 过程控制系统与仪表[M].北京：机械工业出版社，2005.

    [7] 潘立登.过程控制技术原理及应用[M].北京：中国电力出版社， 2007.

    [8] 俞金寿.过程自动化及仪表[M].北京：化学工业出版社，2002.

    [9] 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置[M].北京：化学工业出版社，2007.

    [10] 黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2010.