典型操作单元的控制传热设备的控制戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所浙江大学信息学院控制系
2000/12/01
内 容
引 言
热交换过程的静态特性
换热设备的控制
加热炉的控制
锅炉设备的控制热交换过程的静态特性
G
1
,T
1o
,c
1
G
2
,T
2 i
,c
2
G
1
,T
1 i
,c
1
G
2
,T
2 o
,c
2
工艺介质载热体问题,针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（ G1,T1i,G2,T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质与载热体的出口温度（ T1o,T2o）。其中 c1,c2
分别为相应介质的比热。
热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即被加热物料得到的热量 /单位时间
= 载热体放出的热量 /单位时间
)( 11111 io TTGcq
)( 22222 io TTGcq
21 qq?
热交换过程的传热速率方程
mm TKFq
K 为传热系数； Fm 为传热面积；
ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差,
对于逆流单程换热器，
可取对数平均值
oi
io
oiio
m
TT
TT
TTTT
T
12
12
1212
ln
)()(
oi
io
TT
TT
12
12
若 在 1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
2
)()( 1212 oiio
m
TTTTT
热交换过程的静态方程
)(2 )()( 11111212 iooiiom TTGcTTTTKFq
)()( 222211111 oiio TTGcTTGcq
)(121)()( 11
22
11
1211
11
ioiiio
m
TTGc GcTTTTKF Gc
22
111112
11
1
2
1
1
Gc
Gc
KF
GcTT
TT
m
ii
io
热交换过程的静态特性分析
ii
io
TT
TTy
12
11
mKF
cGx 11
1?
mKF
cGx 22
2?
2
1
1 12
1
1
x
x
x
y
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1y
x
1
= 0.5
x
1
= 1.0
x
1
= 2
x
1
= 4
x
2
严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。
换热设备的控制方法
被控变量
(1) 被加热 /冷却介质的出口温度（无相变）；
(2) 加热 /冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量。
控制变量
(1) 调载热体的流量； (2) 调节传热平均温差；
(3) 调传热面积； (4) 将工艺介质分路，
一路经换热，另一路走旁路。
换热设备的控制方案凝液蒸汽
TC
TC
LC
氨气液氨
TC
蒸汽凝液
TC
载热体工艺介质加热炉的控制问题
被控变量,工艺介质的出口温度。
控制变量,燃料油或燃料气的流量。
主要干扰,
工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油 /
燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。
对象特性建模方法,定性分析 +实验测试，通常可用一阶加纯滞后环节来近似。
加热炉的单回路控制
FC
TC
PC
PC
回油燃料油雾化蒸汽工艺介质加热炉的串级控制TC
TC
燃料油进料出料
FC
TC
进料出料燃料油
TC
进料出料燃料油
PC
TC
进料出料燃料油催化裂化加热炉的控制系统
FC
FC
TC PC
PC
PC
自分馏塔来的回炼油原料油去反应器开关燃料油回油罐去瓦斯罐干气
( 热裂解气 )
加热炉的安全联锁保护系统
TC
PC LS
GL
2
BS
GL
1燃料进料 出料
LS,低选器；
BS,火焰检测器；
GL1,燃料气流量过低联锁装置；
GL2,进料流量过低联锁装置。
锅炉设备的工艺流程热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器
P
M
D
负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气
( 经引风机送往烟囱)
锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备系统分解：（ 1）锅炉汽包水位的控制；
（ 2）锅炉燃烧系统的控制；
（ 3）过热蒸汽系统的控制。
汽包水位的控制问题
被控变量,汽包水位，用 H (s)表示
控制变量,汽包给水量，用 G (s)表示
主要干扰：
蒸汽负荷（蒸汽流量），用 D (s)表示
通道对象：
非自衡、非最小相位、非线性等特性汽包水位的对象特性
D
H
H
0
H
H
2
H
1
t
t
G
H
H
H
1
t
t
τ
干扰通道特性 控制通道特性
1)(
)(
2
21
sT
K
s
K
sD
sH se
s
K
sG
sH 0
)(
)(
非最小相位特性
1)(
)(
2
21
sT
K
s
K
sD
sH
)1(
)1(
)1(
)(
)(
)(
2
01
2
1212
sTs
sTK
sTs
KsTKK
sD
sH
2
1
2
0 TK
KT
对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为
02
1
2
0 TK
KT
汽包水位的单冲量控制
LC
蒸汽汽包省煤器给水液位非自衡对象响应测试
（ 1）手动改变控制器的输出信号 u(k)，
观察被控变量 y(k)的变化过程。
（ 2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数 。
非自衡对象特征参数的获得
Kp (稳态输出斜率 )：
m i nm a x
01
m i nm a x
12
12
)()(1
uu
uu
yy
tyty
ttK p
其中 umax,umin与 ymax,ymin为输入输出的量程上下限；
若巳归一化，则 umax－ umin =1,ymax－ ymin =1。
T0 (纯滞后时间 )：
非自衡对象
PID控制系统稳定性分析
sT
pc esKKsG 0
1)( wjT
pc ejwKKjwG 0
1)(
开环传递函数：
R ( s ) Y ( s )
+ _
sTp e
s
K
0?K
c
稳定条件：
1/)(
)
2
()( 0
cpcc
cc
wKKjwG
wTjwG
p
c KTK
02
0
非自衡对象
PID参数整定原则将上述 PID控制器投入,Auto” （自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢，而且无超调存在，则适当加大 Kc值，例如增大到原来的两倍；反之，则减小 Kc值。
0;)20~5(;1 0
0
di
p
c TTTKTK
PID参数初始值的选择：
汽包水位的双冲量控制 LC
蒸汽汽包省煤器给水
∑
P
C
P
F
C
1
P
C
+ C
2
P
F
+ C
0
前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，
C1=1，则调节器为正作用，而 C2应取负号，
具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。
汽包水位的三冲量控制
LC
蒸汽汽包省煤器给水
∑
P
C
P
F
FC
∑
LC
水位蒸汽
FC
给水
P
C
P
F
C
1
P
C
+ C
2
P
F
+ C
0
三冲量控制系统的简化连接 ∑
LC
水位蒸汽给水
C
1
C
2
C
3
∑
LC
水位蒸汽给水
C
3
C
1
C
2
锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统
FC FC
PC
AC
LS HS
蒸汽压力燃料量 空气量 含氧量
×
燃料阀 空气阀
I
1
I
2
I
p
I
4
I
3
Q
2
Q
1
K
稳态：
I1= I2 = I3 = I4 = Ip
Q1 = KQ2
分析提降量过程？
练习题
∑
LC
水位蒸汽给水
C
3
C
1
C
2
对于锅炉汽包水位的控制问题，
可采用如图所示的简化的三冲量控制系统。假设调节阀为气关阀，
要求
（ 1）结合汽包水位的控制对象，
画出完整的系统方框图，并注明各方框图的输入输出变量意义；
（ 2）确定 C1,C2,C3与调节器的正反作用方向，并说明 C2与 C3
数值确定方法。
2000/12/01
内 容
引 言
热交换过程的静态特性
换热设备的控制
加热炉的控制
锅炉设备的控制热交换过程的静态特性
G
1
,T
1o
,c
1
G
2
,T
2 i
,c
2
G
1
,T
1 i
,c
1
G
2
,T
2 o
,c
2
工艺介质载热体问题,针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（ G1,T1i,G2,T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质与载热体的出口温度（ T1o,T2o）。其中 c1,c2
分别为相应介质的比热。
热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即被加热物料得到的热量 /单位时间
= 载热体放出的热量 /单位时间
)( 11111 io TTGcq
)( 22222 io TTGcq
21 qq?
热交换过程的传热速率方程
mm TKFq
K 为传热系数； Fm 为传热面积；
ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差,
对于逆流单程换热器，
可取对数平均值
oi
io
oiio
m
TT
TT
TTTT
T
12
12
1212
ln
)()(
oi
io
TT
TT
12
12
若 在 1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
2
)()( 1212 oiio
m
TTTTT
热交换过程的静态方程
)(2 )()( 11111212 iooiiom TTGcTTTTKFq
)()( 222211111 oiio TTGcTTGcq
)(121)()( 11
22
11
1211
11
ioiiio
m
TTGc GcTTTTKF Gc
22
111112
11
1
2
1
1
Gc
Gc
KF
GcTT
TT
m
ii
io
热交换过程的静态特性分析
ii
io
TT
TTy
12
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mKF
cGx 11
1?
mKF
cGx 22
2?
2
1
1 12
1
1
x
x
x
y
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1y
x
1
= 0.5
x
1
= 1.0
x
1
= 2
x
1
= 4
x
2
严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。
换热设备的控制方法
被控变量
(1) 被加热 /冷却介质的出口温度（无相变）；
(2) 加热 /冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量。
控制变量
(1) 调载热体的流量； (2) 调节传热平均温差；
(3) 调传热面积； (4) 将工艺介质分路，
一路经换热，另一路走旁路。
换热设备的控制方案凝液蒸汽
TC
TC
LC
氨气液氨
TC
蒸汽凝液
TC
载热体工艺介质加热炉的控制问题
被控变量,工艺介质的出口温度。
控制变量,燃料油或燃料气的流量。
主要干扰,
工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油 /
燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。
对象特性建模方法,定性分析 +实验测试，通常可用一阶加纯滞后环节来近似。
加热炉的单回路控制
FC
TC
PC
PC
回油燃料油雾化蒸汽工艺介质加热炉的串级控制TC
TC
燃料油进料出料
FC
TC
进料出料燃料油
TC
进料出料燃料油
PC
TC
进料出料燃料油催化裂化加热炉的控制系统
FC
FC
TC PC
PC
PC
自分馏塔来的回炼油原料油去反应器开关燃料油回油罐去瓦斯罐干气
( 热裂解气 )
加热炉的安全联锁保护系统
TC
PC LS
GL
2
BS
GL
1燃料进料 出料
LS,低选器；
BS,火焰检测器；
GL1,燃料气流量过低联锁装置；
GL2,进料流量过低联锁装置。
锅炉设备的工艺流程热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器
P
M
D
负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气
( 经引风机送往烟囱)
锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备系统分解：（ 1）锅炉汽包水位的控制；
（ 2）锅炉燃烧系统的控制；
（ 3）过热蒸汽系统的控制。
汽包水位的控制问题
被控变量,汽包水位，用 H (s)表示
控制变量,汽包给水量，用 G (s)表示
主要干扰：
蒸汽负荷（蒸汽流量），用 D (s)表示
通道对象：
非自衡、非最小相位、非线性等特性汽包水位的对象特性
D
H
H
0
H
H
2
H
1
t
t
G
H
H
H
1
t
t
τ
干扰通道特性 控制通道特性
1)(
)(
2
21
sT
K
s
K
sD
sH se
s
K
sG
sH 0
)(
)(
非最小相位特性
1)(
)(
2
21
sT
K
s
K
sD
sH
)1(
)1(
)1(
)(
)(
)(
2
01
2
1212
sTs
sTK
sTs
KsTKK
sD
sH
2
1
2
0 TK
KT
对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为
02
1
2
0 TK
KT
汽包水位的单冲量控制
LC
蒸汽汽包省煤器给水液位非自衡对象响应测试
（ 1）手动改变控制器的输出信号 u(k)，
观察被控变量 y(k)的变化过程。
（ 2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数 。
非自衡对象特征参数的获得
Kp (稳态输出斜率 )：
m i nm a x
01
m i nm a x
12
12
)()(1
uu
uu
yy
tyty
ttK p
其中 umax,umin与 ymax,ymin为输入输出的量程上下限；
若巳归一化，则 umax－ umin =1,ymax－ ymin =1。
T0 (纯滞后时间 )：
非自衡对象
PID控制系统稳定性分析
sT
pc esKKsG 0
1)( wjT
pc ejwKKjwG 0
1)(
开环传递函数：
R ( s ) Y ( s )
+ _
sTp e
s
K
0?K
c
稳定条件：
1/)(
)
2
()( 0
cpcc
cc
wKKjwG
wTjwG
p
c KTK
02
0
非自衡对象
PID参数整定原则将上述 PID控制器投入,Auto” （自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢，而且无超调存在，则适当加大 Kc值，例如增大到原来的两倍；反之，则减小 Kc值。
0;)20~5(;1 0
0
di
p
c TTTKTK
PID参数初始值的选择：
汽包水位的双冲量控制 LC
蒸汽汽包省煤器给水
∑
P
C
P
F
C
1
P
C
+ C
2
P
F
+ C
0
前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，
C1=1，则调节器为正作用，而 C2应取负号，
具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。
汽包水位的三冲量控制
LC
蒸汽汽包省煤器给水
∑
P
C
P
F
FC
∑
LC
水位蒸汽
FC
给水
P
C
P
F
C
1
P
C
+ C
2
P
F
+ C
0
三冲量控制系统的简化连接 ∑
LC
水位蒸汽给水
C
1
C
2
C
3
∑
LC
水位蒸汽给水
C
3
C
1
C
2
锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统
FC FC
PC
AC
LS HS
蒸汽压力燃料量 空气量 含氧量
×
燃料阀 空气阀
I
1
I
2
I
p
I
4
I
3
Q
2
Q
1
K
稳态：
I1= I2 = I3 = I4 = Ip
Q1 = KQ2
分析提降量过程？
练习题
∑
LC
水位蒸汽给水
C
3
C
1
C
2
对于锅炉汽包水位的控制问题，
可采用如图所示的简化的三冲量控制系统。假设调节阀为气关阀，
要求
（ 1）结合汽包水位的控制对象，
画出完整的系统方框图，并注明各方框图的输入输出变量意义；
（ 2）确定 C1,C2,C3与调节器的正反作用方向，并说明 C2与 C3
数值确定方法。
