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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

第一章 绪 论

1.1 引言

换热器是一种用来进行热量交换的工艺设备，在工业生产中应用极为广泛。它的作用是通过热流体来加热冷流体，使工作介质达到生产工艺所规定的温度要求，以利于生产过程的顺利进行，同时避免生产过程中能量的浪费，以节约能源。在实现传热过程的各种设备中，换热器应用最多，本文研究的对象就是换热器出口温度的温度控制。

换热系统中，生产过程需要对换热系统的一些参数进行控制，其中，换热器出口介质的温度是最为主要、最为常见的控制对象，也是关系工艺产品质量的重要因素之一。目前，对温度的控制大都采用传统的PID调节器。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性的特点，而且整个控制过程与环境条件及换热系统本身等因素密切相关，是一个典型的参数时变的非线性系统，传统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求，因此，很有必要寻求一种先进的控制方法。

1.2 选题的背景及意义

换热器不但是大多数工业生产过程中不可缺少的传热设备，而且是重要的节能设备。它在动力、冶金、炼油、化工、电力、制冷、建筑、重型机械制造、航空、原子能、食品和医药等工业部门应用极为广泛，并占有十分重要的地位。随着工业的不断发展，它将具有更广泛的应用前景。例如在石油化工厂中，它的投资要占到建厂总投资的30%—50%左右，它的数量占工艺总数量的40%左右；在年产30万吨乙烯装置中，它的投资约占总投资的25%。在我国的一些大中型炼油企业中，各式热交换器的数量达到300-500台以上。又如动力工业的热力发电厂，装有空气预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等一系列的换热器，换热器的投资占电厂总投资的70%左右；在热电联产、集中供热系统中，换热器也是必不可少的设备。

换热器作为一种利用能源与节约能源的重要设备，在节能技术改造中具有很重要的作用。其作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消耗；二是用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。随着工业经济的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张已成为

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一个世界性的问题。随着工业的不断发展，对能源利用、开发、节约的要求不断提高，因而不仅对换热器性能的要求日益加强，而且对换热器过程控制品质要求也不断增加。

换热器传热过程在工业生产中的目的，有的是为了使工艺介质达到生产工艺所规定的温度，以利于生产过程的顺利进行和保证产品质量；有的则是为了避免生产过程中能量的浪费。很多工业领域的产品对生产的工艺温度十分敏感，高于或低于这个工艺温度都会极大的降低产品质量，造成不必要的浪费。比如，在制冷、空调、化工、食品、医药等生产过程中，为了保证过程的顺利进行和保证产品质量，必须保证换热器良好的传热和严格控制换热器的出口温度；因此，控制好换热器出口介质的温度具有极其重要的意义。

综上所述，由于换热器在节能、保证产品质量等方面承担着非常重要的角色，为了保证换热器的正常运行，及高度的经济性和安全性，对它的自动化水平提出了更高的要求。由于换热系统存在着大延迟、大惯性、非线性及多扰动的特点，它们只能得到近似的数学模型甚至得不到数学模型，采用传统的控制方法难以达到令人满意的控制效果。而实践证明，对于过程复杂、具有非线性、时变、滞后等特征的被控对象，模糊控制具有优越控制的性能和强大的生命力。本文运用MATLAB设计模糊控制器，研究模糊控制及其在换热器过程控制中的应用，具有重要的理论意义和工程实用价值。

1.3换热器的温度控制概述

1.3.1 换热器简介

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。按照传统方式的不同，换热设备可分为三类：

1．混合式换热器：利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如：冷水塔（凉水塔）、造粒塔、气流干燥装置、流化床等。

2．蓄热式换热器：在这类换热器中，能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气气热交换的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。

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3、间壁式换热器：所谓间壁式换热器，是指两种不同温度的流体在固定的壁面（称为传热面）相隔的空间里流动，通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要，也有用非金属（如石墨，聚四乙烯等）制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类换热器。按照传热面的形状与结构特点它还可分为：

（1）管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。 （2）板面式换热器：如板式、螺旋板式，、板壳式等。

（3）扩展表面式换热器： 如板翅式、管翅式、强化的传热管等。

其中，在间壁式换热器中，管壳式换热器易于制造、生产成本较低、选材范围广、传热表面的清洗比较方便、适应较强、处理量较大，具有高度工作可靠性，能够承受高压、高温。虽然在结构紧凑性，传热强度和单位传热面积的金属耗量方面它确实有着缺点，但是由于其优点，使之能在出现的新兴换热器的今天，依然充满生命力，居于统治地位。所以在本实验系统中采用管壳式单程-逆流模式的换热器。其结构如图1-1。所选用换热器的基本参数如表1-1。

管侧出口壳侧进口折流板壳侧出口 管侧进口

图1-1 管壳式单程-逆流模式换热器结构图

表1-1 换热器的基本参数表

壳体长度 传热面积 管程流量 壳程流量 管程进口温度范围 管程出口温度范围 0-100℃ 壳程进口壳程出口温度范围 温度范围 0-100℃ 0-100℃ 1500 mm 3 m2 0—5 m2/h 0—10 m2/h 0-100℃ 3

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1.3.2换热器运行控制的现状

目前，换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制，以加热介质的流量作为调节手段，以被加热工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统，对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合，多采用加入负荷干扰的前馈控制构成前馈反馈控制系统。

在生产过程自动化控制的发展过程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方法。它具有①原理及结构简单、使用方便；②适应性强；③鲁棒性也较强，即其控制品质对被控对象特性的变化不敏感等优点。由于具有这些优点，对于绝大部分生产过程控制中，人们首先想到的总是PID控制（至今在全世界过程控制中用的84％以上仍是纯PID调节器）。根据控制对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。然而，PID控制算法有它的局限性和不足：

①传统的控制是基于对象精确模型的控制，对于模型未知或知之甚少，或模型的结构和参数可能在很大范围内变化等情况，传统方法都难于对它们进行控制。

②在传统控制理论中，线性系统理论比较成熟。对于具有高度非线性的控制对象虽然也有一些非线性的控制方法，但总的来说，非线性控制理论还不成熟，而且方法比较复杂。

③在传统的控制系统中，控制任务或者是要求输出量为定值（调节系统），或者是要求输出量跟随期望的运动轨迹（跟踪系统）。因此控制任务的要求比较单一。

④在对PID参数进行整定的过程中，参数的整定是具有一定局限性的优化值，而不是全局性的最优值。无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。

然而，热交换器对象工作机理比较复杂，它的动态特性是未知的或者不是十分清楚的，很难用解析方法得出其精确的动态数学模型。这种特性决定了用传统PID控制很难满足静态、动态特性的要求。而且，实践也证明了，虽然现在许多换热器的控制系统上也多装有控制柜，实现温度的自动控制，但由于大多沿用的是传统的PID控制，从工程实际的运行状况来看，控制效果都不是十分理想。这主要是因为，常规的PID控制器对这种大惯性、大时滞、非线性的系统的适应性差、控制精度低，不仅影响产品质量而且往往造成能源浪费，难以保证理想的控制效果。因此，寻找一种更优的控制方法对于提

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