管式加热炉温度-流量串级控制系统设计分析

"过程控制课程设计涉及的是串级控制系统，主要关注如何设计一个能有效控制管式加热炉温度的系统。设计中考虑了温度和流量的串级控制，以优化原料油出口温度的稳定性。" 在过程控制领域，串级控制系统是一种常用的高级控制策略，特别是在处理具有大滞后和多干扰的系统时。在这个课程设计中，管式加热炉的温度控制是一个关键问题，因为它直接影响到后续生产步骤的效率和产品质量。通常情况下，会选择原料油出口温度作为被控参数，而燃料流量作为控制变量。 在简单控制系统中，即单回路温度控制系统（如图1-1和图1-2所示），当燃料压力或热值发生变化时，由于存在较大的时间常数（约15分钟），系统对原料油出口温度的控制响应较慢，难以有效地抑制干扰。这种系统对于需要严格控制温度的工艺流程来说，其控制质量往往不理想。 为了改善控制性能，可以采用炉膛温度作为被控参数的单回路控制系统（如图1-3和图1-4所示）。炉膛温度的变化能够更快地反映燃料量变化的影响，时间常数缩短至约3分钟，对燃料相关的干扰有更快速的控制响应。然而，这种系统无法完全解决来自原料油流量和入口温度的干扰，因为它们并未包含在反馈回路内。 为了解决上述问题，串级控制系统应运而生。在这种系统中，原料油出口温度作为主回路的被控参数，炉膛温度则作为副回路的被控参数。这样，燃料流量的变化首先通过控制炉膛温度快速反应，然后再通过调整主回路的控制变量（例如，原料油加热时间或温度设定值）来稳定原料油出口温度。这样的串级配置能够分别对不同时间常数的干扰进行快速和精确的控制，从而提高整个系统的控制品质。 课程设计的目标是设计一个串级控制系统，通过结合两个独立的温度控制系统的优势，以实现对管式加热炉原料油出口温度的精确控制。这不仅要求考虑系统的时间常数，还需要分析各种可能的干扰源，并确保控制器能够有效地抵消这些干扰，以满足严格的工艺要求。通过这种方式，学生能够深入理解串级控制的概念，并掌握如何应用于实际工程问题中。