换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。
以工业上常用的列管式换热器为例，热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的，从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。
但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。
控制方式的单一性及目前制造工艺的限制，使换热器普遍存在控制效果差，换热效率低的现象，造成能源的浪费。
如何提高换热器的控制效果，提高换热效率，对于缓解我国能源紧张的状况，具有长远的意义。
本课题是针对换热器实验设备温度控制的改进提出的。
设计中首先通过对现阶段换热器出口温度控制的特点进行分析，从而发现了制约控制效果进一步提高的瓶颈，为下一步改善换热器的控制效果提供了理论依据。
然后根据换热系统组成、控制流程的特点对换热器温度控制系统建立数学模型。
再根据所建立的数学模型，联系换热器温度控制的特点，给出了相应的控制策略，即带Smith预估补偿的模糊串级控制方案。
主回路采用Smith预估补偿的模糊控制算法，副回路采用模糊PID控制算法，并在理论上验证了其可行性。
最后用MATLAB7.0/SIMULINK工具箱进行换热器出口温度的控制仿真，并对仿真结果进行分析，说明所设计的控制算法及方案的优越性。
关键词：换热器温度控制；PID控制；模糊控制；仿真The heat exchanger based on MATLAB simulation of temperaturecontrolHeat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the field of power engineering and other process industries. Commonly used in industrial heat exchanger tube as an example, the hot fluid and cold fluid heat transfer through convection heat transfer to achieve the purpose, so that heat exchanger outlet temperature materials to meet the needs of industrial production. However, as the heat exchange system that has a pure time delay plant, large inertia, the parameters of the nonlinear time-varying characteristics of the traditional PID control often can not meet the static and dynamic characteristics of the request. Control the uniformity and the current manufacturing process of the limit, so that the effect of heat exchanger to control the prevalence of poor, low heat transfer efficiency, resulting in waste of energy. How to improve the control of the effect of heat exchangers to improve heat transfer efficiency and ease the tense situation in our country's energy, with a long-term significance.This issue is heat exchanger for temperature control of laboratory equipment to improve the proposed. first of all , The design stage through the heat exchanger outlet temperature control characteristics of the analysis, which found that the effect of restricting the control to further improve the bottleneck for further improving the control of the effect of heat exchanger provides a theoretical basis. Heat exchange system according to the composition of the characteristics of control flow on the heat exchanger temperature control system mathematical model. Established in accordance with the mathematical model of contact heat exchanger temperature control characteristics of the corresponding control strategy, which Smith estimated compensation with fuzzy cascade control program. Smith estimated the main loop compensation for the use of fuzzy control algorithm, the Vice-loop fuzzy PID control algorithm, and in theory, to verify its feasibility. Toolbox MATLAB7.0/SIMULINK Finally, heat exchanger outlet temperature of the control simulation, and analysis of simulation results to illustrate the design of control algorithms and the advantages of the program.Key words: heat exchanger temperature control; PID control; fuzzy control; simulation目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 选题的背景及意义 (1)1.3换热器的温度控制概述 (2)1.3.1 换热器简介 (2)1.3.2换热器运行控制的现状 (4)1.4课题的主要任务及意义 (5)第二章换热系统的数学模型 (6)2.1 换热器过程控制系统分析 (6)2.2 信号的检测及参数关系 (7)2.2.1 流量信号的检测 (7)2.2.2 温度信号的检测 (8)2.2.3 执行机构的输入输出关系 (8)2.3 换热器特性分析 (9)2.3.1换热器的静态特性分析 (9)2.3.2换热器的动态特性 (13)2.4离心泵控制模型 (16)2.4.1 系统组成概述 (16)2.4.2离心泵的动态特性 (17)第三章换热器温度控制系统分析及方案设计 (19)3.1 换热器温度控制系统分析 (19)3.2 控制模型的选择 (22)3.2.1 副回路控制模型的选择 (22)3.2.2主回路控制模型的选择 (23)第四章换热器控制系统控制算法 (24)4.1 模糊控制理论 (24)4.1.1 模糊控制概述 (24)4.1.2 模糊控制的原理 (25)4.2基本模糊控制器的设计 (26)4.2.1 模糊化过程 (27)4.2.2 模糊化方法 (28)4.2.3 建立模糊控制器的控制规则 (30)4.2.4 模糊推理与模糊判决 (31)4.3 模糊PID控制算法实现 (32)4.3.1 PID控制原理及模糊PID控制原理图 (32)4.3.2模糊参数自整定原则 (34)4.3.3 各变量隶属度函数的确定 (34)4.3.4建立模糊规则表 (35)4.3.5 模糊PID控制器的MATLAB实现 (37)4.4 Smith—Fuzzy串级控制算法的实现 (41)4.4.1 Smith预估补偿的原理 (41)4.4.2 Smith预估补偿的实现 (43)4.4.3换热器出口温度Smith—Fuzzy控制实现 (43)第五章换热器温度控制系统仿真及结果分析 (46)5.1仿真软件简介 (46)5.2基于换热器出口水温控制系统的仿真 (48)5.3换热器温度控制系统仿真分析 (52)第六章结束语 (54)参考文献 (55)致谢 (57)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%。