夾套式反應(yīng)器溫度比值控制方案設(shè)計(jì)

1、夾套式反應(yīng)器溫度比值控制方案設(shè)計(jì)目 錄一.概述2-6頁1.1化學(xué)反應(yīng)器的基本介紹 2-3頁1.2夾套式反應(yīng)器的控制要求3 頁1.3夾套式反應(yīng)器的擾動(dòng)變量3-4頁1.4基本動(dòng)態(tài)方程式4-6頁二控制系統(tǒng)方案的確定6-7頁三控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7-18頁 3.1被控變量和控制變量的選擇7-8頁 3.2主、副回路的設(shè)計(jì)8-9頁 3.3現(xiàn)場(chǎng)儀表選型9-12頁 3.4主、副控制器正反作用選擇12-13頁 3.5控制系統(tǒng)方框圖13頁 3.6分析被控對(duì)象特性及控制算法的選擇13-14頁 3.7控制系統(tǒng)整定及參數(shù)整定14-18頁四課程設(shè)計(jì)總結(jié)18頁五結(jié)束語18頁六參考文獻(xiàn)19頁 一概述1.1 化學(xué)反應(yīng)器的基本介紹反應(yīng)器

2、（或稱反應(yīng)釜）是化工生產(chǎn)中常用的典型設(shè)備，種類很多?；瘜W(xué)反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)、物料流程、反應(yīng)機(jī)理、傳熱、傳質(zhì)等方面存在差異，使自控的難易程度相差很大，自控方案差別也比較大?；瘜W(xué)反應(yīng)器可以按進(jìn)出物料狀況、流程的進(jìn)行方式、結(jié)構(gòu)形式、傳熱情況四個(gè)方面分類：一、按反應(yīng)器進(jìn)出物料狀況可分為間歇式和連續(xù)式反應(yīng)器通常將半連續(xù)和間歇生產(chǎn)方式稱為間歇生產(chǎn)過程。間歇式反應(yīng)器是將反應(yīng)物料分次獲一次加入反應(yīng)器中，經(jīng)過一定反應(yīng)時(shí)間后取出反應(yīng)中所有的物料，然后重新加料在進(jìn)行反應(yīng)。間歇式反應(yīng)器通常適用于小批量、多品種、多功能、高附加值、技術(shù)密集型產(chǎn)品的生產(chǎn)，這類生產(chǎn)反應(yīng)時(shí)間長活對(duì)反應(yīng)過程的反應(yīng)溫度有嚴(yán)格程序要求。連續(xù)反應(yīng)器則是物料

3、連續(xù)加入，化學(xué)反應(yīng)連續(xù)不斷地進(jìn)行，產(chǎn)品不斷的取出，是工業(yè)生產(chǎn)最常用的一種。一些大型的、基本化工產(chǎn)品的反應(yīng)器都采用連續(xù)的形式。二、從物料流程的進(jìn)行方式可分為單程與循環(huán)兩類物料在通過反應(yīng)器后不再進(jìn)行循環(huán)的流程稱為單程，當(dāng)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率都較高時(shí)，可采用單程的排列。如果反應(yīng)速度較慢，禍?zhǔn)谆瘜W(xué)平衡的限制，物料一次通過反應(yīng)器轉(zhuǎn)化不完全，則必須在產(chǎn)品進(jìn)行分離后，把沒有反應(yīng)的物料與新鮮物料混合后，再送送入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。這種流程稱為循環(huán)流程。三、從反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式可分為釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移動(dòng)床反應(yīng)器等。四、從傳熱情況可分為絕熱式反應(yīng)器和非絕熱式反應(yīng)器。絕熱式反應(yīng)器與外界不進(jìn)行熱量交換，非絕熱

4、式反應(yīng)器與外界進(jìn)行熱量交換。一般當(dāng)反應(yīng)過程的熱效應(yīng)大時(shí)，必須對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行換熱，其換熱方式有夾套式、蛇管式、列管式等。如今用的最廣泛的是夾套傳熱方式，且采用最普通的夾套結(jié)構(gòu)居多。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，單套生產(chǎn)裝置的產(chǎn)量越來越大，促使了反應(yīng)設(shè)備的大型化。也大大促進(jìn)了夾套反應(yīng)器的反展。夾套式反應(yīng)器是一類重要的化工生產(chǎn)設(shè)備，由于化學(xué)反應(yīng)過程伴有許多化學(xué)和物理現(xiàn)象以及能量、物料平衡和物料、動(dòng)量、熱量和物質(zhì)傳遞等過程，因此夾套反應(yīng)器操作一般都比較復(fù)雜，夾套反應(yīng)器的自動(dòng)控制就尤為重要，他直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和安全生產(chǎn)。化工生產(chǎn)過程通常可劃分為前處理、化學(xué)反應(yīng)及后處理三個(gè)工序。前處理工序?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)做準(zhǔn)備，

5、后處理工序用于分離和精制反應(yīng)產(chǎn)物，而化學(xué)反應(yīng)工序通常是整個(gè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵，因此在化學(xué)反應(yīng)工序中設(shè)計(jì)一套比較完善的控制系統(tǒng)是很重要的。設(shè)計(jì)夾套式反應(yīng)器的控制方案應(yīng)從質(zhì)量指標(biāo)，物料平衡和能量平衡，約束條件三個(gè)方面考慮（假設(shè)在本反應(yīng)器中反應(yīng)物為一般性的，無腐蝕，無爆炸的液液反應(yīng)物）。1.2 夾套式反應(yīng)器的控制要求1.2.1 質(zhì)量指標(biāo)夾套式反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)一般是反應(yīng)轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物的濃度。轉(zhuǎn)化率是直接質(zhì)量指標(biāo)，如果轉(zhuǎn)化率不能直接測(cè)量可選取與它相關(guān)的變量來計(jì)算間接反映出轉(zhuǎn)化率的大小。如出口溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為：式中y是轉(zhuǎn)化率，、分別是進(jìn)料溫度和出料溫度，是進(jìn)料重度，C是物料的比熱容，是進(jìn)料濃度，H是單

6、位質(zhì)量進(jìn)料的反應(yīng)熱。因?yàn)槌煞址治鰞x表價(jià)格高，維護(hù)困難等原因。通常采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，有時(shí)輔以夾套式反應(yīng)器的壓力和處理量（流量）等控制系統(tǒng)，滿足夾套式反應(yīng)器正常操作的控制要求。1.2.2 物料平衡和能量平衡為使反應(yīng)正常操作，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高，需要保持進(jìn)入夾套式反應(yīng)器各種物料量份額或物料的配比符合要求。為此對(duì)進(jìn)入夾套式反應(yīng)器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。此外部分物料循環(huán)的反應(yīng)的過程中為保持原料的濃度和物料平衡需設(shè)置輔助控制系統(tǒng)。由于反應(yīng)過程有熱效應(yīng)，因此應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的熱量平衡控制系統(tǒng)。能量平衡控制要保持化學(xué)反應(yīng)器的熱量平衡。應(yīng)使進(jìn)入反應(yīng)器的熱量與流出的熱量及反應(yīng)生成熱之間相互平衡。能量平

7、衡控制對(duì)化學(xué)反應(yīng)器來說是重要的，它關(guān)系到安全生產(chǎn)，也間接的保證了化學(xué)反應(yīng)器的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求。1.2.3 約束條件約束條件防止夾套式反應(yīng)器的過程變量進(jìn)入危險(xiǎn)工作區(qū)或不正常工況。必須設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)反應(yīng)到控制系統(tǒng)中。假設(shè)本設(shè)計(jì)是在一般條件下的反應(yīng)器裝置，沒有爆炸危險(xiǎn)，因此只涉及了反應(yīng)液液位報(bào)警系統(tǒng)，在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液液位過高或過低時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。1.3 夾套式反應(yīng)器的擾動(dòng)變量夾套式反應(yīng)器的擾動(dòng)變量有進(jìn)料口反應(yīng)液的流量、出料口生成液的流量、夾套中冷水的流量、冷卻水溫度變化、反應(yīng)器內(nèi)壓力等多個(gè)擾動(dòng)變量，其中冷卻水溫度的變化是主要擾動(dòng)。 這些擾動(dòng)變量有可控的和不可控的。當(dāng)擾動(dòng)變量作用下反應(yīng)

8、轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物組分與溫度、壓力等參數(shù)之間不出現(xiàn)單值函數(shù)關(guān)系時(shí)，需要根據(jù)工況變化補(bǔ)償溫度控制系統(tǒng)的給定值。1.4 夾套式反應(yīng)器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 絕大部分被控工業(yè)對(duì)象都是具有穩(wěn)定性，是一個(gè)開環(huán)穩(wěn)定的對(duì)象。通常，化學(xué)反應(yīng)過程伴有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)。有的是吸熱，也有的是放熱。然而本反應(yīng)器的反應(yīng)設(shè)置為放熱反應(yīng)。對(duì)于具有放熱效應(yīng)的對(duì)象，因外干擾式反應(yīng)器溫度升高，隨著反應(yīng)速度的加快，釋放的熱量也迅速增多，最終導(dǎo)致溫度不斷上升。因此對(duì)于這種具有正負(fù)反饋性質(zhì)的放熱器，在外擾作用下，溫度的變化將向兩個(gè)極端方向發(fā)展：一種是溫度一直上升，最終使反應(yīng)器急速終了；另一種是若外擾先引起反應(yīng)器溫度下降，則溫度不斷下降，直到反應(yīng)停止

9、。不少高分子聚合過程的情況就是如此，遂于這樣的放熱反應(yīng)過程，如果沒有適當(dāng)?shù)膿Q熱促使，將是一個(gè)開環(huán)不穩(wěn)定的對(duì)象?；瘜W(xué)反應(yīng)過程涉及物料、能量平衡、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等，利用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可以更好的了解這些量的物理意義。以夾套式液相反應(yīng)器為例，來說明反應(yīng)器激勵(lì)模型的建模思路。其中夾套式液相反應(yīng)器裝置如圖1-1所示：圖1-1 夾套式反應(yīng)器1.4.1 基本動(dòng)態(tài)方程式（1）基本假設(shè)兩側(cè)流體均呈活塞流狀流動(dòng)，無軸向混合；徑向熱傳導(dǎo)可用集中參數(shù)表示，即同一截面上各點(diǎn)溫度相同；傳熱系數(shù)U和比熱Ca、Cb恒定不變；管壁熱容忽略不計(jì)；外部絕熱良好，即不考慮熱損失。（2）系統(tǒng)基本方程式的建立對(duì)內(nèi)管流體A列寫微元d的熱量衡算式：

10、 式中：同理可得外管流體B的熱量衡算式：式中：（2）偏微分方程的求解：在化工過程中，有很多典型操作單元如套管式和列管式換熱器、填充式精餾塔和吸收塔、管式和固定床式反應(yīng)器等都屬于分布參數(shù)對(duì)象，它們的動(dòng)態(tài)方程為偏微分方程。偏微分方程的求解方法主要有傳遞函數(shù)法、分段集總化處理方法、正交配置法和數(shù)值解法。對(duì)于較簡(jiǎn)單的（自變量不大于兩個(gè)，線性定常）偏微分方程，一般可以通過傳遞函數(shù)法求解。首先進(jìn)行由時(shí)間域t到復(fù)域S的拉氏變換，在TA、TB取增量形式時(shí)，初始條件為0，由式可得：進(jìn)行由距離域到復(fù)域的拉氏變換，邊界條件如下：令A(yù)P=(1-2)2+4a1a2，則式(4.42)右端分母可寫為：TA0對(duì)TA1 、TB

11、1的傳遞函數(shù),以及TB0對(duì)TA1 、TB1的傳遞函數(shù)可以表示成矩陣的形式：1.4.2 模型的簡(jiǎn)化：有上式整理得被控對(duì)象傳函為： ;二 控制系統(tǒng)方案確定串級(jí)控制系統(tǒng)是兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是如下：（1）能迅速克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響，對(duì)進(jìn)入副環(huán)的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；（2）改善除主控制器以外的廣義對(duì)象特性，使系統(tǒng)的工作頻率提高；（3）串級(jí)系統(tǒng)可以消除副過程的非線性特性和憂郁調(diào)節(jié)閥流量特性不適合而造成的對(duì)控制質(zhì)量的影響；（4）串級(jí)控制系統(tǒng)可以兼顧兩個(gè)變量，更精確控制操作變量；（5）串級(jí)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)靈活的控制方式，必要死可切除

12、副調(diào)節(jié)器。根據(jù)設(shè)計(jì)題目為夾套式反應(yīng)器溫度串級(jí)控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，假設(shè)該反應(yīng)器用于常態(tài)常壓反應(yīng)，因此選擇控制方案為夾套式反應(yīng)器反應(yīng)溫度與夾套水溫度構(gòu)成的T-T串級(jí)控制方案。圖2-1 串級(jí)系統(tǒng)控制流程圖如圖2-1所示；被控過程有三個(gè)熱容器：即夾套中的冷卻水、反應(yīng)器壁和反應(yīng)器中的物料。由于從干擾引起反應(yīng)溫度下降，到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)溫度升高，其間需要經(jīng)過三個(gè)熱容過程?？刂仆ǖ赖臅r(shí)間常數(shù)和容量滯后較大，最終使調(diào)節(jié)不及時(shí)而出現(xiàn)較大的偏差。圖中控制器用于克服干擾對(duì)夾套水溫度的影響通過穩(wěn)定夾套水溫度來及時(shí)抑制干擾對(duì)反應(yīng)溫度產(chǎn)生的影響。但是控制器不能克服干擾對(duì)的影響.因而也就不能保證符合工藝要求。為此要根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)的

13、情況，適當(dāng)改變的設(shè)定值。以確定夾套水溫度能使穩(wěn)定在工藝要求的數(shù)值上，即有控制器根據(jù)與的偏差來自動(dòng)改變的設(shè)定值 。三 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 被控變量和控制變量的選擇3.1.1 被控變量的選擇 （1）主被控變量的選擇根據(jù)工藝過程的控制要求，主被控變量應(yīng)該能反映工藝指標(biāo)。夾套式反應(yīng)器的工藝指標(biāo)主要是反應(yīng)器內(nèi)溫度，利用反應(yīng)器內(nèi)溫度來衡量反應(yīng)物之間反映的充分情況。因此，若要反映工藝指標(biāo)，夾套式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)溫度必須是T-T串級(jí)控制系統(tǒng)的主被控變量。（2）副被控變量的選擇從串級(jí)控制的特點(diǎn)可知，當(dāng)擾動(dòng)進(jìn)入副回路時(shí)，副回路能迅速而強(qiáng)有力地克服它，起到超前控制作用，因此在選擇副變量時(shí)，一定要把主要擾動(dòng)包括在副回路內(nèi)

14、，并力求把盡量多的擾動(dòng)包含在副回路中，以充分發(fā)揮串級(jí)控制的最大優(yōu)點(diǎn)，吧對(duì)主變量影響最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁的擾動(dòng)因素抑制到最低程度，以確保主被控變量的控制質(zhì)量。同時(shí)冷卻水溫度變化是主要擾動(dòng)，包括水溫變化、水量變化等許多的擾動(dòng)。因此采用夾套水溫度作為副被控變量。這樣完全符合副被控變量包括主要擾動(dòng)且包含盡可能多的擾動(dòng)的原則。3.1.2控制變量的選擇 控制變量是在系統(tǒng)中加以控制的變量。除去系統(tǒng)的主、副被控變量外的一切變量，這些變量有些必須加以控制。在夾套式反應(yīng)器中反應(yīng)溫度和夾套水溫度構(gòu)成的T-T串級(jí)控制系統(tǒng)中，冷卻水流量這一變量在系統(tǒng)中包括的擾動(dòng)變量最多，因此選取冷卻水流量作為系統(tǒng)的控制變量，這樣符合

15、系統(tǒng)的整體控制。3.2 主、副回路的設(shè)計(jì)3.2.1 主回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路仍是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，主回路的設(shè)計(jì)仍可用單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。因此主回路應(yīng)包括主要的質(zhì)量指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)。因此確定了主被控變量、主控制變量及主要擾動(dòng)變量就能組成主回路。由上述的主被控變量和控制變量的選擇可設(shè)計(jì)出系統(tǒng)主回路。如圖3-1所示；圖3-1 串級(jí)控制系統(tǒng)主回路3.2.2 副回路的設(shè)計(jì)副回路可看作是一種新的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。副回路設(shè)計(jì)是串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)單回路，問題的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為父對(duì)象，然后組成一個(gè)控制回路，即可歸納為如何選擇福參數(shù)。首先副參數(shù)的選

16、擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；其次副回路因包含被控對(duì)象所受到主要干擾。由此86-99可設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的副回路。如圖3-2所示；圖3-2 串級(jí)控制系統(tǒng)副回路3.3 現(xiàn)場(chǎng)儀表選型3.3.1 測(cè)溫檢測(cè)元件及變送器（1）溫度檢測(cè)元件 圖3-3熱電偶的分度規(guī)格及特性表由于主、副回路的溫度變送器的溫度范圍相差不大可以忽略，因此兩個(gè)熱電偶可以選擇相同的。假設(shè)該夾套式反應(yīng)器用于普通常壓的情況下100條件下的反應(yīng)。由此可選鎳鉻-銅鎳（GB/T4993-1998）的熱電極代號(hào)為EP。在溫度測(cè)量環(huán)節(jié)可用以下的一節(jié)化解來近似：式中，與測(cè)量?jī)x表的量程有關(guān)。為溫度測(cè)量環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，單位為分，min.在實(shí)際

17、過沉重這些參數(shù)基本不變。這里假設(shè)，主溫度儀表量程為50150，副溫度儀表量程為0500，測(cè)量環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。而各儀表輸出經(jīng)歸一化后均為0100%，因而有, ?？蛇x出上述的熱電偶。在使用熱電偶時(shí)，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，且距熱源較近，其溫度波動(dòng)也較大，給測(cè)量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的連接導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠(yuǎn)、溫度較穩(wěn)定的地方。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用如圖3-3所示：圖3-4 補(bǔ)償導(dǎo)線作用 用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒有完全解決冷端溫度補(bǔ)償問題，為此還要采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施。具體的方法有：查表

18、法、儀表零點(diǎn)調(diào)整法、冰浴法、補(bǔ)償電橋法以及半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)償法。（2）溫度變送器檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號(hào)必須經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，才能進(jìn)入控制系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)器等其他儀表配合工作。如圖3-4所示；給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個(gè)品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結(jié)構(gòu)基本相同。 圖3-5 溫度變送器原理方框圖 圖3-5 智能溫度變送器 本設(shè)計(jì)采用鎳鉻-銅鎳EP-II型熱電偶溫度變送器。3.3.2 執(zhí)行器。 圖3-6 氣動(dòng)球閥內(nèi)螺紋連接球閥及對(duì)焊連接球閥

19、分為整體式、兩段式及三段式。閥體鑄造，結(jié)構(gòu)合理、造型美觀。閥座采用彈性密封結(jié)構(gòu)，密封可靠，啟閉輕松?？稍O(shè)置90開關(guān)定位機(jī)構(gòu)，根據(jù)需要加鎖以防止誤操作。內(nèi)螺紋連接不堪閥及對(duì)焊連接球閥適用于PN1.04.0MPa,工作溫度-29180（密封圈為增強(qiáng)聚四氟乙烯）或-29300（密封圈為對(duì)位聚苯）的各種管路上，用于截?cái)嗷蚪油ü苈分械慕橘|(zhì)，選用不同的材質(zhì)，可分別適用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氨鹽水、中和水等多種介質(zhì)。假設(shè)調(diào)節(jié)閥為近似線性閥，其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)，而且式中為調(diào)節(jié)閥的流通面積，通常在一定范圍內(nèi)變化，這里假設(shè)（即控制器的輸出變化，調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流通面積變化）。3.3.3 調(diào)節(jié)器 圖3-7 智能

20、溫度變送器選擇SK808/900系列智能PID調(diào)節(jié)儀智能PID調(diào)節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測(cè)量顯示、智能PID調(diào)節(jié)儀并配合各種執(zhí)行器對(duì)電加熱設(shè)備和電磁、電動(dòng)、氣動(dòng)閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制、報(bào)警控制、數(shù)據(jù)采集、記錄。3.4 主、副控制器正、反作用的選擇假設(shè)夾套式反應(yīng)器中反應(yīng)為放熱反應(yīng)。則選擇如下：（1）控制閥：從安全角度考慮，選擇氣關(guān)型控制閥；（2）副控制對(duì)象（）：冷卻水流量增加，夾套溫度下降，因此；（3）副控制器（）：為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足，因此，應(yīng)選，即選用反作用控制器；（4）主被控對(duì)象（）：當(dāng)夾套溫度升高時(shí)，反應(yīng)器溫度升高，因此；（5）主控制

21、器（）：為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足，因此，應(yīng)選，即選用反作用控制器。3.5 控制系統(tǒng)方框圖圖3-5 反應(yīng)溫度與夾套水溫度串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如圖3-5所示；反應(yīng)溫度與夾套溫度構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，反應(yīng)溫度為主被控變量，夾套溫度為副被控變量。反應(yīng)溫度控制器的輸出作為夾套溫度控制的設(shè)定值。此溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的具體工作過程為：當(dāng)工況穩(wěn)定時(shí)，物料的流量和溫度不變，冷卻水的壓力和溫度穩(wěn)定。反應(yīng)溫度和夾套水溫度均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定開度，也穩(wěn)定在設(shè)定值上。如果工況平衡被破壞，一方面冷卻水干擾會(huì)影響夾套水的溫度，副控制器動(dòng)作，控制調(diào)節(jié)閥改變冷卻水流量，以克服其對(duì)夾套水溫度的影響。如果干擾量不大，經(jīng)過副回路的

22、及時(shí)控制一般不會(huì)影響反應(yīng)溫度。如果干擾量副職較大，副回路雖能及時(shí)矯正，但仍可能影響反應(yīng)溫度，此時(shí)再通過主控制器的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，就可以完全克服上述擾動(dòng)。若進(jìn)料干擾使反應(yīng)溫度變化，通過主回路即可抑制其影響。顯然由于副回路的存在加快了控制作用，使擾動(dòng)對(duì)反應(yīng)溫度的影響比單回路要小。3.6 分析被控對(duì)象特性及控制算法的選擇3.6.1 被控對(duì)象特性分析由于被控變量的選擇中可知主被控變量為反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度，副被控變量為夾套內(nèi)冷卻水的溫度。由設(shè)計(jì)可知；主擾動(dòng)為進(jìn)料口進(jìn)料流量，副擾動(dòng)為冷卻水流量。依據(jù)文獻(xiàn)資料可做以下假設(shè)：對(duì)于夾套式反應(yīng)器反應(yīng)溫度對(duì)象，控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可假設(shè)為：， 。對(duì)于夾套冷卻水溫

23、度對(duì)象，控制通道與擾動(dòng)通道動(dòng)態(tài)特性可假設(shè)為：，。3.6.2 控制算法的選擇 根據(jù)夾套式反應(yīng)器的工藝指標(biāo)及工藝要求，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制算法選擇PID算法。3.7 控制系統(tǒng)的仿真及參數(shù)整定3.7.1 控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真由各個(gè)傳函等模塊所組成的SIMULINK模型如下圖所示，其中兩個(gè)溫度控制器都采用PID調(diào)節(jié)器。對(duì)應(yīng)的對(duì)象模型參數(shù)分別取值為：，,首先封裝simulinkPID控制器模塊，如圖3-6所示：圖3-6 PID控制器模塊接著根據(jù)要求設(shè)計(jì)可得到串級(jí)控制系統(tǒng)SIMILINK仿真模型，如圖3-7所示；圖3-7 夾套式反應(yīng)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)SIMULINK模型3.7.2 串級(jí)控制系統(tǒng)PID

24、參數(shù)整定：夾套反應(yīng)器串級(jí)控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定過程為：進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。步驟一 首先隨機(jī)設(shè)定控制器PID參數(shù)的初始值為：1=50%，Ti1=0.5min，Td1=0min2=50%，Ti2=0.5min，Td2=0min可得到系統(tǒng)輸出圖如圖3-8所示；因?yàn)槭前l(fā)散振蕩，故此圖不符合整定要求。圖3-8 系統(tǒng)初始輸出圖步驟二 再根據(jù)設(shè)定值跟蹤速度的快慢，調(diào)整PID中的值，以起到增加調(diào)控力度?？傻玫秸ㄝ敵鰣D，如圖3-8所示；, , , 圖3-9 系統(tǒng)整定輸出圖由此圖分析可知：控制系統(tǒng)的過渡過程是一個(gè)單調(diào)過程，雖然起到了控制的作用，使被控變量最終穩(wěn)定下來，但其回復(fù)到平衡狀態(tài)的速度慢，時(shí)間長，故還要

25、進(jìn)一步優(yōu)化PID參數(shù)設(shè)計(jì)。步驟三 繼續(xù)調(diào)整PID參數(shù)：1=100%，Ti1=1min，Td1=0min；2=100%，Ti2=1min，Td2=0min：可得到整定輸出圖3-10：圖3-10 系統(tǒng)輸出整定圖由圖分析可知，此參數(shù)下的控制系統(tǒng)過渡過程為衰減振蕩，可以快速有效的使被控變量穩(wěn)定下來。步驟四 步驟二中的單調(diào)過程也是可以通過參數(shù)的調(diào)整起到優(yōu)化控制作用的，設(shè)定參數(shù)為： 1=80%，Ti1=5min，Td1=0min； 2=33%，Ti2=5min，Td2=0min；可得到輸出整定圖3-11：圖3-11 系統(tǒng)輸出整定圖由圖分析可知：雖然此參數(shù)下的控制系統(tǒng)過渡過程為單調(diào)非振蕩過程，但仍能以比較快

26、的速度來使被控變量穩(wěn)定下來。經(jīng)過上述PID控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)和參數(shù)設(shè)定，可知知道的是，串級(jí)控制系統(tǒng)能迅速的克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響，對(duì)進(jìn)入副環(huán)的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；它還改善了除主控制器以外的廣義對(duì)象特性，是系統(tǒng)的工作頻率提高；并且消除副過程的非線性特性和由于調(diào)解閥流量不適合而造成的對(duì)控制質(zhì)量的影響；可兼顧兩個(gè)變量，更精確控制操作變量，控制方式靈活，必要時(shí)可切除副調(diào)節(jié)器。這些都大大的提高了串級(jí)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。四 課程設(shè)計(jì)總結(jié)身為過程裝備與控制工程的一名學(xué)生，串級(jí)控制控制方案的課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過程?！凹埳系脕斫K覺淺，覺知此事要躬行”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義。實(shí)踐才能檢驗(yàn)所學(xué)到的書本知識(shí)，做到我們中北大學(xué)的校訓(xùn)：致知于行！我今