反應(yīng)器串級控制系統(tǒng)整定

1、目 錄1 前言12 總體方案設(shè)計22.1 方案比較22.2 方案選擇43 反應(yīng)器串級控制系統(tǒng)分析53.1 被控變量和控制變量的選擇53.2 主、副回路的設(shè)計53.3 主、副控制器正、反作用的選擇73.4 控制系統(tǒng)方框圖73.5 分析被控對象特性及控制算法的選擇84 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定94.1 參數(shù)整定方法94.2 參數(shù)整定94.3 兩步法的整定步驟105 MATLAB仿真125.1 控制系統(tǒng)的MATLAB仿真125.2 串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定：145 結(jié)論186 總結(jié)與體會197 參考文獻(xiàn)201 前言 反應(yīng)器（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

2、、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。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)?；どa(chǎn)過程通?？蓜澐譃榍疤幚?、化學(xué)反應(yīng)及后處理三個工序。前處理工序為化學(xué)反應(yīng)做準(zhǔn)備，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)工序通常是整個生產(chǎn)過程的關(guān)鍵，因此在化學(xué)反應(yīng)工序中設(shè)計一套比較完善的控制系統(tǒng)是很重要的。設(shè)計夾套式反應(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，

3、約束條件三個方面考慮（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）。2 總體方案設(shè)計2.1 方案比較（1） 簡單控制系統(tǒng)如圖所示，溫度調(diào)節(jié)器TC是根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度T與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制，當(dāng)冷卻水部分出現(xiàn)干擾后系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)T的影響控制質(zhì)量差。但在冷卻水?dāng)_動可以忽略或很小的情況下，并生產(chǎn)工藝對物料溫度要求不是很嚴(yán)格時，簡單控制系統(tǒng)還是可以滿足要求的，如果冷卻水的擾動大，而且對系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響，則簡單控制系統(tǒng)很難滿足工藝要求。簡單控制系統(tǒng)框圖如圖所示。圖2.1 反應(yīng)器溫度簡單控制系統(tǒng)圖2.2 反應(yīng)器物料溫度簡單控制系統(tǒng)框圖被控變量：反應(yīng)器內(nèi)

4、物料的溫度；操控變量：冷卻水流量。（2）串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測変送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的輸入，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。中間被控變量：夾套和槽壁溫度；被控變量：反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度；操縱變量：冷卻水流量。夾套和槽壁溫度變化時，TC可以及時動作，克服擾動。圖2.3和圖2.4分別為串級系統(tǒng)工藝流程圖和串級系統(tǒng)框圖。圖2.3 串級系統(tǒng)工藝流程圖圖2.4 串級系統(tǒng)框圖2.2 方案選擇方案一的簡單控制系統(tǒng)有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進(jìn)而改變冷卻水的流量。在開始時，物料的溫度離設(shè)定值偏差大，用冷卻水降溫傳溫慢，就造成開始是反應(yīng)時間過長，動作不及時，偏差

5、在短時間內(nèi)不能消除。方案二的串級控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。在系統(tǒng)開始時，在副回路的作用下先對槽壁進(jìn)行冷卻，這樣就等于較少了一個熱容，繼而加速了系統(tǒng)的平衡。對于串級系統(tǒng)而言，副回路有先調(diào)、初調(diào)、快調(diào)的特點；主回路有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點。兩者相互配合，使控制質(zhì)量明顯提高，與簡單系統(tǒng)相比，對離被控對象較遠(yuǎn)的擾動（二次擾動）有明顯的抑制作用，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。綜上所述，根據(jù)本設(shè)計系統(tǒng)的特點，選擇串級控制。3 反應(yīng)器串級控制系統(tǒng)分析3.1 被控變量和控制變量的選擇（1）被控變量的選擇根據(jù)工藝過程的控制要求，主被控

6、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串級控制系統(tǒng)的主被控變量。 從串級控制的特點可知，當(dāng)擾動進(jìn)入副回路時，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，一定要把主要擾動包括在副回路內(nèi)，并力求把盡量多的擾動包含在副回路中，以充分發(fā)揮串級控制的最大優(yōu)點，吧對主變量影響最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁的擾動因素抑制到最低程度，以確保主被控變量的控制質(zhì)量。同時冷卻水溫度變化是主要擾動，包括水溫變化、水量變化等許多的擾動。因此采用夾套水溫度作為副被控變量。這

7、樣完全符合副被控變量包括主要擾動且包含盡可能多的擾動的原則。（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，這樣符合系統(tǒng)的整體控制。3.2 主、副回路的設(shè)計（1）主回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的主回路仍是一個定值控制系統(tǒng)，主回路的設(shè)計仍可用單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進(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變量就能組成主回路。由上述的主被控變

8、量和控制變量的選擇可設(shè)計出系統(tǒng)主回路。如圖3.1所示；圖3.1 串級控制系統(tǒng)主回路（2）副回路的設(shè)計副回路可看作是一種新的動態(tài)環(huán)節(jié)。副回路設(shè)計是串級控制系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個單回路，問題的實質(zhì)在于如何從整個對象中選取一部分作為父對象，然后組成一個控制回路，即可歸納為如何選擇福參數(shù)。首先副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時間常數(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象所受到主要干擾。由此可設(shè)計出系統(tǒng)的副回路。如圖3.2所示；圖3.2 串級控制系統(tǒng)副回路3.3 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

9、關(guān)型控制閥；（2）副控制對象（）：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）主被控對象（）：當(dāng)夾套溫度升高時，反應(yīng)器溫度升高，因此；（5）主控制器（）：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。3.4 控制系統(tǒng)方框圖圖3.3 反應(yīng)溫度與夾套水溫度串級控制系統(tǒng)方框圖如圖3.3所示；反應(yīng)溫度與夾套溫度構(gòu)成串級控制系統(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。此溫度串級控制系統(tǒng)的具體工作過程為：當(dāng)工況穩(wěn)定時，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

10、套水溫度均處于相對平衡狀態(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影響夾套水的溫度，副控制器動作，控制調(diào)節(jié)閥改變冷卻水流量，以克服其對夾套水溫度的影響。如果干擾量不大，經(jīng)過副回路的及時控制一般不會影響反應(yīng)溫度。如果干擾量副職較大，副回路雖能及時矯正，但仍可能影響反應(yīng)溫度，此時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。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，使擾動對反應(yīng)溫度的影響比單回路要小。3.5 分析被控對象特性及控制算法的選擇（1）被控對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

11、應(yīng)溫度，副被控變量為夾套內(nèi)冷卻水的溫度。由設(shè)計可知；主擾動為進(jìn)料口進(jìn)料流量，副擾動為冷卻水流量。依據(jù)文獻(xiàn)資料可做以下假設(shè)：對于夾套式反應(yīng)器反應(yīng)溫度對象，控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可假設(shè)為：， 。對于夾套冷卻水溫度對象，控制通道與擾動通道動態(tài)特性可假設(shè)為：，。（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)計的控制算法選擇PID算法。4 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從整體上來看是定制控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化。串級控制系統(tǒng)主、副回路的原理不同，對主、副參數(shù)的要求也不同。通過正確的參數(shù)整定，可取

12、得理想的控制效果。4.1 參數(shù)整定方法串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。1. 逐步逼近法逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。2.兩步整定法兩步整定法就是讓系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系統(tǒng)整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為串級控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進(jìn)行一次參數(shù)整定。3.一步整定法一步整定發(fā)就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。本設(shè)計選擇兩步整定法來整定串級控制系統(tǒng)的參數(shù)。4.2 參數(shù)整定在

13、串級控制系統(tǒng)中，主、副回路中被控過程的時間常數(shù)應(yīng)有適當(dāng)?shù)钠ヅ潢P(guān)系，一般為=（310）。主回路的工作周期遠(yuǎn)大于副回路的工作周期，主、副回路間的動態(tài)關(guān)聯(lián)較小。因此，當(dāng)副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好之后，視其為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。一般串級系統(tǒng)對主參數(shù)的控制質(zhì)量要求高，而對副參數(shù)的控制要求相對較低。因此，當(dāng)副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好之后再去整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)時，雖然會影響副參數(shù)的控制品質(zhì)，但只要主參數(shù)控制品質(zhì)得到保證，副變量的控制品質(zhì)差一點也是可以接受的。4.3 兩步法的整定步驟1） 在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，系統(tǒng)處于串級運(yùn)行狀態(tài)，主、副調(diào)節(jié)器均為比例作

14、用的條件下，先將主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例度，直到得到副回路過渡過程衰減比為4：1的比例度，過渡過程的振蕩周期為。2） 在副調(diào)節(jié)器的比例度等于的條件下，逐步降低主調(diào)節(jié)器的比例度，直到同樣得到主回路過渡過程衰減比為4：1的比例度，過渡過程的振蕩周期為。3） 按已求得的、和、值，結(jié)合已選定的調(diào)節(jié)規(guī)律，按下表衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗公式，計算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律 P（%） P PI1.20.5 PID0.80.30.1表4.1主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù) 4） 按照“先副回路，后主回路”的順序，將計算出的參數(shù)值設(shè)置到調(diào)節(jié)器上，做一些擾動試

15、驗，在做擾動實驗時觀察過渡過程曲線，與此同時作適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整。5） 調(diào)整參數(shù)后，一直直到控制品質(zhì)最佳為止，同時記錄最佳數(shù)據(jù)。5 MATLAB仿真5.1 控制系統(tǒng)的MATLAB仿真由主對象傳遞函數(shù): ，和副對象傳遞函數(shù): ，在MATLAB中畫出仿真框圖。由各個傳遞函數(shù)等模塊所組成的模型如下圖所示，其中兩個溫度控制器都采用PID調(diào)節(jié)器。對應(yīng)的對象模型參數(shù)分別取值為：，,首先封裝控制器模塊，如圖所示：圖5.1 PID控制器模塊接著根據(jù)要求設(shè)計可得到串級控制系統(tǒng)仿真模型，如圖所示；圖5.2 夾套式反應(yīng)器溫度串級控制系統(tǒng)仿真模型5.2 串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定：夾套反應(yīng)器串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定過程

16、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5.3所示；因為是發(fā)散振蕩，故此圖不符合整定要求。圖5.3 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。可得到整定輸出圖，如圖5.4所示；, , , 圖5.4 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，時間長，故還要進(jìn)一步優(yōu)化PID參數(shù)設(shè)計。步驟三 繼續(xù)調(diào)整PID參

17、數(shù)：1=100%，Ti1=1min，Td1=0min；2=100%，Ti2=1min，Td2=0min：可得到整定輸出圖5.5：圖5.5 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5.6：圖5.6 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，但仍能以比較快的速度來使被控變量穩(wěn)定下來。5 結(jié)論經(jīng)過上述PID控制系統(tǒng)

18、的仿真實驗和參數(shù)設(shè)定，可知知道的是，串級控制系統(tǒng)能迅速的克服進(jìn)入副回路擾動的影響，對進(jìn)入副環(huán)的擾動具有較強(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控制質(zhì)量的影響；可兼顧兩個變量，更精確控制操作變量，控制方式靈活，必要時可切除副調(diào)節(jié)器。這些都大大的提高了串級控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)能改善被控過程的動態(tài)特性，抗干擾能力增強(qiáng)，對負(fù)荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強(qiáng)。6 總結(jié)與體會 經(jīng)過這次的課程設(shè)計，不僅在書上學(xué)到的知識得到了鞏固，而且還在設(shè)計過程中拓展了其他沒有學(xué)過的知識。這次的課程設(shè)計經(jīng)歷了將近一個暑假，從查找資料，到確定方案，最后再到用軟件仿真，我們組都團(tuán)結(jié)協(xié)作，互相幫助，并且得到老師的關(guān)懷。我們以前學(xué)習(xí)的知識都漸漸離我們遠(yuǎn)去，甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。學(xué)校安排了這次課程設(shè)計，通過自己查找資料，了解情況，讓我們清楚我們學(xué)的知識與現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)之間的聯(lián)系，使得我們對知識深刻的了解和鞏固。與此同時，在團(tuán)隊的協(xié)作中使我們在與人共事之中學(xué)會交流學(xué)會合作。因為在今后的工作中一個人獨立完成不與別人合作，是基本不可能的，所以在這次課程設(shè)