流化床反應(yīng)器溫度前饋-反饋控制方案設(shè)計(jì)修改版

1、 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 2014/2015 學(xué)年第 1 學(xué)期學(xué) 院： 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 學(xué) 生 姓 名： 李 誠 學(xué) 號(hào)： 11020343 課程設(shè)計(jì)題目： 流化床反應(yīng)器溫度前饋-反饋控制方案設(shè)計(jì) 起 迄 日 期： 2015年1月 19 日2015年 1 月30 日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 中北大學(xué) 指 導(dǎo) 教 師： 學(xué)科部副主任： 下達(dá)任務(wù)書日期: 2015年1月19日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1設(shè)計(jì)目的：（1）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用過程檢測(cè)儀表與控制技術(shù)及其他相關(guān)課程的知識(shí)，結(jié)合畢業(yè)實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí)，獨(dú)立地分析和解決實(shí)際過程控制的問題，初步具備設(shè)計(jì)分析一個(gè)過程控制系統(tǒng)的

2、能力。 （2）運(yùn)用工程的方法，通過一個(gè)簡(jiǎn)單課題的設(shè)計(jì)練習(xí)，可使學(xué)生初步體驗(yàn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法。（3）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造力；綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力；（4）培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊(cè)和各種工具書的能力；（5）培養(yǎng)編寫技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：經(jīng)過過程檢測(cè)、過程控制工程、工程測(cè)試技術(shù)、過程裝備原理、過程流體機(jī)械、過程裝備監(jiān)測(cè)與診斷等課程的學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際過程控制策略、實(shí)際環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)有了一定的認(rèn)識(shí)和了解。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的被控對(duì)

3、象（控制裝置），獨(dú)立完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，達(dá)到較好的控制效果。1. 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，給出控制流程圖；2. 現(xiàn)場(chǎng)儀表選型，編制有關(guān)儀表信息的設(shè)計(jì)文件；3. 給出控制系統(tǒng)方框圖；4. 分析被控對(duì)象特性，選擇控制算法；5. 進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；6. 寫出設(shè)計(jì)工作小結(jié)。對(duì)在完成以上設(shè)計(jì)過程所進(jìn)行的有關(guān)步驟：如設(shè)計(jì)思想、指標(biāo)論證、方案確定、參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對(duì)所完成的設(shè)計(jì)作出評(píng)價(jià)，對(duì)自己整個(gè)設(shè)計(jì)工作中經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，總結(jié)收獲。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：1確定系統(tǒng)整體

4、控制方案、儀表選型、系統(tǒng)控制流程圖、選擇控制算法。2撰寫課程設(shè)計(jì)說明書一份（A4紙）。4主要參考文獻(xiàn)：1陳炳和，許寧.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備（第二版）M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：134，19-21.2金杰.制藥過程自動(dòng)化技術(shù)M.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2009.3： 242. 3俞安然.反應(yīng)器的自動(dòng)調(diào)節(jié)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985.10：227-242.4戴連奎，于玲，田學(xué)民等.過程控制工程（第三版）M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.8：20，51-64，65-70.5俞金壽，孫自強(qiáng).過程自動(dòng)化儀表(第二版)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.9：33-39，63.6百度百科.電

5、動(dòng)調(diào)節(jié)閥.UmiyW9lrVoBlHut68L4v188uEAfurG6wQFRO4qk_qg-8k3mHIP6ATT_sYzRh_，2014.12.7張佳薇.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)M.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2011.08：113-114.8袁德成.過程控制過程M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.02:198-199.9王正林，郭陽寬.MATLAB/Simulink與過程控制系統(tǒng)仿真(修訂版)M.北京：電子工業(yè)出版社，2012.09:223-233.10劉文定.過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009:79-80.5設(shè)計(jì)成果形式及要求：提供課程設(shè)計(jì)說明書一份，要求內(nèi)容與

6、設(shè)計(jì)過程相符，且格式要符合規(guī)定要求；其中應(yīng)包括系統(tǒng)控制流程圖、方框圖、Simulink仿真模型；并且方框圖中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)應(yīng)該和被控對(duì)象、控制裝置的分析一致， Simulink仿真模型的傳遞函數(shù)應(yīng)該和方框圖中分析的一致；6工作計(jì)劃及進(jìn)度： 2015年1月19日-1月21日 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，畫出控制流程圖，完成儀表選型，接線圖；2015年1月22日-1月23日 控制系統(tǒng)方框圖，分析被控對(duì)象特性，選擇控制算法； 1月 24日-1月28日 進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能； 1月 28日-1月29日 編寫課程設(shè)計(jì)說明書 1月 30日 答辯負(fù)責(zé)人審查意見： 簽字： 年

7、 月 日中北大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書學(xué)生姓名： 李 誠 學(xué) 號(hào)： 11020343 學(xué) 院： 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 題 目： 流化床反應(yīng)器溫度前饋-反饋控制方案設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 劉廣璞 職稱: 副教授 崔寶珍 職稱: 副教授 2015年 1 月 30 日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄第一章 流化床反應(yīng)器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)11.1流化現(xiàn)象11.2流化床的工作原理11.3流化床的結(jié)構(gòu)11.4常見的流化床21.4.1丙烯腈反應(yīng)流化床21.4.2提升管催化裂化反應(yīng)器31.4.3醋酸乙烯反應(yīng)器41.5流化床反應(yīng)器的特性4第二章 流化床的控制方案的選定62.1變量的分析與選

8、取62.1.1被控變量62.1.2操作變量62.1.3擾動(dòng)變量62.2控制方案的選擇62.2.1方案一物料流量作為前饋信號(hào)72.2.2方案二冷卻劑溫度作為前饋信號(hào)72.3被控對(duì)象分析8第三章 流化床反應(yīng)器溫度的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)93.1前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖93.2儀表選型及參數(shù)確定103.2.1控制器103.2.2調(diào)節(jié)閥113.2.2溫度測(cè)量123.2.4流量計(jì)153.2.5前饋控制器163.3小結(jié)16第四章 MATLAB系統(tǒng)仿真184.1參數(shù)整定184.1.1前饋控制系統(tǒng)整定184.1.2反饋控制系統(tǒng)整定184.2冷卻劑流量干擾分析214.2.1階躍干擾214.2.2正弦干擾22總結(jié)24參考文

9、獻(xiàn)25第1章 流化床反應(yīng)器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1流化現(xiàn)象對(duì)于固定床反應(yīng)器，因?yàn)榇呋瘎┦枪潭ǖ?。流體實(shí)際上只能在催化劑顆粒間的孔隙內(nèi)穿流，不但催化劑的表面反應(yīng)受到限制，降低了催化劑利用率。而且，床層的溫度分布不均勻，不能保證各部分都在最適宜的溫度條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。如果減少顆粒大小，增加氣流溫度，且讓氣流由下自上通過，當(dāng)氣流速度達(dá)到某一值以后，催化劑在床內(nèi)處于氣流的湍動(dòng)狀態(tài)，大大增加了催化劑和氣流的接觸面積，既增加了催化劑的利用率，又改善了溫度分布，這種固體在氣流作用下產(chǎn)生像流體一樣流動(dòng)狀態(tài)稱流化態(tài)1。1.2流化床的工作原理 流化床反應(yīng)器是氣相反應(yīng)常用的一種反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器的工作原理如圖1

10、-1所示，根據(jù)前面1-1節(jié)對(duì)流化現(xiàn)象的介紹，當(dāng)反應(yīng)氣體通過反應(yīng)器時(shí)，催化劑顆粒受到氣流的作用懸浮起來，在反應(yīng)器內(nèi)作劇烈的翻滾、流動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)與流動(dòng)的或沸騰的液體很相像，所以稱流化床或沸騰床。催化劑沸騰后，由于攪動(dòng)劇烈，因而傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)強(qiáng)度都較高，并且有利于連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)2。它既具有化學(xué)反應(yīng)器的共同點(diǎn)，又具有自身的特點(diǎn)。圖1-1 流化床反應(yīng)原理1.3流化床的結(jié)構(gòu)流化床的結(jié)構(gòu)形式較多，但無論什么形式，一般都由流化床反應(yīng)器主體、氣體分布裝置、內(nèi)部構(gòu)件、換熱裝置、氣固分離裝置等組成1。圖1-2是有代表性的帶擋板的單器流化床反應(yīng)器。圖1-2 流化床反應(yīng)器1.4常見的流化床下面介紹幾種工業(yè)生產(chǎn)中常

11、見的流化床3。在后面設(shè)計(jì)與分析中都以丙烯腈反應(yīng)流化床反應(yīng)器為例。1.4.1丙烯腈反應(yīng)流化床丙烯腈反應(yīng)流化床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示，液態(tài)的丙烯與液氨經(jīng)過氣化后，在管路中匯合后經(jīng)反應(yīng)器底部的丙烯、氨分布器進(jìn)入反應(yīng)器，壓縮空氣經(jīng)反應(yīng)器底部的空氣分布器進(jìn)入反應(yīng)器，三種物料在處于流化狀態(tài)下的催化劑的作用下，生成丙烯腈。圖1-3 丙烯腈反應(yīng)流化床反應(yīng)溫度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一個(gè)重要工藝參數(shù)，流化床工作的好壞，可以明顯地從反應(yīng)溫度上表現(xiàn)出來，當(dāng)反應(yīng)狀況良好時(shí)，反應(yīng)溫度易于控制。如圖1-4所示，可知反應(yīng)溫度對(duì)丙烯腈及副產(chǎn)品乙腈、氫氰酸的單程收率有一定的影響。反應(yīng)溫度高，丙烯腈單程收率高、副產(chǎn)少。但當(dāng)

12、反應(yīng)溫度過高時(shí)，合成物易深度氧化，生成較多的CO2，溫度難以控制；另外，若持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的高溫，還會(huì)縮短催化劑的壽命。生產(chǎn)中，實(shí)際溫度控制在450左右。圖1-4 反應(yīng)溫度對(duì)吸收率的影響1.4.2提升管催化裂化反應(yīng)器催化裂化反應(yīng)器是雙器的流化床反應(yīng)器，它的作用是在500左右的高溫下把原料油裂解成烴類等輕質(zhì)油品。裂解是吸熱反應(yīng)。它所需的熱量，由催化劑再生燃燒所產(chǎn)生的熱量提供。反應(yīng)器有并列式，同軸式及提升管式，如圖1-5所示是提升管催化裂化反應(yīng)器。圖1-5 提升管催化裂化反應(yīng)器提升管反應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于重油催化裂化，但仍還有不少值得研究和改進(jìn)之處，特別是為了提高輕質(zhì)油收率并直接生產(chǎn)清潔油品，近年來出現(xiàn)了不

13、同形式反應(yīng)器系統(tǒng)的重油催化裂化工藝技術(shù)，如兩段提升管催化裂化技術(shù)（TSRFCC）、多產(chǎn)異構(gòu)烷烴催化裂化技術(shù)（MIP）以及催化裂化汽油輔助反應(yīng)器改質(zhì)技術(shù)等。1.4.3醋酸乙烯反應(yīng)器醋酸乙烯的合成，是以乙炔和醋酸為原料，采用活性炭為載體的醋酸鋅觸媒，在流化床反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的。工藝流程圖如圖1-6所示。醋酸在蒸發(fā)器中汽化后，與乙炔一起進(jìn)入反應(yīng)器底部，反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器頂部引出，在旋風(fēng)分離器中分離出來帶的觸媒后，進(jìn)入分離塔。分離塔分三段：塔底出來的循環(huán)液，一部分循環(huán)，一部分排除；塔中流出的是反應(yīng)液，主要成分是醋酸乙烯，未反應(yīng)的醋酸以及副產(chǎn)物乙醛和乙烯醛，大部分反應(yīng)液送往精餾工段精制；塔頂出來的乙炔大部分循

14、環(huán)使用，少部分送往放空系統(tǒng)。圖1-6 醋酸乙烯合成裝置工藝流程示意圖1.5流化床反應(yīng)器的特性1.流化床內(nèi)溫度分布比較均勻在流化床內(nèi)固體顆粒成湍動(dòng)狀態(tài)。因此，帶來兩個(gè)重要結(jié)果：傳熱系數(shù)大，床內(nèi)溫度均勻。流化床內(nèi)由于顆粒的湍動(dòng)，顆粒之間碰撞機(jī)會(huì)多，所以固體顆粒之間傳熱很快，而固體主要又是懸浮狀態(tài)，所以傳熱面積很大，大大增加了氣體和固體之間的傳熱速率，另外，還由于固體顆粒不斷與換熱器壁相碰撞，使得床層與換熱器的傳熱系數(shù)也大大增加。高的傳熱系數(shù)，不僅導(dǎo)致熱量容易移去，而且使得床層內(nèi)溫度均勻，不論是徑向還是軸向溫度基本上一致3。2.反應(yīng)物料流速的影響反應(yīng)物料流速變化給反應(yīng)器帶來兩個(gè)方面的問題，一是對(duì)反應(yīng)

15、放出的熱量的影響，另一是對(duì)傳熱系數(shù)的影響3。3.關(guān)于傳熱系數(shù)K的問題反應(yīng)物料從底部經(jīng)分布板進(jìn)入反應(yīng)器的濃相區(qū)，有序固體顆粒催化劑激烈湍動(dòng)，反應(yīng)物料與催化劑表面迅速接觸，反應(yīng)發(fā)部分在這很快完成，并放出大量的熱。隨著氣流上升，進(jìn)入稀相區(qū)，反應(yīng)緩和，放出的熱量減少。而流化床傳熱系數(shù)主要取決于固體顆粒多少和湍動(dòng)程度。在濃相區(qū)，固體顆粒多，所以傳熱系數(shù)也大，熱量容易移走。在稀相區(qū)，固體顆粒大為減少，接近于氣管傳熱情況，所以傳熱系數(shù)小，傳熱效果也差。因此，雖然整個(gè)床層溫度比較均勻，傳熱推動(dòng)力差不多，由于傳熱系數(shù)相差很大，它們熱量主要在濃相區(qū)移去。因而濃相區(qū)的換熱器擔(dān)負(fù)主要冷卻作用。它的冷卻情況變化對(duì)流化床

16、反應(yīng)溫度的影響遠(yuǎn)比稀相區(qū)換熱器影響大3。第二章 流化床的控制方案的選定2.1變量的分析與選取2.1.1被控變量在上面介紹中，反應(yīng)溫度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一個(gè)重要工藝參數(shù)，它的穩(wěn)定與否直接影響生產(chǎn)質(zhì)量。所以可以選擇流化床反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)溫度為被控變量，其穩(wěn)定值要求為450。2.1.2操作變量調(diào)節(jié)方式為調(diào)節(jié)管換熱器進(jìn)水量或穩(wěn)定反應(yīng)物料流量，如圖2-1所示。對(duì)于流化床下部換熱管來說，冷卻劑流量、溫度等變化，對(duì)反應(yīng)影響極大3。故操作變量選擇換熱器冷卻劑進(jìn)水量，通過調(diào)節(jié)閥門開度調(diào)節(jié)其大小。圖2-1 流化床溫度調(diào)節(jié)的兩種方式2.1.3擾動(dòng)變量對(duì)于流化床反應(yīng)器，其擾動(dòng)變量包括：物料流量、溫度，冷卻劑流

17、量、溫度，進(jìn)口物料組成等。其中物料流量、溫度以及冷卻劑流量、溫度較容易測(cè)量。2.2控制方案的選擇對(duì)反應(yīng)器冷劑或熱劑流量進(jìn)行定值控制，就可以使反應(yīng)過程的熱量達(dá)到平衡，也可以將反應(yīng)物的進(jìn)料量作為前饋信號(hào)，構(gòu)成前饋-反饋控制8。下面介紹兩種控制方案。2.2.1方案一物料流量作為前饋信號(hào)以物料流量為前饋信號(hào)的前饋-反饋控制系統(tǒng)來提高控制質(zhì)量，控制方案圖如圖2-2所示。對(duì)于前饋?zhàn)饔?，通過測(cè)量物料的流量，接著通過前饋控制器產(chǎn)生合適的作用于冷卻劑閥來改變其開度，使溫度保持在設(shè)定值上。對(duì)于反饋?zhàn)饔?，測(cè)其內(nèi)部溫度，隨后信號(hào)進(jìn)入控制器，控制器將測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，并按照一定的運(yùn)算規(guī)律生成輸出信號(hào)

18、，從而控制冷卻閥開度，達(dá)到調(diào)節(jié)效果。圖2-2 以物料流量作為前饋信號(hào)的前饋-反饋控制方案2.2.2方案二冷卻劑溫度作為前饋信號(hào)由于冷卻劑流量、溫度變化對(duì)反應(yīng)影響極大，這里可以考慮選擇冷卻劑進(jìn)料溫度作為前饋干擾信號(hào)構(gòu)建前饋-反饋控制系統(tǒng)。其控制方案圖如圖2-3所示。圖2-3 以冷卻劑溫度作為前饋信號(hào)的前饋-反饋控制方案上述方案一適合物料進(jìn)料流量變化比較大的場(chǎng)合，方案二適合物料進(jìn)料流量和溫度穩(wěn)定且冷卻劑溫度變化較大的場(chǎng)合。在后面的設(shè)計(jì)中，將以方案一為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.3被控對(duì)象分析本設(shè)計(jì)不妨將流化床反應(yīng)器簡(jiǎn)化為反應(yīng)器模型，反應(yīng)器溫度與冷卻水的開環(huán)傳遞函數(shù)，可等效為二階系統(tǒng)（分子多項(xiàng)式為一階，分母多項(xiàng)

19、式為三階）包含兩個(gè)溫度測(cè)量滯后環(huán)節(jié)8。則被控對(duì)象傳遞函數(shù)，即操作變量冷取水流量F(s)對(duì)被控變量流化床反應(yīng)器溫度T(s)的傳遞函數(shù)為：對(duì)于上式，假設(shè)分母多項(xiàng)式三階可以變形為一個(gè)二階和一階的乘積，一階多項(xiàng)式可以與分母的一階多項(xiàng)式進(jìn)行約分，假設(shè)其形式為不妨假設(shè)其系數(shù)9a=6，b=5，c=10，T1=1min得： 對(duì)于物料流量的干擾D(t)對(duì)流化床反應(yīng)器溫度T(t)的傳遞函數(shù)也等效為二階系統(tǒng)加滯后環(huán)節(jié)組成，假設(shè)其傳遞函數(shù)9：注：上述溫度測(cè)量滯后時(shí)間常數(shù)在后面溫度測(cè)量?jī)x表選型中已經(jīng)確定，即T1=1min。第三章 流化床反應(yīng)器溫度的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖以物料流量作為前饋信號(hào)的前饋-

20、反饋控制方案框圖如圖3-1所示。圖3-1 前饋-反饋控制框圖各符號(hào)對(duì)應(yīng)的含義及備注見表3-1。表3-1 系統(tǒng)框圖各符號(hào)含義及備注符號(hào)含義備注溫度設(shè)定值其值為450控制器的傳遞函數(shù)選用“正作用”控制器控制閥的傳遞函數(shù)控制閥選用電開式控制通道的傳遞函數(shù)冷卻劑流量對(duì)反應(yīng)器溫度測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)干擾這里為物料進(jìn)料流量前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)干擾對(duì)被控變量T(t)的傳遞函數(shù)物料流量干擾對(duì)反應(yīng)器溫度T(s)被控變量F(s)冷卻水流量操作變量3.2儀表選型及參數(shù)確定3.2.1控制器1. 控制器控制規(guī)律的選擇常見的反饋控制規(guī)律有三種：比例控制(P)、比例積分控制(PI)、比例積分微分控制(PID)4?，F(xiàn)將三種

21、規(guī)律的特點(diǎn)、用途總結(jié)如表3-2所示。表3-2 反饋控制的三種規(guī)律的特點(diǎn)、用途模式特點(diǎn)用途比例控制(P)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，但會(huì)產(chǎn)生余差。多用于就地控制以及允許誤差存在的場(chǎng)合。比例積分控制(PI)會(huì)消除余差，但降低了響應(yīng)速度。一般液位或壓力控制系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)的要求不嚴(yán)的場(chǎng)合。例如流量或快速壓力系統(tǒng)。比例積分微分控制(PID)可用來補(bǔ)償對(duì)象滯后，提高響應(yīng)速度。適用于多容及緩慢變化過程，如溫度和成分控制。對(duì)于丙烯腈流化床反應(yīng)器溫度的控制，屬于緩慢變化過程，且要求其溫度控制在450左右，盡量減少其余差，才能提高其產(chǎn)量。所以控制器選擇比例積分微分(PID)控制。2.控制器型號(hào)的選擇控制器類型有很多種，有文獻(xiàn)5

22、介紹了模擬式、數(shù)字式、可編程等控制器，考慮到模擬式控制器在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，這里選用DDZ-型電動(dòng)單元控制器。它是以來自變送器的15V直流測(cè)量信號(hào)作為輸入信號(hào)，與15V直流設(shè)定信號(hào)相比較得到偏差信號(hào)，然后對(duì)此偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出15V或420mA直流控制信號(hào)，對(duì)實(shí)現(xiàn)工藝變量的控制。3.PID控制器參數(shù)分析一個(gè)理想的PID控制器4為：其中參數(shù)Kc，Ti，Td需要通過參數(shù)整定獲得，整定方法有經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例度法、衰減振蕩法、響應(yīng)曲線法4。在后面的分析中：P=Kc=PB，I=，D=KcTd工業(yè)上大多數(shù)系統(tǒng)只要用經(jīng)驗(yàn)整定法既能滿足要求4。以經(jīng)驗(yàn)法為例，對(duì)于溫度系統(tǒng)，各需整定參數(shù)范圍如下：PB=

23、2060%，310min，0.53min。初始值不妨取PB=20%，。隨后依次增大各個(gè)參數(shù)找最佳值。則控制器傳遞函數(shù)不妨先定為：3.2.2調(diào)節(jié)閥1.調(diào)節(jié)閥選型本設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)閥的作用是用于冷卻劑流量的調(diào)節(jié)。選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，如圖3-2所示是ZAZP系列電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，接受控制器來的直流電流信號(hào)，改變被調(diào)介質(zhì)流量，使被控工藝參數(shù)保持在給定值。圖3-2 調(diào)節(jié)閥本系列產(chǎn)品公稱通徑由20至200mm，公稱壓力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用溫度范圍由-40450，接受信號(hào)為010mA.DC或420mA.DC。流量特性為線性或等百分比。配用不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為普通型和電子型兩種。主要技術(shù)參數(shù)見表3

24、-3.表3-3 ZAZP型調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)公稱壓力PN(MPa)1.0 1.6 4.0 6.4固有流量特性直線、等百分比固有可調(diào)比50允許泄漏量單座硬密封：IV級(jí) 軟密封：VI級(jí)工作溫度t()-20200 -40250 -40450 -60450信號(hào)范圍（mA.DC）010 420作用方式電關(guān)式 電開式使用環(huán)境溫度（）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：-2070 伺服放大器：050使用環(huán)境濕度電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：95% 伺服放大器：85%電源電壓220V 50Hz 380V 50Hz 24AC/DC2.調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)表3-3表明調(diào)節(jié)閥流量特性為直線和等百分比，故式中，為控制閥的流通面積，通常在一定范圍內(nèi)變化。這里假設(shè)4（

25、即控制器輸出變化1%，控制閥的相對(duì)流通面積變化1.0%）。3.2.2溫度測(cè)量1.溫度測(cè)量方法選取表3-4列出了幾種主要的測(cè)溫方法5。表3-4 幾種主要測(cè)溫方法對(duì)于流化床反應(yīng)器，要求溫度測(cè)量精確，可以選擇接觸式測(cè)溫法，選用熱電偶測(cè)溫，如圖3-3所示。熱電偶的分度規(guī)格及特性和時(shí)間常數(shù)6分別見表3-5，表3-6。圖3-3 熱電偶表3-5 熱電偶的分度規(guī)格及特性表表3-6 熱電偶時(shí)間常數(shù)根據(jù)表3-5，圖中熱電偶的熱電特性曲線，E曲線最陡且其線性度好，故選擇鎳鉻-銅鎳型熱電偶。根據(jù)表3-6，鎳鉻-銅鎳型熱電偶熱惰性級(jí)別為，熱電偶的時(shí)間常數(shù)取60s(1min)。2. 溫度變送器溫度變送器是電動(dòng)單元組合儀表

26、的一個(gè)主要單元。其作用是將熱電偶的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，輸出到控制器實(shí)現(xiàn)與給定值的比較5。以某公司的智能溫度變送器為例，如圖3-4所示。圖3-4 智能溫度變送器 其部分功能參數(shù)見表3-7。表3-7 溫度變送器部分功能參數(shù)可接入傳感器熱電偶 B/C/D/E/J/K/L/N/R/S/T/U響應(yīng)時(shí)間250ms供電電源24VDC（允許工作電壓范圍：1436VDC)輸出信號(hào)420mA，HART通訊測(cè)量溫度-200800使用環(huán)境溫度-4085（液晶顯示：-2070）3.溫度測(cè)量環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)溫度測(cè)量環(huán)節(jié)用一階環(huán)節(jié)來近似4，即有：由前面表3-2可知熱電偶儀表量程為400500，時(shí)間常數(shù)，則則：3.2.4

27、流量計(jì)本設(shè)計(jì)的流量計(jì)測(cè)量進(jìn)口物料的流量，其流量的變化作為前饋測(cè)量的干擾，要求流量計(jì)精度高。而渦街流量計(jì)的輸出信號(hào)是與流量成正比的脈沖頻率信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，可以遠(yuǎn)距離傳輸，而且輸出信號(hào)與流體的溫度、壓力、密度、成分、黏度等參數(shù)無關(guān)。該流量計(jì)量程比寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無運(yùn)動(dòng)件，具有測(cè)量精度高、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)5。所以選用渦街流量計(jì)測(cè)量物料進(jìn)口流量。以SKLUCB型插入式渦街流量計(jì)，如圖3-5所示。主要技術(shù)參數(shù)如表3-8所示。圖3-5 插入式渦街流量計(jì)表3-8 流量計(jì)技術(shù)參數(shù)公稱通經(jīng)（mm）2501500儀表材質(zhì)1Cr18Ni 9Ti公稱壓力（Mpa）PN1.6Mpa；PN2.5Mpa被測(cè)介

28、質(zhì)溫度（）40+250環(huán)境條件溫度10+55，相對(duì)濕度590，大氣壓力86106Kpa精度等級(jí)示值的±2.5%量程比1:10；1:15阻力損失系數(shù)Cd<2.6輸出信號(hào)傳感器：脈沖頻率信號(hào)0.1 3000Hz 低電平1V 高電平6V變送器：兩線制4 20mADC電流信號(hào)3.2.5前饋控制器應(yīng)用不變性條件4，可推導(dǎo)前饋控制器傳遞函數(shù)：此前饋控制器數(shù)學(xué)模型可表示為：則Kf =2.5，T2=5min，T3=8min。3.3小結(jié)通過以上的分析和計(jì)算結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)匯總?cè)鐖D3-6所示。圖3-6 前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖注：Gc(s)的參數(shù)需通過參數(shù)整定獲取較精確值，后面章節(jié)MAT

29、LAB系統(tǒng)仿真中會(huì)詳細(xì)分析，在前面PID參數(shù)分析中給出了初始值得公式如下：=0.2+0.1s第四章 MATLAB系統(tǒng)仿真4.1參數(shù)整定控制系統(tǒng)所整定包括前饋系統(tǒng)整定和反饋控制系統(tǒng)整定兩部分。本設(shè)計(jì)采用前饋、反饋分別整定法8。4.1.1前饋控制系統(tǒng)整定由于采用前饋反饋分別整定的方法，所以先進(jìn)行前饋參數(shù)整定，前饋整定參數(shù)同前3.3.4節(jié)，其中Kf =2.5，T2=5min，T3=8min。4.1.2反饋控制系統(tǒng)整定由上面分析，對(duì)于其初值PB=20%，在MATLAB 中對(duì)應(yīng)的P，I，D處初值為0.2，0.0667，0.1。這里用現(xiàn)場(chǎng)試湊法10，建立反饋系統(tǒng)Simulink框圖如圖4-1所示。圖4-1

30、 反饋系統(tǒng)Simulk框圖1.改變P，令I(lǐng)=0，D=0.PID參數(shù)設(shè)置為P=0.2，I=0，D=0，響應(yīng)如圖4-2(左)所示。在初值450階躍下結(jié)果是穩(wěn)定的，但存在明顯的穩(wěn)態(tài)誤差，增大P至0.5時(shí)，如圖4-3(右)所示。其衰減比約為4:1，對(duì)于定值控制系統(tǒng)當(dāng)其過渡過程響應(yīng)曲線衰減比為4:1時(shí)效果最好10。 圖4-2 P=0.2，I=0，D=0(左)和P=0.5，I=0，D=0(右)響應(yīng)曲線2. 改變I，令P=0.5，D=0.積分作用可以消除余差，PID參數(shù)設(shè)置為P=0.5，I=0.0667，D=0，如圖4-3(a)所示。減小I值，增大積分時(shí)間常數(shù)，減弱積分作用，下面取幾組數(shù)據(jù)就其超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)

31、間作對(duì)比。當(dāng)P=0.5，I=0.035，D=0，超調(diào)量為61.11%，響應(yīng)時(shí)間約為190s；當(dāng)P=0.5，I=0.03，D=0，超調(diào)量為53.33%，響應(yīng)時(shí)間約為180s；當(dāng)P=0.5，I=0.025，D=0，超調(diào)量為44.44%，響應(yīng)時(shí)間約為140s；當(dāng)P=0.5，I=0.02，D=0，超調(diào)量為38.89%，響應(yīng)時(shí)間約為130s；當(dāng)P=0.5，I=0.02，D=0，超調(diào)量為33.33%，響應(yīng)時(shí)間約為200s。分別對(duì)應(yīng)圖4-3(b)、(c)、(d)、(e)、(f)?？梢钥闯?，當(dāng)I越來越小時(shí)，震蕩部分越來越傾向于穩(wěn)定值以下，其響應(yīng)時(shí)間越來越大。這里選I=0.025作為最佳積分系數(shù)。 a b c

32、d e f圖4-3 改變I值系統(tǒng)響應(yīng)曲線3.改變D，令P=0.5，I=0.025.由前面分析，對(duì)于流化床反應(yīng)器的控制通道存在滯后，加入微分作用可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度?？烧{(diào)節(jié)D的值來調(diào)節(jié)微分作用的強(qiáng)弱，當(dāng)P=0.5，I=0.025，D=0.1，超調(diào)量為43.33%，響應(yīng)時(shí)間約為130s；當(dāng)P=0.5，I=0.025，D=1，超調(diào)量為17.78%，響應(yīng)時(shí)間約為80s；當(dāng)P=0.5，I=0.025，D=1.5，超調(diào)量為8.89%，響應(yīng)時(shí)間約為80s；當(dāng)P=0.5，I=0.025，D=2，超調(diào)量為5.56%，響應(yīng)時(shí)間約為75s。分別對(duì)應(yīng)圖4-4(a)、(b)、(c)、(d)。這里調(diào)大P，超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間

33、都減小，震蕩部分向下偏移，如圖4-4(d)所示，其波谷值大，不是滿意的結(jié)果。這里取D=1.5為最佳微分值，對(duì)應(yīng)響應(yīng)曲線如圖4-4(c)。 a b c d圖4-4 改變D的值系統(tǒng)響應(yīng)曲線4.微調(diào)從圖4-4(c)可以看出響應(yīng)時(shí)間不太理想，曲線開始震蕩部分比預(yù)定值要小，然后緩慢上升到預(yù)定值導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間變差，這里對(duì)I和D作調(diào)整。當(dāng)P=0.5，I=0.032，D=2，超調(diào)量為6.22%，響應(yīng)時(shí)間約為30s。得到比較滿意的結(jié)果。圖4-5 P=0.5，I=0.032，D=2時(shí)響應(yīng)曲線4.2冷卻劑流量干擾分析4.2.1階躍干擾流化床反應(yīng)器溫度前饋-反饋加階躍干擾時(shí)Simulink框圖構(gòu)建如圖4-6所示。圖4-

34、6 加階躍干擾時(shí)Simulink系統(tǒng)框圖假設(shè)在80s時(shí)物料進(jìn)料流量發(fā)生突變比原來大5m3/s，相當(dāng)于給系統(tǒng)一個(gè)階躍干擾，其值為5，當(dāng)斷開前饋補(bǔ)償時(shí)，如圖4-7所示的框圖，其響應(yīng)曲線如圖4-8(左)所示。加上前饋?zhàn)饔?，?duì)應(yīng)響應(yīng)曲線如圖4-8(右)所示。干擾有無時(shí)超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間情況見表3-1。圖4-7 只加干擾，斷開前饋?zhàn)饔孟到y(tǒng)Simulink框圖圖4-8 不加前饋補(bǔ)償器(左)和加前饋補(bǔ)償器(右)響應(yīng)曲線表4-1 干擾有無超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間情況階躍干擾有無超調(diào)量響應(yīng)時(shí)間有4.44%70s無00從圖4-8可以看出，加入階躍干擾后，若沒有前饋控制器調(diào)節(jié)，系統(tǒng)在反饋?zhàn)饔孟驴梢在呌诜€(wěn)定，當(dāng)加了前饋?zhàn)饔?，階

35、躍干擾對(duì)系統(tǒng)影響基本為零。從表4-1可以看出，有干擾時(shí)系統(tǒng)在反饋?zhàn)饔孟鲁{(diào)量為4.44%，響應(yīng)時(shí)間為70s，對(duì)于流化床反應(yīng)器，對(duì)溫度控制要求高，要求迅速，反饋可能滿足不了要求，加入前饋?zhàn)饔脤?duì)于特定的干擾有明顯的改善。對(duì)于連續(xù)變化的干擾其前饋和反饋?zhàn)饔眯Ч绾?，就是接下來一?jié)要做的。4.2.2正弦干擾給其一個(gè)正弦干擾，幅值為10m3/s，框圖如圖4-9所示，正弦干擾波形如圖4-10所示。不加前饋?zhàn)饔闷漤憫?yīng)曲線如圖4-11(右)所示。當(dāng)加上前饋補(bǔ)償時(shí)，對(duì)應(yīng)響應(yīng)曲線形如圖4-11(右)所示。圖4-9 正弦干擾下的Simulink框圖圖4-10 正弦干擾波形圖4-11 在正弦干擾下，不加前饋補(bǔ)償器(左)和加前饋補(bǔ)償器(右)響應(yīng)曲線給系統(tǒng)加一個(gè)正弦干擾時(shí)，如圖4-11，這時(shí)反饋?zhàn)饔貌黄鹱饔茫到y(tǒng)不穩(wěn)定，但是加了前饋?zhàn)饔煤?，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，可見前饋?zhàn)饔脤?duì)冷卻劑流量變化干擾具有很好的補(bǔ)償作用?？偨Y(jié)本次課設(shè)是流化床反應(yīng)器溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，剛開始通過對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行分析，從而得出前饋-反饋控制方案，隨后得出其控制系統(tǒng)框圖。但其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)復(fù)雜，也沒有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析，給對(duì)象動(dòng)態(tài)性能分析帶來了很大的困難，這里參考了文獻(xiàn)8提供的反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型，明確了內(nèi)部各個(gè)