2#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)20122013學(xué)年第一學(xué)期專(zhuān)業(yè)： * 學(xué)號(hào)： 姓名： 課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： *課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： * 完成期限：自 20* 年 * 月 * 日至 20* 年 * 月 * 日共 * 周一、設(shè)計(jì)依據(jù) 高性能鋁合金是制造飛機(jī)、潛艇、火箭、導(dǎo)彈、魚(yú)雷、坦克的重要部件的原材料，被稱(chēng)為國(guó)民的戰(zhàn)略物資。其中氧化鋁的生產(chǎn)是鋁加工過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。生產(chǎn)氧化鋁方法中都要用到的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是高壓溶出，這一環(huán)節(jié)的控制是否最佳直接影響到整個(gè)鋁工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程。本次課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，是對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制原理、過(guò)程控制等前期學(xué)習(xí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)典型

2、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的典型工藝參數(shù)的測(cè)量方法、信號(hào)處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、測(cè)控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用能力，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生能夠通過(guò)自己動(dòng)手對(duì)一個(gè)工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)與選型，從而從今學(xué)生對(duì)儀表及其理論與設(shè)計(jì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。 二、要求及主要內(nèi)容 通過(guò)了解氧化鋁高壓溶出工藝生產(chǎn)過(guò)程，了解過(guò)程控制的實(shí)踐應(yīng)用中的地位，進(jìn)一步了解過(guò)程控制系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過(guò)查找課題相關(guān)資料，了解現(xiàn)今氧

3、化鋁生產(chǎn)過(guò)程以及高壓溶出生產(chǎn)工序和相關(guān)設(shè)備要求，并針對(duì)氧化鋁高壓溶出工序中的2#自蒸發(fā)器設(shè)計(jì)相關(guān)的壓力控制系統(tǒng)，使其壓力控制在工藝要求的出口壓力1.61.8Mpa，精度控制在±0.1Mpa。具體任務(wù)包括總體方案設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，控制算法和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)。 三、途徑和方法 1、了解氧化鋁高壓溶出工藝生產(chǎn)過(guò)程 2、了解高壓溶出對(duì)相關(guān)設(shè)備的要求 3、對(duì)2#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證。 4、根據(jù)設(shè)計(jì)方案給出硬件設(shè)計(jì)電路圖 5、根據(jù)設(shè)計(jì)的軟件流程圖進(jìn)行編程 6、給出課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 四、時(shí)間安排 1課題講解：2小時(shí)。 2閱讀資料：10小時(shí)。

4、3撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：12小時(shí)。 4修訂設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：6小時(shí)。 五、主要參考資料 1聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁編寫(xiě)組，聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁，北京：冶金工業(yè)出版社。19752黃正慧。過(guò)程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)。北京：科學(xué)出版社。1995 3向婉成?？刂苾x表與裝置。北京：機(jī)械工業(yè)出版社。2007. 4王再英。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表。北京：機(jī)械工業(yè)出版社。2006. 5楊為民。過(guò)程控制系統(tǒng)及工程。西安：西安電子科技大學(xué)出版社。2008 6俞金壽.過(guò)程控制系統(tǒng)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社。2008 7胡壽松。自動(dòng)控制原理。北京：科學(xué)出版社。2006 8 于海生。微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。北京：清華大學(xué)出版社。1999 指導(dǎo)教師（簽字）： 教研

5、室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)2#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要對(duì)典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的典型工藝參數(shù)的測(cè)量方法、信號(hào)處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、測(cè)控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法。對(duì)典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的典型工藝參數(shù)的測(cè)量方法、信號(hào)處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、測(cè)控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法。關(guān)鍵字:2#自蒸發(fā)器，高壓溶出器，蒸發(fā)緩沖器目 錄1 緒論1.1課題意義氧化鋁主要用于電解生產(chǎn)鋁，它占氧化鋁總產(chǎn)量的90%

6、以上。此外還供硅酸鹽、耐火材料、機(jī)械、無(wú)線(xiàn)電、冶金、化工、制藥等工業(yè)部門(mén)使用。鋁和鋁合金是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍工和民用制品的基礎(chǔ)原材料。鋁工業(yè)是國(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)之一。高性能鋁合金是制造飛機(jī)、潛艇、火箭、導(dǎo)彈、魚(yú)雷、坦克的重要部件的原材料，被稱(chēng)為國(guó)家的戰(zhàn)略物資。鋁工業(yè)從上游到下游可分成三段：氧化鋁是電解鋁企業(yè)的原料，電解鋁(鋁錠)是鋁加工企業(yè)的原料。目前每生產(chǎn)1噸鋁需要2噸氧化鋁。綜合控制理論，過(guò)程控制，微機(jī)控制，可編程控制器，軟件程序設(shè)計(jì)等課程的相關(guān)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的2#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)，全面學(xué)習(xí)和掌握典型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，控制方法和調(diào)試技巧。1.2 設(shè)計(jì)目的通過(guò)對(duì)典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)

7、的典型工藝參數(shù)的測(cè)量方法、信號(hào)處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、測(cè)控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，親身設(shè)計(jì)，體驗(yàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程, 將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用能力，其目的在于培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用理論知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使我們能夠通過(guò)自己動(dòng)手對(duì)一個(gè)工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)與選型，從而促進(jìn)對(duì)儀表及其理論與設(shè)計(jì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。1.3具體任務(wù)通過(guò)了解氧化鋁高壓溶出工藝生產(chǎn)過(guò)程，了解過(guò)程控制的實(shí)踐應(yīng)用中的地位，進(jìn)一步了解過(guò)程控制系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過(guò)查找課題相關(guān)資料，了解現(xiàn)今氧

8、化鋁生產(chǎn)過(guò)程以及高壓溶出生產(chǎn)工序和相關(guān)設(shè)備要求，并針對(duì)氧化鋁高壓溶出工序中的2#自蒸發(fā)器設(shè)計(jì)相關(guān)的壓力控制系統(tǒng)，使其壓力控制在工藝要求的出口壓力1.61.8Mpa，精度控制在±0.1Mpa。具體任務(wù)包括總體方案設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，控制算法和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)。2 氧化鋁高壓溶出工序介紹2.1本章概述原礦漿硅渣炭分蒸發(fā)母液赤泥赤泥大貯槽粗液精液融入稀釋分離葉慮去分解赤泥洗滌去配料高壓溶出工序是高壓溶出車(chē)間生產(chǎn)流程中的一道工序。高壓溶出車(chē)間的生產(chǎn)流程如圖2-1所示：從鋁土礦中溶出氧化鋁制成精液送去分解，同時(shí)將洗滌后的赤泥過(guò)濾，得出含水率合格的赤泥漿送燒

9、結(jié)法配料。圖2-1高壓溶出車(chē)間生產(chǎn)流程2.2氧化鋁高壓溶出工序介紹高壓溶出工序?qū)儆诎荻ㄖ械囊粋€(gè)環(huán)節(jié)，其目的就是用苛性鈉溶液把鋁土礦中的氧化鈉溶出來(lái)?；炻?lián)法高壓溶出設(shè)備流程如下：磨制好的原礦漿在原礦漿槽（B）中貯存4個(gè)小時(shí)進(jìn)行預(yù)脫硅以后用油壓泥漿泵（E）打入三個(gè)串聯(lián)的雙程預(yù)熱器（F）進(jìn)行預(yù)熱（140150oC），再進(jìn)入加熱溶出器（1和2），其中通以高壓新蒸汽（33公斤/平方厘米）直接加熱泥漿至溶出溫度（241oC）。加熱后的泥漿逐個(gè)流過(guò)8個(gè)反應(yīng)溶出器（310），在其中完成溶出反應(yīng)。溶出后的泥漿從10#溶出器順序進(jìn)入5個(gè)自蒸發(fā)器（H1H5）進(jìn)行冷卻，前四個(gè)自蒸發(fā)器排出的乏汽進(jìn)入雙程預(yù)熱器預(yù)熱原礦

10、漿。第五自蒸發(fā)器排出的乏汽則送去加熱赤泥洗水。從第五個(gè)自蒸發(fā)器卸出的溶出礦漿溫度為128132oC。為了回收礦漿在溫度降至沸點(diǎn)時(shí)所放出的熱量，使之在緩沖器（I）內(nèi)與稀釋的赤泥洗液（J）混合，將洗液從95oC加熱到稀釋礦漿的溫度（100105oC），稀釋后的礦漿自流入稀釋槽1。高壓溶出生產(chǎn)流程如圖2-2所示。圖2-2高壓溶出生產(chǎn)流程2.3氧化鋁高壓溶出化學(xué)反應(yīng)介紹高壓溶出的生產(chǎn)條件為：2.02.2Mpa的高壓；245oC的高溫。高壓溶出的化學(xué)反應(yīng)可以分為兩大類(lèi)：、氧化鋁水合物的溶出反應(yīng)，這是主反應(yīng)；、各種雜質(zhì)在溶出過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，這是副反應(yīng)。為了使高壓溶出生產(chǎn)過(guò)程得到良好的效果，必須掌握主副反

11、應(yīng)的規(guī)律。（1）溶出化學(xué)反應(yīng) 在常壓下低堿濃度溶液中溶出三水鋁石型鋁土礦時(shí)，其中Al(OH)3與NaOH發(fā)生反應(yīng)為：Al2O3·3H2O+2NaOH=2NaAl(OH)4+水。用高堿濃度或用稀堿溶液在較高溫度下溶出一水鋁石型鋁土礦時(shí)，反應(yīng)為：Al2O3·H2O+2NaOH=2NaAl(OH)2+水。不管按上式哪個(gè)反應(yīng)式溶出，反應(yīng)產(chǎn)物NaAl(OH)4和NaAl(OH)2都叫鋁酸鈉，在一定條件（一定的苛性鈉濃度和溫度）下都溶于水溶液中，形成鋁酸鈉溶液。（2）溶出速度 鋁土礦溶出屬于多相反應(yīng)，即液體和固體之間的反應(yīng)，其特征是反應(yīng)過(guò)程發(fā)生于兩相（礦粒與堿液）的界面上。兩相接觸界面

12、的OH-,由于不斷反應(yīng)而逐漸消耗，在靠近礦粒表面層的溶液中的OH-濃度顯著降低。同時(shí)，在這一層中的反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-的濃度則接近飽和，于是形成擴(kuò)散層。OH-通過(guò)擴(kuò)散層不斷地向固相（礦粒）表面移動(dòng)與氧化鋁水合物反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-則不斷地通過(guò)擴(kuò)散層向外移動(dòng)（離開(kāi)礦粒），使反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行。因此，鋁土礦的溶出過(guò)程可分下列幾步：（1）循環(huán)母液濕潤(rùn)礦粒表面；（2）OH-與氧化鋁水合物反應(yīng)；（3）形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2擴(kuò)散層；（4）Al(OH)4-或AlO(OH)2-從擴(kuò)散層擴(kuò)散出來(lái)，OH-則從溶液中擴(kuò)散到固液接觸面上。鋁土礦的溶出

13、過(guò)程，在低溫低堿濃度下的溶出速度隨溫度變化很快，因而在這種情況下的溶出速度是決定于化學(xué)反應(yīng)。在高溫高堿濃度下，化學(xué)反應(yīng)速度極快，此時(shí)溶出速度隨溫度變化而變化的幅度較小，因而這時(shí)溶出速度決定于擴(kuò)散。溶出速度可以用下式表示： Vt=PS（C飽-C溶）式中，Vt某一瞬間的溶出速度； P常數(shù)； T絕對(duì)溫度； 粘度； 擴(kuò)散層厚度； S兩相接觸表面的大??； C飽氧化鋁在堿溶液中的飽和濃度； C溶此瞬間溶液的氧化氯濃度。由溶出速度的表達(dá)式可得下式：Ct(t)+KCt(t)=PSC飽當(dāng)?shù)V石一定時(shí)，其粘度一定，且P、S均為常數(shù)，則從上式中可以看出通過(guò)控制溫度T，可以控制反應(yīng)速度。并且，通過(guò)提高溫度來(lái)提高溶出反應(yīng)

14、的速度也是可行的2。3高壓溶出工序的生產(chǎn)設(shè)備及儀器選型3.1本章概述高壓溶出工序的生產(chǎn)設(shè)備主要包含四個(gè)部分：雙程預(yù)熱器、高壓溶出器、自蒸發(fā)器和蒸汽緩沖器，它們?nèi)渴遣煌Y(jié)構(gòu)的高壓罐。3.2設(shè)備及儀器的選型3.2.1雙程預(yù)熱器雙程預(yù)熱器有四組雙程預(yù)熱罐，如圖3-1所示。圖3-1雙程預(yù)熱罐采用高壓蒸汽間接加熱。其內(nèi)部是蒸汽管。礦漿在蒸汽管外，包圍著蒸汽管，由60oC被加熱到195oC左右，稱(chēng)為預(yù)熱。這時(shí)，因?yàn)榈V漿溫度低（反應(yīng)溫度為245oC），所以還不能用于生產(chǎn)。雙程預(yù)熱器需要監(jiān)測(cè)的量有以下一些：(1) 礦漿入口溫度T11；(2) 礦漿出口溫度T12；(3) 各級(jí)之間入口溫度和各級(jí)之間出口溫度T1

15、01-T106。之所以要分上層預(yù)熱器和下層預(yù)熱器是因?yàn)檠趸X生產(chǎn)為流程工業(yè)，反應(yīng)過(guò)程不能間斷，需要一套備用。3.2.2高壓溶出器圖3-2是高壓溶出器示意圖。高壓溶出器由九個(gè)高壓罐串聯(lián)構(gòu)成，1#罐和2#罐用高壓蒸汽直接加熱使礦漿達(dá)到溶出溫度（245oC左右）。溶出器內(nèi)加熱為直接加熱，其效率較高，但是加熱過(guò)程中由蒸汽帶來(lái)的水分，使得礦漿溶液的濃度降低。溶出器的溫度是溶出溫度，對(duì)氧化鋁的溶出率影響很大，保持溶出溫度穩(wěn)定，是提高溶出率的關(guān)鍵之一。圖3-2 高壓溶出器在溶出穩(wěn)度低到一定值（240oC），則控制變頻調(diào)速裝置，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少進(jìn)入高壓溶出器的礦漿流量（每降低1oC，則減少礦漿流量0.5%）

16、；若溶出溫度高到一定值（250oC），則控制變頻調(diào)速裝置，提高電機(jī)速度，增加進(jìn)入高壓溶出器的礦漿流量（每提高1oC，則增加礦漿流量0.5%），以保證溶出溫度的穩(wěn)定。礦漿經(jīng)19溶出器后，形成一定的壓差，為了保證正常生產(chǎn)，壓差應(yīng)盡量穩(wěn)定在0.2MPa左右。溶出器需要監(jiān)測(cè)的量有:1#9#溶出器的壓力PT401PT409以及就地儀表顯示的量PI401PI4093。3.2.3自蒸發(fā)器自蒸發(fā)器的作用主要是回收熱量。它由五個(gè)高壓罐組成，各級(jí)壓力逐漸降低，由2.02.2Mpa下降到0.2Mpa。在壓力下降的過(guò)程中，蒸汽會(huì)從礦漿中逸出。 其產(chǎn)生的蒸汽稱(chēng)為乏汽。圖3-3是自蒸發(fā)器的示意圖。不同壓力的乏氣被送至雙程

17、預(yù)熱器用作加熱礦漿，如下所示：1#自蒸發(fā)器4#雙程預(yù)熱器 2#自蒸發(fā)器3#雙程預(yù)熱器 3#自蒸發(fā)器2#雙程預(yù)熱器 4#自蒸發(fā)器1#雙程預(yù)熱器圖3-3自蒸發(fā)器為了既充分利用乏汽又保證自蒸發(fā)器正常工況，選擇自蒸發(fā)器壓力作為監(jiān)測(cè)量。自蒸發(fā)器需要監(jiān)測(cè)的量有：自蒸發(fā)器各級(jí)的壓力PT501PT505；同時(shí)還有就地顯示儀表PI501PI505，需要控制的壓力PC ,不能過(guò)高亦不能過(guò)低。氧化鋁高壓溶出工序蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)分為#自蒸發(fā)器的分步控制，通過(guò)這五步的控制使壓力由2.02.2Mpa降到0.2Mpa。礦漿由#自蒸發(fā)器進(jìn)入，通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽流量來(lái)控制自蒸發(fā)器的壓力。給定的礦漿流量值經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽來(lái)達(dá)到所要求的#

18、自蒸發(fā)器的出口壓力值。之后礦漿進(jìn)入到#自蒸發(fā)器，經(jīng)調(diào)節(jié)最后由#自蒸發(fā)器流出，此時(shí)壓力為所需要的值。壓力的控制精度應(yīng)為：+0.1Mpa。自蒸發(fā)器的壓力控制可以通過(guò)控制蒸汽的流量來(lái)調(diào)節(jié)壓力的變化，用壓力變送器來(lái)檢測(cè)壓力并返回控制。3.2.4蒸發(fā)緩沖器蒸汽緩沖器用于存儲(chǔ)高壓蒸汽，給1#溶出器和2#溶出器提供加熱蒸汽。其高壓蒸汽一般為2.4Mpa。它有穩(wěn)定加熱蒸汽壓力的作用。為了防止蒸汽緩沖器的礦漿倒流，其進(jìn)口壓力必須為3.3MPa,出口壓力為3.15MPa，若蒸汽緩沖器的進(jìn)出口壓力降低了0.05MPa，則給出報(bào)警信號(hào)。蒸汽緩沖器需要監(jiān)視的量有：TT301和PT301；就地顯示的量有：TI301和PI

19、301。 蒸汽緩沖器中的蒸汽來(lái)自鍋爐房（熱電廠(chǎng)）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此處需要監(jiān)測(cè)蒸汽的流量FT101和FT102（此處監(jiān)測(cè)蒸汽流量主要是為了與鍋爐房輸出的流量作比較，用作蒸汽費(fèi)用憑證）。新蒸汽的壓力是由電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)4。圖3-4蒸汽緩沖器4 2#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1方案論證對(duì)于2#自蒸發(fā)器，其進(jìn)料為1#自蒸發(fā)器卸出的高溫泥漿，泥漿中的水在2#自蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生大量的蒸汽，使得2#自蒸發(fā)器內(nèi)形成高壓。通過(guò)控制蒸汽排出閥門(mén)的開(kāi)度，從而控制蒸汽排出的流量，達(dá)到控制自蒸發(fā)器內(nèi)壓力的目的。為了維持罐內(nèi)恒定的壓力（1.7Mpa+0.1Mpa），就得根據(jù)罐內(nèi)實(shí)時(shí)的壓力來(lái)不斷調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度

20、，由此構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路負(fù)反饋控制系統(tǒng)。然而，進(jìn)料泥漿的流量是隨機(jī)變化的，罐內(nèi)壓力的變化會(huì)隨著進(jìn)料流量的變化而變化的，這樣就使得進(jìn)料流量成為一個(gè)較大的擾動(dòng)，且該擾動(dòng)可測(cè)不可控。為了克服這一干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，我們引進(jìn)前饋控制。Gff（s）Gd（s）Go(s)dcQ圖4-1前饋控制系統(tǒng)方原理框圖前饋控制系統(tǒng)的基本原理是測(cè)取進(jìn)入過(guò)程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值的變化），并按信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱量，使受控變量維持在設(shè)定值上。前饋控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖4-1所示。 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為=Gs(s)+Gff(s)Go(s)式中：Gd(s)、Go(s)分別表示對(duì)象干擾通道和控制通道的傳遞函

21、數(shù)，Gff(s)為前饋控制器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)對(duì)干擾Q實(shí)現(xiàn)全部?jī)數(shù)臈l件是：當(dāng)Q(s)0時(shí)，(s)=0。于是有Gff(s)=-。滿(mǎn)足上式的前饋補(bǔ)償裝置使受控變量不受Q變化的影響。圖4-2表示了這種全補(bǔ)償過(guò)程。(a)前饋階躍干擾示意圖 (b)調(diào)節(jié)與擾動(dòng)示意圖 圖4-2 前饋控制系統(tǒng)全補(bǔ)償過(guò)程示意圖(a)和(b)在Q階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用o和干擾作用d的響應(yīng)曲線(xiàn)方向相反，幅值相同，所以它們的合成結(jié)果可使達(dá)到理想的控制，且維持在恒定的設(shè)定值上。前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，測(cè)量的是干擾量，只能克服所測(cè)量的干擾量，所以單純的前饋控制是不可行的。反饋控制測(cè)量的是被控變量，是閉環(huán)控制，能克服所有干擾。因此可以將前饋控制和

22、反饋控制結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)，這樣既發(fā)揮了前饋校正作用的及時(shí)性，又保持了反饋控制能克服多種擾動(dòng)及對(duì)受控變量最終校驗(yàn)的長(zhǎng)處，是一種可行的控制方案。4.1.1總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，再結(jié)合控制目標(biāo)（2#自蒸發(fā)器罐內(nèi)的壓力）的特點(diǎn)，選擇進(jìn)料泥漿的流量為前饋控制的測(cè)量對(duì)象，自蒸發(fā)器內(nèi)的壓力為受控變量，排出乏汽的流量（閥門(mén)開(kāi)度）為操縱量。2#自蒸發(fā)器的壓力前饋-反饋控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖4-3所示。圖4-3 2#自蒸發(fā)器的壓力前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案4.1.2原理方框圖根據(jù)圖4-3所示的總體設(shè)計(jì)方案，得到2#自蒸發(fā)器的壓力前饋-反饋控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖4-4所示

23、：Gc(s)Go(s)Gff(s)Gd(s)YR圖4-4 2#自蒸發(fā)器的壓力前饋-反饋控制系統(tǒng)原理方框圖在圖4-4中， Gd(s)、Gc(s)、Gff(s)、Go(s)分別為干擾通道、反饋控制器、前饋控制器和控制通道的傳遞函數(shù)。F為擾動(dòng)，即進(jìn)料流量擾動(dòng)，Y為被控變量，即2#自蒸發(fā)器罐內(nèi)壓力，R為設(shè)定值。4.2硬件設(shè)計(jì)在2#自蒸發(fā)器的壓力前饋-反饋控制系統(tǒng)中，用到的硬件有變送器（壓力測(cè)量變送器PT、流量測(cè)量變送器FT）、控制器（反饋控制器PC、前饋控制器FFFC）和控制閥（蒸汽閥門(mén)）。4.2.1變送器1. 壓力測(cè)量變送器PT 高溫泥漿經(jīng)由1#自蒸發(fā)器進(jìn)入2# 自蒸發(fā)器，泥漿中的水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽

24、使得2# 自蒸發(fā)器罐內(nèi)產(chǎn)生壓力。1#自蒸發(fā)器已經(jīng)將壓力控制到2.02.2Mpa，因此2# 自蒸發(fā)器罐內(nèi)的最大壓力不會(huì)超過(guò)此值。再根據(jù)控制目標(biāo)（2# 自蒸發(fā)器罐內(nèi)壓力維持在1.7Mpa±0.1Mpa），可以得出選擇壓力變送器PT的原則： （1）測(cè)量介質(zhì)為水蒸氣，使用的環(huán)境為高溫且有較強(qiáng)的腐蝕性； （2）測(cè)量精度要求一般； （3）測(cè)量范圍為低壓力（小于4Mpa），即1.0Mpa2.5Mpa。 據(jù)此，選擇電容式差壓變送器。電容式差壓變送器是先將差壓（壓力）轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再將電容量的變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。其結(jié)構(gòu)緊湊、電路獨(dú)特，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。差動(dòng)電容與被測(cè)差壓之間的關(guān)系為：

25、設(shè)測(cè)量膜片在差壓P的作用下變形，其衷心移動(dòng)距離為P，由于位移很小，可近似認(rèn)為兩者呈線(xiàn)性比例關(guān)系，即d=K1p=K1(p1-p2)兩個(gè)電容C1和C2可分別寫(xiě)成C1=,C2=式中，K2是由電容器極板面積和介質(zhì)電系數(shù)決定的。于是有 = = =K3p式中，K3=K1/d0為綜合常數(shù)。由上式可知，測(cè)量電路將電容變化裝換位電壓或電流。壓力測(cè)量變送器PT選型見(jiàn)表4-1所示。表4-1 壓力測(cè)量變送器PT選型序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)及規(guī)格生產(chǎn)廠(chǎng)家數(shù)量1智能電磁流量計(jì)MK-LED-D400 T2 K2江蘇金湖萬(wàn)科公司12差壓變送器WK-E110A江蘇金湖萬(wàn)科公司13電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥ZCA-2上海巨良電磁閥公司12. 流量測(cè)量變

26、送器FT 流量測(cè)量變送器FT測(cè)量的介質(zhì)是高溫礦漿，礦漿的電導(dǎo)率大于100/cm且具有較強(qiáng)的腐蝕性，應(yīng)選用電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)利用導(dǎo)電液體通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)在兩個(gè)固定電極上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)測(cè)量流速。其測(cè)量流量的公式為Qv=E=kE 其中E=BDv。式中，B為管道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為管道內(nèi)徑；E為與液體接觸的兩電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；v為管內(nèi)流體的平均流速；K稱(chēng)為儀表系數(shù)?？梢?jiàn)流量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小成正比。電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在管道內(nèi)不設(shè)任何節(jié)流元件，因此，可以測(cè)量各種高粘度的導(dǎo)電液體，特別適合測(cè)量還有纖維和固體顆粒的流體。精度可達(dá)0.5級(jí)5。4.2.2 控制器由于控制方案是前饋-反饋控制，所以反饋控制器PC和

27、前饋控制器應(yīng)選擇FFFC選擇計(jì)算機(jī)控制，這樣更容易實(shí)現(xiàn)前饋控制器的控制規(guī)律。4.2.3控制閥控制對(duì)象為高溫（250oC）高壓（2.02.2Mpa）水蒸氣，控制閥選擇體積小，流通能力大，技術(shù)先進(jìn)的直通單座閥，且上閥蓋選擇散熱型。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于電動(dòng)執(zhí)行器適用于沒(méi)有氣源或氣源比較困難的場(chǎng)合及需要大推力、動(dòng)作靈敏、信號(hào)傳輸迅速和遠(yuǎn)距離傳送的場(chǎng)合，所以應(yīng)選擇電動(dòng)執(zhí)行器。從保證生產(chǎn)質(zhì)量的角度出發(fā)，開(kāi)關(guān)選擇電開(kāi)式。工藝工程主要變化量的變化小，S>0.75，流量特性選擇直線(xiàn)特性?？刂崎y的附件較多，常用的是閥門(mén)定位器和繼動(dòng)器，繼動(dòng)器用于快速過(guò)程需要提高閥門(mén)響應(yīng)速度的場(chǎng)合，所以附件應(yīng)選擇繼動(dòng)器6。4.3

28、控制算法4.3.1前饋控制器 控制算法（1）前饋控制算法前饋控制算法對(duì)大多數(shù)實(shí)際工業(yè)過(guò)程可用時(shí)滯加一階滯后的結(jié)構(gòu)形式，前饋控制器的傳遞函數(shù)為Gff(S)= =e-(td-ta)s=Kffe-ts式中，Kff=-是增益項(xiàng)，為一比例環(huán)節(jié)，T1>T2時(shí)具有超前特性，T1=T2 時(shí)正好是比例環(huán)節(jié)，T1<T2 時(shí)具有滯后特性。 在有些過(guò)程控制中，不需要輸出信號(hào)中的直流分量（即穩(wěn)態(tài)分量），此時(shí)可采用傳遞函數(shù)為前饋控制器。（2）前饋補(bǔ)償裝置的控制算法實(shí)踐證明，相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對(duì)象具有非周期性和過(guò)阻尼的特性，因此經(jīng)?？捎靡粋€(gè)一階或二階容量滯后，必要時(shí)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似它。設(shè)e ls ; e-

29、ls則Gff(s)=kde-L1+L2超前滯后環(huán)節(jié)（如圖4-5所示）： 圖4-5 超前滯后環(huán)節(jié)的等效圖純滯后補(bǔ)償：=。當(dāng)<1時(shí)，Tf < TP ，為超前補(bǔ)償；當(dāng)>1時(shí)，Tf > TP ，為滯后補(bǔ)償。相應(yīng)于<1和>1的時(shí)間特性曲線(xiàn)分別如圖4-6和4-7所示。 圖4-6超前不長(zhǎng)曲線(xiàn)<1 圖4-7滯后補(bǔ)償曲線(xiàn)>1由圖4-6及圖4-7可見(jiàn)，當(dāng)<1時(shí)，即Tf < TP 時(shí)，前饋補(bǔ)償帶有滯后特性，適用于對(duì)象控制通道滯后（這里的滯后是指容量滯后，即時(shí)間常數(shù)小于干擾通道滯后的情況）；而當(dāng)當(dāng)>1時(shí)，即Tf > TP 時(shí)，前饋補(bǔ)償帶有超前特性

30、，適用于控制通道滯后大于干擾通道滯后的情況。（3）前饋控制器偏置的選擇 圖4-8前饋反饋控制中偏置值的設(shè)置在正常工況下，擾動(dòng)變量有輸出，因此，前饋控制器也有輸出。當(dāng)組成前饋反饋控制系統(tǒng)時(shí)，反饋信號(hào)與正常工況下前饋信號(hào)相結(jié)合，其數(shù)據(jù)可能超出儀表量程范圍，因此采用常規(guī)儀表時(shí)，應(yīng)在前饋控制器輸出添加偏置信號(hào)B，其數(shù)據(jù)應(yīng)等于正常工況下擾動(dòng)變量經(jīng)前饋控制器后的輸出，其符號(hào)應(yīng)抵消正常工況的輸出。前饋反饋控制中偏置值的設(shè)置（偏置信號(hào)加入點(diǎn)）如圖4-8所示。偏置信號(hào)為B=KmKdF，式中，Km是前饋信號(hào)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的增益，Kd是穩(wěn)態(tài)前饋增益，F(xiàn)是正常工況下擾動(dòng)變量的數(shù)值。添加偏置后，正常工況下，擾動(dòng)引入的前饋

31、信號(hào)與偏置信號(hào)抵消，因此，送到執(zhí)行器的信號(hào)是反饋控制信號(hào)。當(dāng)擾動(dòng)變量變化時(shí)，擾動(dòng)變量引入的前饋信號(hào)減去偏置值后作為實(shí)際的擾動(dòng)前饋信號(hào)，與反饋信號(hào)相加，實(shí)現(xiàn)了前饋-反饋控制功能7。（4）前饋控制器的投運(yùn)和參數(shù)整定 偏置值的整定在正常工況下，擾動(dòng)變量經(jīng)檢測(cè)變送和前饋控制器后輸出信號(hào)的負(fù)值作為偏置值。 前饋控制系統(tǒng)的投運(yùn) 前饋控制系統(tǒng)的投運(yùn)通常與反饋控制系統(tǒng)的投運(yùn)相結(jié)合。方法一是先投運(yùn)反饋控制系統(tǒng)，然后投運(yùn)前饋控制系統(tǒng)。方法二是反饋控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)各自投運(yùn)，整定好參數(shù)后再把兩者結(jié)合。4.3.2反饋控制器PC控制算法反饋控制器要實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)差、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)應(yīng)選擇PID控制規(guī)律。比例控制（P）是基本

32、的控制方式，自始至終起著與偏差相對(duì)應(yīng)的控制作用；添入積分控制后，可以消除純比例控制無(wú)法消除的余差；而添入微分控制，則可以在系統(tǒng)受到快速變化干擾的瞬間，及時(shí)加以抑制，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。在2#自蒸發(fā)器控制系統(tǒng)中，控制介質(zhì)為氣體，時(shí)間常數(shù)中等，用PI就足夠了。（1）比例積分（PI）控制算法PI調(diào)節(jié)規(guī)律為：u=Kpe+So；u=式中比例帶；TI積分時(shí)間。和TI是PI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。 比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖4-9所示： 圖4-9 PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng))=；u=在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為e/的階躍，然后以固定速度e/T1變化。當(dāng)t=T1時(shí)，調(diào)節(jié)器的總輸出為2e/。輸出的積

33、分部分正好等于比例部分。T1可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：T1愈小，積分部分所占的比重愈大。比例積分調(diào)節(jié)過(guò)程如下圖4-10：圖4-10 PI調(diào)節(jié)器對(duì)過(guò)程負(fù)荷變化的響應(yīng)a）負(fù)荷變化前（t<t0）被控系統(tǒng)穩(wěn)定，控制偏差為零，調(diào)節(jié)器輸出保持某恒定值；b）t=t0時(shí)刻，系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生階躍變化，P調(diào)節(jié)立即響應(yīng)偏差變化，產(chǎn)生正的躍21變，I調(diào)節(jié)則從零開(kāi)始累計(jì)偏差。此后，此時(shí)在PI的共同作用下，調(diào)節(jié)的總輸出持續(xù)增加；c）在t=t1時(shí)刻，系統(tǒng)開(kāi)始響應(yīng)，控制偏差開(kāi)始減小，P調(diào)節(jié)緊跟著減小，I調(diào)節(jié)因偏差仍存在且方向不變，所以繼續(xù)增加。PI調(diào)節(jié)的綜合結(jié)果u也仍持續(xù)增大使控制偏差進(jìn)一步減??；d）t=t2時(shí)

34、刻，偏差減小至零，P調(diào)節(jié)作用徹底消失，I調(diào)節(jié)也停止增長(zhǎng)。如果積分時(shí)間足夠小，調(diào)節(jié)器的輸出將大于所要求的值，致使系統(tǒng)產(chǎn)生反向偏差，也即超調(diào)；e）t2t3階段，偏差反向，P調(diào)節(jié)作用反向，I調(diào)節(jié)作用也由增加變?yōu)闇p小，PI調(diào)節(jié)的整體作用表現(xiàn)為減小，直至從超調(diào)位置下降到系統(tǒng)要求的作用點(diǎn)，即圖中的t=t3點(diǎn)處，此時(shí)偏差從超調(diào)處回落到零，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡8。由上分析，PI調(diào)節(jié)引入積分動(dòng)作消除了系統(tǒng)余差，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)過(guò)程中的超調(diào)趨勢(shì)隨比例增益的增大和積分時(shí)間的減小而增大，因此PI調(diào)節(jié)的比例增益要設(shè)置得比純P調(diào)節(jié)小，對(duì)積分時(shí)間的設(shè)置也應(yīng)有一定的限制。PI調(diào)節(jié)在比例帶不變的情況下，減小積分時(shí)間T

35、I，將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過(guò)程加快、振蕩頻率升高。（2） PID控制器參數(shù)的整定 穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）選擇純比例控制，給定值R做階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直到被控變量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界周期Tu和臨界比例帶u，然后按表4-3-7所示的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、Ti及Td。表4-2穩(wěn)定邊界法PID參數(shù)整定控制規(guī)律TiTdP2uPI2.2u0.85TuPID1.66u1.50Tu0.13Tu動(dòng)態(tài)特性法（響應(yīng)曲線(xiàn)法） 在系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)的情況下，首先做被控對(duì)象的階躍曲線(xiàn)，如圖4-11所示，從該曲線(xiàn)上求得對(duì)象的純滯后時(shí)間t、時(shí)間常數(shù)Tu和放大系數(shù)K，然后再按表4-3中的經(jīng)驗(yàn)公

36、式計(jì)算、Ti及Td。圖4-11響應(yīng)曲線(xiàn)法參數(shù)整定示意圖表4-3 響應(yīng)曲線(xiàn)法參數(shù)整定表控制規(guī)律T0.20.2T1.5TiTdTiTdPk/T2.6kPI1.1k/T3.3T2.6k0.8TPID0.85k/T2T0.5T2.6k0.81T+0.9T0.25T經(jīng)驗(yàn)法若將控制系統(tǒng)按液位、流量、溫度、壓力等參數(shù)來(lái)分類(lèi)，則屬于同一類(lèi)別的系統(tǒng)，其對(duì)象特性往往比較相近，所以無(wú)論是控制器形式還是參數(shù)整定，均可相互參考。表4-4給出了經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)。表4-4經(jīng)驗(yàn)法PID參數(shù)整定系統(tǒng)參數(shù)/（%）Ti/minTd/min溫度20-603-100.5-3流量40-1000.1-1壓力30-700.4-3液面20-80壓力控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)有的很大，有的則很小。在2#自蒸發(fā)器控制系統(tǒng)中，直接控制離開(kāi)塔頂?shù)恼羝?，過(guò)程非常迅速。它的性質(zhì)接近流量系統(tǒng)，所以可以仿照典型的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)選擇控制器的形式和參數(shù)9?？?結(jié)課程設(shè)計(jì)是教學(xué)的至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。是對(duì)三年學(xué)習(xí)成績(jī)的一個(gè)很好的檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)星期的設(shè)計(jì)，