過程控制技術(shù)及應(yīng)用

1、過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 1 過程控制技術(shù)及應(yīng)用過程控制技術(shù)及應(yīng)用 實實 驗驗 指指 導(dǎo)導(dǎo) 書書 劉天霞劉天霞 湯占岐湯占岐 姜國平姜國平 編編 北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 二二 0000 六年十一月六年十一月 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 2 目目 錄錄 實驗實驗 1:1:流流量自衡過程量自衡過程2 實驗實驗 2：單液位非自衡過程：單液位非自衡過程5 實驗實驗 3：反應(yīng)溫度非自衡過程：反應(yīng)溫度非自衡過程6 實驗實驗 4：一階慣性通道傳遞函數(shù)模型測試：一階慣性通道傳遞函數(shù)模型測試9 實驗實驗 5：衰減振蕩法液位：衰減振蕩法液位 PID 控制器參數(shù)整定控制器

2、參數(shù)整定 14 實驗實驗 6：氣體壓力：氣體壓力 PID 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計與整定單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計與整定 18 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 3 實驗實驗 1:1:流量自衡過程流量自衡過程 1 1、實驗?zāi)康摹嶒災(zāi)康?1）了解什么是自衡過程及其特點。 2）分清過程自衡的原因。 3）分析過程自衡的條件及自衡的范圍。 2 2、實驗原理、實驗原理 自衡過程是指系統(tǒng)中存在著對所關(guān)注的變量的變化有一種固有的、自然形式的負(fù)反饋 作用，該作用總是力圖恢復(fù)系統(tǒng)的平衡。具有自平衡能力的過程稱為自衡過程。反之，不 存在固有反饋作用且自身無法恢復(fù)平衡的過程，稱為非自衡過程。在出現(xiàn)擾動后，過程能 靠自身的能力達(dá)

3、到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為自衡特性。 無論擾動如何變化，過程自身都能在不加控制的條件下，在變量實際允許的量程范圍 內(nèi)達(dá)到平衡，這種過程稱為完全自衡過程。實際過程中自衡常常是有條件的，并且是在一 定的范圍內(nèi)才可以自衡，超出允許范圍就無法達(dá)到自衡了。 依據(jù)過程的自衡與非自衡特性，可以將大多數(shù)工業(yè)過程的特性歸類為如下常見類型。 1） 無振蕩自衡過程無振蕩自衡過程 在階躍作用下，被作用變量不發(fā)生振蕩，且逐漸向新的穩(wěn)態(tài)值靠近。此類過程的傳遞 函數(shù)模型可表達(dá)為如下形式 （2-1） G s Ke Ts G s Ke TT G s Ke Ts s s s n ( ) ( ) ()() ( ) () 1 11 1

4、 12 以上無振蕩自衡過程傳遞函數(shù)模型，可以直接通過階躍響應(yīng)曲線用圖解法或曲線擬合 方法得到，詳見本單元模塊（四） 。在過程工業(yè)中無振蕩自衡過程十分常見，并常用第一種 模型表達(dá)。第一種模型又稱為一階加純滯后模型，可以用來近似多容高階動態(tài)模型。 2） 有振蕩自衡過程有振蕩自衡過程 在階躍作用下，被作用變量發(fā)生衰減振蕩，且逐漸向新的穩(wěn)態(tài)值靠近。此類過程的傳 遞函數(shù)模型至少是二階以上形式，在工業(yè)過程中很少見，例如 （2-2）G s Ke T sTs s ( ) () () 2 2 21 01 3） 無振蕩非自衡過程無振蕩非自衡過程 在階躍作用下，被作用變量會一直上升或一直下降，不能達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

5、此類過 程的傳遞函數(shù)模型常表達(dá)為 （2-3）G s Ke Ts s ( ) （2-4）G s Ke s Ts s ( ) () 1 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 4 由于積分過程具有非自衡特性，以上傳遞函數(shù)模型中都含有一個積分因子(1/S)。 3、實驗工藝過程描述、實驗工藝過程描述 流量自衡過程實驗選離心泵及液位流程中的泵出口流量 F2，具體流程見圖 2-1。工藝 過程的描述詳見第一部分，第二單元。為了使實驗結(jié)果準(zhǔn)確，采用單回路液位控制系統(tǒng)通 過上游的閥門 V1 調(diào)節(jié)流量 F1，控制液位 L1 穩(wěn)定。然后，通過手動改變閥門 V2 的開度， 觀察流量 F2 的自衡過程。 4、實驗設(shè)備及連接、實驗

6、設(shè)備及連接 1）在上位計算機(jī)啟動測試軟件，選擇并進(jìn)入離心泵及液位工程。 2）在盤臺上進(jìn)行線路連接。如圖 2-2 所示， 用黑色導(dǎo)線將臥圓罐液位 L1 黑色插孔和液晶顯示器下部 1 號黑色插孔連接，將 L1 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第一排左數(shù)第一個棒圖顯示。 用黑色導(dǎo)線將離心泵出口流量 F2 黑色插孔和液晶顯示器下部 11 號黑色插孔連接， 將 F2 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第三排左數(shù)第一個數(shù)字顯示。 5、控制系統(tǒng)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài) 1）將液位 L1 控制定義為位號 LIC-01，PID 參數(shù)設(shè)置為：KC=16、Ti=60 秒、Td=0 秒、 反作用。變送器集點選 L1。帶定位器的控制閥選 V1

7、，閥特性選線性，組態(tài)畫面見圖 2- 3。 2）完成趨勢畫面組態(tài)，選擇 F2、V2 兩個變量需要趨勢記錄。趨勢畫面見圖 2-4。 3）閥門 V1、V2 特性選線性。 圖 1-1 離心泵及液位流程圖畫面 6、實驗步驟、實驗步驟 1）將測試軟件選定為運行狀態(tài)。 2）按照第一部分，第二單元操作規(guī)程將本系統(tǒng)開車到正常工況。此時，手動調(diào)整 V2 的開度為 45%，L1 設(shè)定值設(shè)為 50%。 3）手動調(diào)整 V2 的開度為 55%，觀察流量 F2 按一階非周期特性上升，大約 25 秒鐘后 達(dá)到新的平衡。 4）手動調(diào)整 V2 的開度為 60%，觀察流量 F2 仍按一階非周期特性上升，大約 20 秒鐘 后達(dá)到新的

8、平衡。 5）本實驗可以繼續(xù)下去，無論如何改變 V2 的開度（增加或減少） ，F(xiàn)2 總能經(jīng)過一個一 階非周期特性的變化達(dá)到新的平衡點。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 5 圖 1-2 盤臺上的黑線連接 圖 1-3 液位單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖 7、實驗結(jié)果記錄、實驗結(jié)果記錄 詳見圖 4 所記錄的 F2 和 V2 隨時間變化的歷史曲線，及實驗記錄表 2-1。 表 2-1測試實驗案例 001 實驗記錄 實驗步驟V2 初始開度V2 新開度F2 初始值F2 新平衡值 1 2 3 4 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 6 圖 1-4 趨勢記錄畫面 8、實驗分析與結(jié)論、實驗分析與結(jié)論 9 9、思考題、思考題 1）什么

9、是自衡過程？有何特點？ 2）簡要解釋過程自衡的原理。 3）什么原因能導(dǎo)致流量自衡？舉例說明。 實驗實驗 2：單液位非自衡過程：單液位非自衡過程 1 1、實驗?zāi)康?、實驗?zāi)康?1）了解什么是單液位非自衡過程及其特點。 2）分清單液位非自衡過程非自衡的原因。 3）分析單液位非自衡過程非自衡的條件。 2 2、實驗原理、實驗原理 見實驗 1。 3、實驗工藝過程描述、實驗工藝過程描述 工藝過程同實驗 1，所不同的是固定出口流量 F2（即固定 V2 開度） ，改變?nèi)肟诹髁?F1，觀察液位 L1 的非自衡現(xiàn)象。 4、實驗設(shè)備及連接、實驗設(shè)備及連接 同實驗 1。 5、控制系統(tǒng)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài) 同實驗 1。 6

10、、實驗步驟、實驗步驟 1）設(shè)定趨勢回零狀態(tài)，啟動測試軟件為運行模式。 2）按照第一部分，第二單元操作規(guī)程將本系統(tǒng)開車到正常工況。此時，手動調(diào)整 V2 的開度為 30%，L1 設(shè)定值設(shè)為 50%。 3）將控制器 LIC-01 置手動，將控制器輸出提升到 80%，實現(xiàn)方法是：在控制器圖標(biāo)中 點擊“配置”，彈出“PID 控制器配置”畫面，修改輸出為 80%，并進(jìn)行“確認(rèn)”。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 7 4）觀察液位持續(xù)上升，最后液位達(dá)到 100%，即滿罐，由于本罐通大氣，繼續(xù)下去則 發(fā)生溢流事故，液位將維持 100%不變。 5）本實驗可以繼續(xù)下去，發(fā)現(xiàn) V1 的開度只要偏離使流量 F1 等于

11、F2 的位置，當(dāng) F1 大 于 F2 時，液位 L1 則持續(xù)上升直到滿罐；當(dāng) F1 小于 F2 時，液位 L1 則持續(xù)下降直到抽空。 系統(tǒng)再也無法達(dá)到平衡。 7、實驗結(jié)果記錄、實驗結(jié)果記錄 詳見圖 2-5，測試軟件按趨勢畫面組態(tài)自動記錄 L1 和 V1 隨時間變化的歷史曲線。 圖 2-1 趨勢記錄畫面 8、實驗分析與結(jié)論、實驗分析與結(jié)論 9、思考題、思考題 1. 什么原因能導(dǎo)致液位自衡？舉例說明。 實驗實驗 3：反應(yīng)溫度非自衡過程：反應(yīng)溫度非自衡過程 1 1、實驗?zāi)康?、實驗?zāi)康?1）了解什么是反應(yīng)溫度非自衡過程及其特點。 2）分清反應(yīng)溫度非自衡的原因。 3）分析反應(yīng)溫度非自衡的條件。 2 2、

12、實驗原理、實驗原理 見實驗 1。 3、實驗工藝過程描述、實驗工藝過程描述 連續(xù)反應(yīng)溫度非自衡過程實驗流程見圖 3-1。工藝過程的描述詳見第一部分，第五單元。 首先通過手動將連續(xù)反應(yīng)過程從冷態(tài)開車達(dá)到正常工況，采用單回路控制系統(tǒng) TIC-01 穩(wěn)定 反應(yīng)溫度，用單回路控制系統(tǒng) LIC-01 穩(wěn)定反應(yīng)器內(nèi)的液位。當(dāng)反應(yīng)穩(wěn)定后，將 TIC-01 切 手動，人為改變夾套冷卻水閥門 V8 開度，即加大或減小冷卻水流量，觀察反應(yīng)溫度的非 自衡過程。 4、實驗設(shè)備及連接、實驗設(shè)備及連接 1）在上位計算機(jī)啟動測試軟件，選擇并進(jìn)入連續(xù)反應(yīng)工程。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 8 2）在盤臺上進(jìn)行線路連接。 用黑

13、色導(dǎo)線將丙烯進(jìn)料流量 F4 黑色插孔和液晶顯示器下部 8 號黑色插孔連接， 將 F4 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第二排右數(shù)第三個數(shù)字顯示。 用黑色導(dǎo)線將己烷進(jìn)料流量 F5 黑色插孔和液晶顯示器下部 9 號黑色插孔連接，將 F5 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第二排右數(shù)第二個數(shù)字顯示。 用黑色導(dǎo)線將催化劑與活化劑混合物進(jìn)料流量 F6 黑色插孔和液晶顯示器下部 10 號黑色插孔連接，將 F6 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第二排右數(shù)第一個數(shù)字顯示。 用黑色導(dǎo)線將反應(yīng)溫度 T1 黑色插孔和液晶顯示器下部 13 號黑色插孔連接，將他 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第三排右數(shù)第三個數(shù)字顯示。 用黑色導(dǎo)線將反應(yīng)器液位 L4

14、黑色插孔和液晶顯示器下部 14 號黑色插孔連接，將 L4 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第三排右數(shù)第二個數(shù)字顯示。 用黑色導(dǎo)線將夾套冷卻水流量 F8 黑色插孔和液晶顯示器下部 15 號黑色插孔連接， 將 F8 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第三排右數(shù)第一個數(shù)字顯示。 圖 3-1 連續(xù)反應(yīng)過程流程圖畫面 圖 3-2 控制系統(tǒng)組態(tài)畫面 5、控制系統(tǒng)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài) 1）將液位 L4 控制定義為位號 LIC-04，PID 參數(shù)設(shè)置為：KC=1.5、Ti=50 秒、Td=0 秒、 正作用。變送器集點選 L4。帶定位器的控制閥選 V9，閥特性選線性，組態(tài)畫面見圖 3- 2。 2）將反應(yīng)溫度 T1 控制定義為位號

15、TIC-01，PID 參數(shù)設(shè)置為：KC=6、Ti=90 秒、Td=10 秒、正作用。變送器集點選 T1。帶定位器的控制閥選 V8，閥特性選線性，組態(tài)畫面見圖 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 9 3-2。 3）完成趨勢畫面組態(tài)，選擇 T1、V8、F8 三個變量需要趨勢記錄。趨勢畫面見圖 3-3。 4）閥門 V4、V5、V6 選線性特性。 6、實驗步驟、實驗步驟 1）設(shè)定趨勢回零狀態(tài)，啟動測試軟件為運行模式。 2）按照第一部分，第五單元操作規(guī)程（見附錄）將本系統(tǒng)開車到穩(wěn)定工況。此時，手 動調(diào)整 V4 的開度為 55%，V5 的開度為 55%，V6 的開度為 60%，反應(yīng)器液位 LIC-01 的 設(shè)定

16、值為 70%，反應(yīng)溫度 TIC-01 的設(shè)定值為 70。系統(tǒng)工況穩(wěn)定時，F(xiàn)4=718 Kg/h，F(xiàn)5=1505 Kg/h，F(xiàn)6=88.8 Kg/h，T1=70，L4=70%。 3）將反應(yīng)溫度控制器 TIC-01 切手動，將控制器的輸出減小 10%左右，使當(dāng)前反應(yīng)的冷 卻量不足，反應(yīng)溫度按指數(shù)規(guī)律上升得越來越快，大約 200 多秒鐘溫度上升到報警限，見 圖 2-16 記錄曲線。此時如果不采取緊急措施，將發(fā)生爆炸事故。這是連續(xù)反應(yīng)溫度的正 向非自衡現(xiàn)象。 4）當(dāng) T1 上升到接近 100時，及時將 TIC-01 切自動，控制器立即加大夾套冷卻水流 量，經(jīng)過自動控制，T1 回到 70，并穩(wěn)定在 70

17、上。 5）將反應(yīng)溫度控制器 TIC-01 切手動，將控制器的輸出加大 10%左右，使當(dāng)前反應(yīng)的冷 卻量超出所需量，反應(yīng)溫度則不斷下降，直到停止反應(yīng)，大約 460 秒鐘后回到常溫。這是 連續(xù)反應(yīng)溫度的反向非自衡現(xiàn)象，見圖 2-17 記錄曲線。此種情況雖然沒有危險，但反應(yīng) 會減弱直到停止，即工廠減產(chǎn)或停工，也是不允許的。 7、實驗結(jié)果記錄、實驗結(jié)果記錄 詳見圖 3-3 和圖 3-4 所記錄的 T1、V8 和 F8 隨時間變化的歷史曲線，圖 3-3 是連續(xù)反 應(yīng)溫度的正向非自衡過程的記錄；圖 3-4 是連續(xù)反應(yīng)溫度的反向非自衡過程的記錄。 圖 3-3 趨勢記錄畫面之一 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書

18、10 圖 3-4 趨勢記錄畫面之二 8、實驗分析與結(jié)論、實驗分析與結(jié)論 9、思考題、思考題 1）什么是非自衡過程？有何特點？ 2）簡要解釋過程非自衡的原理。 3）舉例說明何種液位系統(tǒng)無法自衡。 4） 各寫兩種自衡過程和非自衡過程的傳遞函數(shù)模型，說明其特征。 5）導(dǎo)致連續(xù)反應(yīng)溫度非自衡的原因是什么？可能導(dǎo)致什么危險？ 6）為什么非自衡過程需要安全保護(hù)控制？常用哪些保護(hù)控制方法？ 實驗實驗 4：一階慣性通道傳遞函數(shù)模型測試：一階慣性通道傳遞函數(shù)模型測試 1、實驗?zāi)康模?、實驗?zāi)康模?1）正確應(yīng)用階躍響應(yīng)法測試通道動態(tài)特性。 2）通過階躍響應(yīng)曲線判別通道傳遞函數(shù)表達(dá)方式。 3）應(yīng)用作圖法測定通道一階慣

19、性傳遞函數(shù)的增益 K 和時間常數(shù) T。 4）應(yīng)用作圖法測定通道一階慣性加純滯后傳遞函數(shù)的增益 K、時間常數(shù) T 和 純滯后時間 。 2、實驗原理、實驗原理 1）通道模型）通道模型 建立工業(yè)過程的數(shù)學(xué)模型是對通道影響關(guān)系的深入揭示，在過程控制中，建立通道模 型的用途主要是：輔助控制系統(tǒng)方案的分析和研究；直接用來作為先進(jìn)控制系統(tǒng)中的數(shù)學(xué) 模型；輔助控制系統(tǒng)的調(diào)試；進(jìn)行 PID 控制器的參數(shù)整定；輔助安全評價和決定安全保護(hù) 控制方案；用于故障診斷；用于仿真訓(xùn)練等。 工業(yè)過程的數(shù)學(xué)模型主要分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型。通道動態(tài)模型是表達(dá)輸入變量和 輸出變量之間隨時間變化的數(shù)學(xué)描述。數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)為微分方程，

20、常用傳遞函數(shù)表示， 以便采用代數(shù)方法分析動態(tài)系統(tǒng)。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 11 常見的通道傳遞函數(shù)模型如下： 一階慣性模型，例如 （2-7） G s s ( ) . . 352 6171 一階慣性加純滯后模型，例如 （2-8） G s e s s ( ) . 109 1201 30 二階慣性加純滯后模型，例如 （2-9）G s e ss s ( ) . ()() 56 321 681 12 高階慣性加純滯后模型，例如 （2-10）G s e s s ( ) . () 28 101 73 6 2）階躍響應(yīng)法測試通道模型）階躍響應(yīng)法測試通道模型 本方法測試簡便，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。測試的

21、前提是過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，且所 有的控制器置手動，防止系統(tǒng)的變化被控制作用所掩蓋。為了確保系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，先 利用自動控制穩(wěn)定工況，然后置手動也是有效的方法。當(dāng)確認(rèn)系統(tǒng)穩(wěn)定后，將所選定通道 的輸入變量（一般是用閥門調(diào)整）快速變化一個幅度，相當(dāng)于輸入一個階躍變化。記錄輸 入和輸出隨時間變化的曲線。當(dāng)輸出變量達(dá)到一個新的穩(wěn)態(tài)值并保持穩(wěn)定時，即完成一次 測試。 顯然，本方法僅適用于自衡過程，而且，應(yīng)當(dāng)在輸入變量處于不同負(fù)荷（高、中、 低）下各重復(fù)數(shù)次，一方面要確認(rèn)在相同負(fù)荷下的測試數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，應(yīng)取平均值；另一 方面要確認(rèn)不同負(fù)荷下響應(yīng)規(guī)律是否有變化，如果有變化，系統(tǒng)特性是非線性的。 利用所測試的階

22、躍響應(yīng)曲線可以得到通道傳遞函數(shù)模型，可有如下三種情況。 一階慣性特性一階慣性特性 如果階躍響應(yīng)曲線沒有純滯后或純滯后時間相對很小，且響應(yīng)曲線起始變化率很大可 看成一階慣性特性?？芍苯訌那€上用作圖法測得時間常數(shù) T 和通道開環(huán)增益 K。見圖 4- 1 所示，T 等于從起始穩(wěn)態(tài)變化到新的穩(wěn)態(tài) 63.2%處的時間，K 等于前后兩個穩(wěn)態(tài)值 y1、y2 的差與輸入階躍變化的增幅之比。 K yy uu 21 21 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 12 圖 4-1 作圖法測量 T 和 K （1）一階慣性加純滯后特性一階慣性加純滯后特性 如果階躍響應(yīng)曲線有明顯的純滯后，且響應(yīng)曲線呈現(xiàn) S 形，通道為高階特性，

23、常用一 階慣性加純滯后近似。即需要得到純滯后時間 、時間常數(shù) T 和通道開環(huán)增益 K，可直接 從曲線上用作圖法測得。見圖 4-2 所示，在 S 形曲線的中間拐點處作切線，與前后兩個穩(wěn) 態(tài)值 y1、y2 的交點對應(yīng)的時間差為通道時間常數(shù) T，從階躍擾動起始時刻到切線與 y1水平 線交點所對應(yīng)時刻的時間差為 ，K 等于前后兩個穩(wěn)態(tài)值 y1、y2的差與輸入階躍變化的增 幅之比。 （2）二階或二階或 n 階慣性加純滯后階慣性加純滯后 當(dāng)階躍響應(yīng)是 S 形單調(diào)曲線，也可以用兩個或多個一階慣性環(huán)節(jié)近似，可望得到更 好的擬合精度。通道增益 K 的求取方法同前。從階躍干擾產(chǎn)生時刻沿響應(yīng)曲線沒有變化到 剛開始變

24、化的時刻確定純滯后時間 。余下的工作是決定如何用二階或 n 階慣性環(huán)節(jié)擬合 截去純滯后部分的階躍響應(yīng)特性。依據(jù)階躍響應(yīng)曲線上的兩個點的數(shù)據(jù)，可以確定二階或 n 階慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。例如，可在響應(yīng)曲線總變化范圍的 40%和 80%處測定出時間 t1 和 t2，見圖 4-3 所示。求取各環(huán)節(jié)時間常數(shù)的方法如下。 當(dāng) 0.32 0.46 時，該階躍響應(yīng)特性具有更高的階次。為了便于計算，令所有的慣性 環(huán)節(jié)時間常數(shù)相等，確定慣性環(huán)節(jié)階次 n 和時間常數(shù) T 的方法是，先計算 t1/ t2從數(shù)據(jù)表 4- 1 查得階次 n，然后用下式計算時間常數(shù) T。 （2-13） T tt n 12 216. 表 4-

25、1 模型階次 t1/ t20.320.460.530.580.620.650.670.6850.710.7350.75 n12345678101214 圖 4-3 兩點作圖法測量 K、T、n 2、實驗工藝過程描述、實驗工藝過程描述 工藝過程同實驗 1，流程圖見圖 1-1。通過自動控制液位 L1 維持上游穩(wěn)定，手動調(diào)整 V2 的開度產(chǎn)生階躍擾動，記錄泵出口流量 F2 的變化趨勢曲線，通過記錄曲線得出 V2 對 F2 的通道傳遞函數(shù)模型。 3、實驗設(shè)備及連接、實驗設(shè)備及連接 1）在上位計算機(jī)啟動測試軟件，選擇并進(jìn)入離心泵及液位工程。 2）盤臺上線路連接。同實驗 1。 4、控制系統(tǒng)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài)

26、 1）保留液位 L1 控制系統(tǒng)，以便盡快進(jìn)入測試前的穩(wěn)定工況。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 14 2）完成趨勢畫面組態(tài)，選擇 F2 需要趨勢記錄。趨勢畫面見圖 2-31。 3）閥門 V1、V2 選線性特性。 5、實驗步驟、實驗步驟 1）將測試軟件選定為運行狀態(tài)。 2）參照第一部分，第二單元操作規(guī)程將本系統(tǒng)開車到穩(wěn)定工況。此時，手動調(diào)整 V2 的開度為 50%，L1 給定值設(shè)為 50%，通過自動控制將 L1 穩(wěn)定在 50%。 3）為了計算 V2 至 F2 通道靜態(tài)增益 K，需要 F2 在 V2 最大開度（100%）的流量。手 動將 V2 開大到 100%，記錄穩(wěn)定后的 F2=17.7 kg/s

27、。 4）手動將 V2 的開度關(guān)小到 60%，等系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此時的流量 F2=10.64 kg/s。 5）手動快速將 V2 開度提升到 65%，等系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此時的流量 F2=11.53 kg/s。 6）重復(fù) 4)和 5)兩次，記錄 F2 在 V2 變化開度前后的穩(wěn)態(tài)值，用三次測試的平均值為最 終結(jié)果。 7）在高負(fù)荷，例如，V2 從 85%變化到 90%；在低負(fù)荷，例如，V2 從 30%變化到 35%，重復(fù)以上試驗，記錄測試結(jié)果。 6、實驗結(jié)果記錄、實驗結(jié)果記錄 詳見圖 4-4 記錄的 V2 變化引起 F2 變化趨勢。測試得到的一組數(shù)據(jù)如表 4-2。 表 4-2測試實驗案例

28、012 實驗記錄 V2（%）1006065 F2（kg/s）17.710641153 在記錄曲線上得到時間常數(shù)為 T=4.5s。 計算通道靜態(tài)增益 （2-14） K (.) . () . . . 11531064 177 6560 100 005 005 10 通道傳遞函數(shù)模型為 （2-15）G s s ( ) . . 10 451 7、實驗分析與結(jié)論、實驗分析與結(jié)論 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 15 圖 4-4 通道模型測試記錄曲線 實驗實驗 5：衰減振蕩法液位：衰減振蕩法液位 PID 控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定 1 1、實驗?zāi)康摹嶒災(zāi)康?1）掌握衰減振蕩法 PID 控制器參數(shù)整定技能

29、。 2）熟悉控制器參數(shù)整定的常用標(biāo)準(zhǔn)。 3）掌握衰減振蕩法 PID 控制器參數(shù)估算方法。 4）了解衰減振蕩法 PID 控制器參數(shù)整定的適用范圍。 2 2、實驗原理、實驗原理 由于工業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定性要求，不允許進(jìn)行等幅振蕩試驗，或者對象特性無法達(dá)到等 幅振蕩的場合，可以采用衰減振蕩法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)整定。 與臨界比例度法比較而言，參數(shù)整定步驟完全相同，唯一的區(qū)別是采用純比例作用得 到 4:1 衰減的階躍干擾的響應(yīng)曲線為參數(shù)整定計算依據(jù)。令 KS為 4:1 衰減振蕩時的純比例 增益，TS為 4:1 衰減振蕩周期，PID 參數(shù)估算方法參見表 5-1。 表 5-1 衰減振蕩法 PID 控制器參

30、數(shù)整定計算表 控制規(guī)律P（KC）I（Ti）秒D（Td）秒 PKS PI0.83KS0.5TS PID1.25KS0.3TS0.1TS 衰減振蕩法控制器參數(shù)整定的優(yōu)點是，整定質(zhì)量較好、對工藝過程干擾較小、安全可靠。 缺點是，對于時間常數(shù)小的系統(tǒng)不易測取衰減振蕩周期 TS，干擾頻繁的系統(tǒng)也不宜使用。 3、實驗工藝過程描述、實驗工藝過程描述 衰減振蕩法 PID 控制器參數(shù)整定選三級液位流程中的第二級液位 L3，具體流程見圖 3- 1。工藝過程的描述詳見第一部分，第二單元。為了防止 L1 和 L4 超限，分別采用 PID 單 回路控制。本試驗針對 L3 進(jìn)行衰減振蕩法 PID 控制器參數(shù)整定。 過程裝

31、備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 16 圖 5-1 三級液位流程圖畫面 流程說明流程說明 見圖 5-2，第一級液位系統(tǒng)為臥式儲罐，其上游設(shè)雙效閥 V1，入口流量 F1，儲罐液 位 L1，儲罐下部出口快開閥 S1（開關(guān)） ，離心泵，離心泵入口壓力 P2，離心泵出口壓力 P3，離心泵出口流量 F2，離心泵高點排氣閥 S3（開關(guān)） ，排氣完成指示燈 D1，離心泵出 口雙效閥 V2。第一級液位系統(tǒng)和離心泵另設(shè)獨立的實驗項目，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及所有內(nèi)容與三級 液位的第一級完全相同。 離心泵一般由電動機(jī)帶動。啟動前須在離心泵的殼體內(nèi)充滿被輸送的液體。當(dāng)電機(jī)通 過聯(lián)軸結(jié)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，液體受到葉片的推力同時旋轉(zhuǎn)，由于離心

32、力的作用，液體 從葉輪中心被甩向葉輪外沿，以高速流入泵殼，當(dāng)液體到達(dá)蝸形通道后，由于截面積逐漸 擴(kuò)大，大部分動能變成靜壓能，于是液體以較高的壓力送至所需的地方。當(dāng)葉輪中心的流 體被甩出后，泵殼吸入口形成了一定的真空，在壓差的作用下，液體經(jīng)吸入管吸入泵殼內(nèi)， 填補(bǔ)了被排出液體的位置。 離心泵若在啟動前未充滿液體，則離心泵殼內(nèi)極易存在空氣，由于空氣密度很小，所 產(chǎn)生的離心力就很小。此時在吸入口處形成的真空不足以將液體吸入離心泵內(nèi)，因而不能 輸送液體，這種現(xiàn)象為“氣縛” 。所以離心泵在開動前必須首先將被輸送的液體充滿泵體， 并進(jìn)行高點排氣。 第二級液位系統(tǒng)，高位非線性計量罐，該罐的上部是直圓桶型，下

33、部為圓錐型，液位 L3，罐出口流量 F5，出口雙效閥 V5； 第三級液位系統(tǒng)，釜式反應(yīng)器，反應(yīng)器液位 L4，出口流量 F9，出口雙效閥 V9。 在三級液位實驗中，三個儲水罐都通大氣，即都為敞口設(shè)備。設(shè)備尺寸和閥門選型如 下： 1）臥式儲罐，直徑1000 mm，長度1000 mm，體積0.785 m3 2）臥式儲罐上游自來水管公稱直徑 Dg100 mm （1084無縫鋼管） 3）調(diào)節(jié)閥V1，選吳忠儀表廠HTS單座調(diào)節(jié)閥，公稱通徑Dg100 mm，閥座直徑65 mm，高精 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 17 度流量特性閥芯，流通能力 Kv= 58.3（Cv= 68） 4）臥式儲罐出口到離心泵入口水

34、管長度 2 m，公稱直徑 Dg80 mm （893.5無縫鋼管） 5）離心式水泵，型號2B31，流量30m3/h，揚程24 m，功率3.07 kw，電機(jī) 4.0 kw，允許吸 入高度 5.7 m，葉輪直徑162 mm（離心式水泵特性可直接在本實驗系統(tǒng)測得） 6）離心泵出口至高位非線性計量罐水管長度 8 m，公稱直徑 Dg50 mm （572.5無縫 鋼管） 7）調(diào)節(jié)閥V2，選吳忠儀表廠HTS單座調(diào)節(jié)閥，公稱通徑Dg50 mm，閥座直徑50 mm，高精 度流量特性閥芯，流通能力 Kv= 37.7（Cv= 44） 8）高位非線性計量罐（第二級液位） ，直徑600 mm，圓筒型部分高度1000 mm

35、，圓錐型部 分高度520 mm，體積0.33 m3 9）釜式反應(yīng)器（第三級液位） ，直徑1000 mm，高度1600 mm，體積1.26 m3 圖5-2 離心泵與三級液位流程圖 10）高位非線性計量罐至釜式反應(yīng)器頂部高差1000 mm，連接水管長度 2 m，公稱直徑 Dg100 mm （1084無縫鋼管） 11）調(diào)節(jié)閥V5，選吳忠儀表廠HTS單座調(diào)節(jié)閥，公稱通徑Dg100 mm，閥座直徑100 mm，高 精度流量特性閥芯，流通能力 Kv= 150（Cv= 175） 12）釜式反應(yīng)器底部排水管向大氣排水，高差500 mm，水管長度 2 m，公稱直徑 Dg100 mm （1084無縫鋼管） 13）

36、調(diào)節(jié)閥V9，選吳忠儀表廠HTS單座調(diào)節(jié)閥，公稱通徑Dg100 mm，閥座直徑100 mm，高 精度流量特性閥芯，流通能力 Kv= 150（Cv= 175） 4、實驗設(shè)備及連接、實驗設(shè)備及連接 1）在上位計算機(jī)啟動測試軟件，選擇并進(jìn)入三級液位工程。 2）在盤臺上進(jìn)行線路連接。 用黑色導(dǎo)線將臥圓罐液位 L1 黑色插孔和液晶顯示器下部 1 號黑色插孔連接，將 L1 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第一排左數(shù)第一個棒圖顯示。 用黑色導(dǎo)線將反應(yīng)器液位 L4 黑色插孔和液晶顯示器下部 2 號黑色插孔連接，將 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 18 L4 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第一排左數(shù)第二個棒圖顯示。 用黑色導(dǎo)線將

37、第二級液位 L3 黑色插孔和液晶顯示器下部 5 號黑色插孔連接，將 L3 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第一排右數(shù)第一個棒圖顯示。 用黑色導(dǎo)線將流量 F2 黑色插孔和液晶顯示器下部 14 號黑色插孔連接，將 F2 設(shè) 定為液晶顯示器上對應(yīng)的第三排右數(shù)第二個數(shù)字顯示。 用黑色導(dǎo)線將流量 F5 黑色插孔和液晶顯示器下部 15 號黑色插孔連接，將 F5 設(shè) 定為液晶顯示器上對應(yīng)的第三排右數(shù)第一個數(shù)字顯示。 5、控制系統(tǒng)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài) 1）將液位 L1 控制定義為位號 LIC-01，PID 參數(shù)設(shè)置為：KC=16、Ti=60 秒、Td=0 秒、 反作用。變送器采集點選 L1。帶定位器的控制閥選 V1，閥

38、門特性為線性，組態(tài)畫面見圖 5-3。 2）將液位 L4 控制定義為位號 LIC-04，PID 參數(shù)設(shè)置為：KC =2、Ti =50 秒、Td =0 秒、 正作用。變送器采集點選 L4。帶定位器的控制閥選 V9，閥門特性為線性，組態(tài)畫面見圖 2-57。 3）將液位 L3 控制定義為位號 LIC-03，PID 參數(shù)設(shè)置為：KC =1、Ti =99999 秒、Td =0 秒、正作用。變送器采集點選 L3。帶定位器的控制閥選 V5，閥門特性為線性，組態(tài)畫面 見圖 2-57。 4）完成趨勢畫面組態(tài)，選擇 L3、V5 兩個變量需要趨勢記錄。趨勢畫面見圖 2-58。 5）閥門 V1、V2、V5、V9 選線性

39、特性。 圖5-3 控制器參數(shù)整定控制系統(tǒng)組態(tài) 6、實驗步驟、實驗步驟 1）設(shè)定趨勢回零狀態(tài)，啟動測試軟件為運行模式。 2）按照第一部分，第二單元操作規(guī)程將本系統(tǒng)開車到穩(wěn)定工況。此時，L1 給定值設(shè)為 50%投自動；L4 給定值設(shè)為 1.0 m 投自動。手動調(diào)整 V2 及 V5，使 L3 穩(wěn)定在 1.0 m 左右， 將 LIC-03 投自動。 3）將 LIC-03 設(shè)為純比例作用，增益 KC從 1.0 到大以 1.0 為增量逐漸變化，每變化一次 增益 KC，觀察一次階躍響應(yīng)曲線，直到出現(xiàn) 4:1 衰減振蕩曲線為止。測量并記錄此時的 增益 KS=2.2，振蕩周期 TS=73 秒，記錄曲線見圖 5-

40、4。此時的余差大約為 0.08m。 4）參考計算公式表計算得到：KC=2.75，Ti=22 秒，Td=7.3 秒。 5）將計算得到的數(shù)據(jù)設(shè)置為 LIC-03 的 PID 參數(shù)，手動調(diào)整 V2 將流量 F2 拉偏引入階 躍干擾，觀察響應(yīng)曲線，階躍響應(yīng)曲線見圖 5-5。 7、實驗結(jié)果記錄、實驗結(jié)果記錄 詳見圖 5-4 和圖 5-5 所記錄的 L3、V5 隨時間變化的歷史曲線。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 19 8、實驗分析與結(jié)論、實驗分析與結(jié)論 圖 5-4 衰減曲線趨勢記錄畫面 圖 5-5 最終趨勢記錄畫面 9、思考題、思考題 1）如何將控制器衰減振蕩的比例度折算到增益值？ 2）衰減振蕩法控制器

41、參數(shù)整定是如何進(jìn)行的？ 3）衰減振蕩法控制器參數(shù)整定有何優(yōu)點和缺點？ 4）列出衰減振蕩法 PID 控制器參數(shù)整定的估算方法。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 20 實驗實驗 6：氣體壓力：氣體壓力 PID 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計與整定單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計與整定 1 1、測試實驗?zāi)康?、測試實驗?zāi)康?1）掌握壓力 PID 單回路控制系統(tǒng)的常用方法。 2）熟悉壓力 PID 單回路控制系統(tǒng)組態(tài)。 3）掌握壓力 PID 控制器參數(shù)整定方法。 2 2、實驗原理、實驗原理 1 1）壓力 作用于單位面積上的垂直力，工程上稱為壓力，物理學(xué)中稱為壓強(qiáng)。壓力依據(jù)零點參 考壓力的不同，分為絕對壓力、表壓力、壓力差、負(fù)壓力

42、（真空）和真空度。 絕對壓力：絕對壓力：以完全真空為零標(biāo)準(zhǔn)所表示的壓力。 表壓力：表壓力：以大氣壓為零標(biāo)準(zhǔn)所表示的壓力，等于高于大氣壓力的絕對壓力與大氣壓力 之差。 大氣壓力：大氣壓力：一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓是在緯度 45 度，溫度為 0，重力加速度為 9.80665m/s2 海平面上，空氣氣柱重量所產(chǎn)生的絕對壓力，其值是 101325Pa。 壓差：壓差：除大氣壓力以外的任意兩個壓力的差值。 負(fù)壓：負(fù)壓：絕對壓力小于大氣壓時，大氣壓力與絕對壓力之差為負(fù)壓。負(fù)壓的絕對值稱為 真空。 真空度：真空度：絕對壓力小于大氣壓時的絕對壓力。 壓力測量常用的單位有： 帕斯卡（Pa），其物理意義是，1 牛頓的力作用于

43、 1 平方米的面積上的壓強(qiáng)（力）。 工程中常用 MPa 表示壓力，1 MPa=106 Pa， 工程大氣壓（kgf/cm2），垂直作用于每平方厘米面積上的力，以公斤數(shù)為計量單位。 工程上常用 kg/cm2表示。1 kgf/cm2=9.80665105 Pa=0.980665 MPa。 物理大氣壓（atm），即上面所述的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。 毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O），垂直作用于底面積上的水銀柱或水柱 的高度為計量單位。1 atm=760 mmHg。 許多生產(chǎn)過程都是在不同的壓力下進(jìn)行的，有些需要很高的壓力，例如，高壓聚乙烯、 合成氨生產(chǎn)過程等，有些需要很高的真空度。壓力是化學(xué)反應(yīng)的重要

44、參數(shù)，不但影響到反 應(yīng)平衡關(guān)系，也影響到反應(yīng)速率。生產(chǎn)過程中的其它參數(shù)也經(jīng)常通過壓力間接測量，例如， 流量、液位、溫度等可以轉(zhuǎn)換為壓力進(jìn)行測量。 2）壓力的測量）壓力的測量 壓力（壓差）的測量方法主要有，液體式、彈性式、活塞式、電動式（電感、電容、 電位、應(yīng)變、壓電、霍爾、力平衡、電渦流等）、氣動式、光學(xué)式（光纖、光干涉、光電、 激光等）。壓力控制系統(tǒng)的檢測部件通過壓力變送器，輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的 4-20mA 信號。 3）壓力的動態(tài)特性）壓力的動態(tài)特性 壓力控制在工業(yè)中主要有氣體、液體和蒸汽三種。對象的類型常見有兩類，其一是具有 一定容量的氣罐，此種情況，體積和容量較大，表征動態(tài)特性的時間常數(shù)較大

45、，即慣性較 大。其二是管道的壓力，由于管段的容積較小，所以時間常數(shù)較小，控制比較靈敏。 以上兩種情況與溫度對象相比都是比較快的過程，時間常數(shù)不大，都大致呈現(xiàn)單容特性， 在控制中一般不用微分作用。 4）壓力的控制方案）壓力的控制方案 一個系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)可以用其壓力、熱焓和體積加以描述。當(dāng)僅有氣相存在時，氣體 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 21 的壓力和體積成反比，熱焓相對而言起次要作用。本實驗系統(tǒng)的氣體壓縮過程屬于此種情 況。 當(dāng)過程物系中液體與蒸汽共存并處于汽液平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)中的熱焓變化將會引起壓力 的顯著變化，而體積變化對壓力影響較小。此外，當(dāng)混合物系中組分的汽液平衡特性差異 較大時，各

46、組分的比分對壓力影響很大。本實驗系統(tǒng)的連續(xù)反應(yīng)器壓力和間歇反應(yīng)器壓力 屬于此種情況。 對于過程只有液相而言，由于液體是不可壓縮的，壓力和熱焓對系統(tǒng)的體積都沒有多大 影響。液體的壓力控制與流量十分相似，例如，管路中的壓力直接與流量有關(guān)，過程的動 態(tài)特性完全是由于流體流動的慣性造成的。本實驗系統(tǒng)離心泵出口壓力屬于此種情況。 對于蒸汽壓力控制而言，質(zhì)量流量和熱量流量兩者都影響系統(tǒng)的壓力。在蒸汽鍋爐、精 餾塔或蒸發(fā)器中，熱量傳遞是重要的操作和控制手段，可以利用系統(tǒng)的壓力控制保持過程 的熱量平衡。此種情況壓力的動態(tài)特性和溫度類似。 3、實驗工藝過程描述、實驗工藝過程描述 壓力 PID 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)

47、計與整定實驗流程見圖 2-9 氣體壓縮系統(tǒng)。工藝過程的 描述詳見第一部分，第四單元。本實驗的目的是通過閥門 V6 進(jìn)行壓力 P7 的定值控制。為 了防止上游有關(guān)閥門的阻力影響，將壓縮機(jī)出口閥 V3、緩沖罐出口閥 V4 開到 100%不變。 圖 6-1 氣體壓縮過程流程圖畫面 氣體壓縮過程實驗流程如圖 6-2 所示，主要設(shè)備和變量有：透平式氣體壓縮機(jī)，壓縮 機(jī)出口壓力 P4，出口流量 F3，出口雙效閥 V3，氣體緩沖罐，罐內(nèi)壓力 P5，罐出口流量 F4，罐出口雙效閥 V4，被充壓的裝置用釜式反應(yīng)器代替，裝置壓力 P7，裝置的出口流量 為 F6，出口雙效閥 V6。 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 2

48、2 圖 6-2 氣體壓縮過程流程圖 4、實驗設(shè)備及連接、實驗設(shè)備及連接 1）在上位計算機(jī)啟動測試軟件，選擇并進(jìn)入氣體壓縮工程。 2）在盤臺上進(jìn)行線路連接。用黑色導(dǎo)線將壓力 P7 黑色插孔和液晶顯示器下部 15 號黑 色插孔連接，將 P7 設(shè)定為液晶顯示器上對應(yīng)的第三排右數(shù)第一個數(shù)字顯示。 3）用黑色導(dǎo)線將流量 F6 黑色插孔和液晶顯示器下部 10 號黑色插孔連接，將 F6 設(shè)定 為液晶顯示器上對應(yīng)的第二排右數(shù)第一個數(shù)字顯示。 5、控制系統(tǒng)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài) 1）將壓力 P7 控制器定義為位號 PIC-01，PID 參數(shù)設(shè)置為：KC=10、Ti=99999 秒、Td=0 秒、正作用。變送器采集點

49、選 P7。帶定位器的控制閥選 V6，閥門特性為線性，組態(tài)畫面 見圖 2-73。 2）完成趨勢畫面組態(tài)，選擇 P7、V6 兩個變量需要趨勢記錄。趨勢畫面見圖 6-3。 3）閥門 V3、V4 選線性特性。 圖 6-3 壓力控制系統(tǒng)組態(tài)畫面 6、實驗步驟、實驗步驟 1）設(shè)定趨勢回零狀態(tài)，啟動測試軟件為運行模式。 2）按照第一部分，第四單元操作規(guī)程將本系統(tǒng)開車到穩(wěn)定工況。此時，V3 全開 100%，V4 全開 100%，PIC-01 投自動。 3）將 PIC-01 設(shè)為純比例作用，增益 KC從 10 以 1.0 為增量逐漸變化，每變化一次增益 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 23 KC，觀察一次階躍響應(yīng)

50、曲線，直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線為止。測量并記錄此時的臨界增益 Kcmax= 21，等幅振蕩周期 Tmax=60 秒。 4）參考計算公式表計算得到 PI 控制參數(shù)為：KC=9.5，Ti=50 秒，Td=0 秒。 5）將計算得到的數(shù)據(jù)設(shè)置為 PIC-01 的 PI 參數(shù)，調(diào)整設(shè)定值，將 P7 設(shè)定值拉偏引入階 躍干擾，觀察響應(yīng)曲線。等幅振蕩和階躍響應(yīng)曲線見圖 6-4。 7、實驗結(jié)果記錄、實驗結(jié)果記錄 詳見圖 6-4 記錄了 P7 與 V6 隨時間變化的歷史曲線。 8、實驗分析與結(jié)論、實驗分析與結(jié)論 圖 6-4 氣體壓力控制等幅振蕩和階躍響應(yīng)曲線 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 24 附錄： 第五單元第五

51、單元 連續(xù)反應(yīng)過程連續(xù)反應(yīng)過程 一、概述一、概述 本連續(xù)反應(yīng)過程是工業(yè)常見的典型的帶攪拌的釜式反應(yīng)器（CSTR）系統(tǒng)，同時又是高 分子聚合反應(yīng)。本實驗是當(dāng)前全實物實驗根本無法進(jìn)行的復(fù)雜、高危險性實驗，又是非常 重要的基礎(chǔ)反應(yīng)動力學(xué)實驗和反應(yīng)系統(tǒng)控制實驗內(nèi)容。此外，全實物實驗還面臨物料消耗、 能量消耗、反應(yīng)產(chǎn)物的處理、廢氣廢液的處理和環(huán)境污染問題，以上各項問題比間歇反應(yīng) 更嚴(yán)重，因為連續(xù)反應(yīng)的處理量大大超過間歇過程?，F(xiàn)有的連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)實際上都是 水位及流量系統(tǒng)，根本沒有反應(yīng)現(xiàn)象。在本連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)上除了進(jìn)行常規(guī)控制系統(tǒng)實 驗外，還可以進(jìn)行模糊控制、優(yōu)化控制、深層知識專家系統(tǒng)（例如 SDG

52、法）故障診斷等高 級控制實驗。 二、工藝過程簡介二、工藝過程簡介 連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)以液態(tài)丙烯為單體、以液態(tài)已烷為溶劑，在催化劑與活化劑的作用 下，在反應(yīng)溫度 701.0下進(jìn)行懸浮聚合反應(yīng)，得到聚丙烯產(chǎn)品。 在工業(yè)生產(chǎn)中為了提高產(chǎn)量，常用兩釜或多釜串聯(lián)流程。由于在每一個反應(yīng)釜中的動 態(tài)過程內(nèi)容相似，為了提高實驗效率、節(jié)省實驗時間，特將多釜反應(yīng)器簡化為單反應(yīng)器連 續(xù)操作系統(tǒng)。 丙烯聚合反應(yīng)是在己烷溶劑中進(jìn)行的，采用了高效、高定向性催化劑。己烷溶劑是反 應(yīng)生成物聚丙烯的載體，不參與反應(yīng)，反應(yīng)生成的聚丙烯不溶于單體丙烯和溶劑，反應(yīng)器 內(nèi)的物料為淤漿狀，故稱此反應(yīng)為溶劑淤漿法聚合。 見圖 1-7 所示，

53、連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)包括：帶攪拌器的釜式反應(yīng)器。反應(yīng)器為標(biāo)準(zhǔn)盆頭 釜，為了縮短實驗時間，必須減小時間常數(shù)，亦即縮小反應(yīng)器容積，縮小后的反應(yīng)器尺寸 為：直徑 1000 mm，釜底到上端蓋法蘭高度 1376 mm，反應(yīng)器總?cè)莘e 1.037 m3 ，反應(yīng)釜液 位量程選定為 0-1300 mm （0-100%） 。反應(yīng)器耐壓約 2.5MPa，為了安全，要求反應(yīng)器在系 統(tǒng)開、停車全過程中壓力不超過 1.5 MPa。反應(yīng)器壓力報警上限組態(tài)值為 1.2 MPa。 丙烯聚合反應(yīng)過程主要有三種連續(xù)性進(jìn)料（控制聚丙烯分子量的氫氣在實驗中不考慮） ，第一種是常溫液態(tài)丙烯，F(xiàn)4 為丙烯進(jìn)料流量、V4 是丙烯進(jìn)料雙效閥；第

54、二種是常溫液 態(tài)己烷，F(xiàn)5 己烷進(jìn)料流量、V5 己烷進(jìn)料閥；第三種是來自催化劑與活化劑配制單元的常 溫催化劑與活化劑的混合液，F(xiàn)6 為催化劑混合液進(jìn)料流量、V6 催化劑混合液進(jìn)料閥。催 化劑可以用三氯化鈦（TiCl3） ，活化劑可以用一氯二乙基鋁（Al(C2H5)2Cl） ，兩種化合物用 己烷溶劑稀釋成混合液，催化劑濃度 4%，活化劑與催化劑克分子濃度之比為 21。由于 催化劑量小，常用計量泵控制，在本實驗中用精小型控制閥代替。 反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物聚丙烯重量百分比濃度為 A，反應(yīng)溫度為 T1，液位為 L4。反應(yīng)器出 口漿液流量 F9，出口雙效閥 V9，出口泵，出口泵開關(guān) S5（開關(guān)） ，反應(yīng)器夾套

55、第一冷卻 水入口流量 F7，雙效閥 V7，反應(yīng)器夾套第二冷卻水入口流量 F8，雙效閥 V8，反應(yīng)器夾 套加熱熱水閥 S6（開關(guān)） ，反應(yīng)器攪拌電機(jī)開關(guān) S8。 （1）過程變量說明）過程變量說明 連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)在盤面所涉及的傳感器輸出變量、變量正常工況的數(shù)據(jù)、計量單位 如下。 F4 丙烯進(jìn)料流量 729 kg/h 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 25 F5 己烷進(jìn)料流量 1540 kg/h F6 催化劑進(jìn)料流量 88 kg/h F7 冷卻水流量（第一） 25 t/h （最大） F8 冷卻水流量（第二） 42 t/h （最大） F9 反應(yīng)器出口流量 kg/h T1 反應(yīng)溫度 P7 反應(yīng)壓力 MPa

56、（絕壓） L4 反應(yīng)器料位 % (0-1.3m，0-100%) A 出口聚丙烯重量百分比濃度 % （2）操作變量說明）操作變量說明 連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)在盤面所涉及的操作、控制閥門及開關(guān)，已注明閥門公稱直徑、國標(biāo) 流通能力（Kv）如下。 V4 丙烯進(jìn)料閥 Dg25 Kv=3.42 (Cv=4) V5 己烷進(jìn)料閥 Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3) V6 催化劑進(jìn)料閥 Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25) V7 冷卻水閥（第一） Dg40 Kv=25.64 (Cv=30) V8 冷卻水閥（第二） Dg50 Kv=42.73 (Cv=50) V9 反應(yīng)器出口閥 Dg25 Kv=8.5

57、4 (Cv=10) S6 熱水加熱閥 S8 反應(yīng)器攪拌電機(jī)開關(guān) 三、反應(yīng)過程特性三、反應(yīng)過程特性 為了設(shè)計和實施有效且高質(zhì)量的控制，必須首先對連續(xù)反應(yīng)過程的主要變量之間的影 響關(guān)系和動態(tài)特性進(jìn)行分析，必要時需定量測試。這些特性、影響關(guān)系和數(shù)據(jù)完全可以通 過對本實驗系統(tǒng)實施開車、停車或?qū)χ饕兞窟M(jìn)行拉偏試驗得到。然而，在真實系統(tǒng)上， 由于安全或經(jīng)濟(jì)效益的考慮，多數(shù)試驗是不允許進(jìn)行的。下面對本連續(xù)反應(yīng)過程的特性進(jìn) 行簡要介紹。 （1）全混流反應(yīng)器特征）全混流反應(yīng)器特征 由于本反應(yīng)器有強(qiáng)烈地攪拌作用，已烷溶劑又起到了很好的分散與稀釋功能，使得反 應(yīng)器中的物料流動狀態(tài)滿足全混流假定，即反應(yīng)器內(nèi)各點的組

58、成和溫度都是均勻的，反應(yīng) 器的出口組成和溫度與反應(yīng)器內(nèi)相等。 （2）反應(yīng)停留時間）反應(yīng)停留時間 從反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器開始至該反應(yīng)物料離開反應(yīng)器為止所歷經(jīng)的時間稱為停留時間。 該時間與反應(yīng)器中實際的物料容積和物料的體積流量有關(guān)。一般來說停留時間長，進(jìn)料流 量小，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率高。也就是說為了使出口聚丙烯的濃度提高，必須減少進(jìn)料和出料流 量。由于本反應(yīng)器的物料流動狀態(tài)滿足全混流假定，可以采用平均停留時間的方法表達(dá)， 反應(yīng) 平均停留時間等于反應(yīng)器中物料實際容積除以反應(yīng)器中參與反應(yīng)的物料體積流量。 （3）反應(yīng)溫度）反應(yīng)溫度 丙烯聚合反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，因此，根據(jù)反應(yīng)溫度的高低能判斷聚合反應(yīng)速度的快慢。 即

59、當(dāng)反應(yīng)速度加快時，放出的熱量增加，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高；反之系統(tǒng)溫度下降，因為此 時出口物料流量和夾套冷卻水會帶走熱量。放熱反應(yīng)屬于非自衡的危險過程，當(dāng)反應(yīng)溫度 過高時，聚合反應(yīng)速度加快，使得反應(yīng)放出的熱量增加，如果熱量無法及時移走，則反應(yīng) 溫度進(jìn)一步升高。這種“正反饋”作用將導(dǎo)致“暴聚”事故。此時由于溫度超高，系統(tǒng)壓 過程裝備與控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書 26 力必定超高，如果超過反應(yīng)器所能耐受的壓力，可能發(fā)生爆炸與火災(zāi)事故。即使不發(fā)生惡 性事故，由于反應(yīng)速度太快，聚合生成的都是低分子無規(guī)則狀聚合物，產(chǎn)品也不合格。 在反應(yīng)停留時間相同、催化劑量相同的條件下，聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率由反應(yīng)溫度所決定。 控制反應(yīng)溫

60、度的主要手段是夾套冷卻水的流量。反應(yīng)溫度要求控制在 701.0。影響夾套 冷卻作用的相關(guān)因素是反應(yīng)器內(nèi)料位的高低、冷卻水與反應(yīng)溫度的溫度差，料位高換熱面 積大，溫度差大熱交換推動力大。 反應(yīng)溫度和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的變化屬于時間常數(shù)較大、慣性較大的高階特性。冷卻水流量 的變化隨閥門的開關(guān)變化較快、時間常數(shù)較小。當(dāng)冷卻水壓力下降時（這種干擾在現(xiàn)場時 有發(fā)生） ，即使閥位不變，冷卻水流量也會下降，冷卻水帶走的熱量減少，反應(yīng)器中物料溫 度會上升。由于溫度變化的滯后，當(dāng)傳感器和控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時，已經(jīng)滯后了。針對這一 問題，應(yīng)當(dāng)選用能夠減小滯后影響的控制方案。例如，串級控制系統(tǒng)的副回路能減少對象 的時間常數(shù)。