夾套式反應器溫度串級控制控制方案設計

1、中北大學課程設計說明書目 錄一.概述2-6頁1.1化學反應器的基本介紹 2-3頁1.2夾套式反應器的控制要求3 頁1.3夾套式反應器的擾動變量3-4頁1.4基本動態(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)設計7-18頁 3.1被控變量和控制變量的選擇7-8頁 3.2主、副回路的設計8-9頁 3.3現(xiàn)場儀表選型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頁四課程設計總結18頁五結束語18頁六參考文獻19頁 一概述1.1 化學反應器的基本介紹反應器（或稱反應

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

3、化學反應連續(xù)不斷地進行，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)品的反應器都采用連續(xù)的形式。二、從物料流程的進行方式可分為單程與循環(huán)兩類物料在通過反應器后不再進行循環(huán)的流程稱為單程，當反應的轉化率和產(chǎn)率都較高時，可采用單程的排列。如果反應速度較慢，禍首化學平衡的限制，物料一次通過反應器轉化不完全，則必須在產(chǎn)品進行分離后，把沒有反應的物料與新鮮物料混合后，再送送入反應器進行反應。這種流程稱為循環(huán)流程。三、從反應器結構形式可分為釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移動床反應器等。四、從傳熱情況可分為絕熱式反應器和非絕熱式反應器。絕熱式反應器與外界不進行熱量交換，非絕熱式反應器與

4、外界進行熱量交換。一般當反應過程的熱效應大時，必須對反應器進行換熱，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構居多。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，單套生產(chǎn)裝置的產(chǎn)量越來越大，促使了反應設備的大型化。也大大促進了夾套反應器的反展。夾套式反應器是一類重要的化工生產(chǎn)設備，由于化學反應過程伴有許多化學和物理現(xiàn)象以及能量、物料平衡和物料、動量、熱量和物質傳遞等過程，因此夾套反應器操作一般都比較復雜，夾套反應器的自動控制就尤為重要，他直接關系到產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量和安全生產(chǎn)?；どa(chǎn)過程通?？蓜澐譃榍疤幚?、化學反應及后處理三個工序。前處理工序為化學反應做準備，后處理工序

5、用于分離和精制反應產(chǎn)物，而化學反應工序通常是整個生產(chǎn)過程的關鍵，因此在化學反應工序中設計一套比較完善的控制系統(tǒng)是很重要的。設計夾套式反應器的控制方案應從質量指標，物料平衡和能量平衡，約束條件三個方面考慮（假設在本反應器中反應物為一般性的，無腐蝕，無爆炸的液液反應物）。1.2 夾套式反應器的控制要求1.2.1 質量指標夾套式反應器的質量指標一般是反應轉化率或反應生成物的濃度。轉化率是直接質量指標，如果轉化率不能直接測量可選取與它相關的變量來計算間接反映出轉化率的大小。如出口溫度與轉化率的關系為：式中y是轉化率，、分別是進料溫度和出料溫度，是進料重度，c是物料的比熱容，是進料濃度，h是單位質量進料

6、的反應熱。因為成分分析儀表價格高，維護困難等原因。通常采用溫度作為間接質量指標，有時輔以夾套式反應器的壓力和處理量（流量）等控制系統(tǒng)，滿足夾套式反應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正常操作，反應轉化率高，需要保持進入夾套式反應器各種物料量份額或物料的配比符合要求。為此對進入夾套式反應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)的反應的過程中為保持原料的濃度和物料平衡需設置輔助控制系統(tǒng)。由于反應過程有熱效應，因此應該設置相應的熱量平衡控制系統(tǒng)。能量平衡控制要保持化學反應器的熱量平衡。應使進入反應器的熱量與流出的熱量及反應生成熱之間相互平衡。能量平衡控制對化

7、學反應器來說是重要的，它關系到安全生產(chǎn)，也間接的保證了化學反應器的產(chǎn)品質量達到了生產(chǎn)工藝要求。1.2.3 約束條件約束條件防止夾套式反應器的過程變量進入危險工作區(qū)或不正常工況。必須設置相應的參數(shù)反應到控制系統(tǒng)中。假設本設計是在一般條件下的反應器裝置，沒有爆炸危險，因此只涉及了反應液液位報警系統(tǒng)，在反應器內反應液液位過高或過低時系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。1.3 夾套式反應器的擾動變量夾套式反應器的擾動變量有進料口反應液的流量、出料口生成液的流量、夾套中冷水的流量、冷卻水溫度變化、反應器內壓力等多個擾動變量，其中冷卻水溫度的變化是主要擾動。 這些擾動變量有可控的和不可控的。當擾動變量作用下反應轉化率或反

8、應生成物組分與溫度、壓力等參數(shù)之間不出現(xiàn)單值函數(shù)關系時，需要根據(jù)工況變化補償溫度控制系統(tǒng)的給定值。1.4 夾套式反應器動態(tài)數(shù)學模型 絕大部分被控工業(yè)對象都是具有穩(wěn)定性，是一個開環(huán)穩(wěn)定的對象。通常，化學反應過程伴有強烈的熱效應。有的是吸熱，也有的是放熱。然而本反應器的反應設置為放熱反應。對于具有放熱效應的對象，因外干擾式反應器溫度升高，隨著反應速度的加快，釋放的熱量也迅速增多，最終導致溫度不斷上升。因此對于這種具有正負反饋性質的放熱器，在外擾作用下，溫度的變化將向兩個極端方向發(fā)展：一種是溫度一直上升，最終使反應器急速終了；另一種是若外擾先引起反應器溫度下降，則溫度不斷下降，直到反應停止。不少高分

9、子聚合過程的情況就是如此，遂于這樣的放熱反應過程，如果沒有適當?shù)膿Q熱促使，將是一個開環(huán)不穩(wěn)定的對象?；瘜W反應過程涉及物料、能量平衡、反應動力學等，利用動態(tài)數(shù)學模型可以更好的了解這些量的物理意義。以夾套式液相反應器為例，來說明反應器激勵模型的建模思路。其中夾套式液相反應器裝置如圖1-1所示：圖1-1 夾套式反應器1.4.1 基本動態(tài)方程式（1）基本假設兩側流體均呈活塞流狀流動，無軸向混合；徑向熱傳導可用集中參數(shù)表示，即同一截面上各點溫度相同；傳熱系數(shù)u和比熱ca、cb恒定不變；管壁熱容忽略不計；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內管流體a列寫微元d的熱量衡算式： 式中：同

10、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器等都屬于分布參數(shù)對象，它們的動態(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。對于較簡單的（自變量不大于兩個，線性定常）偏微分方程，一般可以通過傳遞函數(shù)法求解。首先進行由時間域t到復域s的拉氏變換，在ta、tb取增量形式時，初始條件為0，由式可得：進行由距離域到復域的拉氏變換，邊界條件如下：令ap=(1-2)2+4a1a2，則式(4.42)右端分母可寫為：ta0對ta1 、tb1的傳遞函

11、數(shù),以及tb0對ta1 、tb1的傳遞函數(shù)可以表示成矩陣的形式：1.4.2 模型的簡化：有上式整理得被控對象傳函為： ;二 控制系統(tǒng)方案確定串級控制系統(tǒng)是兩只調節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調節(jié)器的輸出作為另一個調節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。它的主要特點是如下：（1）能迅速克服進入副回路擾動的影響，對進入副環(huán)的擾動具有較強的抗干擾能力；（2）改善除主控制器以外的廣義對象特性，使系統(tǒng)的工作頻率提高；（3）串級系統(tǒng)可以消除副過程的非線性特性和憂郁調節(jié)閥流量特性不適合而造成的對控制質量的影響；（4）串級控制系統(tǒng)可以兼顧兩個變量，更精確控制操作變量；（5）串級控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)靈活的控制方式，必要死可切除副調節(jié)器。

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

13、改變的設定值。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)與的偏差來自動改變的設定值 。三 控制系統(tǒng)設計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，主被控變量應該能反映工藝指標。夾套式反應器的工藝指標主要是反應器內溫度，利用反應器內溫度來衡量反應物之間反映的充分情況。因此，若要反映工藝指標，夾套式反應器內反應溫度必須是t-t串級控制系統(tǒng)的主被控變量。（2）副被控變量的選擇從串級控制的特點可知，當擾動進入副回路時，副回路能迅速而強有力地克服它，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，并力求把

14、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。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。在夾套式反應器中反應溫度和夾套水溫度構成的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

15、控制。3.2 主、副回路的設計3.2.1 主回路的設計串級控制系統(tǒng)的主回路仍是一個定值控制系統(tǒng)，主回路的設計仍可用單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。因此主回路應包括主要的質量指標等標準。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。由上述的主被控變量和控制變量的選擇可設計出系統(tǒng)主回路。如圖3-1所示；圖3-1 串級控制系統(tǒng)主回路3.2.2 副回路的設計副回路可看作是一種新的動態(tài)環(huán)節(jié)。副回路設計是串級控制系統(tǒng)設計的一個關鍵問題。從結構上看，副回路也是一個單回路，問題的實質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)的選擇應使副回

16、路的時間常數(shù)小，調節(jié)通道短，反應靈敏；其次副回路因包含被控對象所受到主要干擾。由此86-99可設計出系統(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 現(xiàn)場儀表選型3.3.1 測溫檢測元件及變送器（1）溫度檢測元件 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，因此兩個熱電偶可以選擇相同的。假設該夾套式反應器用于普通常壓的情況下100條件下的反應。由此可選鎳鉻-銅鎳（gb/t4993-1998）的熱電極代號為ep。在溫度測量環(huán)節(jié)可用以下的一節(jié)化解來近似：式中，與測量儀表的量程有關。為溫度測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位為分，min.在實際過沉重這些

17、參數(shù)基本不變。這里假設，主溫度儀表量程為50150，副溫度儀表量程為0500，測量環(huán)節(jié)的時間常數(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，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動的影響，且距熱源較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠、溫度較穩(wěn)定的地方。補償導線的作用如圖3-3所示：圖3-4 補償導線作用 用補償導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償問題，為此還要采取進一步的補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零

18、點調整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體pn結補償法。（2）溫度變送器檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號標準。變送器的任務就是將檢測信號轉換成標準信號輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號必須經(jīng)溫度變送器轉換成標準信號后，才能進入控制系統(tǒng)，與調節(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，但他們的結構基本相同。 圖3-5 溫度變送器原理方框圖 圖3-5 智能溫度變送器 本設計采用鎳鉻-銅鎳ep-ii型熱電偶溫度變送器。3.3.2 執(zhí)行器。 圖3-6 氣動球閥內螺紋連接球閥及對焊連接球閥分為整體式

19、、兩段式及三段式。閥體鑄造，結構合理、造型美觀。閥座采用彈性密封結構，密封可靠，啟閉輕松?？稍O置90開關定位機構，根據(jù)需要加鎖以防止誤操作。內螺紋連接不堪閥及對焊連接球閥適用于pn1.04.0mpa,工作溫度-29180（密封圈為增強聚四氟乙烯）或-29300（密封圈為對位聚苯）的各種管路上，用于截斷或接通管路中的介質，選用不同的材質，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。假設調節(jié)閥為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，而且式中為調節(jié)閥的流通面積，通常在一定范圍內變化，這里假設（即控制器的輸出變化，調節(jié)閥的相對流通面積變化）。3.3.3 調節(jié)器 圖3-7 智能溫度變送器

20、選擇sk808/900系列智能pid調節(jié)儀智能pid調節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量顯示、智能pid調節(jié)儀并配合各種執(zhí)行器對電加熱設備和電磁、電動、氣動閥門進行pid調節(jié)和控制、報警控制、數(shù)據(jù)采集、記錄。3.4 主、副控制器正、反作用的選擇假設夾套式反應器中反應為放熱反應。則選擇如下：（1）控制閥：從安全角度考慮，選擇氣關型控制閥；（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（）：為保證負反饋，應滿足，因此，應選，即選用反作用控制器；（4）主被控對象（）：當夾套溫度升高時，反應器溫度升高，因此；（5）主控制器（）：為

21、保證負反饋，應滿足，因此，應選，即選用反作用控制器。3.5 控制系統(tǒng)方框圖圖3-5 反應溫度與夾套水溫度串級控制系統(tǒng)方框圖如圖3-5所示；反應溫度與夾套溫度構成串級控制系統(tǒng)，反應溫度為主被控變量，夾套溫度為副被控變量。反應溫度控制器的輸出作為夾套溫度控制的設定值。此溫度串級控制系統(tǒng)的具體工作過程為：當工況穩(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。反應溫度和夾套水溫度均處于相對平衡狀態(tài)，調節(jié)閥保持一定開度，也穩(wěn)定在設定值上。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

22、般不會影響反應溫度。如果干擾量副職較大，副回路雖能及時矯正，但仍可能影響反應溫度，此時再通過主控制器的進一步調節(jié)，就可以完全克服上述擾動。若進料干擾使反應溫度變化，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，使擾動對反應溫度的影響比單回路要小。3.6 分析被控對象特性及控制算法的選擇3.6.1 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器內的反應溫度，副被控變量為夾套內冷卻水的溫度。由設計可知；主擾動為進料口進料流量，副擾動為冷卻水流量。依據(jù)文獻資料可做以下假設：對于夾套式反應器反應溫度對象，控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可假設為：， 。對于夾套冷卻水溫度對象，控

23、制通道與擾動通道動態(tài)特性可假設為：，。3.6.2 控制算法的選擇 根據(jù)夾套式反應器的工藝指標及工藝要求，該系統(tǒng)設計的控制算法選擇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仿真由各個傳函等模塊所組成的simulink模型如下圖所示，其中兩個溫度控制器都采用pid調節(jié)器。對應的對象模型參數(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)要求設計可得到串級控制系統(tǒng)similink仿真模型，如圖3-7所示；圖3-7 夾套式反應器溫度串級控制系統(tǒng)simulink模型3.7.2 串級控制系統(tǒng)pid參數(shù)整定：

24、夾套反應器串級控制系統(tǒng)pid參數(shù)整定過程為：進行控制器的參數(shù)整定。步驟一 首先隨機設定控制器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；因為是發(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)設定值跟蹤速度的快慢，調整pid中的值，以起到增加調控力度?？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)的過渡過程是一個單調過程，雖然起到了控制的作用，使被控變量最終穩(wěn)定下來，但其回復到平衡狀態(tài)的速度慢，時間長，故還要進一步優(yōu)化

25、pid參數(shù)設計。步驟三 繼續(xù)調整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 步驟二中的單調過程也是可以通過參數(shù)的調整起到優(yōu)化控制作用的，設定參數(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)過渡過程為單調非振蕩過程，但仍能以比較快的速度來使

26、被控變量穩(wěn)定下來。經(jīng)過上述pid控制系統(tǒng)的仿真實驗和參數(shù)設定，可知知道的是，串級控制系統(tǒng)能迅速的克服進入副回路擾動的影響，對進入副環(huán)的擾動具有較強的抗干擾能力；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解閥流量不適合而造成的對控制質量的影響；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)中的應用。四 課程設計總結身為過程裝備與控制工程的一名學生，串級控制控制方案的課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程?！凹埳系脕斫K覺淺，覺知此事要躬行”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義。實踐才能檢驗所學到的書本知識，做到我們中北大