化工車間反應(yīng)罐的流量與溫度串級控制

1、計算機控制技術(shù)課程設(shè)計報告計算機控制技術(shù)課程設(shè)計評語:考勤10分守紀(jì)10分 過程30分設(shè)計報告30分答辯20分總成績（100分） 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院2016 年 07月13日化工車間反應(yīng)釜的流量與溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計1課程設(shè)計目的計算機控制課程設(shè)計是重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強調(diào)實際應(yīng)用技能訓(xùn)練。設(shè)計必須滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的要求，因此，設(shè)計之前必須了解各個設(shè)備的用途、結(jié)構(gòu)、操作要求和工藝過程，在此過程中培養(yǎng)從事設(shè)計工作的整體觀念。(1) 掌握反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)的工作原理、工作過程以及其控制操作方式。(2) 掌握計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計

2、方法。(3) 掌握PID控制的設(shè)計方法、MATLAB編程方法以及系統(tǒng)調(diào)試方法。2設(shè)計方案及原理2.1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及工作原理反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示,由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。釜體為一個鋼制罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進行化學(xué)反應(yīng)。為了測量釜內(nèi)的各項參數(shù)，在罐內(nèi)裝有鋼制的套管，可將各種傳感器放入其中。圖2-1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖在進行化學(xué)反應(yīng)之前，先將反應(yīng)物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi)，在反應(yīng)釜的夾套內(nèi)導(dǎo)入蒸汽加熱使釜內(nèi)物料的溫度升高，通過攪拌器的攪拌使物料均

3、勻并提高導(dǎo)熱速度，使其溫度均勻。當(dāng)釜內(nèi)溫度達到預(yù)定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學(xué)反應(yīng)正常進行，反應(yīng)結(jié)束后進行冷卻。有時在恒溫后還要進行二次升溫和恒溫。恒溫段是整個工藝的關(guān)鍵，如果溫度偏高或偏低，會影響反應(yīng)進行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量?；瘜W(xué)反應(yīng)過程中一般伴有強烈的放熱效應(yīng)，并且反應(yīng)的放熱速率與反應(yīng)溫度之間是一種正反饋自激的關(guān)系。也就是說，若某種擾動使反應(yīng)溫度有所增加，反應(yīng)的速率就會增加，放熱速率也會增加，會使反應(yīng)溫度進一步上升，甚至?xí)稹熬郾爆F(xiàn)象，按照工藝要求，這些反應(yīng)一般要經(jīng)過加熱、恒溫、冷卻等過程，當(dāng)原料配比、濃度確定以后，準(zhǔn)確控制反應(yīng)的溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的

4、關(guān)鍵。為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以一定的冷卻介質(zhì)，來移走反應(yīng)放出的多余熱量。通過調(diào)節(jié)流入反應(yīng)釜夾套中冷卻介質(zhì)的流量，來控制反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度使之符合工藝要求。2.2 設(shè)計方案間歇式反應(yīng)釜是工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一，工藝要求反應(yīng)物反應(yīng)所需要的溫度為給定值。因此常取釜底溫度為被控參數(shù)，選取冷劑流量或熱劑流量為控制參數(shù)。影響釜底溫度的因素有很多，主要有反應(yīng)物的溫度、攪拌器的攪拌速度、反應(yīng)物的濃度等。串級控制系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。中間被控變量：冷劑或熱劑管道；操縱變量：冷劑流量或熱劑流量。給定值溫度流量副對象主調(diào)節(jié)器執(zhí)行器主對象溫度變送器+流量變送器副調(diào)節(jié)器圖2-2 串級控制系統(tǒng)框圖串級控制系統(tǒng)是兩

5、只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)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由于調(diào)節(jié)閥流量特性不適合而造成的對控制質(zhì)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(diào)節(jié)器3系統(tǒng)硬件設(shè)計整個過程控制系統(tǒng)由控制器、被控對象、執(zhí)行器、測量變送組成，其中控制器為主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器為調(diào)節(jié)閥，測量變送器為溫度變送器，被控對象主變量

6、為反應(yīng)釜內(nèi)溫度、副變量為輸入釜內(nèi)冷劑或熱劑的流量。3.1調(diào)節(jié)器控制器的選型主要根據(jù)被控過程的特性、工藝對控制品質(zhì)的要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計來綜合考慮，根據(jù)課題的要求，本次設(shè)計選擇DDZ-型調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器接收變送器送來的測量信號（DC420mA或DC15V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在電路中進行PID運算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為420mA直流電流輸出。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)節(jié)量符合生產(chǎn)要求，凡是需要采用串級控制的生產(chǎn)過程，對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在凈差。因此主調(diào)節(jié)器必須有積分作用，都采用PI調(diào)節(jié)器。如果控制對象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時又有主要擾動落在副回

7、路以外的話，就可以考慮采用PID調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無凈差，所以一般都選P調(diào)節(jié)器，也可采用PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，在一般情況下，采用P調(diào)節(jié)器就夠了，如果主副回路頻率相差很大，也可以考慮采用PI調(diào)節(jié)器。主、副控制器的正、反作用的判斷先副后主。3.2溫度變送器測量變送器：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(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將檢測信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號后，才能進入控制系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)器等其他儀表配合工作。溫度變送器的原理框圖如圖3-1。溫度變送器采用電動型儀

8、表。其典型控制信號420mADC。+傳感原件輸入電路放大電路反饋電路電量-輸出電流 圖3-1溫度變送器的原理框圖3.3溫度傳感器溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種。本設(shè)計選用熱電偶，其測溫范圍為-2001300。采用K型熱電偶，其可以直接測量各種生產(chǎn)中從0到1300范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度，具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，性價比高等優(yōu)點。3.4執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器，在串級控制系統(tǒng)中主要用來通過換熱達到控制溫度的目的，夾套內(nèi)液體與釜內(nèi)蒸汽進行熱交換被冷卻，用換熱后的蒸汽溫度來控制液體的水量，在氣源中斷時，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于開啟位置更安全些，宜選用氣動式調(diào)節(jié)閥。3

9、.5系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖執(zhí)行元件輸出控制電路反應(yīng)釜計算機系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件組圖如圖3-2。D/A熱電偶前置電路A/D 圖3-2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3.6 PID模塊選擇 當(dāng)需要構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)時，過程控制裝置的數(shù)據(jù)采集和控制采用目前最新的牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成，完全模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進性與實用性并舉，有效的拉近了實驗室與工業(yè)現(xiàn)場的距離，體積小，安裝方便可靠性極高。（1）D/A模塊：采用牛頓7024模塊，4路模擬輸出，電流（4-20mA）電壓（1-5V）信號均可。 （2）A/D模塊：采用牛頓7017模塊，8路模擬電壓（1-5V）輸入。 （3）DO模塊：采用牛頓7043模塊。 （

10、4）通訊模塊：采用牛頓7520轉(zhuǎn)換模塊，485/232轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換速度極高 （300-115KHZ），232口可長距離傳輸。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 PID算法數(shù)字PID控制是在實驗研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在溫度控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。且控制系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。，它是根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差e(t)的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為： 式中為比例系數(shù)；為積

11、分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。比例積分微分被控對象r（t）e(t)u(t)c(t)+-+圖4-1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖(1)比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差是即時反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)KP。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對象存在穩(wěn)態(tài)誤差。加大比例系數(shù)KP可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是，KP過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)比例積分調(diào)節(jié)器：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余穩(wěn)態(tài)誤差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過

12、累積作用影響控制量u(k)，從而減小偏差，直到偏差為零。如果積分時間常數(shù)TI大，積分作用弱，反之為強。增大TI將減慢消除穩(wěn)態(tài)誤差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分調(diào)節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。(3)比例積分微分調(diào)節(jié)器：為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)?？朔袷?，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。4.2 主程序控制流程主程序流程圖如圖4-2。開 始檢測溫度A/D轉(zhuǎn)換等于設(shè)定值Y夾套閥門冷劑流量保持不變N改變夾套閥門冷劑流量控制反應(yīng)釜的溫度D/A轉(zhuǎn)換PID調(diào)節(jié)圖4-2 模擬PID控制系統(tǒng)流程圖

13、5 系統(tǒng)仿真及實際調(diào)試5.1 系統(tǒng)仿真仿真?zhèn)鬟f函數(shù)為： 間歇式反應(yīng)釜的串級仿真圖，如圖5-1所示：圖5-1 串級控制系統(tǒng)仿真圖利用MATLAB進行初步仿真即在PID作用在比例為1的情況下即沒有調(diào)節(jié)起作用的情況下系統(tǒng)的階躍曲線圖，我們可以通過觀察響應(yīng)曲線看出系統(tǒng)的特征然后進行系統(tǒng)分析。經(jīng)過MATLAB的初步仿真可得單位階躍響應(yīng)原始曲線圖如圖5-2所示： 圖5-2 串級控制原曲線圖利用MATLAB進行初步仿真即在主回路PID參數(shù)為Kp=2，Ti=0.05,Td=2時，副回路PID作用在比例為1的情況下即沒有調(diào)節(jié)起作用的情況下系統(tǒng)的階躍曲線圖，我們可以通過觀察響應(yīng)曲線看出系統(tǒng)的特征然后進行系統(tǒng)分析。

14、經(jīng)過MATLAB的初步仿真可得單位階躍響應(yīng)原始曲線圖如圖5-3所示： 圖5-3 系統(tǒng)輸出整定圖利用MATLAB進行初步仿真即在主回路PID參數(shù)為kp=2，Ti=0.05,Td=2時，副回路PID作用在比例為0.6的情況下系統(tǒng)的階躍曲線圖，我們可以通過觀察響應(yīng)曲線看出系統(tǒng)的特征然后進行系統(tǒng)分析。經(jīng)過MATLAB的初步仿真可得單位階躍響應(yīng)原始曲線圖如圖5-4所示： 圖5-4 系統(tǒng)輸出整定圖與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器，增加的投資并不多，但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對二次干擾有很強的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。6 總結(jié)通過這次夾套式反應(yīng)器溫度串級控制控制系統(tǒng)設(shè)計，我在很多方面都有所提高。在這次課程設(shè)計中，我基本上掌握了控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，并且對串級控制方法有了更深入的的了解。通過系統(tǒng)仿真，我對系統(tǒng)性能有了更加深刻的認識，明確了各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。我綜合運用本專業(yè)所學(xué)的課程理論，更加升入了解了串級控制系統(tǒng)的各個方面的知識。進一步了解串級控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實際中的運用原理及過程。大大提高了個人獨立工作和學(xué)習(xí)能力，鞏固與擴充了過程控制系統(tǒng)這方面所學(xué)的內(nèi)容，掌握控制系統(tǒng)設(shè)計