反應器串級控制系統(tǒng)整定

1、西華大學課程設計說明書刖言總體方案設計2.1方案比較2.2方案選擇反應器串級控制系統(tǒng)分析3.13.23.33.43.5被控變量和控制變量的選擇主、畐曬路的設計主、副控制器正、反作用的選擇控制系統(tǒng)方框圖分析被控對象特性及控制算法的選擇串級控制系統(tǒng)的參數整定4.1參數整定方法4.2參數整定4.3兩步法的整定步驟5 MATLAB 仿真6.8.9.101.112.145.1控制系統(tǒng)的MATLAB仿真5.2串級控制系統(tǒng)PID參數整定:結論總結與體會參考文獻刖言反應器（或稱反應釜）是化工生產中常用的典型設備，種類很多?；瘜W反應器在14.16.202122結構、物料流程、反應機理、傳熱、傳質等方面存在差異，

2、使自控的難易程度相差很大,自控方案差別也比較大。夾套式反應器是一類重要的化工生產設備，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，他直接關系到產品的質量、產量和安全生產?；どa過程通常可劃分為前處理、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，后處理工序用于分離和精制反應產物，而化學反應工序通常是整個生產過程的關鍵，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

3、反應物為一般性的，無腐蝕，無爆炸的液液反應物）。2總體方案設計2.1方案比較(1)簡單控制系統(tǒng)如圖所示，溫度調節(jié)器TC是根據反應器內物料的溫度 T與設定值的偏差進行控制,當冷卻水部分出現(xiàn)干擾后系統(tǒng)并不能及時產生控制作用，克服干擾對被控參數T的影響 控制質量差。但在冷卻水擾動可以忽略或很小的情況下，并生產工藝對物料溫度要求不是很嚴格時，簡單控制系統(tǒng)還是可以滿足要求的，如果冷卻水的擾動大，而且對系統(tǒng)產生很大影響，則簡單控制系統(tǒng)很難滿足工藝要求。簡單控制系統(tǒng)框圖如圖所示。圖2.1反應器溫度簡單控制系統(tǒng)衛(wèi)控甸喙 H 謂打器卜應走槽 卜1一- -1聊度動量- - -11)1圖22反應器物料溫度簡單控制系

4、統(tǒng)框圖被控變量：反應器內物料的溫度;操控變量：冷卻水流量。(2)串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測変送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個 調節(jié)器的輸入，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。中間被控變量：夾套和槽壁溫度;被控變量：反應器內物料的溫度;操縱變量：冷卻水流量。夾套和槽壁溫度變化時，TC可以及時動作，克服擾動。圖2.3和圖2.4分別為串級系統(tǒng)工藝流程圖和串級系統(tǒng)框圖。TC2圖2.3串級系統(tǒng)工藝流程圖冷卻水雖12rIJ2丄斗兮Ta控制器m副拎制器H 謁韋精為_ _ XI '<_/F_r _ - JI圖2.4串級系統(tǒng)框圖2.2方案選擇方案一的簡單控制系統(tǒng)有干擾時，TC輸

5、出信號改變閥門開度，進而改變冷卻水的流量。在開始時，物料的溫度離設定值偏差大，用冷卻水降溫傳溫慢，就造成開始是反應時間過長，動作不及時，偏差在短時間內不能消除。方案二的串級控制系統(tǒng)中，由于引進了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。在系統(tǒng)開始時，在副回路的作用下先對槽壁進行冷卻，這樣就等于較少了一個熱容，繼而加速了系統(tǒng)的平衡。對于串級系統(tǒng)而言，副回路有先調、初調、快調的特點；主回路有后調、細調、慢調的特點。兩者相互配合，使控制質量明顯提高，與簡單系統(tǒng)相比，對離被控對象較遠的擾動（二次擾動）有明顯的抑制作用，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的響應速度。綜上所述，根據

6、本設計系統(tǒng)的特點，選擇串級控制。3反應器串級控制系統(tǒng)分析3.1 被控變量和控制變量的選擇(1 )被控變量的選擇根據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。從串級控制的特點可知，當擾動進入副回路時，畐寸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

7、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。(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)的整體控制。3.2 主、畐回路的設計(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

8、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;F1To主回蟄圖3.1串級控制系統(tǒng)主回路(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。首先副參數的選 擇應使副回路的時間常數小，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。由此可設

9、計出系統(tǒng)的副回路。如圖 3.2所示;3.3 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 kv 0(2)副控制對象(T2T ):冷卻水流量增加，夾套溫度下降，因此 kP2 0(3)副控制器(T2C)：為保證負反饋，應滿足kc2kvk P2km20，因此km20，應選kc2 0，即選用反作用控制器;(4)主被控對象(TT ):當夾套溫度升高時，反應器溫度升高，因此kP10(5)主控制器(TlC ):為保證負反饋，應滿足kclkPlkm10，因此km10，應選kc10即選用反作用控制器。3.4控制系統(tǒng)方框圖Ti.FsTsF

10、lI畐怩廈檢泄變諾揑兀.1圖3.3反應溫度與夾套水溫度串級控制系統(tǒng)方框圖如圖3.3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F2會影響夾套定開度，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 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，經過副回路的及時控制一般不會影響反應溫度。 如果干擾量副職較大,

11、 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 Fl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。3.5分析被控對象特性及控制算法的選擇(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:K e PSGp 1(S)越Gdi(s)TdiS 1GeDs。對于夾

12、套冷卻水溫度對象,控制通道與擾動通道動態(tài)特性可假設為:Kp2Gp 2Tp 2S 1KD2GD2Td2S 1(2 )控制算法的選擇根據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。4串級控制系統(tǒng)的參數整定串級控制系統(tǒng)從整體上來看是定制控制系統(tǒng)，要求主參數有較高的控制精度。但副 回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數能準確、快速地跟隨主調節(jié)器輸出的變化。串級控制系統(tǒng) 主、畐曬路的原理不同，對主、畐序數的要求也不同。通過正確的參數整定，可取得理 想的控制效果。4.1參數整定方法串級控制系統(tǒng)主、副調節(jié)器的參數整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定 法。1.逐步逼近法逐步逼近法是一種依次

13、整定主回路、副回路，然后循環(huán)進行，逐步接近主、副回路 最佳整定的一種方法。2.兩步整定法兩步整定法就是讓系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系統(tǒng)整定副調節(jié)器 參數，第二步把已經整定好的副回路視為串級控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調 節(jié)器進行一次參數整定。3. 一步整定法步整定發(fā)就是根據經驗，先將副調節(jié)器參數一次調好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調節(jié)器參數。本設計選擇兩步整定法來整定串級控制系統(tǒng)的參數。4.2參數整定在串級控制系統(tǒng)中，主、副回路中被控過程的時間常數應有適當的匹配關系，一般 為To1=（310）T。2。主回路的工作周期遠大于副回路的工作周期，主、副

14、回路間的動 態(tài)關聯(lián)較小。因此，當副調節(jié)器參數整定好之后，視其為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路 控制系統(tǒng)的方法整定主調節(jié)器參數，而不再考慮主調節(jié)器參數變化對副回路的影響。般串級系統(tǒng)對主參數的控制質量要求高，而對副參數的控制要求相對較低。因此，當副調節(jié)器參數整定好之后再去整定主調節(jié)器參數時，雖然會影響副參數的控制品質，但只 要主參數控制品質得到保證，副變量的控制品質差一點也是可以接受的。4.3兩步法的整定步驟1）在生產工藝穩(wěn)定，系統(tǒng)處于串級運行狀態(tài)，主、副調節(jié)器均為比例作用的條件下，先將主調節(jié)器的比例度R置于100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副調節(jié)器的比 例度P2，直到得到副回路過渡過程衰減比為 4

15、: 1的比例度 忽，過渡過程的振蕩周期為T2s2）在副調節(jié)器的比例度等于P2s的條件下，逐步降低主調節(jié)器的比例度 廠1，直到同樣得到主回路過渡過程衰減比為4： 1的比例度Rs，過渡過程的振蕩周期為Tls3）按已求得的Rs、Tis和P2sT2S值，結合已選定的調節(jié)規(guī)律，按下表衰減曲線法整定參數的經驗公式，計算出主、副調節(jié)器的整定參數。 整定參數 調節(jié)規(guī)律P（ %）TiTdPPsPI1.2 Ps0.5 TsPID0.8 FS0.3 Ts0.1 Ts表4.1主、副調節(jié)器的整定參數4 ）按照“先副回路，后主回路”的順序，將計算出的參數值設置到調節(jié)器上，做一些擾動試驗，在做擾動實驗時觀察過渡過程曲線，與

16、此同時作適當的參數調整。5）調整參數后，一直直到控制品質最佳為止，同時記錄最佳數據。5 MATLAB 仿真5.1控制系統(tǒng)的MATLAB仿真1由主對象傳遞函數：G01（s）亦，和副對象傳遞函數：G02(s)(10s 1)(s八21），在MATLAB中畫出仿真框圖。由各個傳遞函數等模塊所組成的模型如下圖所示,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分別取值為:Kv1%/%Kp25C/(T/hr) Tp2 2min Kd2 1C/(T/hr)TD24min KP15 C/(T /hr)Tp1 4min P 3minKD12 C/(T/hr)TD1 3min D 2min首先封裝控制器

17、模塊，如圖所示:圖5.1 PID控制器模塊接著根據要求設計可得到串級控制系統(tǒng)仿真模型，如圖所示;曇 xxOSgai丨一叵1>2一j I 1 二 < Tl J J*-卜：小 FLf l-P11 D H H m -'卍一 L 1 = ljd Ngj 可 I ® 國 簡律；- 耳風 3 |,cdo-VS,100%圖5.2夾套式反應器溫度串級控制系統(tǒng)仿真模型5.2串級控制系統(tǒng)PID參數整定:夾套反應器串級控制系統(tǒng)PID參數整定過程為：進行控制器的參數整定。步驟一首先隨機設定控制器PID參數的初始值為:31=50%,Ti1=0.5min,Td1=0min§2=50

18、%,Ti2=0.5min,Td2=0min可得到系統(tǒng)輸出圖如圖5.3所示；因為是發(fā)散振蕩，故此圖不符合整定要求。B3澤冏坨舊 a%4010lOk -40O I 岡 ifJJ4CHJ圖5.3 系統(tǒng)初始輸出圖步驟二再根據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5.4所示;2 33% TI2 4minTD2 0minD Oupete-3-CL9' 06-5Cea5U'_L_L圖5.4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

19、PID參數設計。步驟三繼續(xù)調整PID參數:31=100%，Ti1=1min ，Td1=0min ；§2=100%，Ti2=1min ，Td2=0min :可得到整定輸出圖 5.5:圖5.5 系統(tǒng)輸出整定圖由圖分析可知，此參數下的控制系統(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的調整起到優(yōu)化控制作用的，設定參數為:31=80% ，Ti1=5min，Td1=0min ；§2=33%，Ti2=5min ，Td2=0min ;可得到輸出整定圖 5.6:圖5.6系統(tǒng)輸出整定圖由圖分析可知：雖然此參數下的控制系統(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被控變量穩(wěn)定下來。5結論經過上述PID控制系統(tǒng)的仿真實驗和參數設定， 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