反應(yīng)器串級(jí)控制系統(tǒng)整定

1、w西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書1前言.12總體方案設(shè)計(jì).22.1方案比較.2.2.2方案選擇.53反應(yīng)器串級(jí)控制系統(tǒng)分析.63.1被控變量和控制變量的選擇 .6.3.2主、副回路的設(shè)計(jì) .6.3.3主、畐寸控制器正、反作用的選擇 .8.3.4控制系統(tǒng)方框圖.8.3.5分析被控對(duì)象特性及控制算法的選擇 .9.4串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定.104.1參數(shù)整定方法.10.4.2參數(shù)整定.1.1.4.3兩步法的整定步驟 .1.2.5 MATLAB仿真.14* *5.1控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.1.4.5.2串級(jí)控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定： .16.5結(jié)論.206總結(jié)與體會(huì).217參考文獻(xiàn).22/、八1 前言反應(yīng)器

2、（或稱反應(yīng)釜）是化工生產(chǎn)中常用的典型設(shè)備，種類很多?；瘜W(xué)反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)、物料流程、反應(yīng)機(jī)理、傳熱、傳質(zhì)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夾套式反應(yīng)器是一類重要的化工生產(chǎn)設(shè)備，由于化學(xué)反應(yīng)過程伴有許多化學(xué)和物理 現(xiàn)象以及能量、物料平衡和物料、動(dòng)量、熱量和物質(zhì)傳遞等過程，因此夾套反應(yīng)器操作 一般都比較復(fù)雜，夾套反應(yīng)器的自動(dòng)控制就尤為重要，他直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量 和安全生產(chǎn)?；どa(chǎn)過程通?？蓜澐譃榍疤幚?、化學(xué)反應(yīng)及后處理三個(gè)工序。前處理工序?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)做準(zhǔn)備，后處理工序用于分離和精制反應(yīng)產(chǎn)物，而化學(xué)反應(yīng)工序通常是整個(gè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵，因此在化學(xué)反應(yīng)工序中設(shè)計(jì)一套比較完

3、善的控制系統(tǒng)是很重要的。設(shè)計(jì)夾套式反應(yīng)器的控制方案應(yīng)從質(zhì)量指標(biāo)，物料平衡和能量平衡，約束條件三個(gè) 方面考慮（假設(shè)在本反應(yīng)器中反應(yīng)物為一般性的，無腐蝕，無爆炸的液液反應(yīng)物）* *2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案比較(1)簡單控制系統(tǒng)如圖所示，溫度調(diào)節(jié)器TC是根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度T與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制，當(dāng)冷卻水部分出現(xiàn)干擾后系統(tǒng)并不能及時(shí)產(chǎn)生控制作用，克服干擾對(duì)被控參數(shù)T的影響 控制質(zhì)量差。但在冷卻水?dāng)_動(dòng)可以忽略或很小的情況下，并生產(chǎn)工藝對(duì)物料溫度要求不* *是很嚴(yán)格時(shí)，簡單控制系統(tǒng)還是可以滿足要求的，如果冷卻水的擾動(dòng)大，而且對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)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

4、所示。圖 2.1 反應(yīng)器溫度簡單控制系統(tǒng)圖22反應(yīng)器物料溫度簡單控制系統(tǒng)框圖被控變量：反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度;操控變量：冷卻水流量。(2)串級(jí)控制系統(tǒng)* *串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測変送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè) 調(diào)節(jié)器的輸入，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。中間被控變量：夾套和槽壁溫度；被控變量：反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度；操縱變量：冷卻水流量。夾套和槽壁溫度變化時(shí)，TC可以及時(shí)動(dòng)作，克服擾動(dòng)圖2.3和圖2.4分別為串級(jí)系統(tǒng)工藝流程圖和串級(jí)系統(tǒng)框圖圖 2.3 串級(jí)系統(tǒng)工藝流程圖圖 2.4 串級(jí)系統(tǒng)框圖TT1T2冷卻水中* *2.2 方案選擇方案一的簡單控制系統(tǒng)有干擾時(shí)，TC輸出信號(hào)改變閥門

5、開度，進(jìn)而改變冷卻水的 流量。在開始時(shí)，物料的溫度離設(shè)定值偏差大，用冷卻水降溫傳溫慢，就造成開始是反 應(yīng)時(shí)間過長，動(dòng)作不及時(shí)，偏差在短時(shí)間內(nèi)不能消除。方案二的串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的 干擾，也能加速克服主回路的干擾。在系統(tǒng)開始時(shí)，在副回路的作用下先對(duì)槽壁進(jìn)行冷 卻，這樣就等于較少了一個(gè)熱容，繼而加速了系統(tǒng)的平衡。對(duì)于串級(jí)系統(tǒng)而言，副回路 有先調(diào)、初調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)。兩者相互配合，使控 制質(zhì)量明顯提高，與簡單系統(tǒng)相比，對(duì)離被控對(duì)象較遠(yuǎn)的擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）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(yīng)速度。綜上所述，根據(jù)

6、本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇串級(jí)控制* *3 反應(yīng)器串級(jí)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(jù)工藝過程的控制要求，主被控變量應(yīng)該能反映工藝指標(biāo)。夾套式反應(yīng)器的工藝 指標(biāo)主要是反應(yīng)器內(nèi)溫度，利用反應(yīng)器內(nèi)溫度來衡量反應(yīng)物之間反映的充分情況。因此,若要反映工藝指標(biāo)，夾套式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)溫度必須是T-T串級(jí)控制系統(tǒng)的主被控變量。從串級(jí)控制的特點(diǎn)可知，當(dāng)擾動(dòng)進(jìn)入副回路時(shí)，副回路能迅速而強(qiáng)有力地克服它，起到 超前控制作用，因此在選擇副變量時(shí)，一定要把主要擾動(dòng)包括在副回路內(nèi)，并力求把盡 量多的擾動(dòng)包含在副回路中，以充分發(fā)揮串級(jí)控制的最大優(yōu)點(diǎn)，吧對(duì)主變量影響最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁的擾動(dòng)因素

7、抑制到最低程度，以確保主被控變量的控制質(zhì)量。同時(shí)冷卻 水溫度變化是主要擾動(dòng)，包括水溫變化、水量變化等許多的擾動(dòng)。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(dòng)且包含盡可能多的擾動(dòng)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(yīng)器中反應(yīng)溫度和夾套水溫度構(gòu)成的T-T串級(jí) 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(dòng)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 U 回路的設(shè)計(jì)(1)主回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路仍是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，主回

8、路的設(shè)計(jì)仍可用單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。因此主回路應(yīng)包括主要的質(zhì)量指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)。 因此確定了主被控變量、* *主控制變量及主要擾動(dòng)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(shè)計(jì)出系統(tǒng)主回路。如圖3.1所示;FLT廠古.T龍V務(wù)母歸戕ET喬拒稠斗麗齊應(yīng)應(yīng)器Ir主回踏至渝度檢捌金柱單幾卜一-圖 3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)主回路（2）副回路的設(shè)計(jì)副回路可看作是一種新的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。副回路設(shè)計(jì)是串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問 題。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)單回路，問題的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部 分作為父對(duì)象，然后組成一個(gè)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(yīng)使副回路的時(shí)間

9、常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；其次副回路因包含被控對(duì)象所受 到主要干擾。由此可設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的副回路。如圖3.2所示;* *F3:TT巫垂一U話塞卜-副回踏斯磕世蟄測變建單”k圖 3.2 串級(jí)控制系統(tǒng)副回路3.3主、副控制器正、反作用的選擇假設(shè)夾套式反應(yīng)器中反應(yīng)為放熱反應(yīng)。則選擇如下:(1)控制閥：從安全角度考慮，選擇氣關(guān)型控制閥kv 0；(2)副控制對(duì)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(fù)反饋，應(yīng)滿足kc2kvkp2km20，因此心20，應(yīng)選kc2 0，即選用反作用控制器;(4)主被控對(duì)象(TT):當(dāng)夾套溫度升高時(shí)，反應(yīng)器溫度升高，因此kp

10、1 0；(5)主控制器(T1C):為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足kclkplkm10，因此km1 0，應(yīng)選kc10，即選用反作用控制器。33.4控制系統(tǒng)方框圖* *圖 3.3 反應(yīng)溫度與夾套水溫度串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如圖3.3所示；反應(yīng)溫度與夾套溫度構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，反應(yīng)溫度為主被控變量，夾套溫度為副被控變量。反應(yīng)溫度控制器的輸出作為夾套溫度控制的設(shè)定值。此溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的具體工作過程為：當(dāng)工況穩(wěn)定時(shí)，物料的流量和溫度不變，冷卻水的壓力和溫度穩(wěn)定。反應(yīng)溫度和夾套水溫度均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一 定開度，Tl也穩(wěn)定在設(shè)定值上。如果工況平衡被破壞，一方面冷卻水干擾F2會(huì)影響夾套水的溫度，副控制器動(dòng)作，

11、控制調(diào)節(jié)閥改變冷卻水流量，以克服其對(duì)夾套水溫度的影響。 如果干擾量不大，經(jīng)過副回路的及時(shí)控制一般不會(huì)影響反應(yīng)溫度。 如果干擾量副職較大， 副回路雖能及時(shí)矯正，但仍可能影響反應(yīng)溫度，此時(shí)再通過主控制器的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，就 可以完全克服上述擾動(dòng)。若進(jìn)料干擾Fl使反應(yīng)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(dòng)對(duì)反應(yīng)溫度的影響比單回路要小。3.5 分析被控對(duì)象特性及控制算法的選擇(1)被控對(duì)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(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度，副被控變量為夾套內(nèi)冷卻水的溫度。由設(shè)計(jì)可知；主擾動(dòng)為進(jìn)料口進(jìn)料流量，副擾動(dòng)為冷卻水流量。依據(jù)文獻(xiàn)資料可做以下

12、假設(shè)：對(duì)于夾套式反應(yīng)器反應(yīng)溫度對(duì)象，控制通道與擾動(dòng)通KepSKeDSP1DIDGPI(S)GD1(S)道的動(dòng)態(tài)特性可假設(shè)為：Tp1s 1，TD1S 1。對(duì)于夾套冷卻水溫度對(duì)象,(2)控制算法的選擇根據(jù)夾套式反應(yīng)器的工藝指標(biāo)及工藝要求，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制算法選擇PID算法4 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級(jí)控制系統(tǒng)從整體上來看是定制控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副 回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化。串級(jí)控制系統(tǒng) 主、畐曬路的原理不同，對(duì)主、畐序數(shù)的要求也不同。通過正確的參數(shù)整定，可取得理 想的控制效果。4.1 參數(shù)整定方法串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐

13、步逼近法、兩步整定法和一步整定控制通道與擾動(dòng)通道動(dòng)態(tài)特性可假設(shè)為:GP2(S)Kp2Tp 2S 1GD2(S)KD2TD2S 1* *1.逐步逼近法逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)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(jí)工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系統(tǒng)整定副調(diào)節(jié)器 參數(shù)，第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為串級(jí)控制系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路對(duì)主調(diào) 節(jié)器進(jìn)行一次參數(shù)整定。3.一步整定法一步整定發(fā)就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動(dòng)，然后按一般單 回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。本設(shè)計(jì)選擇兩步整定法來整定串級(jí)控制系統(tǒng)

14、的參數(shù)。4.2 參數(shù)整定在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副回路中被控過程的時(shí)間常數(shù)應(yīng)有適當(dāng)?shù)钠ヅ潢P(guān)系，一般 為To1=（310）T。2。主回路的工作周期遠(yuǎn)大于副回路的工作周期，主、副回路間的動(dòng) 態(tài)關(guān)聯(lián)較小。因此，當(dāng)副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好之后，視其為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路 控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)副回路的影響。一 般串級(jí)系統(tǒng)對(duì)主參數(shù)的控制質(zhì)量要* *求高，而對(duì)副參數(shù)的控制要求相對(duì)較低。因此，當(dāng)副* *調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好之后再去整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，雖然會(huì)影響副參數(shù)的控制品質(zhì)，但只 要主參數(shù)控制品質(zhì)得到保證，副變量的控制品質(zhì)差一點(diǎn)也是可以接受的。4.3 兩步法的整定步驟1）

15、在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，系統(tǒng)處于串級(jí)運(yùn)行狀態(tài)，主、副調(diào)節(jié)器均為比例作用的條件 下，先將主調(diào)節(jié)器的比例度P置于ioo%刻度上，然后由大到小逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比 例度P2，直到得到副回路過渡過程衰減比為4：1的比例度 P2s，過渡過程的振蕩周期為 T2sO2） 在副調(diào)節(jié)器的比例度等于 的條件下，逐步降低主調(diào)節(jié)器的比例度P，直到 同樣得到主回路過渡過程衰減比為4：1的比例度Ps，過渡過程的振蕩周期為Tls。3） 按已求得的Ps、Tls和P2s、T2s值，結(jié)合已選定的調(diào)節(jié)規(guī)律，按下表衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)* *整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律、P（ %）TiTdPPs二PI1.2Ps0.5

16、TsPID0.8Ps0.3Ts0.1Ts表 4.1 主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)4）按照“先副回路，后主回路”的順序，將計(jì)算出的參數(shù)值設(shè)置到調(diào)節(jié)器上，做 一些擾動(dòng)試驗(yàn)，在做擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察過渡過程曲線，與此同時(shí)作適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整。5）調(diào)整參數(shù)后，一直直到控制品質(zhì)最佳為止，同時(shí)記錄最佳數(shù)據(jù)。* *5 MATLAB 仿真5.1 控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真1由主對(duì)象傳遞函數(shù)：Goi(s)，和副對(duì)象傳遞函數(shù)：(30s 1)1G02(s)2(10s 1)(s 1)，在MATLAB中畫出仿真框圖。由各個(gè)傳遞函數(shù)等模塊所組成 的模型如下圖所示，其中兩個(gè)溫度控制器都采用PID調(diào)節(jié)器。對(duì)應(yīng)的對(duì)象模型參數(shù)分別 取值為：

17、Kv1%/%KP25 C/(T/hr)TP22minKD21 C/(T/hr)TD24minKP15 C/(T / hr)Tp14minP3minKD12 C/(T/hr)TD13mi nD2min首先封裝控制器模塊，如圖所示:* *圖 5.1 PID 控制器模塊接著根據(jù)要求設(shè)計(jì)可得到串級(jí)控制系統(tǒng)仿真模型，如圖所示;HI xxOAgfii| F雇Edk VWw毗n FiEEat TG&I Htelp a R 丨卜 fS廠“ I*1 3丨即樹固議： 只越OH U巒| 磁dy100%DdoS圖 5.2夾套式反應(yīng)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真模型* *5.2 串級(jí)控制系統(tǒng) PID 參數(shù)整定：夾套反應(yīng)器串級(jí)控

18、制系統(tǒng)PID參數(shù)整定過程為：進(jìn)行控制器的參數(shù)整定步驟一首先隨機(jī)設(shè)定控制器PID參數(shù)的初始值為:31= 50%,Ti1=0.5min,Td1=0min2=50%,Ti2=0.5min,Td2=0min步驟二 再根據(jù)設(shè)定值跟蹤速度的快慢，調(diào)整PID中的值，以起到增加調(diào)控力度。可得到整定輸出圖，如圖5.4所示；36% TM10minTDI0min可得到系統(tǒng)輸出圖如圖5.3所示；因?yàn)槭前l(fā)散振蕩，故此圖不符合整定要求* *233% T|24 minTD2Omin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(gè)單調(diào)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(fù)到平衡狀態(tài)的速

19、度慢，時(shí)間長，故還要進(jìn)一步優(yōu)化PID參數(shù)設(shè)計(jì)。步驟三繼續(xù)調(diào)整PID參數(shù)：31=100%，Ti1=1min，Td1=0min；2=100%，Ti2=1min，Td2=0min:可得到整定輸出圖5.5:* *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(diào)過程也是可以通過參數(shù)的調(diào)整起到優(yōu)化控制作用的，設(shè)定S仁80%,Ti1=5min,Td1=0min；2=33%,Ti2=5min,Td2=0min;可得到輸出整定圖5.6:參數(shù)為:圖 5.5 系統(tǒng)輸出整定圖* *圖 5.6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(diào)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(jié)論經(jīng)過上述PID控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)和參數(shù)設(shè)定， 可知知道的是，串級(jí)控制系統(tǒng)能迅 速的克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響，對(duì)進(jìn)入副環(huán)的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；它還改善 了除主控制器以外的廣義對(duì)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(diào)解閥流量不適合而造成的對(duì)控制質(zhì)量的影響；可兼顧兩個(gè)變量，更精確控 制操作變量，控制方式靈活，必要時(shí)可切除副調(diào)節(jié)器。這些都大大的提高了串級(jí)控制系 統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，