過程控制課程設(shè)計

1、中北大學(xué)課程設(shè)計說明書目錄一 概述21.1 化學(xué)反應(yīng)器的基本介紹21.2 夾套式反應(yīng)器的控制要求31.2.1 質(zhì)量指標(biāo)31.2.2 物料平衡和能量平衡31.2.3 約束條件31.3 夾套式反應(yīng)器的擾動變量41.4 夾套式反應(yīng)器的特性4二 控制方案設(shè)計52.1 被控變量和控制變量的選擇62.1.1 被控變量的選擇62.1.2控制變量的選擇62.2 控制回路的設(shè)計62.3 現(xiàn)場儀表選型62.3.1 測溫檢測元件及變送器72.3.2 執(zhí)行器82.4 控制器正、反作用的選擇 82.5 控制系統(tǒng)方框圖82.6 分析被控對象特性及控制算法的選擇92.6.1 被控對象特性分析92.6.2 控制算法的選擇9三

2、 控制系統(tǒng)的仿真及參數(shù)整定93.1 控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真93.2 單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法10四 課程設(shè)計總結(jié)11參考文獻(xiàn)121 概述1.1 化學(xué)反應(yīng)器的基本介紹反應(yīng)器（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。化學(xué)反應(yīng)器可以按進(jìn)出物料狀況、流程的進(jìn)行方式、結(jié)構(gòu)形式、傳熱情況四個分類：一、按反應(yīng)器進(jìn)出物料狀況可分為間歇式和連續(xù)式反應(yīng)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(yīng)器是將反應(yīng)物料分次加入反應(yīng)器中，經(jīng)過一定反應(yīng)時間后取出反應(yīng)中所有的物料，

3、然后重新加料在進(jìn)行反應(yīng)。間歇式反應(yīng)器通常適用于小批量、多品種、多功能、高附加值、技術(shù)密集型產(chǎn)品的生產(chǎn)，這類生產(chǎn)反應(yīng)時間長活對反應(yīng)過程的反應(yīng)溫度有嚴(yán)格程序要求。連續(xù)反應(yīng)器則是物料連續(xù)加入，化學(xué)反應(yīng)連續(xù)不斷地進(jìn)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(yīng)器都采用連續(xù)的形式。二、從物料流程的進(jìn)行方式可分為單程與循環(huán)兩類物料在通過反應(yīng)器后不再進(jìn)行循環(huán)的流程稱為單程，當(dāng)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率都較高時，可采用單程的排列。如果反應(yīng)速度較慢，禍?zhǔn)谆瘜W(xué)平衡的限制，物料一次通過反應(yīng)器轉(zhuǎn)化不完全，則必須在產(chǎn)品進(jìn)行分離后，把沒有反應(yīng)的物料與新鮮物料混合后，再送送入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。這種流程稱為

4、循環(huán)流程。三、從反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式可分為釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移動床反應(yīng)器等。四、從傳熱情況可分為絕熱式反應(yīng)器和非絕熱式反應(yīng)器。絕熱式反應(yīng)器與外界不進(jìn)行熱量交換，非絕熱式反應(yīng)器與外界進(jìn)行熱量交換。一般當(dāng)反應(yīng)過程的熱效應(yīng)大時，必須對反應(yīng)器進(jìn)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(jié)構(gòu)居多。隨著化學(xué)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(yīng)設(shè)備的大型化。也大大促進(jìn)了夾套反應(yīng)器的反展。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、動量、熱量和物質(zhì)傳遞等過程，因此夾套反應(yīng)器操

5、作一般都比較復(fù)雜，夾套反應(yīng)器的自動控制就尤為重要，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)過程通常可劃分為前處理、化學(xué)反應(yīng)及后處理三個工序。前處理工序為化學(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)工序通常是整個生產(chǎn)過程的關(guān)鍵，因此在化學(xué)反應(yīng)工序中設(shè)計一套比較完善的控制系統(tǒng)是很重要的。設(shè)計夾套式反應(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）。1.2 夾套式反應(yīng)器的控制要求1.2.1 質(zhì)量指標(biāo)夾套式反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)一般是反應(yīng)轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物的濃度。轉(zhuǎn)化率是直接質(zhì)量指標(biāo)，如果轉(zhuǎn)化率不能直

6、接測量可選取與它相關(guān)的變量來計算間接反映出轉(zhuǎn)化率的大小。如出口溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為：,式中y是轉(zhuǎn)化率，分別是進(jìn)料溫度和出料溫度，是進(jìn)料重度，C是物料的比熱容，是進(jìn)料濃度，H是單位質(zhì)量進(jìn)料的反應(yīng)熱。因為成分分析儀表價格高，維護(hù)困難等原因。通常采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，有時輔以夾套式反應(yīng)器的壓力和處理量（流量）等控制系統(tǒng)，滿足夾套式反應(yīng)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(yīng)正常操作，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高，需要保持進(jìn)入夾套式反應(yīng)器各種物料量份額或物料的配比符合要求。為此對進(jìn)入夾套式反應(yīng)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(yīng)的過程中為保持原料的濃度和物料平衡需設(shè)置

7、輔助控制系統(tǒng)。由于反應(yīng)過程有熱效應(yīng)，因此應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的熱量平衡控制系統(tǒng)。能量平衡控制要保持化學(xué)反應(yīng)器的熱量平衡。應(yīng)使進(jìn)入反應(yīng)器的熱量與流出的熱量及反應(yīng)生成熱之間相互平衡。能量平衡控制對化學(xué)反應(yīng)器來說是重要的，它關(guān)系到安全生產(chǎn)，也間接的保證了化學(xué)反應(yīng)器的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)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(yīng)器的過程變量進(jìn)入危險工作區(qū)或不正常工況。必須設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)反應(yīng)到控制系統(tǒng)中。假設(shè)本設(shè)計是在一般條件下的反應(yīng)器裝置，沒有爆炸危險，因此只涉及了反應(yīng)液液位報警系統(tǒng)，在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)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(yīng)器的擾動變量夾套式反應(yīng)器的擾動變量有進(jìn)料口反應(yīng)液

8、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(yīng)器內(nèi)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(dāng)擾動變量作用下反應(yīng)轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)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(guān)系時，需要根據(jù)工況變化補(bǔ)償溫度控制系統(tǒng)的給定值。1.4 夾套式反應(yīng)器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(xué)反應(yīng)過程伴有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)。有的是吸熱，也有的是放熱。然而本反應(yīng)器的反應(yīng)設(shè)置為放熱反應(yīng)。對于具有放熱效應(yīng)的對象，因外干肉式反應(yīng)器溫度升高，隨著反應(yīng)速度的加快，釋放的熱量也迅速增多，最終導(dǎo)致溫度不斷上升。因此對于這種具有正負(fù)反饋

9、性質(zhì)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(yīng)器急速終了；另一種是若外擾先引起反應(yīng)器溫度下降，則溫度不斷下降，直到反應(yīng)停止。不少高分子聚合過程的情況就是如此，遂于這樣的放熱反應(yīng)過程，如果沒有適當(dāng)?shù)膿Q熱促使，將是一個開環(huán)不穩(wěn)定的對象。化學(xué)反應(yīng)過程涉及物料、能量平衡、反應(yīng)動力學(xué)等，利用動態(tài)數(shù)學(xué)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(yīng)器為例，來說明反應(yīng)器激勵模型的建模思路。其中夾套式液相反應(yīng)器裝置如圖1-1所示：圖1-1 夾套式反應(yīng)器如圖所示：被控過程有三個熱容器：即夾套中的冷卻水、反應(yīng)器壁和反應(yīng)器中的物料。A、B兩種物料進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，通

10、過改變進(jìn)入夾套的冷卻水流量來控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度保持不變。圖中所示，TT表示溫度變送器，TC表示溫度控制器。其中把反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)中反應(yīng)器作為被控對象，反應(yīng)器內(nèi)溫度作為被控變量，夾套內(nèi)冷卻水流量作為操作變量，其中干擾為物料的流量、溫度、濃度和冷卻水的溫度。當(dāng)反應(yīng)器中溫度發(fā)生變化時，由溫度傳感器測量出變化量通過反饋回路傳遞給溫度控制器產(chǎn)生偏差信號，進(jìn)而通過控制調(diào)節(jié)器來執(zhí)行，控制冷卻水的流量，保證反應(yīng)器內(nèi)溫度的保持恒定。2 控制方案設(shè)計單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計，投資少、便與

11、施工，并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此，在生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計題目為夾套式反應(yīng)器溫度單回路控制控制系統(tǒng)設(shè)計，假設(shè)該反應(yīng)器用于常態(tài)常壓反應(yīng)，因此選擇控制方案為夾套式反應(yīng)器反應(yīng)溫度與夾套水溫度構(gòu)成的單回路控制方案。 2.1 被控變量和控制變量的選擇2.1.1 被控變量的選擇根據(jù)工藝過程的控制要求，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)溫度必須是單回路控制系統(tǒng)的被控變量。2.1.2操縱變量的選擇 控制變量是在系統(tǒng)中加以控制的變量。除去系統(tǒng)的被控變量外的一切變量

12、，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)成的單回路控制系統(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。2.2 控制回路的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的回路是一個定值控制系統(tǒng)，所以，可以遵循其設(shè)計原則進(jìn)行確定。因此，確定了回路的被控變量、操縱變量及擾動變量就能組成單回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。又因單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計，投資少、便與施并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此，在生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。

13、夾套式反應(yīng)器的擾動變量有進(jìn)料口反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)壓力等多個擾動變量，其中冷卻水溫度的變化是主要擾動,設(shè)為,如圖2-2所示： 圖2-2單回路控制系統(tǒng)方框圖2.3 現(xiàn)場儀表選型根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，選用電動單元組合儀表（DDZ-型）2.3.1 測溫檢測元件及變送器（1）溫度檢測元件假設(shè)該夾套式反應(yīng)器用于普通常壓的情況下100條件下的反應(yīng)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)可用以下的一階化解來近似：式中，與測量儀表的量程有關(guān)。為溫度測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位為分，min.在實際過沉重這些參數(shù)基本不變。

14、這里假設(shè)，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(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的連接導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠(yuǎn)、溫度較穩(wěn)定的地方。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用如圖3-3所示：圖2-3 補(bǔ)償導(dǎo)線作用用補(bǔ)償導(dǎo)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(bǔ)償問題，為此還要采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調(diào)整法、冰浴法、補(bǔ)償電橋法以及半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)

15、償法。（2）溫度變送器檢測信號要進(jìn)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(jìn)入控制系統(tǒng)，與調(diào)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(jié)構(gòu)基本相同。 圖2-4 溫度變送器原理方框圖 本設(shè)計采用鎳鉻-銅鎳EP-II型熱電偶溫度變送器。2.3.2 執(zhí)行器 假設(shè)調(diào)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(diào)節(jié)閥的流通面積，通常在一定范圍內(nèi)變化，這里假設(shè)（即控制器的輸出變化，調(diào)節(jié)閥

16、的相對流通面積變化。2.4 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（2）被控對象（）：當(dāng)夾套溫度升高時，反應(yīng)器溫度升高，因此；（3）控制器（）：為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足，因此，應(yīng)選，即選用反作用控制器。2.5 控制系統(tǒng)方框圖 圖2-5如圖2-5所示；反應(yīng)溫度與夾套溫度構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)，反應(yīng)溫度為被控變量，夾套內(nèi)冷卻水的流量為操控變量，反應(yīng)溫度控制器的輸出作為夾套溫度控制的設(shè)定值。此溫度單回路控制系統(tǒng)的具體工作過程為：當(dāng)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(yīng)溫度和夾套水溫度均處于相對平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥

17、保持一定開度，T也穩(wěn)定在設(shè)定值上。如果工況平衡被破壞，一方面冷卻水干擾會影響夾套水的溫度，控制器動作，控制調(diào)節(jié)閥改變冷卻水流量，以克服其對夾套水溫度的影響。2.6 分析被控對象特性及控制算法的選擇2.6.1 被控對象特性分析由于被控變量的選擇中可知被控變量為反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度，擾動為物料進(jìn)入反應(yīng)容器的流量，操作變量為冷卻水進(jìn)入夾套的流量。1.測量變送環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來近似表示：式中，Ktm與測量儀表的量程有關(guān)；Ti0為流量測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位為分(min)，在此設(shè)Ti =3, Ktm=1。在實際過程中這些參數(shù)基本不變。2. 假設(shè)執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計， 3. 對于

18、該控制系統(tǒng)，假設(shè)控制通道與干擾通道的動態(tài)特性3可表示為，對于夾套冷卻水溫度對象，冷卻水流量控制通道動態(tài)特性假設(shè)為：。2.6.2 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)計的控制算法選擇PID算法。3 控制系統(tǒng)的仿真及參數(shù)整定3.1 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(diào)節(jié)器。對應(yīng)的對象模型參數(shù)分別取值為：，式中為比例系數(shù)；為積分時間；為微分時間5。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品質(zhì)，需要確定PID控制器的一些參數(shù)，而這些參數(shù)很難由計算獲得，需要通過實驗采用衰減法測得。可得到單回路控制系統(tǒng)SIMILIN

19、K仿真模型，如圖3-1所示；圖3-1 夾套式反應(yīng)器溫度單回路控制系統(tǒng)SIMULINK模型3.2 單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法及仿真步驟一 首先設(shè)定控制器PID參數(shù)的初始值為 ,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)散，說明P的值過大?？傻玫较到y(tǒng)輸出圖如圖1所示；此圖不符合整定要求。 圖1 比例發(fā)散步驟二 再根據(jù)設(shè)定值跟蹤速度的快慢，調(diào)整PID中的值，可得到等幅狀態(tài)，如圖2所示 圖2 等幅震蕩步驟三 最后選取KP=0.4；TI=0.08；TD=0.02，可得到整定輸出圖，如圖3所示。 圖3 整定輸出圖 4 課程設(shè)計總結(jié) 課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)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。“千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。通過這次夾套式反應(yīng)器溫度單回路控制控制系統(tǒng)設(shè)計，我在很多方面都有所提高。在這次課程設(shè)