夹套式反应器温度比值控制专项方案设计.doc

目 录一.概述2-6页1.1化学反映器基本简介 2-3页1.2夹套式反映器控制规定3 页1.3夹套式反映器扰动变量3-4页1.4基本动态方程式4-6页二控制系统方案拟定6-7页三控制系统设计7-18页 3.1被控变量和控制变量选取7-8页 3.2主、副回路设计8-9页 3.3现场仪表选型9-12页 3.4主、副控制器正反作用选取12-13页 3.5控制系统方框图13页 3.6分析被控对象特性及控制算法选取13-14页 3.7控制系统整定及参数整定14-18页四课程设计总结18页五结束语18页六参照文献19页 一概述1.1 化学反映器基本简介反映器（或称反映釜）是化工生产中惯用典型设备，种类诸多。化学反映器在构造、物料流程、反映机理、传热、传质等方面存在差别，使自控难易限度相差很大，自控方案差别也比较大。化学反映器可以按进出物料状况、流程进行方式、构造形式、传热状况四个方面分类：一、按反映器进出物料状况可分为间歇式和持续式反映器普通将半持续和间歇生产方式称为间歇生产过程。间歇式反映器是将反映物料分次获一次加入反映器中，通过一定反映时间后取出反映中所有物料，然后重新加料在进行反映。间歇式反映器普通合用于小批量、多品种、多功能、高附加值、技术密集型产品生产，此类生产反映时间长活对反映过程反映温度有严格程序规定。持续反映器则是物料持续加入，化学反映持续不断地进行，产品不断取出，是工业生产最惯用一种。某些大型、基本化工产品反映器都采用持续形式。二、从物料流程进行方式可分为单程与循环两类物料在通过反映器后不再进行循环流程称为单程，当反映转化率和产率都较高时，可采用单程排列。如果反映速度较慢，祸首化学平衡限制，物料一次通过反映器转化不完全，则必要在产品进行分离后，把没有反映物料与新鲜物料混合后，再送送入反映器进行反映。这种流程称为循环流程。三、从反映器构造形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反映器等。四、从传热状况可分为绝热式反映器和非绝热式反映器。绝热式反映器与外界不进行热量互换，非绝热式反映器与外界进行热量互换。普通当反映过程热效应大时，必要对反映器进行换热，其换热方式有夹套式、蛇管式、列管式等。如今用最广泛是夹套传热方式，且采用最普通夹套构造居多。随着化学工业发展，单套生产装置产量越来越大，促使了反映设备大型化。也大大增进了夹套反映器反展。夹套式反映器是一类重要化工生产设备，由于化学反映过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因而夹套反映器操作普通都比较复杂，夹套反映器自动控制就尤为重要，她直接关系到产品质量、产量和安全生产。化工生产过程普通可划分为前解决、化学反映及后解决三个工序。前解决工序为化学反映做准备，后解决工序用于分离和精制反映产物，而化学反映工序普通是整个生产过程核心，因而在化学反映工序中设计一套比较完善控制系统是很重要。设计夹套式反映器控制方案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个方面考虑（假设在本反映器中反映物为普通性，无腐蚀，无爆炸液液反映物）。1.2 夹套式反映器控制规定1.2.1 质量指标夹套式反映器质量指标普通是反映转化率或反映生成物浓度。转化率是直接质量指标，如果转化率不能直接测量可选用与它有关变量来计算间接反映出转化率大小。如出口温度与转化率关系为：式中y是转化率，、分别是进料温度和出料温度，是进料重度，C是物料比热容，是进料浓度，H是单位质量进料反映热。由于成分分析仪表价格高，维护困难等因素。普通采用温度作为间接质量指标，有时辅以夹套式反映器压力和解决量（流量）等控制系统，满足夹套式反映器正常操作控制规定。1.2.2 物料平衡和能量平衡为使反映正常操作，反映转化率高，需要保持进入夹套式反映器各种物料量份额或物料配比符合规定。为此对进入夹套式反映器物料常采用流量定值控制或比值控制。此外某些物料循环反映过程中为保持原料浓度和物料平衡需设立辅助控制系统。由于反映过程有热效应，因而应当设立相应热量平衡控制系统。能量平衡控制要保持化学反映器热量平衡。应使进入反映器热量与流出热量及反映生成热之间互相平衡。能量平衡控制对化学反映器来说是重要，它关系到安全生产，也间接保证了化学反映器产品质量达到了生产工艺规定。1.2.3 约束条件约束条件防止夹套式反映器过程变量进入危险工作区或不正常工况。必要设立相应参数反映到控制系统中。假设本设计是在普通条件下反映器装置，没有爆炸危险，因而只涉及了反映液液位报警系统，在反映器内反映液液位过高或过低时系统将发出报警信号。1.3 夹套式反映器扰动变量夹套式反映器扰动变量有进料口反映液流量、出料口生成液流量、夹套中冷水流量、冷却水温度变化、反映器内压力等各种扰动变量，其中冷却水温度变化是重要扰动。 这些扰动变量有可控和不可控。当扰动变量作用下反映转化率或反映生成物组分与温度、压力等参数之间不浮现单值函数关系时，需要依照工况变化补偿温度控制系统给定值。1.4 夹套式反映器动态数学模型 绝大某些被控工业对象都是具备稳定性，是一种开环稳定对象。普通，化学反映过程伴有强烈热效应。有是吸热，也有是放热。然而本反映器反映设立为放热反映。对于具备放热效应对象，因外干扰式反映器温度升高，随着反映速度加快，释放热量也迅速增多，最后导致温度不断上升。因而对于这种具备正负反馈性质放热器，在外扰作用下，温度变化将向两个极端方向发展：一种是温度始终上升，最后使反映器急速终了；另一种是若外扰先引起反映器温度下降，则温度不断下降，直到反映停止。不少高分子聚合过程状况就是如此，遂于这样放热反映过程，如果没有恰当换热促使，将是一种开环不稳定对象。化学反映过程涉及物料、能量平衡、反映动力学等，运用动态数学模型可以更好理解这些量物理意义。以夹套式液相反映器为例，来阐明反映器勉励模型建模思路。其中夹套式液相反映器装置如图1-1所示：图1-1 夹套式反映器1.4.1 基本动态方程式（1）基本假设两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；径向热传导可用集中参数表达，即同一截面上各点温度相似；传热系数U和比热Ca、Cb恒定不变；管壁热容忽视不计；外部绝热良好，即不考虑热损失。（2）系统基本方程式建立对内管流体A列写微元d热量衡算式： 式中：同理可得外管流体B热量衡算式：式中：（2）偏微分方程求解：在化工过程中，有诸多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式精馏塔和吸取塔、管式和固定床式反映器等都属于分布参数对象，它们动态方程为偏微分方程。偏微分方程求解办法重要有传递函数法、分段集总化解决办法、正交配备法和数值解法。对于较简朴（自变量不不不大于两个，线性定常）偏微分方程，普通可以通过传递函数法求解。一方面进行由时间域t到复域S拉氏变换，在TA、TB取增量形式时，初始条件为0，由式可得：进行由距离域到复域拉氏变换，边界条件如下：令AP=(1-2)2+4a1a2，则式(4.42)右端分母可写为：TA0对TA1 、TB1传递函数,以及TB0对TA1 、TB1传递函数可以表达到矩阵形式：1.4.2 模型简化：有上式整顿得被控对象传函为： ;二 控制系统方案拟定串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一种调节器输出作为另一种调节器给定值系统。它重要特点是如下：（1）能迅速克服进入副回路扰动影响，对进入副环扰动具备较强抗干扰能力；（2）改进除主控制器以外广义对象特性，使系统工作频率提高；（3）串级系统可以消除副过程非线性特性和忧郁调节阀流量特性不适合而导致对控制质量影响；（4）串级控制系统可以兼顾两个变量，更精准控制操作变量；（5）串级控制系统可以实现灵活控制方式，必要死可切除副调节器。依照设计题目为夹套式反映器温度串级控制控制系统设计，假设该反映器用于常态常压反映，因而选取控制方案为夹套式反映器反映温度与夹套水温度构成T-T串级控制方案。图2-1 串级系统控制流程图如图2-1所示；被控过程有三个热容器：即夹套中冷却水、反映器壁和反映器中物料。由于从干扰引起反映温度下降，到调节阀动作时温度升高，其间需要通过三个热容过程。控制通道时间常数和容量滞后较大，最后使调节不及时而浮现较大偏差。图中控制器用于克服干扰对夹套水温度影响通过稳定夹套水温度来及时抑制干扰对反映温度产生影响。但是控制器不能克服干扰对影响.因而也就不能保证符合工艺规定。为此要依照反映器内状况，恰当变化设定值。以拟定夹套水温度能使稳定在工艺规定数值上，即有控制器依照与偏差来自动变化设定值 。三 控制系统设计3.1 被控变量和控制变量选取3.1.1 被控变量选取 （1）主被控变量选取依照工艺过程控制规定，主被控变量应当能反映工艺指标。夹套式反映器工艺指标重要是反映器内温度，运用反映器内温度来衡量反映物之间反映充分状况。因而，若要反映工艺指标，夹套式反映器内反映温度必要是T-T串级控制系统主被控变量。（2）副被控变量选取从串级控制特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克服它，起到超前控制作用，因而在选取副变量时，一定要把重要扰动涉及在副回路内，并力求把尽量多扰动包括在副回路中，以充分发挥串级控制最大长处，吧对主变量影响最严重、最激烈、最频繁扰动因素抑制到最低限度，以保证主被控变量控制质量。同步冷却水温度变化是重要扰动，涉及水温变化、水量变化等许多扰动。因而采用夹套水温度作为副被控变量。这样完全符合副被控变量涉及重要扰动且包括尽量多扰动原则。3.1.2控制变量选取 控制变量是在系统中加以控制变量。除去系统主、副被控变量外一切变量，这些变量有些必要加以控制。在夹套式反映器中反映温度和夹套水温度构成T-T串级控制系统中，冷却水流量这一变量在系统中涉及扰动变量最多，因而选用冷却水流量作为系统控制变量，这样符合系统整体控制。3.2 主、副回路设计3.2.1 主回路设计串级控制系统主回路仍是一种定值控制系统，主回路设计仍可用单回路控制系统设计原则进行。因而主回路应涉及重要质量指标等原则。因而拟定了主被控变量、主控制变量及重要扰动变量就能构成主回路。由上述主被控变量和控制变量选取可设计出系统主回路。如图3-1所示；图3-1 串级控制系统主回路3.2.2 副回路设计副回路可看作是一种新动态环节。副回路设计是串级控制系统设计一种核心问题。从构造上看，副回路也是一种单回路，问题实质在于如何从整个对象中选用一某些作为父对象，然后构成一种控制回路，即可归纳为如何选取福参数。一方面副参数选取应使副回路时间常数小，调节通道短，反映敏捷；另一方面副回路因包括被控对象所受到重要干扰。由此86-99可设计出系统副回路。如图3-2所示；图3-2 串级控制系统副回路3.3 现场仪表选型3.3.1 测温检测元件及变送器（1）温度检测元件 图3-3热电偶分度规格及特性表由于主、副回路温度变送器温度范畴相差不大可以忽视，因而两个热电偶可以选取相似。假设该夹套式反映器用于普普通压状况下100条件下反映。由此可选镍铬-铜镍（GB/T4993-1998）热电极代号为EP。在温度测量环节可用如下一节化解来近似：式中，与测量仪表量程关于。为温度测量环节时间常数，单位为分，min.在实际过沉重这些参数基本不变。这里假设，主温度仪表量程为50150，副温度仪表量程为0500，测量环节时间常数。而各仪表输出经归一化后均为0100%，因而有，。可选出上述热电偶。在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周边环境温度波动影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了减少这一影响，通惯用补偿导线作为热电偶连接导线。补偿导线作用就是将热电偶冷端延长到距离热源较远、温度较稳定地方。补偿导线作用如图3-3所示：图3-4 补偿导线作用 用补偿导线将热电偶冷端延长到温度比较稳定地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采用进一步补偿办法。详细办法有：查表法、仪表零点调节法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。（2）温度变送器检测信号要进入控制系统，必要符合控制系统信号原则。变送器任务就是将检测信号转换成原则信号输出。因而，热电偶和热电阻输出信号必要经温度变送器转换成原则信号后，才干进入控制系统，与调节器等其她仪表配合工作。如图3-4所示；给出了温度变送器原理框图，虽然温度变送器有各种品种、规格，以配合不同传感元件和不同量程需要，但她们构造基本相似。 图3-5 温度变送器原理方框图 图3-5 智能温度变送器 本设计采用镍铬-铜镍EP-II型热电偶温度变送器。3.3.2 执行器。 图3-6 气动球阀内螺纹连接球阀及对焊连接球阀分为整体式、两段式及三段式。阀体锻造，构造合理、造型美观。阀座采用弹性密封构造，密封可靠，启闭轻松。可设立90开关定位机构，依照需要加锁以防止误操作。内螺纹连接不堪阀及对焊连接球阀合用于PN1.04.0MPa,工作温度-29180（密封圈为增强聚四氟乙烯）或-29300（密封圈为对位聚苯）各种管路上，用于截断或接通管路中介质，选用不同材质，可分别合用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氨盐水、中和水等各种介质。假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽视不计，并且式中为调节阀流通面积，普通在一定范畴内变化，这里假设（即控制器输出变化，调节阀相对流通面积变化）。3.3.3 调节器 图3-7 智能温度变送器选取SK808/900系列智能PID调节仪智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量测量显示、智能PID调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集、记录。3.4 主、副控制器正、反作用选取假设夹套式反映器中反映为放热反映。则选取如下：（1）控制阀：从安全角度考虑，选取气关型控制阀；（2）副控制对象（）：冷却水流量增长，夹套温度下降，因而；（3）副控制器（）：为保证负反馈，应满足，因而，应选，即选用反作用控制器；（4）主被控对象（）：当夹套温度升高时，反映器温度升高，因而；（5）主控制器（）：为保证负反馈，应满足，因而，应选，即选用反作用控制器。3.5 控制系统方框图图3-5 反映温度与夹套水温度串级控制系统方框图如图3-5所示；反映温度与夹套温度构成串级控制系统，反映温度为主被控变量，夹套温度为副被控变量。反映温度控制器输出作为夹套温度控制设定值。此温度串级控制系统详细工作过程为：当工况稳定期，物料流量和温度不变，冷却水压力和温度稳定。反映温度和夹套水温度均处在相对平衡状态，调节阀保持一定开度，也稳定在设定值上。如果工况平衡被破坏，一方面冷却水干扰会影响夹套水温度，副控制器动作，控制调节阀变化冷却水流量，以克服其对夹套水温度影响。如果干扰量不大，通过副回路及时控制普通不会影响反映温度。如果干扰量副职较大，副回路虽能及时矫正，但仍也许影响反映温度，此时再通过主控制器进一步调节，就可以完全克服上述扰动。若进料干扰使反映温度变化，通过主回路即可抑制其影响。显然由于副回路存在加快了控制作用，使扰动对反映温度影响比单回路要小。3.6 分析被控对象特性及控制算法选取3.6.1 被控对象特性分析由于被控变量选取中可知主被控变量为反映器内反映温度，副被控变量为夹套内冷却水温度。由设计可知；主扰动为进料口进料流量，副扰动为冷却水流量。根据文献资料可做如下假设：对于夹套式反映器反映温度对象，控制通道与扰动通道动态特性可假设为：， 。对于夹套冷却水温度对象，控制通道与扰动通道动态特性可假设为：，。3.6.2 控制算法选取 依照夹套式反映器工艺指标及工艺规定，该系统设计控制算法选取PID算法。3.7 控制系统仿真及参数整定3.7.1 控制系统SIMULINK仿真由各个传函等模块所构成SIMULINK模型如下图所示，其中两个温度控制器都采用PID调节器。相应对象模型参数分别取值为：，,一方面封装simulinkPID控制器模块，如图3-6所示：图3-6 PID控制器模块接着依照规定设计可得到串级控制系统SIMILINK仿真模型，如图3-7所示；图3-7 夹套式反映器温度串级控制系统SIMULINK模型3.7.2 串级控制系统PID参数整定：夹套反映器串级控制系统PID参数整定过程为：进行控制器参数整定。环节一 一方面随机设定控制器PID参数初始值为：1=50%，Ti1=0.5min，Td1=0min2=50%，Ti2=0.5min，Td2=0min可得到系统输出图如图3-8所示；由于是发散振荡，故此图不符合整定规定。图3-8 系统初始输出图环节二 再依照设定值跟踪速度快慢，调节PID中值，以起到增长调控力度。可得到整定输出图，如图3-8所示；,， ，图3-9 系统整定输出图由此图分析可知：控制系统过渡过程是一种单调过程，虽然起到了控制作用，使被控变量最后稳定下来，但其回答到平衡状态速度慢，时间长，故还要进一步优化PID参数设计。环节三 继续调节PID参数：1=100%，Ti1=1min，Td1=0min；2=100%，Ti2=1min，Td2=0min：可得到整定输出图3-10：图3-10 系统输出整定图由图分析可知，此参数下控制系统过渡过程为衰减振荡，可以迅速有效使被控变量稳定下来。环节四 环节二中单调过程也是可以通过参数调节起到优化控制作用，设定参数为： 1=80%，Ti1=5min，Td1=0min； 2=33%，Ti2=5min，Td2=0min；可得到输出整定图3-11：图3-11 系统输出整定图由图分析可知：虽然此参数下控制系统过渡过程为单调非振荡过程，但仍能以比较迅速度来使被控变量稳定下来。通过上述PID控制系统仿真实验和参数设定，可知懂得是，串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动影响，对进入副环扰动具备较强抗干扰能力；它还改进了除主控制器以外广义对象特性，是系统工作频率提高；并且消除副过程非线性特性和由于调解阀流量不适合而导致对控制质量影响；可兼顾两个变量，更精准控制操作变量，控制方式灵活，必要时可切除副调节器。这些都大大提高了串级控制系统在工业生产中应用。四 课程设计总结身为过程装备与控制工程一名学生，串级控制控制方案课程设计是咱们专业课程知识综合应用实践训练，这是咱们迈向社会，从事职业工作前一种必不少过程。“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言真正含义。实践才干检查所学到课本知识，做到咱们中北大学校训：致知于行！我今天认真进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实基本。通过这次夹套式反映器温度串级控制控制系统设计，我在诸多方面均有所提高。在这次课程设计中，我基本上掌握了控制系统设计办法，并且对串级控制办法有了更进一步理解。通过系统仿真，我对系统性能有了更加深刻结识，明确了各个参数对系统性能影响。我综合运用本专业所学课程理论，更加升入理解了串级控制系统各个方面知识。进一步理解串级控制系统在生产实际中运用原理及过程。大大提高了个人独立工作和学习能力，巩固与扩充了过程控制系统这方面所学内容，掌握控制系统设计办法和环节，掌握了课程设计中夹套式反映器工艺性能及指标，并且掌握了控制系统设计中各个参数及工艺规定拟定。熟悉了设计规范和原则，同步各科有关知识均有了全面复习，独立思考能力也有了很大提高。五结束语 这次课程设计使我受益匪浅，在各个方面能力均有很大提高，并且从中也意识到了自己局限性，并且得到了弥补。学会了综合运用所学知识和理论，为自己后来在工作实践中打下了良好了基本。 此外，非常感谢刘广璞教师、姚竹亭教师、高强教师悉心辅导和耐心辅导、答疑，使我可以顺利完毕本次课程设计。再次感谢教师辛苦付出！谢谢教师！六参照文献1 梁昭峰，李兵.过程控制工程.北京：北京理工大学出版社，:100-101,300-3162 王树青.工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，:346-3493 王永红，钱静.化工检测控制技术.南京：南京大学出版社，:67-774 王树青，戴连奎，于玲.过程控制工程.第2版.北京：化学工业出版社，：84-855 常太华，苏杰.过程参数检测及仪表.北京：中华人民共和国电力出版社，:30-746 王毅，张早校.过程装备控制技术及应用.第2版.北京：化学工业出版社，：35-377 王正林，郭阳宽.过程控制与Simulink应用.北京：电子工业出版社，：52-71,86-99