1、中北大学课程设计说明书1目 录一.概述2-6 页1.1 化学反应器的基本介绍 2-3 页1.2 夹套式反应器的控制要求3 页1.3 夹套式反应器的扰动变量3-4 页1.4 基本动态方程式4-6 页二控制系统方案的确定6-7 页三控制系统设计7-18 页3.1 被控变量和控制变量的选择7-8 页3.2 主、副回路的设计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择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的选择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 页六参考文献19 页中北大学课
2、程设计说明书2一概述1.1 化学反应器的基本介绍反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。化学反应器可以按进出物料状况、流程的进行方式、结构形式、传热情况四个方面分类：一、按反应器进出物料状况可分为间歇式和连续式反应器通常将半连续和间歇生产方式称为间歇生产过程。间歇式反应器是将反应物料分次获一次加入反应器中，经过一定反应时间后取出反应中所有的物料，然后重新加料在进行反应。间歇式反应器通常适用于小批量、多品种、多功能、高附加值、技术密集型产品的生产，这类生产反应时间长活
3、对反应过程的反应温度有严格程序要求。连续反应器则是物料连续加入，化学反应连续不断地进行，产品不断的取出，是工业生产最常用的一种。一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形式。二、从物料流程的进行方式可分为单程与循环两类物料在通过反应器后不再进行循环的流程称为单程，当反应的转化率和产率都较高时，可采用单程的排列。如果反应速度较慢，祸首化学平衡的限制，物料一次通过反应器转化不完全，则必须在产品进行分离后，把没有反应的物料与新鲜物料混合后，再送送入反应器进行反应。这种流程称为循环流程。三、从反应器结构形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反应器等。四、从传热情况可分为绝热式反应器和非
4、绝热式反应器 。1绝热式反应器与外界不进行热量交换，非绝热式反应器与外界进行热量交换。一般当反应过程的热效应大时，必须对反应器进行换热，其换热方式有夹套式、蛇管式、列管式等。如今用的最广泛的是夹套传热方式，且采用最普通的夹套结构居多。随着化学工业的发展，单套生产装置的产量越来越大，促使了反应设备的大型化。也大大促进了夹套反应器的反展。夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应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，因此夹套反应器操作一般都比中北大学课程设计说明书3较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。化工
5、生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。设计夹套式反应器的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（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物） 。1.2 夹套式反应器的控制要求1.2.1 质量指标夹套式反应器的质量指标一般是反应转化率或反应生成物的浓度。转化率是直接质量指标，如果转化率不能直接测量可选取与它相关的变量来计算间接反映出转化率的大小。如出口温度与转化率的关系为： 式中
6、y 是转化率， 、 分别是0()/iyCxH0i进料温度和出料温度， 是进料重度，C 是物料的比热容， 是进料浓度，H 是单位质量进 i料的反应热。因为成分分析仪表价格高，维护困难等原因。通常采用温度作为间接质量指标，有时辅以夹套式反应器的压力和处理量（流量）等控制系统，满足夹套式反应器正常操作的控制要求。1.2.2 物料平衡和能量平衡为使反应正常操作，反应转化率高，需要保持进入夹套式反应器各种物料量份额或物料的配比符合要求。为此对进入夹套式反应器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。此外部分物料循环的反应的过程中为保持原料的浓度和物料平衡需设置辅助控制系统。由于反应过程有热效应，因此应该设置
7、相应的热量平衡控制系统。能量平衡控制要保持化学反应器的热量平衡。应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。能量平衡控制对化学反应器来说是重要的，它关系到安全生产，也间接的保证了化学反应器的产品质量达到了生产工艺要求。1.2.3 约束条件约束条件防止夹套式反应器的过程变量进入危险工作区或不正常工况。必须设置相应的参数反应到控制系统中。假设本设计是在一般条件下的反应器装置，没有爆炸危险，因此只涉及了反应液液位报警系统，在反应器内反应液液位过高或过低时系统将发出报警信号 。11.3 夹套式反应器的扰动变量中北大学课程设计说明书4夹套式反应器的扰动变量有进料口反应液的流量、出料口生成液
8、的流量、夹套中冷水的流量、冷却水温度变化、反应器内压力等多个扰动变量，其中冷却水温度的变化是主要扰动。这些扰动变量有可控的和不可控的。当扰动变量作用下反应转化率或反应生成物组分与温度、压力等参数之间不出现单值函数关系时，需要根据工况变化补偿温度控制系统的给定值。1.4 夹套式反应器动态数学模型绝大部分被控工业对象都是具有稳定性，是一个开环稳定的对象。通常，化学反应过程伴有强烈的热效应。有的是吸热，也有的是放热。然而本反应器的反应设置为放热反应。对于具有放热效应的对象，因外干扰式反应器温度升高，随着反应速度的加快，释放的热量也迅速增多，最终导致温度不断上升。因此对于这种具有正负反馈性质的放热器，
9、在外扰作用下，温度的变化将向两个极端方向发展：一种是温度一直上升，最终使反应器急速终了；另一种是若外扰先引起反应器温度下降，则温度不断下降，直到反应停止。不少高分子聚合过程的情况就是如此，遂于这样的放热反应过程，如果没有适当的换热促使，将是一个开环不稳定的对象。化学反应过程涉及物料、能量平衡、反应动力学等，利用动态数学模型可以更好的了解这些量的物理意义。以夹套式液相反应器为例，来说明反应器激励模型的建模思路。其中夹套式液相反应器装置如图 1-1 所示：图 1-1 夹套式反应器1.4.1 基本动态方程式（1）基本假设中北大学课程设计说明书5两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
10、参数表示，即同一截面上各点温度相同；传热系数 U 和比热 Ca、Cb 恒定不变；管壁热容忽略不计；外部绝热良好，即不考虑热损失。（2）系统基本方程式的建立对内管流体 A 列写微元 d 的热量衡算式：式中：同理可得外管流体 B 的热量衡算式：式中：（2）偏微分方程的求解：在化工过程中，有很多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式精馏塔和吸收塔、管式和固定床式反应器等都属于分布参数对象，它们的动态方程为偏微分方程。偏微分方程的求解方法主要有传递函数法、分段集总化处理方法、正交配置法和数值解法。对于较简单的（自变量不大于两个，线性定常）偏微分方程，一般可以通过传递函数法求解。首先进行由时间域 t
11、 到复域 S 的拉氏变换，在 TA、TB 取增量形式时，初始条件为 0，由式可得：(,)(,)(,)(,),a BAaAaTtMCdUdTttCTtCd1 1(,)(,)(,)(,)AABAttTTtt1aaMUC2 2(,)(,)(,)(,)BABTttTtt22bbUaC中北大学课程设计说明书6进行由距离域 到复域的拉氏变换，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 的传递函数,以及 TB0 对 TA1 、TB1 的传递函数可以表示成矩阵的形式：1.4.2 模型的简化：有上式整理得被控对象传函为： ;11()psPKeG
12、sT22()1DDKTs二 控制系统方案确定串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。它的主要特点是如下：（1）能迅速克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力；1 12 2(,)(,)(,)(,)AABABB BdTSSaTS0110(,)()(,)()AAAABBBBTSTS 1 112 2(,)(,)(,)(,)AAAABBBABPaPTS21212211121221() 44PPaaA12() 2110 12cosh()sinhsinh() ()inco() PPPPA AB BAAaTS TSea中北大学课程设计说明
13、书7（2）改善除主控制器以外的广义对象特性，使系统的工作频率提高；（3）串级系统可以消除副过程的非线性特性和忧郁调节阀流量特性不适合而造成的对控制质量的影响；（4）串级控制系统可以兼顾两个变量，更精确控制操作变量；（5）串级控制系统可以实现灵活的控制方式，必要死可切除副调节器。根据设计题目为夹套式反应器温度串级控制控制系统设计，假设该反应器用于常态常压反应，因此选择控制方案为夹套式反应器反应温度与夹套水温度构成的 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：即夹套中的冷却水、反应器壁和反应器中的物料。由于从干扰引起反应温度 下降，到调节阀动作时
14、温度升高，其间需要经过三个热容过1T程。控制通道的时间常数和容量滞后较大，最终使 调节不及时而出现较大的偏差。图中控1T制器 用于克服干扰 对夹套水温度 的影响通过稳定夹套水温度来及时抑制干扰 对反2TC2F2 2F应温度 产生的影响。但是控制器 不能克服干扰 对 的影响.因而也就不能保证 符合1 TC1F1T工艺要求。为此要根据反应器内的情况，适当改变 的设定值 。以确定夹套水温度能使2T2r稳定在工艺要求的数值上，即有控制器 根据 与 的偏差来自动改变 的设定值 1T 1c1r 2C2r。3中北大学课程设计说明书8三 控制系统设计3.1 被控变量和控制变量的选择3.1.1 被控变量的选择（
15、1）主被控变量的选择根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。夹套式反应器的工艺指标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。因此，若要反映工艺指标，夹套式反应器内反应温度必须是 T-T 串级控制系统的主被控变量。（2）副被控变量的选择从串级控制的特点可知，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，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，并力求把尽量多的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，吧对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。同时冷却水温度变化是主要扰动
16、，包括水温变化、水量变化等许多的扰动。因此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包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。3.1.2 控制变量的选择控制变量是在系统中加以控制的变量。除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些变量有些必须加以控制。在夹套式反应器中反应温度和夹套水温度构成的 T-T 串级控制系统中，冷却水流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取冷却水流量作为系统的控制变量，这样符合系统的整体控制。3.2 主、副回路的设计3.2.1 主回路的设计串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主回路的设计仍可用单回路控制系统的设计原则进行。因此主回路应包括主要的质量指
17、标等标准。因此确定了主被控变量、主控制变量及主要扰动变量就能组成主回路。由上述的主被控变量和控制变量的选择可设计出系统主回路。如图 3-1 所示；中北大学课程设计说明书9图 3-1 串级控制系统主回路3.2.2 副回路的设计副回路可看作是一种新的动态环节。副回路设计是串级控制系统设计的一个关键问题。从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为父对象，然后组成一个控制回路，即可归纳为如何选择福参数。首先副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。由此 86-99可设计出系统的副回路。如图 3-2 所示；图 3
18、-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）温度检测元件中北大学课程设计说明书10图 3-3 热电偶的分度规格及特性表由于主、副回路的温度变送器的温度范围相差不大可以忽略，因此两个热电偶可以选择相同的。假设该夹套式反应器用于普通常压的情况下 100条件下的反应。由此可选镍铬-铜镍（GB/T4993-1998）的热电极代号为 EP。在温度测量环节可用以下的一节化解来近似：式中， 与测量仪表的量程有关。 为温度测量环节的时间常1()()mTMTssKGTM10T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
19、量程为 0500，测量环节的时间常数 。而各仪表输出经归1min一化后均为 0100%，因而有 , 。可选出上述的1,max1,in%/MTKC25/TMKC热电偶 。4在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图 3-3 所示：中北大学课程设计说明书11图 3-4 补偿导线作用用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措
20、施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、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，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。如图 3-4 所示；给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。传感元件 输入电路 放大电路反馈电路电量输出电流+-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
21、型热电偶温度变送器。3.3.2 执行器中北大学课程设计说明书12。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。阀体铸造，结构合理、造型美观。阀座采用弹性密封结构，密封可靠，启闭轻松。可设置 90开关定位机构，根据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适用于 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）的各种管路上，用于截断或接通管路中的介质，选用不同的材质，可分别适用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氨盐水、中和水等多种介质。假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且 式中 为调节
22、()vvVfsGKuvf阀的流通面积， 通常在一定范围内变化，这里假设 （即控制器的输VK(0.51)%/VK出变化 ，调节阀的相对流通面积变化 ） 。1%0.5%1.3.3.3 调节器中北大学课程设计说明书13图 3-7 智能温度变送器选择 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、力等物理量的测量显示、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、反作用的选择假设夹套式反应器中反应为放热反应。则选择如下：（1）
23、控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀 ；0vk（2）副控制对象（ ）：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此 ；2T 20pk（3）副控制器（ ）：为保证负反馈，应满足 ，因此 ，应选C22cvpmkm，即选用反作用控制器；20ck（4）主被控对象（ ）：当夹套温度升高时，反应器温度升高，因此 ；1T 10pk（5）主控制器（ ）：为保证负反馈，应满足 ，因此 ，应选C10cpmkm，即选用反作用控制器。10ck33.5 控制系统方框图中北大学课程设计说明书14图 3-5 反应温度与夹套水温度串级控制系统方框图如图 3-5 所示；反应温度与夹套温度构成串级控制系统，反应温度为主被控变量，夹套温
24、度为副被控变量。反应温度控制器的输出作为夹套温度控制的设定值。此温度串级控制系统的具体工作过程为：当工况稳定时，物料的流量和温度不变，冷却水的压力和温度稳定。反应温度和夹套水温度均处于相对平衡状态，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 会影响夹套水的温度，副1T 2F控制器动作，控制调节阀改变冷却水流量，以克服其对夹套水温度的影响。如果干扰量不大，经过副回路的及时控制一般不会影响反应温度。如果干扰量副职较大，副回路虽能及时矫正，但仍可能影响反应温度，此时再通过主控制器的进一步调节，就可以完全克服上述扰动。若进料干扰 使反应温度变化，通过主回路即可抑制其影响
25、。显然由于副回路的存在加快了控1F制作用，使扰动对反应温度的影响比单回路要小 。53.6 分析被控对象特性及控制算法的选择3.6.1 被控对象特性分析由于被控变量的选择中可知主被控变量为反应器内的反应温度，副被控变量为夹套内冷却水的温度。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。依据文献资料 可做以下假设：对于夹套式反应器反应温度对象，控制通道与扰动通道2的动态特性可假设为： ， 。对于夹套冷却水温度对象，控制11()psPKeGsT11()DsDKeGT通道与扰动通道动态特性可假设为： ， 。22()PPs22()1DDs3.6.2 控制算法的选择中北大学课程设计说明书15根据
26、夹套式反应器的工艺指标及工艺要求，该系统设计的控制算法选择 PID 算法。3.7 控制系统的仿真及参数整定3.7.1 控制系统的 SIMULINK 仿真由各个传函等模块所组成的 SIMULINK 模型如下图所示，其中两个温度控制器都采用PID 调节器。对应的对象模型参数分别取值为：， ， ，1%/vK25/()PCThr2minP21/()DKCThr， ， ，24minDT114p3iP， ,1/()hr3inDiD首先封装 simulinkPID 控制器模块，如图 3-6 所示：图 3-6 PID 控制器模块接着根据要求设计可得到串级控制系统 SIMILINK 仿真模型，如图 3-7 所示
27、；中北大学课程设计说明书16图 3-7 夹套式反应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：夹套反应器串级控制系统 PID 参数整定过程为：进行控制器的参数整定 。6步骤一 首先随机设定控制器 PID 参数的初始值为：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；因为是发散振荡，故此图不符合整定要求。图 3-8 系统初始输出图中北大学课程设计说明书17步骤二 再根据设定值跟踪速度的快慢，调整 PID 中的值，以起到增加调控力度。可得到整定输出图，如图 3-8 所
28、示；, , 136%10minIT10inDT, , 224I2图 3-9 系统整定输出图由此图分析可知：控制系统的过渡过程是一个单调过程，虽然起到了控制的作用，使被控变量最终稳定下来，但其回复到平衡状态的速度慢，时间长，故还要进一步优化 PID 参数设计。步骤三 继续调整 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：中北大学课程设计说明书18图 3-10 系统输出整定图由图分析可知，此参数下的控制系统过渡过程为衰减振荡，可以快速有效的使被控变量稳定下来。步骤四 步骤二中的单调过程也是可以通过参数
29、的调整起到优化控制作用的，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：虽然此参数下的控制系统过渡过程为单调非振荡过程，但仍能以比较快的速度来使被控变量稳定下来。中北大学课程设计说明书19经过上述 PID 控制系统的仿真实验和参数设定，可知知道的是，串级控制系统能迅速的克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力；它还改善了除主控制器以外的广义对象特性，是系统的工作频率提高；并且消除副过程的非线性特性和由于调解阀流量不适合而造成的对控制质量的影
30、响；可兼顾两个变量，更精确控制操作变量，控制方式灵活，必要时可切除副调节器。这些都大大的提高了串级控制系统在工业生产中的应用。7四 课程设计总结身为过程装备与控制工程的一名学生，串级控制控制方案的课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“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的真正含义。实践才能检验所学到的书本知识，做到我们中北大学的校训：致知于行！我今天认真的进行课程设计，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的基础。通过这次夹套式反应器温度串级控制控制系统设计，我在很多
31、方面都有所提高。在这次课程设计中，我基本上掌握了控制系统的设计方法，并且对串级控制方法有了更深入的的了解。通过系统仿真，我对系统性能有了更加深刻的认识，明确了各个参数对系统性能的影响。我综合运用本专业所学的课程理论，更加升入了解了串级控制系统的各个方面的知识。进一步了解串级控制系统在生产实际中的运用原理及过程。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的内容，掌握控制系统设计的方法和步骤，掌握了课程设计中的夹套式反应器的工艺性能及指标，并且掌握了控制系统设计中的各个参数及工艺要求的确定。熟悉了设计规范和标准，同时各科相关的知识都有了全面的复习，独立思考的能力也有了很大
32、的提高。五结束语这次课程设计使我受益匪浅，在各个方面的能力都有很大的提高，并且从中也意识到了自己的不足，并且得到了弥补。学会了综合的运用所学的知识和理论，为自己以后在工作实践中打下了良好了基础。另外，非常感谢刘广璞老师、姚竹亭老师、高强老师的悉心教导和耐心的辅导、答疑，使我能够顺利完成此次课程设计。再次感谢老师的辛苦付出！谢谢老师！中北大学课程设计说明书20六参考文献1 梁昭峰，李兵.过程控制工程.北京：北京理工大学出版社，2010:100-101,300-3162 王树青.工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，2002:346-3493 王永红，钱静.化工检测控制技术.南京：南京大学出版社，2007:67-774 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，2008：84-855 常太华，苏杰.过程参数检测及仪表.北京：中国电力出版社，2009:30-746 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，2007：35-377 王正林，郭阳宽.过程控制与 Simulink 应用.北京：电子工业出版社，2006：52-71,86-99中北大学课程设计说明书21
