硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计--课程设计.docVIP

工工 业业 大大 学学 过程控制系统过程控制系统 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2015.2015.1212.2.21 12015.2015.1212. .3131 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）： 教研室： 学 号 学生姓名 专业班级 设计题目硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 氧化炉是硝酸生产中的关键设备，氨气与空气混合后进入炉内，在铂触媒作 用下进行氧化反应氨气氧化生成一氧化氮是一种放热反应过程，工艺要求反应温 度为 8505。影响温度的主要因素是氨气和空气的比值。当温度受扰动而变化 时，均以改变氨量来补偿。试设计硝酸生产中氧化炉温度控制系统。 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、MATLAB 仿真分析/实验测试分析； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 测量范围：01000； 控制温度：8505； 最大偏差：10。 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2 天，分散完成） 2、确定系统的控制方案，绘制工艺节点图、方框图。（1 天，实验室完成） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2 天，分散完 成） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室 1 天） 5、仿真分析或实验测试分析、答辩。（3 天，实验室完成） 6、撰写、打印设计说明书。（1 天，分散完成） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） I 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） II 摘 要 氧化炉是硝酸生产中的关键设备，本文正是针对氧化炉的温度系统进行控制 设计的。在生产硝酸的过程中，氨气与空气混合后进入炉内，在铂触媒作用下进 行氧化反应。氨气氧化生成一氧化氮是一种放热反应过程，工艺要求反应温度为 8505。影响温度的主要因素是氨气和空气的比值，当温度受扰动而变化时， 均以改变氨量来补偿。 在硝酸生产过程中，氧化炉炉温控制不稳，导致生产不易稳定运行，利用 PMK 可编程调节器将原串级控制系统改进成串级比值控制系统，通过压力传感器 检测氨气和空气的流量，将比值通过变送器送入控制器，根据温度传感器测得的 温度变化，控制器通过执行器调节氨气和空气的比值来实现温度和两种气体之间 的关联，优化了控制方案，使氧化炉炉温波动范围控制在5内，解决了生产中 遇到的问题。 关键词：串级控制；比值控制；温度控制；PID 调节 本科生课程设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 3 2.1 概述 .3 2.2 方案比较 .3 第 3 章 硬件设计 6 3.1 可编程小型调节器 .6 3.2 温度传感器 .7 3.3 流量变送器 .7 3.4 执行器 .8 第 4 章 软件设计 .10 4.1 系统设计 10 4.2 监控画面组态 11 第 5 章 仿真分析 .14 5.1 PID 控制系统的设计.14 5.2 被控对象的建模 15 5.3 PID 控制器的设计与仿真.16 第 6 章 课程设计总结 .22 参考文献 23 本科生课程设计（论文） 0 第 1 章 绪论 在硝酸生产过程中, 氨氧化炉是关键设备。其工艺流程:氨气和空气混合气 体进入氧化炉, 在铂金触煤的作用下进行氧化反应, 生成所需要的一氧化氮, 这 是一个多种参数相互制约的复杂过程,工艺控制指标的好坏关系到生产能否稳定 运行, 生产效益以及设备安全问题, 因此如何实现氧化炉的最优控制, 多年来一 直是一个被关注, 并为之不懈努力研究的课题。 硝酸是重要的基本化工产品，在国民经济中具有重要的地位。氨氧化法制硝 酸是硝酸生产中比较普遍的方法，具体为将净化后的氨气与空气配成一定比例的 混合气，在氧化炉内通过铂网触媒，进行氧化反应，生成氮氧化物气体经吸收塔 制取稀硝酸。硝酸生产中的关键工序是氨氧化生产过程。氨氧化生产过程中的氨 消耗占硝酸生产成本的 80%左右，在保证安全生产的前提下，确保氨氧化生产中 高的氨氧化率、低的铂金消耗是提高硝酸生产经济效益的主要手段。稀硝装置中 最重要的过程是“氨空比值”控制，采用的是氨空比值控制系统，即依据氨、空 混合气体中的氨浓度与反应温度成线性正比的关系，通过控制氨-空比值来间接 控制反应温度的控制方案，从而实现最终对氧化率的控制。在氨氧化生产过程的 装置中实施计算机控制，实现优化操作，达到高的氧化率、低的铂金消耗与安全 生产。 液氨经蒸发、净化后与轴流空气压缩机送来的空气在氨空混合器内混合后， 送入氨氧化炉进行反应，经高温气气换热器、省煤器和低压反应水冷器充分换热， 然后经 NOx 离心压缩机组去吸收塔、漂白塔制取稀硝酸。其氨氧化反应方程式 如下: 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O H = -907280J 一氧化氮再经过初步吸收、二次漂白吸收后生成浓度为 60% 稀硝酸。氨氧化 炉的一氧化氮生成量直接影响到后续工段最终产品产量，故控制好进入氧化炉的 氨气及空气配比，稳定生成一氧化氮的产量是硝酸装置的重点。 氨氧化生产的主要特点是一个高温、快速、易爆的化学放热反应过程。氨的 氧化率是表征反应结果的工艺指标，若排除铂金触媒自身的活性因素，则氨的氧 化率与反应温度在一定范围内成正比。在反应过程中，当其他条件确定后，反应 温度由氨、空混合气中的浓度决定。根据热量衡算，在混合气中，每 1%浓度的 氨和空气反应，可使反应温度平均升高 70。根据实践经验，氧化炉的反应温度 选择在 850，从而需要控制混合气体中的氨气浓度为 12.3%左右。反应温度过 高，虽然氧化效率可以达到更高，但铂金网损耗将大大提高，从而硝酸生产成本 本科生课程设计（论文） 1 大为增加；而一旦温度超过 850，氧化炉极易发生爆炸，安全将无法得到保障。 若氨氧化率下降，将使尚未反应完的 NH3经过铂金网，NH3在后序的吸收系 统中生成硝酸铵和亚硝胺，硝酸铵和亚硝胺有猛烈的爆炸性质，这也是必须防止 的。由生产实践得知，在现有的生产条件下，保持最佳而稳定的中部温度是提高 并长期稳定铂金网的活化性能、提高氨氧化率、降低铂金消耗与确保安全生产的 主要参数（生产效率与设备安全呈矛盾状态，这就是氧化工艺的特殊性）。解决 这一矛盾的唯一有效方法，就是采用先进的控制方案，提高控制系统的控制性能 和控制精度，把被控参数控制在允许的极限值。 表征氧化过程的工艺指标是氨的氧化率。但是目前的仪表技术对于在线连续、 快速检测氧化率，暂时还做不到。虽然氧化率是重要的工艺指标，但因缺乏有效 的检测手段而不能以氧化率为控制参数。反应温度与氧化率成单值函数关系，由 氧化温度可间接获得氧化率，但若把温度作为被控参数，因为温度对象的时间常 数太大，无法获得满意的调节效果，而被控参数又是控制在临近极限值，被控参 数极易超限。温度一旦越限，就会造成烧坏铂网的巨大损失。所以，所有稀硝装 置中的氧化工艺控制系统，都是依据氨、空混合气体中的氨浓度与反应温度成线 性正比的关系，设计以氨气、空气流量比值为被调参数，氨气流量为调节参数的 调节系统，采用通过控制氨空比值来间接控制氧化反应温度的控制方案，从而实 现最终对氧化率的控制。 为了使进入氧化炉反应的氨空混合气总体合适，确保氧化炉反应充分，炉温 稳定在 850。氨-空比合理的前提是氨气流量和空气流量测量的准确性，故在测 量时要考虑具体工况条件下氨、空流量换算时的压力、温度补偿。氨空比是一个 范围，化学反应中氨氧比为 1:2（氧在空气中约占 21%），故氨空比约为 1:11。 实际上氨空比为一个变量，波动范围为 7%15%，小于 7%和大于 15%都会导致 氧化反应不正常而引发装置联锁动作停车。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 氨气和空气混合气体经静化后, 进入氧化炉,在铂金网的作用下,在绝压 0.45 MPa，温度 850的条件下，将氨氧化成一氧化氮气体。影响氧化反应过程的因 素有氨的体积分数，压力，氧化率，反应温度，混合气流量，铂网活性等，氧化 率是氧化反应的指标，但目前没有有效的检测手段。在一定条件下，氧化率正比 于反应温度，而氨气是氧化反应的主要成分，反应的温度取决于气体中氨的体积 分数，而氨的体积分数又无法测量，只有氧化炉温度能间接反应出氧化率。 为了获得更高的氧化率，氧化炉温度与氨的体积分数均控制在极值，而炉温 超到 1100会烧毁价值昂贵的铂金网,氨的体积分数超过 14%会引起恶性爆炸事 故毁坏生产设备,必需加设联锁保护系统，氧化炉温度及氨空比是最关键的控制 参数,对仪表精度要求极高。 2.2 方案比较 氧化炉原来的控制方案：以炉温为主调参数,氨气流量为副调参数，构成串 级调节系统，调节品质不好，偏差太大，原因是空气控制是开环的，当干扰出现 时，由于对象通道太长，检测滞后,而不能克服，串级控制系统如图 2.1 所示。 图 2.1 串级控制系统框图 本科生课程设计（论文） 3 氨气经控制阀控制其流量，与空气在混合器混合，经加压和预热后，进入氧 化炉，在铂催化剂和 850温度下反应，生成一氧化氮和水蒸气。控制氧化炉温 度是控制反应转化率的关键，控制系统工艺节点图如图 2.2 所示。 图 2.2 串级控制系统工艺节点图 根据原方案的优缺点，设计了串级比值调节系统，如图 2.3 所示。 图 2.3 串级比值控制系统框图 图 2.3 所示的方案是以炉温为主调节回路，氨空比值为副调节回路，是以一 次空气量为主环，氨气流量为副环的双闭环控制系统。一次空气量是压缩机出口 流路当中去混合器的那一路空气流量；吸收塔的那一路是二次空气流量，其工艺 流程图如图 2.4 所示。 本科生课程设计（论文） 4 图 2.4 串级比值控制系统工艺流程图 由于一次空气流量不能随压缩机量波动而有较大的波动，否则会使压缩机氧 化炉生产系统处于不稳定状态，影响装置的安全生产，因此一次空气量必须加以 控制。其控制阀安装在二次空气管线上，这样会避免安装在一次空气管线上所产 生的麻烦。从工艺安全角度来考虑，二次空气只作记录，不需要控制。 本科生课程设计（论文） 5 第 3 章 硬件设计 从生产过程和扰动因素来分析，氨气流量的变化是主要矛盾的主要方面。经 研究决定采用 QDZ 气动单元组合仪表，组合成以氧化炉温度自动校正氨气，空 气流量串级比值自动调节系统。从设计上根据国际仪表生产情况，气体流量选择 美国 A+K 平衡流量计，氨气、空气流量采用 QXJ-200 型的两针记录仪，比值可 以很形象的看出来，氧化炉温度是用 QXJ-312 型三针记录仪，调节器采用 PMK 可编程小型调节器。 3.1 可编程小型调节器 对氧化炉这个复杂、而特殊的对象，虽然从理论上解决了控制方案问题，但 由于常规仪表的局限性，实施起来，系统构成设备太多，存在着极大的事故机率， 运算精度难以实现。主副回路的切换、操作投运十分繁锁，而且无法满足工艺提 出的特殊要求，如异常状态的自动处理要全自动等，而进行改造，把常规仪表改 成 DCS，资金投入量又过大，所以在可编程序调节器使用前氧化炉温度一直是手 动状态。根据系统对控制器的要求，本设计选用 FC 系列的 PMK 调节器。 PMK 可编程小型调节器，以优越的功能为系统的投运提供了条件： 1、PMK 可实现比值计算，串级比值调节系统的投运。 2、PMK 在氨空比值达到 12.6%，氧化炉温度达到 870时实现自保。 3、可进行比值、给定、输出上下限设定限幅，确保系统安全。 4、可实现温度、比值参数的预报警。 利用 PMK 的调节器功能，可化解意外的危险因素，当铂金网活性下降或因 意外原因而破裂时，反应温度下降，由于系统对温度是开环的，根据串级比值系 统的特性，当这种干扰出现时，系统为保证炉温恒定不变，势必修正比值，增大 气氨流量。当氨空比一旦越限(16%)将会有爆炸危险。为防止氨空比值超限，利 用 PMK 的可靠性，当氨空比达到 12.6%，将发出报警信号，若氨空比继续增大到 13.6%，将发出脉冲信号, 切断气氨流量, 保证了设备的安全。当由于其他原因， 如：停电、停气源等造成控制系统动作，规定当氨空比低于 8%，实现设备安全 自保。当温度高于 870，而氨空比没发生变化，同样实现安全自保。 该方案中主调节器、副调节器、比值器由 PMK 来实现。控制阀、快关阀均 为气开阀，对象增益大于零，检测变送环节增益大于零，所以调节器均为反作用。 副回路中的一次空气流量自动调节过程，利用 PMK 调节器来实现，控制阀为气 本科生课程设计（论文） 6 开阀，调节器为正向，一次空气、二次空气、气氨流量、比值、温度由记录仪记 录。 3.2 温度传感器 温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号 的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分 为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电 偶两类。 如果要进行可靠的温度测量，首先就需要选择正确的温度仪表，也就是温度 传感器。其中热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度 IC 都是测试中最常用的 温度传感器。根据硝酸生产工艺，温度传感器需要测量的温度范围是 01000， 所以选用 TH-10-44000 热敏电阻传感器，此传感器可以直接将温度信号转化为 1-5V 标准数字信号送入控制器。 TH-10-44000 热敏电阻使用半导体材料， 大多为负温度系数，即阻值随温 度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。 热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。热敏电阻需要使用电流源，小尺 寸也使它对自热误差极为敏感。 热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度，有较好的精度，比热偶贵，高温器 件适用温度高于 315（目前最高可达到 2000）。一种常用热敏电阻在 25时 的阻值为 5k，每 1的温度改变造成 200 的电阻变化。注意 10 的引线电阻 仅造成可忽略的 0.05误差。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控 制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。 热敏电阻还有其自身的测量技巧。热敏电阻体积小是优点，它能很快稳定， 不会造成热负载。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功 率而造成发热，功率等于电流平方与电阻的积，因此要使用小的电流源。 3.3 流量变送器 变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号 （或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号 源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量 需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变 本科生课程设计（论文） 7 送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等 等。 流量变送器又称为流量传感器简称为流量计。目前，已经研发出按照 ISO9951 标准并结合国内外流量仪表先进技术而研制开发的高精度、高可靠性的 精密计量仪表，它出色的低压和高压计量性能，多种信号输出方式以及对流体扰 动的低敏感性，使得流量计成为一种特别优秀的能准确计量气体累积量的工业计 量仪表。 涡轮流量计采用涡轮进行测量。它先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转 换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量，其 输出信号为频率，易于数字化。感应线圈和永久磁铁一起固定在壳体上。当铁磁 性涡轮叶片经过磁铁时，磁路的磁阻发生变化，从而产生感应信号。信号经放大 器放大和整形，送到计数器或频率计，显示总的积算流量。同时将脉冲频率经过 频率电压转换以指示瞬时流量。叶轮的转速正比于流量，叶轮的转数正比于流 过的总量。涡轮流量计的输出是频率调制式信号，不仅提高了检测电路的抗干扰 性，而且简化了流量检测系统。它的量程比可达 10:1，精度在0.2%以内。惯 性小而且尺寸小的涡轮流量计的时间常数可达 0.01 秒。气体涡轮流量计广泛应 用于石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体等。根据硝酸生产工 艺，测量的气体流量范围在 040m3 /h，所以选用美国 A+K 平衡流量计。 3.4 执行器 执行器（final controlling element）是自动化技术工具中接收控制信息并对受 控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量 的仪表，由执行机构和调节机构组成。 在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。调节机构通 过执行元件直接改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。执行机构则 接受来自控制器的控制信息把它转换为驱动调节机构的输出（如角位移或直线位 移输出）。它也采用适当的执行元件，但要求与调节机构不同。执行器直接安装 在生产现场，有时工作条件严苛。能否保持正常工作直接影响自动调节系统的安 全性和可靠性。 执行器是自动化技术工具中接受控制信息并对受控对象施加控制作用的装置， 按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器3类。根据控制系统安全运行准则 确定控制阀的气开、气关形式。即当控制阀出现故障时，控制阀应处于安全状态， 选择控制阀气开、气关形式的一般原则是不使物料进入或流出设备或装置，选用 本科生课程设计（论文） 8 规则：进入设备或装置原料或热源应切断，因此，选择进料阀为气开阀；设备或 装置的出料应切断。因此，选择出料阀为气开阀；特殊场合，不应使高温高压物 流切断或放空，因此，选择保位阀；精馏塔的回流控制阀应在故障时打开，保证 全回流，因此选择气关阀；串级控制系统中，当气开和气关形式都可以选用是， 为使串级和主控两种模式能方便地切换，选择控制阀的增益与主被控对象增益有 相同符号（同时为正或同时为负）。根据以上原则，本设计的控制阀选用气开阀， 型号为TMCU-TMVU-TMVU流量控制阀。 调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与位移（阀门的相对开度） 间的关系，理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线和快开等4种。 常用的理想流量特性只有直线、等百分比（对数）、快开三种。调节阀流量特性 的选择可以通过理论计算，但所用的方法和方程都很复杂。目前多采用经验准则， 具体从下几方面考虑： (1) 从调节系统的调节质量分析并选择； (2) 从工艺配管情况考虑； (3) 从负荷变化情况分析。 通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总 放大倍数不变的目的。综上所述，系统应采用对数(等百分比)流量特性调节阀。 本科生课程设计（论文） 9 第 4 章 软件设计 串级比值控制系统又称为变比值控制系统，它是按一定工艺指标自行修正比 值系数，克服影响工艺指标的所有干扰。该串级控制系统根据氧化炉温度的变化 自行修正氨空比值系数。并按新比值系数，实现变化值控制。 4.1 系统设计 串级比值调节系统，快速而有效地克服各种干扰，可使温度控制精度达到恒 定。串级比值调节回路中，当出现直接引起氨气，空气流量变化的干扰时，通过 比值系统，可以得到及时克服，以保持炉温不变，对于其他干扰如氨气、温度压 力变化，触媒活性变化等引起的炉温变化，可通过主调节器对氨空比值进行修正， 以保证炉温恒定，系统流程图如图 4.1 所示。 图 4.1 系统流程图 开始 温度采集信号 输入设定值 温度845 ?氨气阀关闭 氧气阀关闭 氨氧比值1:2 Y 本科生课程设计（论文） 10 当出现影响产品质量的流量干扰时，可通过比值控制回路得以克服，当一次 空气流量因某种原因而波动较大时，作为副回路当中的双闭环控制系统，一方面， 一次空气的单回路控制能迅速加快克服干扰；另一方面波动部分同时通过比值 控制加以克服，当波动量进入氧化炉，并通过氧化炉温度反映出来时，主调节器 改变输出以修正比值系数，并按新的比值系数进行控制，这样，副回路相当于过 程控制的粗调，主回路则为细调，这正是串级控制的优点。 当物料、温度、压力、成分、铂网活性发生变化时，虽然比值不变，但参加 混合反应的有效成分发生变化，即有效比值改变，最后通过反应温度表现出来， 主调节器输出改变，修正比值，直到主副流量的有效成分的比例符合要求，这样 保证控制质量稳定。 另外,副回路部分采用了双闭环比值控制系统，因而具有如下特点： 1、克服了主流量干扰的影响，使主流量变得比较平稳，通过比值控制，副 流量也将比较平稳，从而系统总负荷将是稳定的。 2、升降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量的设定值，就可以在升降主 流量的同时，副流量也将自动跟踪并保持比值不变，因此此方案常用在主流量干 扰较大，而工艺不允许负荷有较大波动的场合。 除法器的输出即是两流量信号的比值，输出可进行记录和指示，越限报警， 实现自保联锁。对炉温信号，一方面进行常规串级比值调节，温度是主调节器的 测量信号；另一方面当炉温越限时，通过报警器进行超温报警，当炉温继续升高 超过联锁值，自动切换氨保护装置自保。 比值控制方案有手动和自动两种运行方式。调节器在手动方式时，操作人员 可以通过计算机上的手动增减按钮按设定的步长操纵氨气控制阀的阀门开度。因 为比值控制方案测量值、给定值显示的是氨空比值，所以操作的依据是直接读取 仪表上的数据，使根据氨空实际流量算出的氨空比测量值在工艺设定的氨空比值 范围内。调节器在自动方式时，由人工直接设定调节回路的氨空比值设定值，系 统自动控制气氨流量控制阀，使氨空比值趋近于比值给定值，在此过程中，气氨 流量能实时地自动跟踪空气流量，不需要人工干预。 4.2 监控画面组态 该系统稳定状态下，副回路中主副流量恒定，它们分别经测量、开方运算后 送入除法器相除，输出表征了它们的比值，同时作为副调节器测量信号，这里表 征产品质量指标参数也恒定，则主调节器输出信号恒定且与比值信号相等，副调 节器输出不变，控制处于某一开度，产品质量合格，监控画面如图 4.2 所示。 本科生课程设计（论文） 11 图 4.2 监控画面 氨空比值自动控制系统以空气为主动量，氨气为从动量。氨气流量和空气流 量经除法器进行比值运算后的结果，作为 PID 的测量信号，与氨空比给定值 SP 进行 PID 运算后去控制氨气流量控制阀，从而使空气流量随氨气流量的变化而变 化，并始终保持实际的氨空比值在允许的范围(7%15%)之内。 算法下的工艺过程： 装置开车前，四合一机组先行启动，氧化炉由外供中压蒸汽预热至 200 左右。 空气经空压机先行进入氧化炉，通过调节轴流空气压缩机上静叶调节阀 开度至 50%左右(约 40000m3/h)。 氨球来的液氨经由氨蒸发器蒸发后，进入氨-空混合器与空气进行混合， 气流量在未达到氨-空比设定范围前，联锁不投用。此时的氨空混合气不进氨过 滤器及氨-空混合器，通过手动调节阀与氨气快切阀的作用返回至氨回收装置重 新回用。 氨气流量达到预设值，自控系统将切断阀关闭，切断阀打开，使氨气经 氨气过滤器净化，在氨空混合器与空气充分混合后进入氨氧化炉，此时启动氧化 炉手动点火装置，氨空混合气在铂网的催化作用下，立即被氧化燃烧。 在装置运行正常后，根据装置运行需要，对装置负荷进行调整：空气压 本科生课程设计（论文） 12 缩机静叶调节阀开大，空气流量增大，则计算后的氨-空比减小，调节器输出增 大，氨气阀门开度增大，使氨-空比值增加，恢复到给定氨-空比范围内；假设因 某种原因氨气流量增大或空气流量减小，则计算后的氨空比增大，调节器输出减 小，氨气阀门开度减小，使氨-空比值减小，恢复到给定氨-空比范围内。 整个反应过程中，空气始终轻微过量，用氨气流量变化来控制氧化炉炉 温，使氨氧化反应温度稳定在 850。 在气体流量测量系统中，温压补偿是其中一个不可缺少的环节。若缺少这一 环节，就会给测量带来误差，使仪表的示值变得毫无意义。氨气、空气流量的准 确测量关系到氨空比值控制方案的控制品质，因此根据被测气体及仪表类型，选 用合适的数学模型，实施温压补偿是十分必要的。 本科生课程设计（论文） 13 第 5 章 仿真分析 5.1 PID 控制系统的设计 PID(Proportional，Integral and Differemial)控制器是一种基于“过去”，“现 在”和“未来”信息估计的简单算法。常规 PID 控制系统原理框图如图 5.1 所示， 系统主要由 PID 控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与 实际输出值 y(t)构成控制偏差 e(t)，将偏差按比例、积分、和微分通过线性组合构 成控制量 u(t)，对被控对象进行控制。 图 5.1 PID 控制系统原理图 其传递函数可表示为： PID控制器各校正环节的作用如下： 1比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，以减少偏差。 2积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取 决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之越强。 3微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得 太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间。 从根本上讲，设计 PID 控制器也就是确定其比例系数 Kp、积分系数 Ti 和微 分系数 Td ,这三个系数取值的不同，决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制 ) sT 1 1 ()(G dPID sT Ks i p 本科生课程设计（论文） 14 系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状 态的情况下, 适当选择控制器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。本设计决定使用 Ziegler-Nichols 整定方法进行 PID 控制器的设计。 5.2 被控对象的建模 在实际的过程控制系统中，有大量的对象模型可以近似地由带有延迟的一阶 传递函数模型来表示，该对象的模型可以表示如下： 如果不能建立起系统的物理模型，可通过试验测取对象模型的阶跃响应，从 而得到模型参数。当然，我们也可在已知对象模型的情况下，由MATLAB通过 STEP( ) 函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应输出信 号图，根据如图5.2所示，可获取K、L和T参数。 图5.2 阶跃响应输出信号图 sL- e Ts1 K G(s) 本科生课程设计（论文） 15 5.3 PID 控制器的设计与仿真 Ziegler-Nichols法是一种基于频域设计PID控制器的方法。此法首先通过实验 获取控制对象单位阶跃响应，获得K、L和T参数，通过Ziegler-Nichols经验公式确 定PID控制器的参数。 硝酸生产氧化炉温度控制系统的被控对象为氧化炉的温度，执行机构为流量 调节器，通过控制氨气流量来控制氧化炉温度。根据对象的阶跃响应输出信号图， 可以得到 K=8，T=360，L=180。 建立Simulink模型，如图5.3所示。 图5.3 函数Simulink模型 图中，“Integrator”为积分器，“Derivative”为微分器，“Kp”为比例系 数，“Ti”为积分时间常数，“Td”为微分时间常数。 Ziegler- Nichols整定的第一步是获取开环系统的单位阶跃响应，在Simulink中， 把反馈连线、微分器的输出连线、积分器的输出连线都断开，“Kp”的值置为 1，得到未校正前系统阶跃响应曲线，如图5.4所示。 0.5LTd KL T 1.2K p 2.2LTi Transport Delay 8 360s+1 Transfer Fcn 0 Td Step Scope 1 Kp 1 s Integrator du/dt Derivative Add1 Add 0 1/Ti 本科生课程设计（论文） 16 图 5.4 未校正前系统阶跃响应曲线 根据 Ziegler- Nichols 经验公式，可知 PID 控制整定时，比例放大系数 Kp=0.3，“Kp”的值置为 0.3，如图 5.5 所示。 本科生课程设计（论文） 17 图 5.5 Kp 参数设置 积分时间常数 Ti=396，“1/Ti”的值置为 1/396，如图 5.6 所示。 图 5.6 1/Ti 参数设置 微分时间常数 Td=90，“Td”的值置为 90，如图 5.7 所示。 本科生课程设计（论文） 18 图 5.7 Td 参数设置 PID 控制器校正后的系统阶跃响应曲线，如图 5.8 所示。 图 5.8 PID 控制器校正后的系统响应曲线 针对该PID 控制器，我们可以通过外加扰动信号来测试其控制效果。 本科生课程设计（论文） 19 如图5.9所示，在t=4000s时，外加一个幅值为855的扰动信号。 图5.9 扰动信号曲线 将该扰动信号加到系统输入端，如图5.10所示。 图5.10 加扰动系统结构图 选定仿真时间，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果如图 5.11 所示。 Transport Delay 8 360s+1 Transfer Fcn Step Signal 1 Signal Builder Scope 1 s Integrator -K- Gain2 90 Gain1 0.3 Gain du/dt Derivative Add2 Add1 Add 本科生课程设计（论文） 20 图 5.11 加扰动系统响应曲线 由以上响应曲线可以看出，PID控制时，系统会出现超调，超调量为0.94%， 小于最大偏差10，符合设计要求，所以PID参数计算正确。系统稳定后，若加 一个扰动信号，PID控制器可以很快对被控对象的响应进行校正，使其尽快稳定， 超调量为0.294%。由以上曲线可以看出，该PID控制器效果良好。 从系统接入 PID 控制器前后的阶跃响应曲线中，我们可以明显地看到系统性 能的改善。利用 MATLAB/Simulink 可以实现 PID 控制器的离线设计和整定，并 可实现实验室仿真。但是这种常规的 PID 控制不具有自适应性，在长期工作时对 象参数会产生偏移，系统具有时变不确定性，也存在非线性，工况点附近小范围 的线性化假设在整个工作范围中不能成立时，就难以达到理想的控制效果。为此， 我们可以考虑自适应的 PID 控制算法。 本科生课程设计（论文） 21 第 6 章 课程设计总结 氨空比值控制范围是依据氧化工艺过程中理论和实践经验总结出的氨空比值 的最佳值，以氨、空流量测量精度符合要求为前提计算出来的。而实际上，流量 变送器以及一次元件不可避免地会存在误差，同时条件恶劣的生产现场也可能给 测量带来误差，累加误差将很大，就会造成实际比值发生