过程控制课程设计.doc

.目录一 概述21.1 化学反应器的基本介绍21.2 夹套式反应器的控制要求31.2.1 质量指标31.2.2 物料平衡和能量平衡31.2.3 约束条件31.3 夹套式反应器的扰动变量41.4 夹套式反应器的特性4二 控制方案设计52.1 被控变量和控制变量的选择62.1.1 被控变量的选择62.1.2控制变量的选择62.2 控制回路的设计62.3 现场仪表选型62.3.1 测温检测元件及变送器72.3.2 执行器82.4 控制器正、反作用的选择 82.5 控制系统方框图82.6 分析被控对象特性及控制算法的选择92.6.1 被控对象特性分析92.6.2 控制算法的选择9三 控制系统的仿真及参数整定93.1 控制系统的SIMULINK仿真93.2 单回路控制系统PID参数整定方法10四 课程设计总结11参考文献121 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绝热式反应器。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是物料的比热容，是进料浓度，H是单位质量进料的反应热。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。1.3 夹套式反应器的扰动变量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，因外干肉式反应器温度升高，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，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 夹套式反应器如图所示：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。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。图中所示，TT表示温度变送器，TC表示温度控制器。其中把反应器温度控制系统中反应器作为被控对象，反应器内温度作为被控变量，夹套内冷却水流量作为操作变量，其中干扰为物料的流量、温度、浓度和冷却水的温度。当反应器中温度发生变化时，由温度传感器测量出变化量通过反馈回路传递给温度控制器产生偏差信号，进而通过控制调节器来执行，控制冷却水的流量，保证反应器内温度的保持恒定。2 控制方案设计单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便与施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此，在生产过程中得到了广泛的应用。根据设计题目为夹套式反应器温度单回路控制控制系统设计，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单回路控制方案。 2.1 被控变量和控制变量的选择2.1.1 被控变量的选择根据工艺过程的控制要求，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单回路控制系统的被控变量。2.1.2操纵变量的选择 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单回路控制系统中，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。2.2 控制回路的设计单回路控制系统的回路是一个定值控制系统，所以，可以遵循其设计原则进行确定。因此，确定了回路的被控变量、操纵变量及扰动变量就能组成单回路控制系统。单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。又因单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便与施并能满足一般生产过程的控制要求，因此，在生产过程中得到了广泛的应用。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,设为,如图2-2所示： 图2-2单回路控制系统方框图2.3 现场仪表选型根据生产工艺的要求，选用电动单元组合仪表（DDZ-型）2.3.1 测温检测元件及变送器（1）温度检测元件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阶化解来近似：式中，与测量仪表的量程有关。为温度测量环节的时间常数，单位为分，min.在实际过沉重这些参数基本不变。这里假设，温度仪表量程为0500，测量环节的时间常数。而各仪表输出经归一化后均为0100%，因而有, 。可选出上述的热电偶。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：图2-3 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。 图2-4 温度变送器原理方框图 本设计采用镍铬-铜镍EP-II型热电偶温度变送器。2.3.2 执行器 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（即控制器的输出变化，调节阀的相对流通面积变化。2.4 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）控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀（2）被控对象（）：当夹套温度升高时，反应器温度升高，因此；（3）控制器（）：为保证负反馈，应满足，因此，应选，即选用反作用控制器。2.5 控制系统方框图 图2-5如图2-5所示；反应温度与夹套温度构成单回路控制系统，反应温度为被控变量，夹套内冷却水的流量为操控变量，反应温度控制器的输出作为夹套温度控制的设定值。此温度单回路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，T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，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。2.6 分析被控对象特性及控制算法的选择2.6.1 被控对象特性分析由于被控变量的选择中可知被控变量为反应器内的反应温度，扰动为物料进入反应容器的流量，操作变量为冷却水进入夹套的流量。1.测量变送环节可用一阶环节来近似表示：式中，Ktm与测量仪表的量程有关；Ti0为流量测量环节的时间常数，单位为分(min)，在此设Ti =3, Ktm=1。在实际过程中这些参数基本不变。2. 假设执行器（调节阀）为近似线性阀，其动态滞后忽略不计， 3. 对于该控制系统，假设控制通道与干扰通道的动态特性3可表示为，对于夹套冷却水温度对象，冷却水流量控制通道动态特性假设为：。2.6.2 控制算法的选择 根据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 控制系统的仿真及参数整定3.1 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：，式中为比例系数；为积分时间；为微分时间5。为使系统获得良好的控制品质，需要确定PID控制器的一些参数，而这些参数很难由计算获得，需要通过实验采用衰减法测得。可得到单回路控制系统SIMILINK仿真模型，如图3-1所示；图3-1 夹套式反应器温度单回路控制系统SIMULINK模型3.2 单回路控制系统PID参数整定方法及仿真步骤一 首先设定控制器PID参数的初始值为 ,发现系统已经发散，说明P的值过大。可得到系统输出图如图1所示；此图不符合整定要求。 图1 比例发散步骤二 再根据设定值跟踪速度的快慢，调整PID中的值，可得到等幅状态，如图2所示 图2 等幅震荡步骤三 最后选取KP=0.4；TI=0.08；TD=0.02，可得到整定输出图，如图3所示。 图3 整定输出图 4 课程设计总结 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。“千里之行始于足下”，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单回路控制控制系统设计，我在很多方面都有所提高。在这次课程设计中，