发酵罐温度单回路控制方案设计.doc

中北大学课程设计任务书 20162017 学年第 一 学期学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 发酵罐温度单回路控制方案设计 起 迄 日 期：2016年11月21日2016年 11月25日 课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期:2016年11月21日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计分析一个过程控制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：经过过程检测、过程控制工程、工程测试技术、过程装备原理、过程流体机械、过程装备监测与诊断等课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。1. 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；2. 现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；3. 给出控制系统方框图；4. 分析被控对象特性，选择控制算法；5. 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；6. 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。2撰写课程设计说明书一份（A4纸）。4主要参考文献：1 戴连奎.过程控制工程. 第3版.北京:化学工业出版社,2012.2 王毅.过程装备控制技术及其应用. 第2版.化学工业出版社,2011. 3 王树青.工业过程控制工程.化学工业出版社,2003.4 厉玉鸣.化工仪表及自动化. 第4版.化学工业出版社,2008.5孟华.工业过程检测与控制. 北京:北京航空航天大学出版社，2002.6 吴勤勤.控制仪表及装置. 第2版.北京:化学工业出版社,2002.7 张永德. 过程控制装置. 北京:化学工业出版社，2002.8 俞金寿.过程自动化及仪表. 北京:化学工业出版社,2003.9 康勇、张建伟、李桂水. 过程流体机械. 北京：化学工业出版社，2008.10 刘文定，王东林. 过程控制系统的MATLAB仿真. 北京:机械工业出版社，2009.11 王正林,郭阳宽. MATLAB/Simulink与过程控制系统仿真（修订版）.北京:电子工业出版社，2012.5设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；其中应包括系统控制流程图、方框图、Simlink仿真模型；并且方框图中各环节的传递函数应该和被控对象、控制装置的分析一致， Simlink仿真模型的传递函数应该和方框图中分析的一致；6工作计划及进度： 年 月 日 - 月 日 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图； 年 月 日 - 月 日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法； 月 日 - 月 日 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能； 月 日 - 月 日 编写课程设计说明书 月 日 答辩负责人审查意见： 签字： 年 月 日中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 发酵罐温度单回路控制方案设计 指导教师： 2016 年 11月 25日中北大学课程设计说明书中北大学课程设计说明书目 录1.概述11.1温度对发酵的影响11.2发酵热的产生21.生物热22.搅拌热23.蒸发热24.辐射热21.3发酵罐的动态数学模型31.3.1基本动态方程式41.3.2 非线性模型的线性化62.系统设计72.1被控变量和控制变量的选择71.被控变量的选择72.操纵变量的选择72.2控制方案82.3现场仪表选型81.测温元件及变送器82.执行器92.4控制系统方框图92.5分析被控对象特性及选择控制算法91.被控对象特性92.选择控制算法92.6系统参数整定和仿真102.7结论11参考文献131.概述发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。发酵反应器（发酵罐）是发酵企业中最重要的设备。发酵罐式必须具有适宜于微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。例如，发酵罐的结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗；循环冷却装置维持适宜的培养温度；由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件又各有不同，还要根据发酵工程的特点和要求来设计和选择发酵罐的类型和结构。通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气泡的表面积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率就越高。通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、溢流喷射自吸式等多种类型。机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂常用的类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和賿液充分混合促使氧在賿液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量传递。无论是微生物发酵、酶催化或动物植物细胞培养的微生物工程工厂都应用此类设备，占目前发酵罐总数的70%80%，常用语抗生素、氨基酸、有机酸和酶的发酵生产。机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反应器，除用作化学反应和生物反应器外搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸传热等操作。搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。1.1温度对发酵的影响微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040摄氏度。在发酵过程中，应维持适当温度，以使微生物生长代谢顺利进行。由于微生物的种类不同，所具有的酶系及其性质也不同，因此所要求的温度也不同，如细菌的生长温度大多比霉菌高。有些微生物在生长、繁殖和合成代谢产物等各个阶段的最适温度是不同的。因此，要想获得最高的发酵单位，在发酵的各个阶段要调整发酵温度。处于迟缓期的菌体对温度十分敏感，因此，最好在其最适生长温度范围内对其进行培养，这样可以缩短延滞期和包子萌发时间。通常情况下，在最适温度范围内提高对数生长期的温度，有利于菌体的生长。例如，提高枯草杆菌前期的最适温度，对该菌的生长产生了明显的促进作用。温度变化对发酵过程可产生两方面的影响：一方面是影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质；另一方面是影响发酵液的物理性质。温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（每增加10摄氏度，化学反应速度增加的倍数）来表示，在不同温度范围内，Q10的数值是不同的，一般是23，而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律，也就是说，在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。1.2发酵热的产生发酵热的产生是产生热能的散失热能的综合结果，是引起发酵温度变化的原因。发酵过程中产生的净热量称为发酵热。发酵过程中的菌体对培养基德利用，氧化分解有机物质，机械搅拌，发酵罐壁向外散热，水分蒸发等都会产生热量交换，综合起来就是发酵热。现将这些产热和放热的因素分述如下。1.生物热产生菌在生长繁殖过程中产生的热量，称为生物热。这些产生的生物热一部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动需要，一部分用来合成代谢产物，其余部分已热量形式，散发出来。生物热的大小随培养基成分和菌种的变化而变化；随培养时间的不同而不同；与菌体的呼吸强度有对应关系，呼吸强度越大产生的生物热越大。2.搅拌热搅拌器转动锁引起的液体之间、液体与设备之间的摩擦所产生的热量，即搅拌热。3.蒸发热空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能，称为蒸发热。这部分热量在发酵过程中先以蒸汽形式散发到发酵罐液面，再由排气管带走。4.辐射热由于管外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的能量，即辐射热。辐射热的大小取决于罐内外温度差。发酵热在整个发酵过程中随时间而变化，引起发酵温度发生波动，为了使发酵能在一定温度下进行，一定要控制发酵温度。1.3发酵罐的动态数学模型机械搅拌通风发酵罐的动态数学模型与基本的化学反应器的动态数学模型基本一样，所以在此将以如图1所示的非绝热连续搅拌釜式液相反应器为例，来说明反应器激励模型的建模思路。图 1 非绝热连续反应器1.3.1基本动态方程式（1）化学反应速度方程假设反应器内进行的是一级不可逆放热反应A k B；反应器内温度T和浓度是均匀分布的，并分别与产物的出口温度和浓度相同。由此可得到反应物A的反应速度方程为 （1）式中，E为反应活化能，；R为气体常数；为反应频率因子。（2）物料衡算式对于一个化学反应器来说，在单位时间内进入系统的物料量减去流出反应系统的物料量，再加上（或减去）由化学反应生成（或消耗）的物料量，应等于该系统内该物料累积量的变化率。对于图1所示的连续反应器，其总的物料平衡方程为 （2）式中，分别为进料的体积流量、密度；，分别为出料的提及流量、密度；V为反应器的有效体积。而反应物A的物料平衡式为 （3）式中，是进料中的反应物浓度。（3）热量衡算式以反应器为系统隔离体，有热量平衡关系可知 式中，为反应系统内热量的累积量，为单位时间内进入反应系统物料所带入的热量，为单位时间内离开反应系统物料所带走的热量。为单位时间内化学反应的热效应，对于放热反应，前的符号取“+”；对于吸热反应，则取“-”。为单位时间内与外界的换热量，如向外散热取“-”，外界向系统供热取“+”，绝热情况该项为0。对于图1所示的连续反应器，为处理问题方便，假设夹套内冷剂温度与冷剂出口温度相同，并忽略内壁热熔；另外，假设进出物料的比热容相同。由此可得到该反应器对内的热量衡算式为 （4）式中，为反应进出物料的平均比热容；为反应进料温度；为单位反应热，；为载热体与反应器内物料总传热系数；为传热面积。同样，可获得夹套内冷剂的热量衡算式为 （5）式中，为夹套内冷剂容积；为冷剂的平均比热容；为冷剂的密度；为冷剂的体积流量；，分别为冷剂的进出口温度。假设反应器与夹套内的有效容积V，均保持不变，而进出反应物料的密度相同，由式（2）可得。将式（1）、式（2）带入式（3）式（5）可得 （6） （7） 1.3.2 非线性模型的线性化 上面推到得到的式（6）式（8）为非线性动态方程。为了便于应用现行控制理论来分析小扰动下的动态行为，需要对上述方程进行线性化。由上述非线性状态方程可知，该系统的状态变量为 ；而系统输入变量由实际工业过程的操纵变量与主要外部扰动组成，这里考虑的输入变量为 。假设系统状态与输入变量的稳态值为 ，而这些变量所对应的变化量为 。下面采用微分运算来获得线性化模型。由式（6）可得 （8） （9）式中，。同样，由式（7）与式（8），可得 （10） （11）若令X= T ，U= T 则可以得到以下标准的现行状态方程 （12)式中 状态方程式（12）综合反映了系统输入（包括操纵变量与外部扰动）对系统输出的动态特性，可作为对象稳定性分析与现行控制系统设计的基础。2.系统设计 2.1被控变量和控制变量的选择1.被控变量的选择如前面所说，温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（每增加10摄氏度，化学反应速度增加的倍数）来表示，在不同温度范围内，Q10的数值是不同的，一般是23，而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律。而机械搅拌通风发酵罐是一种通用化学反应器，所以把化学反应器的普遍特性来代表发酵罐的特性。化学反应器的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等，用这些变量直接作为被控变量，反应要求就能够直接得到保证。但是，这些指标大多数是综合性指标，还是无法测量。有些是成分指标，也缺少测量手段，或者测量滞后大、精度差，不宜作为被控变量。目前，化学反应器的过程控制中，由于温度和上述指标关系密切，又容易测量，所以大多用温度作为反应器控制中的被控变量。2.操纵变量的选择温度作为反应质量的控制指标是有一定条件的，只有在其他许多参数不变的条件下，才能正确地反映反应情况。因此，在温度作为反应器控制指标时，要尽可能保证物料量、进料浓度等其他参数的恒定。所以选择冷却剂流量为操纵变量。2.2控制方案在保证物料量、进料浓度等其他参数一定的条件下，发酵罐内温度作为被控变量，冷却剂流量为操纵变量，组建一单回路控制系统，控制系统流程图如下。图2系统控制流程图2.3现场仪表选型1.测温元件及变送器被控温度在100以下，选用代号为WZC,分度号为Cu100铜电阻温度计，量程为-50150，并配用DDZ型热电阻温度变送器，信号为DC420mA或DC15V，温度测量环节可用以下的一阶环节来近似，式中，与测量仪表的量程有关；测量环节的时间常数=1min，仪表经输出归一后均为0100，。因而有1/，式中，和分别为测量仪表输出信号的上下限；和分别为测量仪表 量程的上下限。2.执行器根据工艺要求安全考虑，执行器选DDZ型电动调节阀，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，这里假设=（0.51.0）/(即控制器的输出变化1，调节阀的相对流通面积变化0.51.0)。2.4控制系统方框图 图3控制系统方框图2.5分析被控对象特性及选择控制算法1.被控对象特性根据动态模型公式（12）可知，假设除T和之外，其他参数稳定，公式（12）简化为，依照此式可看出，控制通道动态特性为，同理，可得扰动通道动态特性。2.选择控制算法根据被控对象的特性和控制的需要，选择PID算法。2.6系统参数整定和仿真假设对象模型参数分别取值为=1/，=1/，=1min，=2/(T/hr),=4min，=1.5min，=3/(T/hr), =3min, =2min。在此采用经验试凑法来整定调节器参数。 图4 发酵罐温度控制单回路控制系统SIMULINK模型首先根据调节器参数经验数据，设定调节器PID参数的初始值为K=4，=8min，=2min。经仿真后的响应曲线为图5参数设定值仿真图经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出K= 2.1，=4min，=1 .25min。响应曲线呈4：1衰减，结果令人满意。 图6 调整参数后系统仿真图2.7结论我通过本次课程设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于教材，其过程是比较简单的，主要是解决设计控制过程中的问题，而设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在控制理念上面的。很多是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个环节才是关键的