夹套式反应器温度串级控制课程设计

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；综合运用专业及根底知识，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。在此根底上，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，到达较好的控制效果。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；现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；给出控制系统方框图；分析被控对象特性，选择控制算法；进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；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]梁昭峰，李兵.过程控制工程.北京：北京理工大学出版社，2023:100-101,300-316[2]王树青.工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，2005:346-349[3]王永红，钱静.化工检测控制技术.南京：南京大学出版社，2023:67-77[4]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，2023：84-85[5]常太华，苏杰.过程参数检测及仪表.北京：中国电力出版社，2023:30-74[6]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，2007：35-37[7]王正林，郭阳宽.过程控制与Simulink应用.北京：电子工业出版社，2006：52-71,86-995．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、Simulink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，Simulink仿真模型的传递函数应该和方框图中分析的一致；6．工作方案及进度：2015年1月19日-2015年1月22日-2015年1月25日-12015年1月28日-12015年1月负责人审查意见：签字：年月日中北大学课程设计说明书学院：机械与动力工程学院专业：过程装备与控制工程题目：夹套式反响器温度串级控制系统设计指导教师：吕海峰职称:副教授目录1、概述11.1化学反响器根本介绍11.2夹套式反响器控制要求22、被控对象特性研究32.1建立动态数学模型32.2被控变量与控制变量的选择62.3夹套式反响器扰动变量63、控制系统方案确定73.1主回路的设计83.2副回路的设计84、过程检测仪表的选型94.1测温检测元件及变送器94.2主、副控制器正、反作用的选择124.3控制系统方框图135、系统仿真，分析系统性能135.1各个环节传函及参数确定135.2控制系统的仿真及参数整定145.3系统性能分析176、课程设计总结187、参考文献191概述1.1化学反响器的根本介绍反响器〔或称反响釜〕是化工生产中常用的典型设备，种类很多。化学反响器在结构、物料流程、反响机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差异也比拟大。化学反响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、按反响器进出物料状况可分为间歇式和连续式反响器通常将半连续和间歇生产方式称为间歇生产过程。间歇式反响器是将反响物料分次获一次参加反响器中，经过一定反响时间后取出反响中所有的物料，然后重新加料在进行反响。间歇式反响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，这类生产反响时间长活对反响过程的反响温度有严格程序要求。连续反响器那么是物料连续参加，化学反响连续不断地进行，产品不断的取出，是工业生产最常用的一种。一些大型的、根本化工产品的反响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响器后不再进行循环的流程称为单程，当反响的转化率和产率都较高时，可采用单程的排列。如果反响速度较慢，祸首化学平衡的限制，物料一次通过反响器转化不完全，那么必须在产品进行别离后，把没有反响的物料与新鲜物料混合后，再送送入反响器进行反响。这种流程称为循环流程。三、从反响器结构形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反响器等。四、从传热情况可分为绝热式反响器和非绝热式反响器。绝热式反响器与外界不进行热量交换，非绝热式反响器与外界进行热量交换。一般当反响过程的热效应大时，必须对反响器进行换热，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。随着化学工业的开展，单套生产装置的产量越来越大，促使了反响设备的大型化。也大大促进了夹套反响器的反展。夹套式反响器是一类重要的化工生产设备，由于化学反响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，因此夹套反响器操作一般都比拟复杂，夹套反响器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和平安生产。化工生产过程通常可划分为前处理、化学反响及后处理三个工序。前处理工序为化学反响做准备，后处理工序用于别离和精制反响产物，而化学反响工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反响工序中设计一套比拟完善的控制系统是很重要的。设计夹套式反响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〔假设在本反响器中反响物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反响物〕。1.2夹套式反响器的控制要求1质量指标夹套式反响器的质量指标一般是反响转化率或反响生成物的浓度。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响热。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，有时辅以夹套式反响器的压力和处理量〔流量〕等控制系统，满足夹套式反响器正常操作的控2物料平衡和能量平衡为使反响正常操作，反响转化率高，需要保持进入夹套式反响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响器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。此外局部物料循环的反响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。由于反响过程有热效应，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响器的热量平衡。应使进入反响器的热量与流出的热量及反响生成热之间相互平衡。能量平衡控制对化学反响器来说是重要的，它关系到平安生产，也间接的保证了化学反响器的产品质量到达了生产工艺要求。3约束条件约束条件防止夹套式反响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响到控制系统中。假设本设计是在一般条件下的反响器装置，没有爆炸危险，因此只涉及了反响液液位报警系统，在反响器内反响液液位过高或过低时系统将发出报警信号。2被控对象特性研究2.1建立动态数学模型绝大局部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，化学反响过程伴有强烈的热效应。有的是吸热，也有的是放热。然而本反响器的反响设置为放热反响。对于具有放热效应的对象，因外干扰式反响器温度升高，随着反响速度的加快，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响性质的放热器，在外扰作用下，温度的变化将向两个极端方向开展：一种是温度一直上升，最终使反响器急速终了；另一种是假设外扰先引起反响器温度下降，那么温度不断下降，直到反响停止。不少高分子聚合过程的情况就是如此，遂于这样的放热反响过程，如果没有适当的换热促使，将是一个开环不稳定的对象。化学反响过程涉及物料、能量平衡、反响动力学等，利用动态数学模型可以更好的了解这些量的物理意义。以夹套式液相反响器为例，来说明反响器鼓励模型的建模思路。其中夹套式液相反响器装置如图1所示：图1夹套式反响器1根本动态方程式〔1〕根本假设①两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；②径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度相同；③传热系数U和比热Ca、Cb恒定不变；④管壁热容忽略不计；⑤外部绝热良好，即不考虑热损失。〔2〕系统根本方程式的建立对内管流体A列写微元dτ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：〔3〕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、管式和固定床式反响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。①首先进行由时间域t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：②进行由距离域τ到复域Ｐ的拉氏变换，边界条件如下：令AP=(Φ1-Φ2)2+4a1a2，那么式(4.42)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：2模型的简化：有上式整理得被控对象传函为：;2.2被控变量和控制变量的选择1被控变量的选择〔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。夹套式反响器的工艺指标主要是反响器内温度，利用反响器内温度来衡量反响物之间反映的充分情况。因此，假设要反映工艺指标，夹套式反响器内反响温度必须是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，把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，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那么。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。在夹套式反响器中反响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。2.3夹套式反响器的扰动变量夹套式反响器的扰动变量有进料口反响液的流量、出料口生成液的流量、夹套中冷水的流量、冷却水温度变化、反响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响转化率或反响生成物组分与温度、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。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；〔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由于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，更精确控制操纵变量；〔5〕串级控制系统可以实现灵活的控制方式，必要时可切除副调节器。根据设计题目为夹套式反响器温度串级控制控制系统设计，假设该反响器用于常态常压反响，因此选择控制方案为夹套式反响器反响温度与夹套水温度构成的T-T串级控制方案。图2串级系统控制流程图如图2所示；被控过程有三个热容器：即夹套中的冷却水、反响器壁和反响器中的物料。由于从干扰引起反响温度下降，到调节阀动作时温度升高，其间需要经过三个热容过程。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响温度产生的影响。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工艺要求。为此要根据反响器内的情况，适当改变的设定值。确定夹套水温度能使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设定值。3.1主回路的设计串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，主回路的设计可用单回路控制系统的设计原那么进行。因此主回路应包括主要的质量指标等标准。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所示；图3串级控制系统主回路3.2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局部作为副对象，然后组成一个控制回路，即可归纳为如何选择副参数。首先副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反响灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。由此可设计出系统的副回路。如图4所示；图4串级控制系统副回路4过程检测仪表的选型4.1测温检测元件及变送器1温度检测元件图5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。假设该夹套式反响器用于普通常压的情况下100℃条件下的反响。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数，单位为分，min.在实际过沉重这些参数根本不变。这里假设，主温度仪表量程为50~150℃，副温度仪表量程为0~500℃，测量环节的时间常数。而各仪表输出经归一化后均为0~100%，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6所示：图6补偿导线作用用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比拟稳定的地方后，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7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，但他们的结构根本相同。图7温度变送器原理方框图图8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执行器。图9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PN1.0～4.0MPa,工作温度-29～180℃〔密封圈为增强聚四氟乙烯〕或-29～300℃〔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〕。4调节器图10智能温度变送器选择SK－808/900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。4.2主、副控制器正、反作用的选择假设夹套式反响器中反响为放热反响。那么选择如下：〔1〕控制阀：从平安角度考虑，选择气关型控制阀；〔2〕副控制对象〔〕：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此；〔3〕副控制器〔〕：为保证负反响，应满足，因此，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，反响器温度升高，因此；〔5〕主控制器〔〕：为保证负反响，应满足，因此，应选，即选用反作用控制器。4.3控制系统方框图图11反响温度与夹套水温度串级控制系统方框图如图11所示；反响温度与夹套温度构成串级控制系统，反响温度为主被控变量，夹套温度为副被控变量。反响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。反响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响温度。如果干扰量副职较大，副回路虽能及时矫正，但仍可能影响反响温度，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。假设进料干扰使反响温度变化，通过主回路即可抑制其影响。显然由于副回路的存在加快了控制作用，使扰动对反响温度的影响比单回路要小。5系统仿真及性能分析5.1各个环节传函及参数确定由于被控变量的选择中可知主被控变量为反响器内的反响温度，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：1〕夹套式反响器反响温度对象，控制通道与扰动通道：，。2〕夹套冷却水温度对象，控制通道与扰动通道：，。3〕测量变送环节：，式中KQM与测量仪表的量程有关，T1>=0为流量测量环节的时间常数，单位为分钟，在实际过程中这些参数根本不变。4〕执行器/控制阀：其流量特性为线性或等百分比，动态滞后可忽略不计假设值为：，，，，，，,根据夹套式反响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。5.2控制系统的仿真及参数整定1控制系统的SIMULINK仿真得到串级控制系统SIMILINK仿真模型，如图12所示；图12夹套式反响器温度串级控制系统SIMULINK模型2串级控制系统PID参数整定方法PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统过渡过程到达最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。1〕本次串级设计的副回路参数整定采用经验法[4]步骤一：首先设定温度控制器PID参数的初始值Kc=2，Ti=1.5min，Td=0min步骤二：再根据设定值跟踪速度快慢，调整控制器增益Kc直至满意。可得到系统副回路输出图如图13所示。调整后系统副回路输出图如图14所示。图13系统副回路初始输出图图14系统副回路整定输出图2〕进行主控制器的参数整定。利用MATLAB软件进行整定，副回路调节器不变，置主回路调节器积分时间Ti为零，微分时间Td为零，比例带为较大值，并将系统投入运行。改变调节器Kp的数值，直到系统出现4：1的衰减震荡过程。最终整定参数如下，整定后系统输出图如图15所示。,,,,图15系统最终输出图5.3系统性能分析衰减振荡的过渡过程是人们所希望得到的一种稳定过程，它能使被控变量在受到干扰作用后重新趋于稳定，并且控制速度快、回复时间短。下面将以阶跃响应曲线形式表示的质量指标进行分析,由图13仿真图可得:最终稳态值C=1，B=2.3B’=0.551、衰减比衰减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。它等于曲线中前后两个相邻波峰之比。2、最大动态偏差最大动态偏差指的是在单位阶跃扰动下，最大振幅与最终稳态值之和的绝对值。A=|B+C|=2.3+0.55=2.853、超调量在随动控制系统中，超调量是一个反映超调情况和衡量稳定程度的指标。式中，C表示最终稳态值与其初值的差4、调节时间调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间。过渡过程要绝对地到达新的稳态，理论上需要无限长的时间。一般认为当被控变量进入新稳态值附近或以内的区域，并保持在该区域内时，过渡过程结束，此时所需要的时间为调节时间。由图可知：调节时间为18min。QUOTE5、振荡周期振荡周期是指过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔。T=5min6、峰值时间被控变量第一次到达最大值和最小值的时刻称为峰值时间。7、上升时间过渡过程开始到被控变量第一次到达稳态值的时间成为上升时间。由此可知，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