过程控制课设

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：苯酐配料成分控制系统的设计院（系）：电气工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：起止时间：本科生课程设计（论文）本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器注：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）摘要苯酐是化工重要的生产原料，被广泛用于增塑剂的制造。但在苯酐的生产过程中，由于空气与邻二甲苯的成分可能有变化，故其配比比不固定。本设计通过对苯酐的生产工艺、系统要求等分析，最终实现对苯酐成分的控制系统设计。本设计是通过对苯酐的物理性质和化学性质的分析，选用特定的传感器、变送器、控制器、执行器，对空气的输出量采用串级控制系统，对邻二甲苯的输出量采用单回路比值控制系统，并针对本设计的系统进行MATLAB软件仿真，最终实现了对苯酐配料成分的控制。本设计的系统具有控制精度高，控制灵活等特点，进一步缓解了化工对苯酐的需求量。关键词：苯酐生产；比值控制系统；MATLAB仿真；本科生课程设计（论文）目录第1章绪论..........................................1第2章方案论证......................................32.1概述........................................................................................................32.2方案论证................................................................................................4第3章各仪表的设计选择..............................73.1传感器的选型........................................................................................73.2控制器的选型........................................................................................83.3执行器的选型........................................................................................93.4其他仪器的选型..................................................................................103.5调节器正反作用及控制规律的确定..................................................113.6PID算法...............................................................................................113.7比值系统参数计算..............................................................................12第5章系统仿真或模拟调试...........................13第6章总结.........................................19参考文献.............................错误!未定义书签。本科生课程设计（论文）1第1章绪论苯酐也称为邻苯二甲酸酐，是一种应用广泛的有机化工产品。苯酐也是四大有机酸酐中生产与消费量最大品种。是重要的医药、农药中间体，主要用语生产邻苯二甲酸酯类增塑剂，如邻苯二甲酸二丁酯、二辛酯、异辛酯、环已酯和丁卞酯等。邻苯二甲酸酐与多元醇(如甘油、季戊四醇)缩聚生成聚芳酯树脂，用于油漆工业；若与乙二醇和不饱和酸缩聚，则生成不饱和聚酯树脂，可制造绝缘漆和玻璃纤维增强塑料。邻苯二甲酸酐也是合成苯甲酸、对苯二甲酸的原料，也用于药物合成。苯酐主要用于生产增塑剂、不饱和聚酯、醇酸树脂、邻苯二甲酰亚胺、邻氨基苯甲酸、卤代苯酐及其衍生物和四氢苯酐等产品。这些产品广泛地用语化工、电子、机械、纺织和食品等工业部门，用途极其广泛。苯酐对眼、鼻、喉和皮肤有刺激作用，这种刺激作用可在湿润的组织表面水解而加重其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热或氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险；其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引起回燃，苯酐燃点151.7摄氏度，爆炸范围体积分数为1．7％～10．4％，引燃温度为490摄氏度，苯酐生产过程中的主要原料邻二甲苯，其危险性类别为高闪点易燃液体，其闪点为30摄氏度。除了物料及产品本身的危险性外，苯酐生产工艺条件、装置及控制技术也要求严格，所以极易发生事故。在苯酐连续生产过程中，由于空气和邻二甲苯的成分可能有变化，主要采用的是分程控制方法，也有一些较小的生产企业采用一些其他的控制方法。例如，有使用选择控制方法的、单回路控制方法等。但生产稳定性、工艺成本的低廉性、产品质量的合格率都不如采用分程控制方法可靠。分程控制系统也是现代自动化控制过程中一个典型的控制系统。分程控制过程的核心主要是分程区间的确定，根据不同的生产工艺要求，调节器输出信号需要分成几个区间，不同的信号区间控制不同的阀门，以达到生产工艺要求。在现代工业生产过程中，对生产过程中参数的整定方法就一直是人们研究的热点问题之一。1942年ZieglerNichols方法被提出，并得到了广泛的应用和改进；后来，又出现了CoherrCoon响应曲线法和KapparKau调节方法。这3种方法都是根据系统的频域或时域响应曲线，测得相关参数，进而通过经验公式计算得到PID控制器的参数，适用于参数的离线调整。这些方法属于经验公式法，只能是用于满足经验公式条件的对象，且只利用了较少的系统动态特性信息，所以得到的控制器性能也是很局限的。随着科技不断地发展，现在国内外对智能本科生课程设计（论文）2PID控制的应用研究十分活跃。传统PID具有结构简单、稳定性好、可靠性高、调整方便等优点。但对于一些复杂系统，建立数学模型比较困难，有时甚至是不可能的，也就无法使用传统PID。尿素合成压力控制系统是个复杂系统，很容易受到干扰，由人工控制却往往做的比较好。而模糊控制正好是总结操作人员的经验并形成语言规则，运用模糊集合论模拟操作人员操作和决策，从而实现自动控制。本科生课程设计（论文）3第2章方案论证2.1概述在苯酐生产过程中，让邻二甲苯与空气的气相混合物在V-Ti系表面涂层催化剂活性温度下，在催化剂表面发生主反应生成苯酐，副反应生成顺丁烯二酸酐、苯甲酸、柠檬酸等产物，部分过氧化生成CO。根据工艺要求，尽量做到，来多少，处理多少，以节约高压蒸汽。这样，可以降低CO压缩机的动力消耗，以提高经济技术指标。在生产过程中，如果加料过多或加料速度过快，原料与空气的比例失调，达到爆炸含量，遇到静电火花，就会造成主反应器超压爆破，甚至造成火灾事故；装置运行前未对主反应器进行试漏，进入反应器的空气净化不严格，反应温度未严格控制，易造成火灾爆炸事故。随着苯酐产量的迅速增长，焦油萘越来越不能满足生产的需求，而随着石油工业的发展，又提供了大量廉价的邻二甲苯，扩大了苯酐的原料来源。邻二甲苯与空气在催化剂作用下气相氧化生成苯酐，其化学反应原理图如图2.3所示。图2.3邻二甲苯氧化化学原理图过滤、净化后的空气经过压缩，预热后与汽化的邻二甲苯混合进入固定床反应器进行放热反应，反应管外用循环的熔盐移出反应热并维持反应温度。反应器出来的气体经预冷器进入翅片管内通冷油的切换冷凝器，将苯酐凝结在翅片上，然后再定期通入热油将苯酐熔融下来，经热处理后送连续精馏系统除去低沸点和高涨点杂质，得到苯酐成品。从切换冷凝器出来的尾气经两段高效洗涤后排放至大气中。国内外最常用的邻二甲苯固定氧化法。空气经过滤净化，预热后与汽化了的邻二甲苯混合进入反应器，管外用循环的熔盐移去反应热并维持反应温度，移出的热量用于产出高压蒸汽。反应器出来的气体经冷却器进入切换冷凝器，粗苯酐凝结在冷凝面上。定期熔融下来送至贮槽。废气经水洗涤后排空。粗苯酐在预分解器中经热处理后送至精馏系统，除去低沸点和高沸点的杂质，得到纯苯酐产品。但在精馏塔中会有苯酐残余，可以将精馏塔底物送至薄膜蒸发器经蒸发后含苯酐的轻组分返回精馏塔底部，重质馏分通入小直径塔内，在塔下部向该馏分的液流喷水，使得到的固体粒状物沉淀下来并送去焚烧。根据工艺要求，选择空气的流量和混合物的反馈量为主被控参数，邻二甲苯流量为副控制参数。其工艺的流程图如图2.4所示。本科生课程设计（论文）4图2.4邻二甲苯氧化法的工艺流程图2.2方案论证方案一、采用开环比值控制系统：开环比值控制系统控制流程图如图2.1所示。图2.1开环比值控制系统控制流程图开环比值控制系统：每个回路设计简单，计算方便。由于苯酐在连续生产过程中，反应炉内空气与邻二甲苯的成分可能会发生变化，因此其配料比不固定。又由于苯酐在生产工艺中需要用透平电机将空气送入反应炉内，而空气的流速和流量都有可能影响最终混合物的质量，且流量和流速的变化比较剧烈、频繁，采用开环比值控制系统满足不了控制要求，不能随着反应炉内空气的含量的变化随时调整。开环比值控制系统框图如图2.2所示。图2.2开环比值控制系统方框图方案二：采用变比值控制系统：开环比值控制系统不能确保空气和邻二甲苯流量之间的实际比值不变，为了克服此一不足，设计了闭环比值控制系统。它是在开环比值控制系统的基础上，设计了一个副物料流量闭环控制系统回路。变比值控制系统能随着反应炉内物料比值的变化去控制空气流量和邻二甲苯的流量变化。在生产过程中经常会遇到要求保持两种或多种物料流量成一定比例关系，如果比例失调会影响生产的正常进行，影响产品的质量，造成环境污染，甚至会引起生产事故。在这种情况中需要采用比值控制系统，即实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。比值控制系统包括开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。在本次设计中，由于混合料的成分在任意时间都可能不同需加以调整并作为第三参数反馈给比值控制器，故本设计的总体系统采用变比值控制系统。变比值控制系统控制流程图如图2.3所示:邻二甲苯空气催化氧化冷凝减压精馏结晶刮片成品本科生课程设计（论文）5图2.3变比值控制流程图苯酐的系统控制流程图如图2.3所示，其中，FC是流量控制器，VC是流速控制器，VV是流速阀，VT是流速变送器，FT是流量变送器，AT是自动控制远程。空气的进气量是由透平电机和鼓风机共同控制的，但空气的流量和流速都会影响空气的进气量，从而影响最终混合物的质量。而串级控制系统主要用于对象容量滞后较大、纯滞后时间较大、扰动幅值大、负荷变化频繁、剧烈的被控过程。串级控制系统具有对进入副回路的干扰有很强的克服能力，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力等优点。因此本设计中的空气控制系统采用串级控制系统，对空气进行流速和流量检测，通过两级反馈能更准确地控制空气进气量。苯酐生产系统方框图如图2.4所示：本科生课程设计（论文）6图2.5苯酐的工艺流程图图2.4苯酐生产系统方框图本科生课程设计（论文）7第3章各仪表的设计选择3.1传感器的选型根据前文中的工艺流程图可得，需要对空气进行流量和流速的检测，对邻二甲苯需要进行流量的检测，故本设计需要气体流量和流速检测传感器。1.气体流量传感器：本设计使用江苏淮安红旗仪表公司的HQ-LWQ型号仪表，其是一种测量封闭管道中气体介质流量的速度式仪表，适