化工车间反应罐的流量与温度串级控制

计算机控制技术课程设计专业：班级：姓名：学号：指导教师：兰州交通大学自动化与电气工程学院2016年07月13日评语:考勤10分守纪10分过程30分设计报告30分答辩20分总成绩（100分）计算机控制技术课程设计报告1化工车间反应釜的流量与温度串级控制系统设计1课程设计目的计算机控制课程设计是重要实践教学环节，强调实际应用技能训练。设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解各个设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。(1)掌握反应釜的温度控制系统的工作原理、工作过程以及其控制操作方式。(2)掌握计算机控制系统的设计方法。(3)掌握PID控制的设计方法、MATLAB编程方法以及系统调试方法。2设计方案及原理2.1反应釜的结构及工作原理反应釜的基本结构如图2-1所示,由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。釜体为一个钢制罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为了测量釜内的各项参数，在罐内装有钢制的套管，可将各种传感器放入其中。图2-1反应釜结构示意图在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜的夹套内导入蒸汽加热使釜内物料的温度升高，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。当釜内温度达到预计算机控制技术课程设计报告2定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行，反应结束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈自激的关系。也就是说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象，按照工艺要求，这些反应一般要经过加热、恒温、冷却等过程，当原料配比、浓度确定以后，准确控制反应的温度是保证产品质量和产量的关键。为了使釜温稳定，在夹套中通以一定的冷却介质，来移走反应放出的多余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求。2.2设计方案间歇式反应釜是工业生产中常用的设备之一，工艺要求反应物反应所需要的温度为给定值。因此常取釜底温度为被控参数，选取冷剂流量或热剂流量为控制参数。影响釜底温度的因素有很多，主要有反应物的温度、搅拌器的搅拌速度、反应物的浓度等。串级控制系统框图如图2-2所示。中间被控变量：冷剂或热剂管道；操纵变量：冷剂流量或热剂流量。图2-2串级控制系统框图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，更精确控制操作变量；给定值温度流量副对象主调节器执行器主对象温度变送器++—流量变送器副调节器—计算机控制技术课程设计报告3（5）串级控制系统可以实现灵活的控制方式，必要死可切除副调节器3系统硬件设计整个过程控制系统由控制器、被控对象、执行器、测量变送组成，其中控制器为主调节器和副调节器，执行器为调节阀，测量变送器为温度变送器，被控对象主变量为反应釜内温度、副变量为输入釜内冷剂或热剂的流量。3.1调节器控制器的选型主要根据被控过程的特性、工艺对控制品质的要求、系统的总体设计来综合考虑，根据课题的要求，本次设计选择DDZ-Ⅲ型调节器。调节器接收变送器送来的测量信号（DC4～20mA或DC1～5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4～20mA直流电流输出。主调节器的任务是准确保持被调节量符合生产要求，凡是需要采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在净差。因此主调节器必须有积分作用，都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。副调节器的任务是要快速动作以迅速消除副回路内的扰动，而且副参数并不要求无净差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就够了，如果主副回路频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。主、副控制器的正、反作用的判断先副后主。3.2温度变送器测量变送器：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。温度变送器的原理框图如图3-1。温度变送器采用电动Ⅲ型仪表。其典型控制信号4~20mADC。图3-1温度变送器的原理框图3.3温度传感器温度传感器有热电偶和热电阻两种。本设计选用热电偶，其测温范围为-200℃~1300℃。采用K型热电偶，其可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体传感原件输入电路放大电路反馈电路电量-输出电流+计算机控制技术课程设计报告4蒸汽和气体介质以及固体表面温度，具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，性价比高等优点。3.4执行器调节阀作为执行器，在串级控制系统中主要用来通过换热达到控制温度的目的，夹套内液体与釜内蒸汽进行热交换被冷却，用换热后的蒸汽温度来控制液体的水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气动式调节阀。3.5系统硬件结构框图系统的硬件组图如图3-2。图3-2系统硬件结构框图3.6PID模块选择当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举，有效的拉近了实验室与工业现场的距离，体积小，安装方便可靠性极高。（1）D/A模块：采用牛顿7024模块，4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1-5V）信号均可。（2）A/D模块：采用牛顿7017模块，8路模拟电压（1-5V）输入。（3）DO模块：采用牛顿7043模块。（4）通讯模块：采用牛顿7520转换模块，485/232转换模块，转换速度极高（300-115KHZ），232口可长距离传输。4系统软件设计4.1PID算法数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在温度控制系统中也有着极其重要的控制作用。且控制系统由模拟PID控制器和被控对象组成。计算机系统反应釜D/A输出控制电路执行元件热电偶前置电路A/D计算机控制技术课程设计报告5PID控制器是一种线性控制器，常规PID控制系统原理框图如图4-1所示。，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)，将偏差e(t)的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为：]1)([)()(0dttdeDtIpTdtteTteKtu式中pK为比例系数；IT为积分时间常数；DT为微分时间常数。图4-1模拟PID控制系统原理框图(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在稳态误差。加大比例系数KP可以减小稳态误差，但是，KP过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。(2)比例积分调节器：为了消除在比例调节中的残余稳态误差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u(k)，从而减小偏差，直到偏差为零。如果积分时间常数TI大，积分作用弱，反之为强。增大TI将减慢消除稳态误差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。(3)比例积分微分调节器：为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调。克服振荡，使系统趋于稳定。比例积分微分被控对象r（t）e(t))u(t)c(t)+-+++计算机控制技术课程设计报告64.2主程序控制流程主程序流程图如图4-2。图4-2模拟PID控制系统流程图检测温度开始A/D转换等于设定值改变夹套阀门冷剂流量夹套阀门冷剂流量保持不变D/A转换PID调节控制反应釜的温度NY计算机控制技术课程设计报告75系统仿真及实际调试5.1系统仿真仿真传递函数为：112S1)(1sGp1S5062525.1)(22SsGp间歇式反应釜的串级仿真图，如图5-1所示：图5-1串级控制系统仿真图利用MATLAB进行初步仿真即在PID作用在比例为1的情况下即没有调节起作用的情况下系统的阶跃曲线图，我们可以通过观察响应曲线看出系统的特征然后进行系统分析。经过MATLAB的初步仿真可得单位阶跃响应原始曲线图如图5-2所示：图5-2串级控制原曲线图利用MATLAB进行初步仿真即在主回路PID参数为Kp=2，Ti=0.05,Td=2时，副回路PID作用在比例为1的情况下即没有调节起作用的情况下系统的阶跃曲线图，我们可以通过观察响应曲线看出系统的特征然后进行系统分析。经过MATLAB计算机控制技术课程设计报告8的初步仿真可得单位阶跃响应原始曲线图如图5-3所示：图5-3系统输出整定图利用MATLAB进行初步仿真即在主回路PID参数为kp=2，Ti=0.05,Td=2时，副回路PID作用在比例为0.6的情况下系统的阶跃曲线图，我们可以通过观察响应曲线看出系统的特征然后进行系统分析。经过MATLAB的初步仿真可得单位阶跃响应原始曲线图如图5-4所示：图5-4系统输出整定图与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次干扰有很强的克服能力；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。6总结计算机控制技术课程设计报告9通过这次夹套式反应器温度串级控制控制系统设计，我在很多方面都有所提高。在这次课程设计中，我基本上掌握了控制系统的设计方法，并且对串级控制方法有了更深入的的了解。通过系统仿真，我对系统性能有了更加深刻的认识，明确了各个参数对系统性能的影响。我综合运用本专业所学的课程理论，更加升入了解了串级控制系统的各个方面的知识。进一步了解串级控制系统在生产实际中的运用原理及过程。大大提高了个人独立工作和学习能力，巩固与扩充了过程控制系统这方面所学的内容，掌握控制系统设计的方法和步骤，掌握了课程设计中的夹套式反应器的工艺性能及指标，并且掌握了控制系统设计中的各个参数及工艺要求的确定。熟悉了设计规范和标准，同时各科相关的知识都有了全面的复习，独立思考的能力也有了很大的提高。参考文献[1]李华.范多旺.计算机控制系统[M].机械工业出版社,2009:231-241.[2]薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言与应用[M].清华大学出版社,1996:205-239.[3]谢仲宽.PID控制器以及衰减曲线整定算法[R].北京理工大学,2015.