管式热裂解反应器出口温度前馈——反馈控制系统设计

中北大学课程设计说明书学生姓名：陈朋印学号：**********学院：机械与动力工程学院专业：过程装备与控制工程题目：管式热裂解反应器出口温度前馈——反馈控制系统设计指导教师：姚竹亭职称: 教授许昕职称: 讲师2014年1月10日中北大学课程设计任务书2013/2014 学年第 1 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：陈朋印学号：1002034111课程设计题目：管式热裂解反应器出口温度前馈——反馈控制系统设计起迄日期：2013年12月30日～2014年1月10日课程设计地点：中北大学指导教师：姚竹亭许昕学科部副主任：下达任务书日期: 2013年12月30日课程设计任务书目录1管式热裂解反应器前馈-反馈控制系统概述 (7)1.1概述 (7)1.2 管式热裂解反应器的扰动分析 (7)1.3 前馈-反馈控制系统 (8)2 课程设计方案论证 (8)2.1 控制方案1设计 (8)2.2 控制方案2设计 (8)2.3 控制方案3设计 (9)3 前馈-反馈控制系统设计及器件选择 (10)3.1 前馈—反馈控制系统设计 (10)3.2 参数的工程整定 (14)3.3 前馈—反馈控制系统整定 (17)4.MATLAB系统仿真 (21)4.1 matlab的简介 (21)4.2simulink控制系统仿真 (21)5 课程设计总结 (23)6 参考文献 (23)1 管式热裂解反应器前馈-反馈控制系统概述1.1概述管式热裂解反应器是主要用于烃类热裂解的反应装置。

烃类热裂解过程是指石油烃类原料(天然气、炼厂气、油田气、汽油和重油）在高温（700-1000℃）、隔绝空气的条件下发生分解反应而生成碳原子数较少、相对分子质量较低的三烯（乙烯、丙烯和丁二烯）、三苯（苯、甲苯和二甲苯）等短裢烃的化学过程。

管式反应器从结构上可以分为单管反应器和多管反应器，多管反应器是将多个管式电反应单元并联组装成电反应器；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。

管式反应器结构简单、加工方便，耐高压、传热面积大，特别适用于强烈放热和加压下的反应。

管式应器还具有容易实现自动控制、节省动力、生产能力高等特点，因此广泛用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应过程。

为保证管式反应器内具有良好的传热与传质条件, 使之接近于理想反应器，一般要求流体在管内作高速湍流运动。

热裂解的原理：烃类热裂解的过程十分复杂，不仅裂解原料发生反应，而且生成物还会继续反应，同一种烃也会发生不同的反应。

按反应进行的先后顺序，可以反应划分为一次反应和二次反应。

本次课程设计是要完成管式热裂解反应器出口温度控制系统的设计，采用的是前馈——反馈控制。

1.2 管式热裂解器的扰动分析管式热裂解反应器温度控系统工艺流程及控制要求管式热裂解反应器的主要任务是把原油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。

反应器的工艺流程为燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度。

在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度的目的。

其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，所以管式热裂解器的扰动来源于燃油压力与过热蒸汽压力，而过热蒸汽压力是主要扰动。

从调节阀动作到温度改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。

工艺上对出口温度要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。

1.3 前馈-反馈控制系统反馈控制系统的输出是偏差的函数，只有出现偏差才进行调节，因此，调节不及时。

如果采用某种控制策略，使该控制运算的输出是扰动的函数，则一旦出现扰动，控制系统就有输出，就能在偏差还未出现以前把扰动的影响消除，因此，调节及时。

依据预防的控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。

前馈控制系统根据扰动进行调节；采用开环控制方式；控制器的输入信号只有一个变量，即扰动量；只能克服某个特定扰动的影响；控制器的控制规律是前馈控制规律，它与前馈广义对象特性和扰动通道特性有关，因此，只能近似实现所需控制规律，要实现绝对不变性较困难。

前馈控制能及时克服特定扰动的影响，如果合适设计控制规律，可大大消弱扰动对被控变量的影响。

因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈-控制系统。

这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调节量实行反馈检验的长处。

所以前馈-反馈控制是适合于过程控制的较好的方式。

2 课程设计方案论证2.1 控制方案1设计所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的控制算法为比例控制，即错误!未找到引用源。

式中，Ko 、Kv 、Km 与Kf 分别是过程控制通道、调节阀、温度变送器静态放大系数以及过程干扰通道的静态放大系数；错误!未找到引用源。

,其大小由Ko 、Kv 、Km 、Kf 确定。

静态前馈控制的控制目标是使被控参数最终的静态偏差接近于零，而不考虑由于两通道时间常数的不同而引起的动态偏差。

由于静态前馈控制非常简单，实施方便。

在实际生产中，当干扰通道与控制通道的时间常数相差不大时，应用静态前馈控制可获得较高的控制精度。

2.2 控制方案2设计静态前馈控制系统结构简单、易于实现，但在扰动影响下动态偏差依然存在。

对于扰动频繁且要严格控制动态偏差的生产过程，静态前馈不能满足生产工艺的精度要求，这种情况下宜采用动态前馈控制。

动态前馈控制必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性，其传递函数由式错误!未找到引用源。

M v o fb G G G G G 决定。

采用动态前馈控制使扰动对被控参数的影响在每个时刻都得到补偿，能够极大地提高控制过程的动态品质，是提高控制质量的有效手段。

但动态前馈要采用专用控制器，控制规律由上式决定，结构一般比较复杂，往往无法获得精确表达式，也难以精确实现，往往只能近似处理。

因此，只有在工艺对控制精度要求较高、其他控制方案又难以满足的情况下，才考虑采用动态前馈控制方案。

2.3 控制方案3设计为了克服前馈控制的局限性，常把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈-反馈复合控制系统。

这样既发挥了前馈控制及时克服主要扰动对被控参数影响的优点，又保持了反馈控制能抑制各种干扰的优势，同时也降低了对前馈控制器的要求，便于工程上的实现。

当燃油流量F（s）发生变化时，前馈控制器Gb(s)及时发出控制指令，补偿燃油流量F（s）变化对管式热裂解反应器出口温度Y（s）的影响；而燃油压力、过热蒸汽压力等扰动对物料出口温度的影响，则由反馈控制器Gc(s)来克服。

前馈控制作用加反馈控制作用，能够很好地克服扰动对出口温度的影响，获得比较理想的控制效果。

相对于单纯的前馈控制或反馈控制，复合控制系统具有以下优点：1.前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和加其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。

2.由于增加了反馈控制回路，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。

3.在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾，往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。

而前馈-反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。

由于前馈控制不含时间因子，比较简单，在一般情况下，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要求。

而且事实证明，滞后相位差不大的时候，应用静态前馈控制方法可以获得较高的控制精度，相比之下，由于动态前馈控制系统的结构复杂，系统的运行和参数整定过程也比较复杂，需要一套专门的补偿装置。

综上所述，由于本设计主要考虑燃油压力和燃油流量对管式热裂解反应器出口温度的影响，所以采用静态前馈-反馈控制方案。

3 前馈-反馈控制系统设计及器件选择3.1 前馈—反馈控制系统设计一、控制器的选择以单片机89C51为控制器，将温度传感器得到的微弱电信号，经仪表放大器放大后，送入转换器，转化结束后，89C51读取转换结果，当管式热裂解反应器出口温度低于设定温度时，启动加热控制部件，使管式热裂解反应器出口温度升高，以满足现场要求．当管式热裂解反应器出口温度高于设定温度时，实时地切断加热源．采用单片机来对炉温实时控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且提高了炉温控制精度的技术要求，从而大大提高了产品的质量．1.A/D转换器的选择ADS774是BRR-BROWN(BB)公司设计生产的主次逼近式模数转换器，4种可选电压范围输入：0～+10V，0～+20V，-5～+5V和-10～+10V,12位或8位可选输出，单一+5V供电。

它采用低功耗COMS工艺和新的电容阵列技术，包含有内部时钟、微处理器接口、三态输出缓冲器以及若干组内部可调阻抗，功率最大为120mv，转换时间为t≤8.5 S。

ADS774可以在2种模式下工作：一种是工作过程由微处理器控制，即所谓非独立方式；一种是独立运行工作模式。

二、执行器的选择1.调节阀工作区间的选择：正常工况下要求调节阀的开度在15﹪-85﹪之间。

2.调节阀的流量特性选择：根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，应选用等百分比流量特性或抛物线流量特性。

3.调节阀的气开、气关作用方式选择：气开阀即随着控制信号的增加而开度增大，当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态。

由于设计要求当物料进入管式热裂解反应器的时候，有一定的温度，当燃油流量加大时，温度势必增加，所以阀门控制选择气开式。

而当燃油流量增加时，出口温度会增加，所以控制器选择反作用，调节器应选择正作用。

控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。

气动控制阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动控制阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动控制阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。

三、检测变送器的选择1.温度检测器热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。

具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。

大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。

热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。