自动控制系统课设大学毕设论文

河南理工大学

过程控制系统》课程设计文件

设计小组名称：XXXXXXXX

设计小组成员：姓名：陈鑫沈炜皓杜永恒刘合东班级：自动化

1305班学号：311308070525 311308070509

311308070508 311308070510

2016年6月24日

、方案设计依据=范围及相尖标准

设计依据

(1)2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型赛项初赛样题及初赛规则

(2)反应器控制仿真设备用户手册

(3)过程控制设计手册及相尖标准

二、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析=工艺流程分析、系统安全要求等）

一、控制需求分析

1控制物料需求：

该连续反应系统以反应物A与反应物B,在反应温度70.0C下进行反应，反应的产物为C。A与B 按合理比例流入反应器中。

2.节能要求：

A与B按合理比例流入反应器中，避免流量过大在反应器中堆积，反应不充分，造成浪费。控制好冷凝装置中水的流量，避免浪费。

3.安全控制要求：

该反应过程中主要危险在反应器装置中，反应产生大量热量，这需要控制反应物的流量，以及冷凝装置的使用。此外反应过程中可能使反应器中压强增大，这要控制反应物流量，及紧急停止的程序设计。

二、对象特性分析

（一）：反应器作为一个整体，其最终的合格产物C输出会受到诸多扰动因素的影响。

（二）：要达到要求的物料A和物料B的比例，通过变比值控制系统控制，B为主动量，A 为从动量,物料A的流量跟随物料B的流量的变化而变化。

|温度控制为通过控制冷却水的进水流量来控制，当温度过高时，增大阀门开度，增加冷却水的进水流量进而降彳氐反应釜的温度o

压力控制是通过控制物料A和物料B的进料流量来控制，当反应器内部压力过高时，减小物料B的进料阀门开度，使物料B进料流量减小。

液位控制也是通过控制物料A和物料B的进料流量来控制液面高度维持在80%,以此使反应产物C的产率维持在较高水平。当液位过高时，减小物料A和物料B进料阀门开度，此时物料A的进料流量随物料B 变化而变化，从而改变液位高度。

三・系统安全性分析

本次反应是主要危险地方在于反应器，物料A和物料B在反应器当中反应剧烈使反应器内部压强增高，液位上升。通过温度检测装置，当反应温度高于所设定的警戒值时，对应的指示器变亮；同理，通过压力和液位检测装置，当这两者也高于所设定的警戒值时，各自对应的指示器变亮。当两个或两个以上的指示器亮起时，系统会发出警报声响。

当反应器内温度过高时，会促使内部压力增高，可能会对反应器造成损害且有可能对危及人身安全，造成不可估量的损失。当反应器内部的压力过高时，有可能反应器壁承受不住压力而发生形变甚至爆炸。对反应器周围及反应器本身造成伤害。当反应器内部的液位太高时，会使反应压力增大，造成反应物A和B的堆积和资源浪费，不符合绿色生产和绿色设计的理念，进而影响反应结果。

三=控制系统设计

3.1基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、顺序逻辑、安全保障等功能设计，并说明设计理由）一、控制流程图

（开始）

否调节反应物A与

B阀门流量

否

调节冷却水进料*

图1控制流程图

、控制算法:

PID控制：PID控制本质上是一种反馈控制，特别适合于过程的动态性能良好而且控制性能要求不

太高的情况。他包含三种控制策略：比例控制（控制器的输出信号u与输入信号e成比例尖系）、积分控制、微分控制。

三、控制变量：

反应器液位、反应物A、B流量、反应器压力，反应器温度等。

四、控制规律：

反应物A、B的进料流量，冷却水的进水流量。

五、阀门特性：

为保证反应安全进行需要对反应物的控制阀门类型进行选择，冷凝水的控制阀门采用气尖式；反应物A、B的进料口控制阀采用气开式；反应产物C的出料口控制阀采用气矢式

六、控制系统分析：

6.1、流量控制系统

图2流量控制系统

6.2、液位控制系统

本系统中，影响液位的主要变量有物料A的进料流量，物料B的进料流量，物料C的出料流量° 由于进料口的流量需要按比例进入且主变量为物料B的进料流量，所以控制入口流量只需要控制物料B 的进料给定，而控制出口流量只需要控制物料C的出料流量。

当液位保持在80%左右时，表示液位相对平稳。当有扰动时，通过控制物料B的进料流

量进也控制物料A的进料流量，从而保证液位稳定在80%左右以使物料C有最大的产生速率。

图3液位控制系统

6.3、温度控制系统

对于温度的控制我们采用串级控制，当温度低于或超过最佳反应温度70度时，通过控制冷却水

的进水流量从而使使其维持在最佳反应温度，以此保证反应产物

C 的产生速率。

警报器“一一检刮变送*

图4

温度控制系统

给定温度

> 护生1契

•

■Hi 各契 令水控制

■ 拎水进水

Wil w

■

阀

流量

6.4 '压力控制系统

为保证反应安全，对压力进行安全控制设计。反应压力的高低主要取决于反应器中反应物A 和反应 物B 混合气体的比例以及反应温度，且在反应物A 、B 的进料流量比不变的前提下，反应压力随反应温 度变化，即反应温度上升，反应压力也同步上升，反应温度下降，反应压力也同步下降。压力达到 l ・2MPa 时，进入非正常工况，采取相应动作，否则不动作，我们采用串级控制方案。

图5压力控制系统

正常情况下，由温度控制系统操纵夹管和夹套的冷却阀门，

以维持温度在70。左右，反应

正常进行。当出现非正常情况，引起压力达到高限时，通过相应控制器控制反应物

A 、

B 的

进入流量，以降低反应器的温度。等到压力回到正常区域，再切换回正常值进行控制，恢复正常情况。

控制器 -- ------- 检黑变＜―

＞执行器

A 控制瀏

1

反应釜

1

---- 1

■ ■

■ - ? 检送

力变 压测

I 1

■一

压力上 限值

1

-------------- 送

______________________________ /\