反应器串级控制系统整定

西华大学课程设计说明书

目录

1 前言 (1)

2 总体方案设计 (2)

2.1 方案比较 (2)

2.2 方案选择 (4)

3 反应器串级控制系统分析 (5)

3.1 被控变量和控制变量的选择 (5)

3.2 主、副回路的设计 (5)

3.3 主、副控制器正、反作用的选择 (7)

3.4 控制系统方框图 (7)

3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择 (8)

4 串级控制系统的参数整定 (9)

4.1 参数整定方法 (9)

4.2 参数整定 (9)

4.3 两步法的整定步骤 (10)

5 MATLAB仿真 (12)

5.1 控制系统的MATLAB仿真 (12)

5.2 串级控制系统PID参数整定： (14)

5 结论 (18)

6 总结与体会 (19)

7 参考文献 (20)

1 前言

反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。

夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应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，因此夹套反应器操作一般都比较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。

化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。

设计夹套式反应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（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物）。

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2 总体方案设计

2.1 方案比较

（1）简单控制系统

如图所示，温度调节器TC是根据反应器内物料的温度T与设定值的偏差进行控制，当冷却水部分出现干扰后系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数T的影响控制质量差。但在冷却水扰动可以忽略或很小的情况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简单控制系统还是可以满足要求的，如果冷却水的扰动大，而且对系统产生很大影响，则简单控制系统很难满足工艺要求。简单控制系统框图如图所示。

图2.1 反应器温度简单控制系统

图2.2 反应器物料温度简单控制系统框图

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被控变量：反应器内物料的温度；

操控变量：冷却水流量。

（2）串级控制系统

串级控制系统采用两套检测変送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入，后一个调节器的输出送往调节阀。

中间被控变量：夹套和槽壁温度；

被控变量：反应器内物料的温度；

操纵变量：冷却水流量。

夹套和槽壁温度变化时，TC可以及时动作，克服扰动。

图2.3和图2.4分别为串级系统工艺流程图和串级系统框图。

图2.3 串级系统工艺流程图

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图2.4 串级系统框图

2.2 方案选择

方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变冷却水的流量。在开始时，物料的温度离设定值偏差大，用冷却水降温传温慢，就造成开始是反应时间过长，动作不及时，偏差在短时间内不能消除。

方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。在系统开始时，在副回路的作用下先对槽壁进行冷却，这样就等于较少了一个热容，继而加速了系统的平衡。对于串级系统而言，副回路有先调、初调、快调的特点；主回路有后调、细调、慢调的特点。两者相互配合，使控制质量明显提高，与简单系统相比，对离被控对象较远的扰动（二次扰动）有明显的抑制作用，增加了系统的稳定性，提高了系统的响应速度。

综上所述，根据本设计系统的特点，选择串级控制。

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3 反应器串级控制系统分析

3.1 被控变量和控制变量的选择

（1）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。夹套式反应器的工艺指标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。因此，若要反映工艺指标，夹套式反应器内反应温度必须是T-T串级控制系统的主被控变量。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，吧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则。

（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。在夹套式反应器中反应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。

3.2 主、副回路的设计

（1）主回路的设计

串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主回路的设计仍可用单回路控制系统的设计原则进行。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3.1所示；

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