1、.目錄.2-61.12-31.231.33-41.44-66-77-183.17-83.28-93.39-123.412-133.5133.613-143.714-18181819.一概述1.1化學反應器的基本介紹反應器（或稱反應釜）是化工生產中常用的典型設備，種類很多。化學反應器在結構、物料流程、反應機理、傳熱、傳質等方面存在差異，使自控的難易程度相差很大，自控方案差別也比較大。化學反應器可以按進出物料狀況、流程的進行方式、結構形式、傳熱情況四個方面分類：一、按反應器進出物料狀況可分為間歇式和連續式反應器通常將半連續和間歇生產方式稱為間歇生產過程。間歇式反應器是將反應物料分次獲一次加入反應器

2、中，經過一定反應時間后取出反應中所有的物料，然后重新加料在進行反應。間歇式反應器通常適用于小批量、多品種、多功能、高附加值、技術密集型產品的生產，這類生產反應時間長活對反應過程的反應溫度有嚴格程序要求。連續反應器則是物料連續加入，化學反應連續不斷地進行，產品不斷的取出，是工業生產最常用的一種。一些大型的、基本化工產品的反應器都采用連續的形式。二、從物料流程的進行方式可分為單程與循環兩類物料在通過反應器后不再進行循環的流程稱為單程，當反應的轉化率和產率都較高時，可采用單程的排列。如果反應速度較慢，禍首化學平衡的限制，物料一次通過反應器轉化不完全，則必須在產品進行分離后，把沒有反應的物料與新鮮物料

3、混合后，再送送入反應器進行反應。這種流程稱為循環流程。三、從反應器結構形式可分為釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移動床反應器等。四、從傳熱情況可分為絕熱式反應器和非絕熱式反應器1 。絕熱式反應器與外界不進行熱量交換，非絕熱式反應器與外界進行熱量交換。一般當反應過程的熱效應大時，必須對反應器進行換熱，其換熱方式有夾套式、蛇管式、列管式等。如今用的最廣泛的是夾套傳熱方式，且采用最普通的夾套結構居多。隨著化學工業的發展，單套生產裝置的產量越來越大，促使了反應設備的大型化。 也大大促進了夾套反應器的反展。夾套式反應器是一類重要的化工生產設備，由于化學反應過程伴有許多化學和物理現象以及能量、物料平衡和

4、物料、動量、熱量和物質傳遞等過程，因此夾套反應器操作一般都比較復雜，夾套反應器的自動控制就尤為重要，他直接關系到產品的質量、產量和安全生產。化工生產過程通常可劃分為前處理、化學反應及后處理三個工序。前處理工序為化學反.應做準備，后處理工序用于分離和精制反應產物，而化學反應工序通常是整個生產過程的關鍵，因此在化學反應工序中設計一套比較完善的控制系統是很重要的。設計夾套式反應器的控制方案應從質量指標，物料平衡和能量平衡，約束條件三個方面考慮（假設在本反應器中反應物為一般性的，無腐蝕，無爆炸的液液反應物）。1.2夾套式反應器的控制要求1.2.1質量指標夾套式反應器的質量指標一般是反應轉化率或反應生成

5、物的濃度。轉化率是直接質量指標，如果轉化率不能直接測量可選取與它相關的變量來計算間接反映出轉化率的大小。如出口溫度與轉化率的關系為：yC ( 0i ) / xi H 式中 y 是轉化率， 0 、 i 分別是進料溫度和出料溫度，是進料重度， C 是物料的比熱容， xi 是進料濃度， H是單位質量進料的反應熱。因為成分分析儀表價格高，維護困難等原因。通常采用溫度作為間接質量指標，有時輔以夾套式反應器的壓力和處理量（流量）等控制系統，滿足夾套式反應器正常操作的控制要求。1.2.2物料平衡和能量平衡為使反應正常操作，反應轉化率高，需要保持進入夾套式反應器各種物料量份額或物料的配比符合要求。為此對進入夾

6、套式反應器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。此外部分物料循環的反應的過程中為保持原料的濃度和物料平衡需設置輔助控制系統。由于反應過程有熱效應，因此應該設置相應的熱量平衡控制系統。能量平衡控制要保持化學反應器的熱量平衡。應使進入反應器的熱量與流出的熱量及反應生成熱之間相互平衡。能量平衡控制對化學反應器來說是重要的，它關系到安全生產，也間接的保證了化學反應器的產品質量達到了生產工藝要求。1.2.3約束條件約束條件防止夾套式反應器的過程變量進入危險工作區或不正常工況。必須設置相應的參數反應到控制系統中。假設本設計是在一般條件下的反應器裝置，沒有爆炸危險，因此只涉及了反應液液位報警系統，在反應器內

7、反應液液位過高或過低時系統將發出報警信號1 。1.3夾套式反應器的擾動變量夾套式反應器的擾動變量有進料口反應液的流量、出料口生成液的流量、夾套中冷水的流量、冷卻水溫度變化、反應器內壓力等多個擾動變量，其中冷卻水溫度的變化是主要擾動。這些擾動變量有可控的和不可控的。當擾動變量作用下反應轉化率或反應生成物組分與溫度、壓力等參數之間不出現單值函.數關系時，需要根據工況變化補償溫度控制系統的給定值。1.4夾套式反應器動態數學模型絕大部分被控工業對象都是具有穩定性，是一個開環穩定的對象。通常，化學反應過程伴有強烈的熱效應。有的是吸熱，也有的是放熱。然而本反應器的反應設置為放熱反應。對于具有放熱效應的對象

8、，因外干擾式反應器溫度升高，隨著反應速度的加快，釋放的熱量也迅速增多，最終導致溫度不斷上升。因此對于這種具有正負反饋性質的放熱器，在外擾作用下，溫度的變化將向兩個極端方向發展：一種是溫度一直上升，最終使反應器急速終了；另一種是若外擾先引起反應器溫度下降，則溫度不斷下降，直到反應停止。不少高分子聚合過程的情況就是如此，遂于這樣的放熱反應過程，如果沒有適當的換熱促使，將是一個開環不穩定的對象。化學反應過程涉及物料、能量平衡、反應動力學等，利用動態數學模型可以更好的了解這些量的物理意義。以夾套式液相反應器為例，來說明反應器激勵模型的建模思路。其中夾套式液相反應器裝置如圖 1-1 所示：圖 1-1 夾

9、套式反應器1.4.1基本動態方程式（1）基本假設兩側流體均呈活塞流狀流動，無軸向混合；徑向熱傳導可用集中參數表示，即同一截面上各點溫度相同；傳熱系數 U 和比熱 Ca、Cb 恒定不變；管壁熱容忽略不計；.外部絕熱良好，即不考慮熱損失。（2）系統基本方程式的建立對內管流體 A 列寫微元 d的熱量衡算式：M a Ca dTA ( , t), t)aCaTA ( ,t)UAd TB ( , t) TA (tTA ( , t) daCa TA ( , t)TTA ( ,t)TA ( , t)a T( , t)T( , t)11 BAtM aa1UA式中：T1a Caa同理可得外管流體B 的熱量衡算式：

10、T2TB ( ,t)TB ( ,t)a2TA ( ,t) TB ( , t)tT2M ba2UA式中：bCbb（2）偏微分方程的求解：在化工過程中，有很多典型操作單元如套管式和列管式換熱器、填充式精餾塔和吸收塔、管式和固定床式反應器等都屬于分布參數對象，它們的動態方程為偏微分方程。偏微分方程的求解方法主要有傳遞函數法、分段集總化處理方法、正交配置法和數值解法。對于較簡單的（自變量不大于兩個，線性定常）偏微分方程，一般可以通過傳遞函數法求解。首先進行由時間域 t 到復域 S 的拉氏變換，在 TA、TB 取增量形式時，初始條件為0，由式可得：T1STA( ,S)dTA ( , S)TA( ,S)a

11、1TB ( , S)dT2STB ( ,S)dTB ( , S)TB( ,S)a2TA ( , S)d進行由距離域 到復域的拉氏變換，邊界條件如下：.TA ( ,S)0TA1(S)TA ( , S)1TA0( S)TB ( ,S)0TB1(S)TB ( , S)1TB0( S)T1 STA (P, S)PTA ( P, S)TA1(S)a1TB ( P, S)TA (P, S)T2 STB (P, S)PTB ( P, S)TB1( S)a2TA (P, S)TB ( P, S)令 AP=(1- 2)2+4a1a2，則式 (4.42) 右端分母可寫為：P 2P (P 22P12 )12a1a2

12、222 1 2222 1 2 4a1a212 P121222442AP1222TA0對 TA1 、TB1 的傳遞函數 , 以及 TB0對 TA1 、TB1的傳遞函數可以表示成矩陣的形式：TA0 (S) e (12)2AP coshAP( 21 )sinhAP2a1 sinhAPTA1(S)222TB0 (S)AP2a2 sinhAPAP( 12 )sinhAPTB1(S)2AP cosh221.4.2 模型的簡化：有上式整理得被控對象傳函為：GP1KP1e p sGD 2K D 2(s)( s)TP1s 1 ;TD 2 s 1二 控制系統方案確定串級控制系統是兩只調節器串聯起來工作，其中一個調

13、節器的輸出作為另一個調節器的給定值的系統。它的主要特點是如下：（ 1）能迅速克服進入副回路擾動的影響，對進入副環的擾動具有較強的抗干擾能力；（ 2）改善除主控制器以外的廣義對象特性，使系統的工作頻率提高；（ 3）串級系統可以消除副過程的非線性特性和憂郁調節閥流量特性不適合而造成的對控制質量的影響；（ 4）串級控制系統可以兼顧兩個變量，更精確控制操作變量；.（ 5）串級控制系統可以實現靈活的控制方式，必要死可切除副調節器。根據設計題目為夾套式反應器溫度串級控制控制系統設計，假設該反應器用于常態常壓反應，因此選擇控制方案為夾套式反應器反應溫度與夾套水溫度構成的T-T 串級控制方案。圖 2-1串級系

14、統控制流程圖如圖 2-1 所示；被控過程有三個熱容器：即夾套中的冷卻水、反應器壁和反應器中的物料。由于從干擾引起反應溫度 T1 下降，到調節閥動作時溫度升高，其間需要經過三個熱容過程。控制通道的時間常數和容量滯后較大，最終使 T1 調節不及時而出現較大的偏差。圖中控制器 T2C 用于克服干擾 F2 對夾套水溫度 T2 的影響通過穩定夾套水溫度來及時抑制干擾 F2 對反應溫度 T1 產生的影響。但是控制器 T2C 不能克服干擾 F1 對 T1 的影響 . 因而也就不能保證 T1 符合工藝要求。為此要根據反應器內的情況， 適當改變 T2C 的設定值 T2r 。以確定夾套水溫度能使 T1 穩定在工藝

15、要求的數值上， 即有控制器 T1c 根據 T1 與 T1r 的偏差來自動改變 T2C 的設定值 T2r 3 。三 控制系統設計3.1被控變量和控制變量的選擇3.1.1被控變量的選擇（ 1）主被控變量的選擇根據工藝過程的控制要求，主被控變量應該能反映工藝指標。夾套式反應器的工藝指標.主要是反應器內溫度，利用反應器內溫度來衡量反應物之間反映的充分情況。因此，若要反映工藝指標，夾套式反應器內反應溫度必須是T-T 串級控制系統的主被控變量。（ 2）副被控變量的選擇從串級控制的特點可知，當擾動進入副回路時，副回路能迅速而強有力地克服它，起到超前控制作用，因此在選擇副變量時，一定要把主要擾動包括在副回路內

16、，并力求把盡量多的擾動包含在副回路中，以充分發揮串級控制的最大優點，吧對主變量影響最嚴重、最劇烈、最頻繁的擾動因素抑制到最低程度，以確保主被控變量的控制質量。同時冷卻水溫度變化是主要擾動，包括水溫變化、水量變化等許多的擾動。因此采用夾套水溫度作為副被控變量。這樣完全符合副被控變量包括主要擾動且包含盡可能多的擾動的原則。3.1.2 控制變量的選擇控制變量是在系統中加以控制的變量。除去系統的主、副被控變量外的一切變量，這些變量有些必須加以控制。在夾套式反應器中反應溫度和夾套水溫度構成的T-T 串級控制系統中，冷卻水流量這一變量在系統中包括的擾動變量最多，因此選取冷卻水流量作為系統的控制變量，這樣符

17、合系統的整體控制。3.2主、副回路的設計3.2.1主回路的設計串級控制系統的主回路仍是一個定值控制系統，主回路的設計仍可用單回路控制系統的設計原則進行。因此主回路應包括主要的質量指標等標準。因此確定了主被控變量、主控制變量及主要擾動變量就能組成主回路。由上述的主被控變量和控制變量的選擇可設計出系統主回路。如圖 3-1 所示；圖 3-1串級控制系統主回路3.2.2副回路的設計副回路可看作是一種新的動態環節。副回路設計是串級控制系統設計的一個關鍵問題。從結.86-99.構上看，副回路也是一個單回路， 問題的實質在于如何從整個對象中選取一部分作為父對象，然后組成一個控制回路，即可歸納為如何選擇福參數

18、。首先副參數的選擇應使副回路的時間常數小，調節通道短，反應靈敏；其次副回路因包含被控對象所受到主要干擾。由此可設計出系統的副回路。如圖3-2 所示；圖 3-2串級控制系統副回路3.3現場儀表選型3.3.1測溫檢測元件及變送器（ 1）溫度檢測元件圖 3-3 熱電偶的分度規格及特性表由于主、副回路的溫度變送器的溫度范圍相差不大可以忽略，因此兩個熱電偶可以選擇相同的。假設該夾套式反應器用于普通常壓的情況下100條件下的反應。由此可選鎳鉻- 銅鎳（ GB/T4993-1998）的熱電極代號為EP。在溫度測量環節可用以下的一節化解來近似：.Tm( s)KTMGTM ( s)0 為溫度測量環節的時間常數，

19、T ( s)T1s 1 式中， KTM 與測量儀表的量程有關。 T1單位為分， min. 在實際過沉重這些參數基本不變。這里假設，主溫度儀表量程為50150，副溫度儀表量程為 0500，測量環節的時間常數 T11min 。而各儀表輸出經歸一化后均為KTM 1TM 1,maxTM 1,min1%/CT1,maxT1,min5% / C 。可選出上述的熱電偶 4 。0100%，因而有, KTM2在使用熱電偶時，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環境溫度波動的影響，且距熱源較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距

20、離熱源較遠、溫度較穩定的地方。補償導線的作用如圖3-3 所示：圖 3-4補償導線作用用補償導線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩定的地方后，并沒有完全解決冷端溫度補償問題，為此還要采取進一步的補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體PN結補償法。（ 2）溫度變送器檢測信號要進入控制系統，必須符合控制系統的信號標準。變送器的任務就是將檢測信號轉換成標準信號輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號必須經溫度變送器轉換成標準信號后，才能進入控制系統，與調節器等其他儀表配合工作。如圖 3-4 所示；給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個品種、規格，以配合不同的傳感

21、元件和不同的量程需要，但他們的結構基本相同。電量輸出電流傳感元件輸入電路+放大電路-反饋電路圖 3-5溫度變送器原理方框圖.圖 3-5智能溫度變送器本設計采用鎳鉻 - 銅鎳 EP-II型熱電偶溫度變送器。3.3.2執行器。圖 3-6氣動球閥內螺紋連接球閥及對焊連接球閥分為整體式、兩段式及三段式。閥體鑄造，結構合理、造型美觀。閥座采用彈性密封結構，密封可靠，啟閉輕松。可設置90開關定位機構，根據需要加鎖以防止誤操作。內螺紋連接不堪閥及對焊連接球閥適用于PN1.04.0MPa,工作溫度-29 180（密封圈為增強聚四氟乙烯）或-29 300（密封圈為對位聚苯）的各種管路上，用于截斷或接通管路中的介

22、質，選用不同的材質，可分別適用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氨鹽水、中和水等多種介質。.fv (s)KVGv (s)f v假設調節閥為近似線性閥，其動態滯后忽略不計，而且u( s)式中為調節閥的流通面積， KV 通常在一定范圍內變化，這里假設KV(0.5 1.0)% / % （即控制器的輸出變化 1% ，調節閥的相對流通面積變化 0.5% 1.0% ） 5 。3.3.3 調節器圖 3-7智能溫度變送器選擇 SK808/900 系列智能 PID 調節儀智能 PID 調節儀與各類傳感器、變送器配合使用，實現對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量顯示、智能 PID 調節儀并配合各種執行器對電加熱

23、設備和電磁、電動、氣動閥門進行 PID 調節和控制、報警控制、數據采集、記錄。3.4主、副控制器正、反作用的選擇假設夾套式反應器中反應為放熱反應。則選擇如下：（ 1）控制閥：從安全角度考慮，選擇氣關型控制閥 kv 0 ；（ 2）副控制對象（ T2T ）：冷卻水流量增加，夾套溫度下降，因此 kp 2 0 ；（ 3）副控制器（ T2 C ）：為保證負反饋， 應滿足 kc2 kv k p2km 20 ，因此 km20 ，應選 kc20 ，即選用反作用控制器；（ 4）主被控對象（TT1）：當夾套溫度升高時，反應器溫度升高，因此kp 10；（ 5）主控制器（T1C）：為保證負反饋，應滿足kc1k p1k

24、m10，因此km10，應選kc10，即選用反作用控制器。33.5控制系統方框圖.圖 3-5反應溫度與夾套水溫度串級控制系統方框圖如圖 3-5 所示；反應溫度與夾套溫度構成串級控制系統，反應溫度為主被控變量，夾套溫度為副被控變量。反應溫度控制器的輸出作為夾套溫度控制的設定值。此溫度串級控制系統的具體工作過程為：當工況穩定時，物料的流量和溫度不變，冷卻水的壓力和溫度穩定。 反應溫度和夾套水溫度均處于相對平衡狀態，調節閥保持一定開度， T1也穩定在設定值上。如果工況平衡被破壞，一方面冷卻水干擾 F2 會影響夾套水的溫度，副控制器動作，控制調節閥改變冷卻水流量，以克服其對夾套水溫度的影響。如果干擾量不

25、大，經過副回路的及時控制一般不會影響反應溫度。 如果干擾量副職較大， 副回路雖能及時矯正，但仍可能影響反應溫度，此時再通過主控制器的進一步調節，就可以完全克服上述擾動。若進料干擾 F1 使反應溫度變化，通過主回路即可抑制其影響。顯然由于副回路的存在加快了控制作用，使擾動對反應溫度的影響比單回路要小5 。3.6分析被控對象特性及控制算法的選擇3.6.1被控對象特性分析由于被控變量的選擇中可知主被控變量為反應器內的反應溫度，副被控變量為夾套內冷卻水的溫度。由設計可知；主擾動為進料口進料流量，副擾動為冷卻水流量。依據文獻資料 2 可做以下假設：對于夾套式反應器反應溫度對象，控制通道與擾動通道Ke p

26、 sKD1e D sGP1 (s)P1GD1(s)TP1s 1 ，TD 1s1 。 對于夾套冷卻水溫度對象，控制的動態特性可假設為：GP2 (s)K P2K D 2TP 2 s1GD 2 ( s)通道與擾動通道動態特性可假設為：，TD 2 s 1。3.6.2控制算法的選擇.根據夾套式反應器的工藝指標及工藝要求，該系統設計的控制算法選擇PID 算法。3.7控制系統的仿真及參數整定3.7.1控制系統的 SIMULINK仿真由各個傳函等模塊所組成的SIMULINK模型如下圖所示，其中兩個溫度控制器都采用PID調節器。對應的對象模型參數分別取值為：Kv1%/%， KP25 C /(T / hr ) ，

27、 TP 2 2min， K D 2 1 C /(T / hr )TD 24min，K P15 C /(T / hr )，Tp14 min，P 3minKD 12 C /(T / hr ) ， TD1 3min ,D2 min首先封裝 simulinkPID 控制器模塊，如圖3-6 所示：圖 3-6PID 控制器模塊接著根據要求設計可得到串級控制系統SIMILINK 仿真模型，如圖3-7 所示；.圖 3-7夾套式反應器溫度串級控制系統SIMULINK模型3.7.2串級控制系統 PID 參數整定：夾套反應器串級控制系統PID 參數整定過程為：進行控制器的參數整定6 。步驟一首先隨機設定控制器PID

28、 參數的初始值為： 1=50%，Ti1=0.5min ，Td1=0min 2=50%，Ti2=0.5min ，Td2=0min可得到系統輸出圖如圖3-8 所示；因為是發散振蕩，故此圖不符合整定要求。圖 3-8系統初始輸出圖.步驟二再根據設定值跟蹤速度的快慢，調整PID 中的值，以起到增加調控力度。可得到整定輸出圖，如圖3-8 所示；136% ,TI110 min233%,TI24 min,TD10min,TD 2 0min圖 3-9系統整定輸出圖由此圖分析可知：控制系統的過渡過程是一個單調過程，雖然起到了控制的作用，使被控變量最終穩定下來，但其回復到平衡狀態的速度慢，時間長，故還要進一步優化P

29、ID 參數設計。步驟三繼續調整 PID 參數： 1=100%， Ti1=1min ， Td1=0min； 2=100%， Ti2=1min ， Td2=0min：可得到整定輸出圖 3-10 ：.圖 3-10系統輸出整定圖由圖分析可知，此參數下的控制系統過渡過程為衰減振蕩，可以快速有效的使被控變量穩定下來。步驟四步驟二中的單調過程也是可以通過參數的調整起到優化控制作用的，設定參數為：1=80%， Ti1=5min ，Td1=0min；2=33%， Ti2=5min ，Td2=0min；可得到輸出整定圖3-11 ：圖 3-11系統輸出整定圖由圖分析可知：雖然此參數下的控制系統過渡過程為單調非振蕩過程，但仍能以比較快的速度來使被控變量穩定下來。.經過上述 PID 控制系統的仿真實驗和參數設定，可知知道的是，串級控制系統能迅速的克服進入副回路擾動的影響，對進入副環的擾動具有較強的抗干擾能力；它還改善了除主控制器以外的廣義對象特性，是系統的工作頻率提高；并且消除副過程的非線性特性和由于調解閥流量不適合而造成的對控制質量的影響；可兼顧兩個變量，更精確控制操作變量，控制方式靈活，必要時可切除副調節器。這些都大大的提高了串級控制系統在工業生產中的應用7。四 課程設計總結身為過程裝備與控制工程的一名學生，串級控制控制方案的課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從