歐陽索引創編 歐陽索引創編 2021.02.02歐陽索引創編 歐陽索引創編 2021.02.02歐陽家百(2021.03.07)1前言12總體方案設計2方案比較2方案選擇4反應器串級控制系統分析5被控變量和控制變量的選擇5主、副回路的設計5主、副控制器正、反作用的選擇7控制系統方框圖7分析被控對象特性及控制算法的選擇8串級控制系統的參數整定9參數整定方法9參數整定9兩步法的整定步驟105MATLAB仿真12控制系統的MATLAB仿真12串級控制系統PID參數整定：145結論186總結與體會197參考文獻201前言反應器（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。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）。2總體方案設計2.1方案比較（1）簡單控制系統如圖所示，溫度調節器TC是根據反應器內物料的溫度T與設定值的偏差進行控制，當冷卻水部分出現干擾后系統并不能及時產生控制作用，克服干擾對被控參數T的影響控制質量差。但在冷卻水擾動可以忽略或很小的情況下，并生產工藝對物料溫度要求不是很嚴格時，簡單控制系統還是可以滿足要求的，如果冷卻水的擾動大，而且對系統產生很大影響，則簡單控制系統很難滿足工藝要求。簡單控制系統框圖如圖所示。圖2.1反應器溫度簡單控制系統圖2.2反應器物料溫度簡單控制系統框圖被控變量：反應器內物料的溫度；操控變量：冷卻水流量。（2）串級控制系統串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的輸入，后一個調節器的輸出送往調節閥。中間被控變量：夾套和槽壁溫度；被控變量：反應器內物料的溫度；操縱變量：冷卻水流量。夾套和槽壁溫度變化時，TC可以及時動作，克服擾動。圖2.3和圖2.4分別為串級系統工藝流程圖和串級系統框圖。圖2.3串級系統工藝流程圖圖2.4串級系統框圖2.2方案選擇方案一的簡單控制系統有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進而改變冷卻水的流量。在開始時，物料的溫度離設定值偏差大，用冷卻水降溫傳溫慢，就造成開始是反應時間過長，動作不及時，偏差在短時間內不能消除。方案二的串級控制系統中，由于引進了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。在系統開始時，在副回路的作用下先對槽壁進行冷卻，這樣就等于較少了一個熱容，繼而加速了系統的平衡。對于串級系統而言，副回路有先調、初調、快調的特點；主回路有后調、細調、慢調的特點。兩者相互配合，使控制質量明顯提高，與簡單系統相比，對離被控對象較遠的擾動（二次擾動）有明顯的抑制作用，增加了系統的穩定性，提高了系統的響應速度。綜上所述，根據本設計系統的特點，選擇串級控制。3反應器串級控制系統分析被控變量和控制變量的選擇（1）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。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，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。（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，這樣符合系統的整體控制。主、副回路的設計（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（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。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k<0.v；（2）副控制對象（4T）:冷卻水流量增加，夾套溫度下降，因此卜。2<0；（3）副控制器（72°）:為保證負反饋，應滿足k2kvkp2km2>0，因此km2>0，應選,2>0，即選用反作用控制器；(4)主被控對象(〈丁)：當夾套溫度升高時，反應器溫度升高，因此k「0；(5)主控制器(40):為保證負反饋，應滿足k.1kp1%J0，因此J0，應選幺＞0，即選用反作用控制器。控制系統方框圖圖3.3反應溫度與夾套水溫度串級控制系統方框圖如圖3.3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，4也穩定在設定值上。如果工況平衡被破壞，一方面冷卻水干擾勺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。若進料干擾勺使反應溫度變化，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。分析被控對象特性及控制算法的選擇（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的動態特性可假設為：KeisKeis 一G(s)=-pi-^G(s)=

p1 Ts+1 diP1 ，控制通道與擾動通道動態特性可假設為：GP2(sXK P2—控制通道與擾動通道動態特性可假設為：GP2(sXK P2—Ts+1P2 ，GD2(s)=K D2—Ts+1D2（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。4串級控制系統的參數整定串級控制系統從整體上來看是定制控制系統，要求主參數有較高的控制精度。但副回路是隨動系統，要求副參數能歐陽索引創編 歐陽索引創編 2021.02.02準確、快速地跟隨主調節器輸出的變化。串級控制系統主、副回路的原理不同，對主、副參數的要求也不同。通過正確的參數整定，可取得理想的控制效果。參數整定方法串級控制系統主、副調節器的參數整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。.逐步逼近法逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環進行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。.兩步整定法兩步整定法就是讓系統處于串級工作狀態，第一步按單回路控制系統整定副調節器參數，第二步把已經整定好的副回路視為串級控制系統的一個環節，仍按單回路對主調節器進行一次參數整定。.一步整定法一步整定發就是根據經驗，先將副調節器參數一次調好，不再變動，然后按一般單回路控制系統的整定方法直接整定主調節器參數。本設計選擇兩步整定法來整定串級控制系統的參數。歐陽索引創編 2021.02.02歐陽索引創編 歐陽索引創編 2021.02.02歐陽索引創編 歐陽索引創編 2021.02.02參數整定在串級控制系統中，主、副回路中被控過程的時間常數應有適當的匹配關系，一般為To1=(3~10)T。主回路的工作周期遠大于副回路的工作周期，主、副回路間的動態關聯較小。因此，當副調節器參數整定好之后，視其為主回路的一個環節，按單回路控制系統的方法整定主調節器參數，而不再考慮主調節器參數變化對副回路的影響。一般串級系統對主參數的控制質量要求高，而對副參數的控制要求相對較低。因此，當副調節器參數整定好之后再去整定主調節器參數時，雖然會影響副參數的控制品質，但只要主參數控制品質得到保證，副變量的控制品質差一點也是可以接受的。兩步法的整定步驟在生產工藝穩定，系統處于串級運行狀態，主、副調節器均為比例作用的條件下，先將主調節器的比例度4置于100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副調節器的比例度P2，直到得到副回路過渡過程衰減比為4：1的比例度P2s，過渡過程的振蕩周期為T2s。2)在副調節器的比例度等于P2s的條件下，逐步降低主調節器的比例度4，直到同樣得到主回路過渡過程衰減比為4：1的比例度Ps，過渡過程的振蕩周期為T1s。3)按已求得的Ps、T1s和P2s、T2s值，結合已選定的調節ss s s規律，按下表衰減曲線法整定參數的經驗公式，計算出主、副調節器的整定參數。學定參數調節規律'P(%)TTdPPPI1.2P0.5TPID0.8P0.3Ts0.1Ts表4.1主、副調節器的整定參數4)按照“先副回路，后主回路”的順序，將計算出的參數值設置到調節器上，做一些擾動試驗，在做擾動實驗時觀察過渡過程曲線，與此同時作適當的參數調整。5)調整參數后，一直直到控制品質最佳為止，同時記錄最佳數據。5MATLAB仿真控制系統的MATLAB仿真1G(s)=—由主對象傳遞函數：01 (30s+1)，和副對象傳遞函數：1G(s)= 02 (10s+1)(s+1)2，在MATLAB中畫出仿真框圖。由各個傳遞函數等模塊所組成的模型如下圖所示，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：K=1%/%K=5℃/(T/hr)T=2minK=1℃/(T/hr)TOC\o"1-5"\h\zv ，P2 ，P2 ，D2T=4minK=5。C/(T/hr)T=4mint=3minD2 ，P1 ，p1 ，PK=2。C/(T/hr)T=3mint=2minD1 ，D1 ,D首先封裝控制器模塊，如圖所示：圖5.1PID控制器模塊接著根據要求設計可得到串級控制系統仿真模型，如圖所示；圖5.2夾套式反應器溫度串級控制系統仿真模型串級控制系統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。步驟一首先隨機設定控制器PID參數的初始值為：(51=50%,Ti1=0.5min,Td1=0min(52=50%,Ti2=0.5min,Td2=0min可得到系統輸出圖如圖5.3所示；因為是發散振蕩，故此圖不符合整定要求。圖5.3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5.4所示；8=36%T=10minT=0min1 ,I1 ,D18=33%T=4minT=0min2 ,I2 ,D2圖5.4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PID參數設計。步驟三繼續調整PID參數：(51=100%,Ti1=1min,Td1=0min;(52=100%,Ti2=1min,Td2=0min：q得到整定輸出圖5.5：圖5.5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： 31=80%,Ti1=5min，Td1=0min；32=33%,Ti2=5min,Td2=0min；q得到輸出整定圖5.6：圖5.6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。5結論經過上述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,與單回路控制系統相比,串級控制系統能改善被控過程的動態特性,抗干擾能力增強,對負