【正文】 系統(tǒng) 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 3 第 2 章 控制方案的確定 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及工作原理 反應(yīng)釜有間歇式和連續(xù)式之分。間歇反應(yīng)釜通常用于液相反應(yīng)，如多品種、小批量的制藥、燃料等反應(yīng)。連續(xù)反應(yīng)釜用于均相和非均相的液相反應(yīng)，如聚合反應(yīng)等，本文研究的對(duì)象為間歇式反應(yīng)釜。反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖 21所示 ,由攪拌容器和攪拌機(jī)兩 大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱(chēng)為攪拌機(jī)。釜體為一個(gè)鋼制罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。為了測(cè)量釜內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，在罐內(nèi)裝有鋼制的套管，可將各種傳感器放入其中。 圖 21 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖 在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)之前，先將反應(yīng)物按照一定的比例進(jìn)行混合，然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi)，在反應(yīng)釜的夾套內(nèi)導(dǎo)入蒸汽加熱使釜內(nèi)物料的溫度升高，通過(guò)攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導(dǎo)熱速度，使其溫度均勻。當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)，保持一定時(shí)間的恒溫以 使化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行冷卻。有時(shí)在恒溫后還要進(jìn)行二次升溫和恒溫。恒溫段是整個(gè)工藝的關(guān)鍵，如果溫度偏高或偏低，會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中一般伴有強(qiáng)烈的放熱效應(yīng)，并且反應(yīng)的放熱速率與反應(yīng)溫度之間是一種正反饋?zhàn)约さ年P(guān)系。也就是說(shuō)，若某種擾動(dòng)使反應(yīng)溫度有所增加，反應(yīng)的速率就會(huì)增加，放熱速率也會(huì)增加，會(huì)使 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 4 反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升，甚至?xí)稹熬郾爆F(xiàn)象，使釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品，并且會(huì)影響安全生產(chǎn)。按照工藝要求，這些反應(yīng)一般要經(jīng)過(guò)加熱、恒溫、冷卻等過(guò)程，當(dāng)原料配比、濃度 確定以后，準(zhǔn)確控制反應(yīng)的溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵。 為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以一定的冷卻介質(zhì)，來(lái)移走反應(yīng)放出的多余熱量。通過(guò)調(diào)節(jié)流入反應(yīng)釜夾套中冷卻介質(zhì)的流量，來(lái)控制反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度使之符合工藝要求。 本課題使用的是間歇式反應(yīng)釜。在實(shí)際使用中需要檢測(cè)釜內(nèi)的溫度、壓力和液位三種狀態(tài)信號(hào)，系統(tǒng)的主要控制的參數(shù)是溫度，反應(yīng)溫度設(shè)定在80℃。液位的控制主要在加入原料、物料等階段，在到達(dá)指定液位后，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料閥門(mén)。 反應(yīng)釜釜底溫度特點(diǎn)分析 根據(jù)反應(yīng)釜的工作特性分析結(jié)果可知，反應(yīng)釜內(nèi)的工作溫度 對(duì)化學(xué)反應(yīng)有極大的影響。在分析對(duì)象的特性時(shí)，為了便于分析作了許多的簡(jiǎn)化和假設(shè)，如：忽略了熱交換中的能量損失、忽略了反應(yīng)過(guò)程中許多復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象和不確定因素、對(duì)方程進(jìn)行了近似的處理等等。 事實(shí)上作為被控對(duì)象的反應(yīng)釜工作溫度與一般的工業(yè)對(duì)象對(duì)比，主要有以 下幾個(gè)方面的特點(diǎn)： 反應(yīng)釜一般在反應(yīng)之初加熱使反應(yīng)釜內(nèi)達(dá)到所需的溫度。在反應(yīng)過(guò)程中伴有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)溫度急劇升高，此后在夾套中通以液態(tài)氮帶走多余的熱量，以使釜內(nèi)溫度降低。但由于反應(yīng)釜內(nèi)與外界熱交換主要依靠反應(yīng)釜的間壁進(jìn)行熱傳導(dǎo)，內(nèi)壁對(duì)整個(gè) 釜內(nèi)加熱也需要一定的時(shí)間，所以導(dǎo)致系統(tǒng)表現(xiàn)出很大的時(shí)滯效應(yīng)。 反應(yīng)釜內(nèi)的溫控特性主要取決于釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的激烈程度，而整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程從起始升溫、中間恒溫到最后降溫，對(duì)象具有明顯的時(shí)變性。并且，就某一個(gè)具體的階段而言，由于化學(xué)反應(yīng)的速度不穩(wěn)定，導(dǎo)致過(guò)程的增益、慣性時(shí)間和純滯后也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。 對(duì)于一個(gè)溫度過(guò)程系統(tǒng)，都并存在傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種形式的傳熱，只是在不同的階段各種傳熱形式所占的比例不同。事實(shí)上，只有一維導(dǎo)熱可以看作是線性的，輻射熱量是絕對(duì)問(wèn)題的四次方函數(shù)，對(duì)流傳熱受多種因素 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 5 的 影響，一般也是非線性的。在整個(gè)溫區(qū)內(nèi)，被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著溫度的變化而變化，在工作點(diǎn)附近的小溫度范圍內(nèi)，其動(dòng)態(tài)特性可以看成近似線性的。 針對(duì)被控對(duì)象的上述特點(diǎn)，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的魯棒性和快速性的要求，提高溫度測(cè)量的精度和測(cè)量穩(wěn)定性。最終設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出可靠性、穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比高的控制器。 反應(yīng)釜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定 根據(jù)要求，本課題設(shè)計(jì)的反應(yīng)釜控制系統(tǒng)要求對(duì)某化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制?？刂葡到y(tǒng)的主要控制功能為自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)釜溫控制，釜溫 — 時(shí)間曲線由標(biāo)準(zhǔn)制式或由操作人員從人機(jī)接口設(shè)置。其中標(biāo)準(zhǔn)制式要求釜溫達(dá) 到如圖 22所示的變化規(guī)律。 圖 22 反應(yīng)釜溫度曲線圖 圖中升溫部分用虛線描繪，表示對(duì)升溫時(shí)間的要求不是很?chē)?yán)格，只要保證超調(diào)量不是太大即可。達(dá)到反應(yīng)溫度后，要保持釜溫在 80℃ 約 90 分鐘。降溫階段有一定時(shí)間要求，在 20 分鐘內(nèi)冷卻到 30℃即可，此后使其自然冷卻。 自動(dòng)工況即對(duì)應(yīng)于反應(yīng)釜過(guò)程溫度 — 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)制式。在加熱和冷卻工況下，要求釜溫從實(shí)際溫度變化到設(shè)定溫度，然后使反應(yīng)釜在設(shè)定時(shí)間內(nèi)維持在設(shè)定溫度。同時(shí)，系統(tǒng)具有定時(shí)功能。除自動(dòng)工況外，其他工況均可進(jìn)行時(shí)間設(shè)定，即開(kāi)機(jī)狀態(tài)可設(shè)置定時(shí)關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)狀態(tài)可設(shè)置定 時(shí)開(kāi)機(jī)。 本系統(tǒng)的測(cè)溫范圍要求為 0~100℃ 。自動(dòng)工況下，升溫階段的控制精度 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 6 要求不是很高，升溫結(jié)束階段向恒溫階段切換時(shí)的超調(diào)量要求不超過(guò) 5℃ 。恒溫階段的控制精度要 求較高，要求絕對(duì)誤差 不超過(guò)177。 2℃ 。 方案 比較 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如圖 23 所示的間歇式反應(yīng)釜如進(jìn)料管，出料管，攪拌器，冷熱劑出口，反應(yīng)室，夾套等設(shè)備應(yīng)用十分普遍，為了保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，冷熱劑進(jìn)出需均衡 ，以保證過(guò)程的溫度平衡。因此，工藝要求釜底溫度維持在給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化。 ： 根 據(jù)工藝所知，釜底溫度要求維持在給定值上下，所以直接選取釜底溫度為被控參數(shù)。 ：從間歇式反應(yīng)釜的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，影響釜底溫度有兩個(gè)量，一是通入夾套內(nèi)冷劑的流量，二是通入夾套內(nèi)熱劑的流量。調(diào)節(jié)這兩個(gè)流 量的大小都可以改變釜底溫度，這樣構(gòu)成釜底溫度控制系統(tǒng)就有兩種，系統(tǒng)框圖 如圖 24 所示。這兩種方案具有相同的框圖結(jié)構(gòu)以及相同的系統(tǒng)特性。因而控制參數(shù)選擇冷劑或熱劑。 圖 23 單回路控制系統(tǒng)方案示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 7 圖 24 單回路控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 間歇式反應(yīng)釜是工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一，工藝要求 反應(yīng)物反應(yīng)所需要的溫度 為給定值 。因此常取釜底溫度為被控參數(shù)，選取冷劑流量或熱劑流量為控制參數(shù)。 影響釜底溫度的因素有很多，主要有反應(yīng)物的溫度、攪拌器的攪拌速度、反應(yīng)物的濃度 等。 串級(jí)控制系統(tǒng)控制方案示意圖，如圖 24 所示。 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖 25 所示。 中間被控變量： 冷劑或熱劑管道 ； 操縱變量：冷劑流量或熱劑流量。 圖 24 串級(jí)控制系統(tǒng)方案示意圖 溫度 給定值 副對(duì)象 主調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器 主對(duì)象 溫度 變送器 + — 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 8 圖 25 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 方案確定 在間歇式生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)物投入反應(yīng)釜后，為了使其達(dá)到反應(yīng)溫度，往往在反應(yīng)開(kāi)始前需要給它提供一定的熱量。一旦達(dá)到反應(yīng)溫度后，就會(huì)隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不斷釋放出熱量，這些熱量如不及時(shí)移走，反應(yīng)就會(huì)越來(lái)越激烈，以致會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。因此，這種間歇式化學(xué)反應(yīng)器既要考慮反應(yīng)前的預(yù)熱問(wèn)題，又要考慮反應(yīng)過(guò)程中及時(shí)移走反應(yīng)熱的問(wèn)題。 化學(xué)反應(yīng)釜作為被控對(duì)象有其特殊性。本論文通過(guò)研究反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和工作原理，選用溫度作為控制參量。針對(duì)本課題提出的要求，以研究實(shí)現(xiàn)小型實(shí)用反應(yīng)釜的控制系統(tǒng)為目標(biāo)，主要將開(kāi)展了 以下幾個(gè)方面的研究工作： ；根據(jù)反應(yīng)釜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性做出合理的定量分析。 ；根據(jù)對(duì)反應(yīng)釜?jiǎng)討B(tài)特性的分析，確定以反應(yīng)釜的溫度為被控對(duì)象。 PID 控制具有穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，使被控變量具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。 ，串級(jí)控制系統(tǒng)多用了一個(gè)測(cè)量變送器與一個(gè)控制器，增加的投資并不多，但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率 ；對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。 綜合以上因素， 選擇串級(jí)控制方案。 本章小結(jié) 本章主要分析了反應(yīng)釜的工作原理，反應(yīng)釜釜底溫度的特性，確定了課給定值 溫度 流量 副對(duì)象 主調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器 主對(duì)象 溫度 變送器 + + — 流量 變送器 副調(diào)節(jié)器 — 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 9 題任務(wù)的功能指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)，比較單回路控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于課題完成的優(yōu)劣，并確定了以串級(jí)控制系統(tǒng)為 最終設(shè)計(jì)方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 10 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主、副調(diào)節(jié)器的選擇 控 制器的選型主要根據(jù)被控過(guò)程的特性、工藝對(duì)控制品質(zhì)的要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)來(lái)綜合考慮，根據(jù)課題的要求，本次設(shè)計(jì)選擇 DDZⅢ 型調(diào)節(jié)器。 DDZⅢ 型調(diào)節(jié)器是 Ⅲ 型電動(dòng)單元組合儀表中的一個(gè)重要單元。它接受變送器或轉(zhuǎn)換器的 DC1~5V 或 DC4~mA 測(cè)量信號(hào)為輸入信號(hào)，與 DC1~5V 或DC4~20mA 給定信號(hào)進(jìn)行比較，并對(duì)其偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出 DC4~20mA標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。 DDZⅢ 型儀表由于采用了線性集成電路，所以進(jìn)一步提高了儀表在長(zhǎng)期運(yùn)行中的可靠性和穩(wěn)定性。從而擴(kuò)大了調(diào)節(jié)器的功能，可組成各種變型調(diào)節(jié)器，滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的需要。 DDZⅢ 型 PID 調(diào)節(jié)器主要由輸入電路、給定電路、 PID 運(yùn)算電路、手 動(dòng)與自動(dòng)切換電路、輸出 電路和指示電路組成，如圖 31 所示： 圖 31 DDZⅢ型調(diào)節(jié)器框圖 調(diào)節(jié)器接收變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào) （ DC4～ 20mA 或 DC1～ 5V） ，在輸入電路中與給定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)，然后在 PD 與 PI 電路中進(jìn)行 PID運(yùn)算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 直流電流輸出。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 11 主、副調(diào)節(jié)器的作用方式 控制器有正作用和反作用兩種方式，其確定原則是使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。因而，調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇同被控過(guò)程的特性即調(diào)節(jié)閥的開(kāi)、關(guān)形式有關(guān)。被控過(guò)程的特性也分為正、反兩種，即當(dāng)被控過(guò)程的輸入 （ 通過(guò)調(diào)節(jié)閥的物 料或能量 ） 增加 （ 或減少 ） 時(shí)，其輸出 （ 被控參數(shù) ） 亦增加 （ 或減少 ） ，此時(shí)稱(chēng)此被控過(guò)程為正作用；反之為反作用。組成過(guò)程控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性是這樣規(guī)定的：正作用調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù) 取負(fù)；反作用調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù) 取正。氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥，其靜態(tài)放大系數(shù) 取正，氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，其靜態(tài)放大系數(shù) 取負(fù)。正作用被控過(guò)程，其靜態(tài)放大系數(shù) 取正，反作用被控過(guò)程，其靜態(tài)放大系數(shù) 取負(fù)。 確定調(diào)節(jié)器正、反作用次序一般為：首先根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定確定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)、關(guān)形式、然后按被控過(guò)程的特性，確定其正、反作用，最后根據(jù)上述組成該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則來(lái)確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。 串級(jí)控制系統(tǒng)中，必須分別根據(jù)各種不同情況，選擇主、副控制器的作用方向，選擇方法如下： ，選定執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)形式后，按照使副控 制回路成為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來(lái)確定的因此，副控制器的作用方向與副對(duì)象特性、執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)形式有關(guān)其選擇方法與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用的選擇串級(jí)調(diào)節(jié)方法相同，這時(shí)，只是將主控制器的輸出作為副控制器的給定就行了 ：當(dāng)主、副變量在增加 （ 或減小 ） 時(shí)，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減小 （ 或增加 ） ，要求控制閥的動(dòng)作方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選 “ 反 ” 作用；反之，則應(yīng)取 “ 正 ” 方向 。 從上述方法可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇完全由工 藝情況確定，與執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)型式及副控制器的作用方向完全無(wú)關(guān)，因此，串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器的選擇可以按先副后主的順序、即先確定執(zhí)行器的開(kāi)、關(guān)型式及副控制器的正、反作用，然后確定主控制器的作用方向。 在單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要使一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 12 須為負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器中正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。即使主通道各個(gè)環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的規(guī)定與單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)相同。 反應(yīng)釜串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器中正、反作用方式 的確定如下：故調(diào)節(jié)閥的 為正。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，冷（熱）