【正文】 第2章 控制方案選擇 工藝流程概述本設(shè)計(jì)被控對象為過程工業(yè)常見的帶攪拌釜式反應(yīng)器系統(tǒng)，屬于連續(xù)反映過程。其工藝流程圖如圖21所示：圖21 工藝流程圖反應(yīng)過程主要有三股連續(xù)進(jìn)料：第一股是反應(yīng)物A，F(xiàn)4是進(jìn)料流量，V4為進(jìn)料閥；第二股是反應(yīng)物B，F(xiàn)5是進(jìn)料流量，V5是進(jìn)料閥；第三股是催化劑液，F(xiàn)6為進(jìn)料流量，V6是進(jìn)料閥。這些給精確控制系統(tǒng)提高了難度。升溫階段，溫度要求以某一速度上升，是一個(gè)變量。 控制方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)三種控制方案：PID分程控制方案、串級控制方案和串級PID分程復(fù)合控制方案。復(fù)合控制方案綜合了前兩種控制方案的優(yōu)點(diǎn)，又很好的避免了各自的缺點(diǎn)。在串級控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定副變量并不是目的。如圖22所示：圖22 溫度溫度串級控制原理圖 PID分程控制方案 PID控制原理 PID是一種經(jīng)典的控制算法，實(shí)現(xiàn)起來容易，成熟。 (I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。模擬PID控制器的原理框圖如圖23所示:圖23 模擬PID控制器的原理框圖PID控制解決了自動控制原理索要解決的最基本的問題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。 主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度。采用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的控制器后，使得PID控制實(shí)現(xiàn)起來變得更為簡便。用公式23，將微分項(xiàng)和積分項(xiàng)分別寫成差分方程為： (式23) (式24)式中，T為采樣周期；k為采樣序號，k=0,1,2,…；e(k1)、e(k)為第(k1)和第k次采樣所得的偏差信號。⒉增量型PID算式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算式不夠方便，因?yàn)橐鄯e偏差e(j)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編程序。在控制系統(tǒng)中，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用調(diào)節(jié)閥，則控制量對應(yīng)閥門的開度，表征了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，此時(shí)控制器應(yīng)采用數(shù)字PID位置型控制算法，如圖24(a)所示：如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)采樣周期，控制器輸出的控制量是相對于上次控制量的增加，此時(shí)控制器應(yīng)采用數(shù)字PID增量型控制算法，如圖24(b)所示：(a)位置型(b)增量型圖24 位置型PID控制算法與增量型PID控制算法示意圖 數(shù)字PID控制器參數(shù)整定整定模擬PID調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)根據(jù)生產(chǎn)工藝對控制性能的要求用理論計(jì)算整定法或者工程整定法來整定、。下面介紹其中一種常用整定方法—衰減曲線法，又名阻尼振蕩法。，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)、和的數(shù)值。但在有些過程中，例如熱電廠鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)，希望衰減越快越好，則可采用10：1的衰減過程。在生產(chǎn)過程中為了滿足被控參數(shù)寬范圍的工藝要求，需要改變幾個(gè)控制參數(shù)。分程控制是通過閥門定位器或電氣閥門定位器來實(shí)現(xiàn)的。在分程控制中，要求從一個(gè)閥向另一個(gè)閥過渡時(shí)，其流量變化要平滑。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)的擾動分為兩種：：又稱主回路擾動，作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。如果擾動量不大，經(jīng)過副回路的及時(shí)控制一般不會引起主對象的參數(shù)變化；如果擾動的幅值較大，雖然經(jīng)過副回路的及時(shí)校正，仍影響到主對象，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動，將主對象的被控參數(shù)調(diào)回到設(shè)定值上來。以反應(yīng)釜系統(tǒng)為例，在控制過程中，副回路起著對反應(yīng)腔溫度的“粗調(diào)”作用，而主回路則完成對反應(yīng)腔溫度的“細(xì)調(diào)”的任務(wù)。以上結(jié)論表明增加一個(gè)副回路的串級控制系統(tǒng)其等效被控過程的時(shí)間常數(shù)減小了，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 串級控制方案綜述在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，一些以溫度等作為被控參數(shù)的系統(tǒng)，往往其容量滯后較大，控制要求又較高，為了滿足控制質(zhì)量，通常選擇串級控制系統(tǒng)，以充分利用其改善過程的動態(tài)特性、提高其工作頻率的特點(diǎn)。針對這種情況，選擇反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度為主變量，選擇夾套溫度為副變量，采用“溫度溫度串級控制”。因此冷水閥VV8采用氣關(guān)式，工作范圍選擇412mA。 串級PID分程控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖最終控制方案為串級PID分程控制方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖210所示。置于升溫階段工作時(shí)，微分結(jié)構(gòu)將反應(yīng)溫度取一階微分，得到溫度變化率，再與升溫速率設(shè)定值作比較，將偏差作為控制器的輸入，可實(shí)現(xiàn)升溫速度較穩(wěn)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，釜溫接近給定值120℃時(shí)，將升溫/保溫切換器選擇保溫控制，雙閉環(huán)PID控制器調(diào)節(jié)使其溫度始終保持在120℃左右。PLC的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已廣泛應(yīng)用與各種各樣的自動控制系統(tǒng)中。由于模擬量的輸入是溫度測量變送裝置或壓力測量變送裝置傳遞來的420mA直流電流信號，模擬量的輸出信號控制直流電流輸入的氣動調(diào)節(jié)閥，所以應(yīng)選用直流電流形式的模擬量輸入輸出模塊，其量程均為420mA，考慮到精度要求和成本應(yīng)選擇12位的A/D和D/A模塊。S7200系列可編程控制器(簡稱PLC)是西門子公司1995年底推出的新一代微型PLC，由于其性能價(jià)格比極高，目前已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)肉用。各種機(jī)型配置一覽表見表32?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。I/O端子排可很容易地整體拆卸。模塊插在模塊插座上，模塊插座則焊在機(jī)架中的總線連接板上，有不同槽數(shù)的機(jī)架供用戶選用，如果一個(gè)機(jī)架容納不下選用的模塊，可以增設(shè)一個(gè)或數(shù)個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，各機(jī)架之間用接口模塊和電纜相連。I/O 模擬量擴(kuò)展模塊選擇本文中系統(tǒng)有3個(gè)模擬量輸入，3個(gè)模擬量輸出，而所選S7200 PLC的CPU只能處理數(shù)字量，因此需配合使用模擬量擴(kuò)展模塊。EM231 CN模擬量輸入模塊有5檔量程（ DC 010V、05V、020mA、177。它只能提供2路模擬量輸出點(diǎn)數(shù)，因此選用2個(gè)EM232 CN模擬量輸出模塊。：當(dāng)實(shí)際應(yīng)用變化時(shí)，PLC可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可非常容易的調(diào)整用戶程序。在過程控制中，使用最多的是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器，較少采用液動執(zhí)行器。⒊選擇合適的調(diào)節(jié)閥開、關(guān)形式。 調(diào)節(jié)閥流量特性選擇在過程控制工程中，執(zhí)行器的流量特性將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。理想流量特性，就是在閥前后壓差為一定的情況下（常數(shù)）得到的流量特性。 ：是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位位移變化多引起的流量變化是一個(gè)常數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式32為： (式32)式32中K為常數(shù)，即執(zhí)行器的放大系數(shù)。：是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量的平方根成正比關(guān)系。所以當(dāng)過程特性為非線性時(shí)，應(yīng)選用對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥，否則就使用直線特性的調(diào)節(jié)閥。對通過調(diào)節(jié)閥的流體流量的控制，是通過改變其閥芯與閥座之間的流通及截面積大小，即改變其阻力大小來達(dá)到的。由流通能力的公式35為： （式35）式35中，為流體的體積流量；為流體重度；為調(diào)節(jié)閥前后壓差。所謂氣開式，即當(dāng)氣動執(zhí)行器輸入壓力p，閥開始打開，也就是說有信號壓力時(shí)閥開，無信號壓力時(shí)閥關(guān)。ZMAP氣動薄膜單座調(diào)節(jié)閥由氣動薄膜多彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)和單座閥組成。本文中選用的各調(diào)節(jié)閥的具體特性和選型如表35所示：表35 調(diào)節(jié)閥選型一覽表閥門編號作用方式流量特性公稱通徑（mm）額定流量系數(shù)彈簧壓力范圍（Pa）供氣壓力（M Pa）產(chǎn)品型號S6氣開型對數(shù)型2020100ZMAP標(biāo)準(zhǔn)型V7氣關(guān)型對數(shù)型2020100ZMAP標(biāo)準(zhǔn)型V8氣關(guān)型對數(shù)型2020100ZMAP標(biāo)準(zhǔn)型 閥門定位器選型閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的主要附件，通常與氣動調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受調(diào)節(jié)器的輸出信號，然后以它的輸出信號去控制氣動調(diào)節(jié)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)閥動作后，閥桿的位移又通過機(jī)械裝置反饋到閥門定位器，閥位狀況通過電信號傳給上位系統(tǒng)。氣動閥門定位器的輸入信號是標(biāo)準(zhǔn)氣信號，例如，20100kPa氣信號，其輸出信號也是標(biāo)準(zhǔn)的氣信號。按閥門定位器輸出和輸入信號的增益符號分為正作用閥門定位器和反作用閥門定位器。分程控制是通過閥門定位器或電氣閥門定位器來實(shí)現(xiàn)的。其規(guī)格參數(shù)為：輸入信號4～12mA，12～20mA；輸出信號20～100kPa；氣源壓力140kPa；行程范圍 直行程10～100mm；耗氣量450L/h。被檢測參數(shù)性質(zhì)的不同，準(zhǔn)確度要求、響應(yīng)速度要求的不同以及對控制性能要求的不同都影響檢測、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性加以綜合考慮。測量溫度的方法很多，從測量體與被測介質(zhì)接觸與否來分，有接觸式測溫和非接觸式測溫兩類。當(dāng)測量低于150℃的溫度時(shí)，由于熱電偶輸出的熱電動勢很小，故本系統(tǒng)采用熱電阻溫度傳感器。其中銅電阻由于銅易于加工提純，價(jià)格便宜，而且電阻與溫度幾乎呈線性關(guān)系。1℃知，若所選量程范圍為50～150℃，%。 溫度變送器選型溫度變送器由基準(zhǔn)單元、R/V轉(zhuǎn)換單元、線性電路、反接保護(hù)、限流保護(hù)、V/I轉(zhuǎn)換單元等組成。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：工作環(huán)境溫度寬；高精度冷端補(bǔ)償電路，全溫度范圍絕對誤差177?，F(xiàn)代工業(yè)中壓力檢測儀表由于測量的條件和精度不同分為四類：彈性式壓力表、液柱式壓力表、電氣式壓力表和活塞式壓力表。本系統(tǒng)選擇北京坤銳測控技術(shù)有限公司的SBWR系列熱電偶、熱電阻溫度變送器。本系統(tǒng)選擇杭州潤辰科技有限公司配套壓力傳感器使用的PRC906高溫型壓力變送器。標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，抗干擾能力強(qiáng)，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。反應(yīng)壓力隨反應(yīng)溫度變化，反應(yīng)溫度下降，反應(yīng)壓力也下降；反應(yīng)溫度上升，反應(yīng)壓力也上升，反應(yīng)劇烈進(jìn)行時(shí)溫度繼續(xù)升高，壓力還會急劇升高。壓力報(bào)警原理圖如圖34所示：圖34 壓力報(bào)警原理圖本設(shè)計(jì)采用成都維克安科技有限公司的氣體壓力報(bào)警器（全不銹鋼材質(zhì)120分貝報(bào)警器）。 系統(tǒng)硬件連接 在本設(shè)計(jì)中，S7200 PLC配置有一個(gè)模擬輸入模塊和兩個(gè)模擬輸出模塊，通過這些I/O接口模塊與所控反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的輸入輸出相連，構(gòu)成硬件控制系統(tǒng)。語義和下述5種編程語言：順序功能圖、梯形圖、功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本，如圖41所示： 圖41 PLC編程語言其中，梯形圖是使用得最多的PLC圖形編輯語言，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，人們有時(shí)把梯形圖稱為電路或程序。 主程序流程圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序主要包括三個(gè)子程序：升溫控制子程序、保溫控制子程序和報(bào)警子程序。其中核心部分是微分加PID算法的設(shè)計(jì)。保溫階段的實(shí)現(xiàn)程序中主要采用了特殊指令中的PID指令。保溫子程序流程圖如圖44所示：圖44 保溫子程序流程圖 報(bào)警子程序流程圖設(shè)計(jì)為了保證生產(chǎn)過程安全，需要監(jiān)控必要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如若超過正常指標(biāo)即進(jìn)入報(bào)警，執(zhí)行相應(yīng)的排氣降溫工作。本文的后端控制顯示設(shè)備即PC機(jī)。本文選擇由北京三維力控科技有限公司開發(fā)的三維力控組態(tài)軟件。由于本控制對象為非線性、大滯后的過程，可以用一階系統(tǒng)表示其傳遞函數(shù)式51為： （式51）其中，為被控對象中不含純滯后部分的傳遞函數(shù)，為被控對象中純滯后部分的傳遞函數(shù)，為滯后時(shí)間。為了使升溫控制回路和保溫控制控制回路切換時(shí)更加平滑，達(dá)到較理想的控制效果，需繼續(xù)不斷調(diào)整PID參數(shù)。在對設(shè)計(jì)對象有充分了解之后，對控制方案進(jìn)行了論證選擇。把理論知識應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，深化了對所學(xué)知識的理解。致 謝我的畢業(yè)論文是在呂秀江老師的精心指導(dǎo)和大力支持下完成的，他淵博的知識開闊的視野給了我深深的啟迪，論文凝聚著她的血汗，他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和敬業(yè)精神深深的感染了我，對我的工作學(xué)習(xí)產(chǎn)生了深淵的影響，在此我向他表示衷心的