【文章內(nèi)容簡介】 劑流量增加，反應(yīng)釜釜底溫度溫度升高，故副過程的 為正。為了保證副回路為負反饋。則副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) 應(yīng)取正，即為反作用調(diào)節(jié)器。由于反應(yīng)室溫度升高，則反應(yīng)釜釜底溫度也升高，故主過程的 為正。為了保證整個回路為負反饋，則主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) 應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。 溫度 變送器 檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號標準 。變送器的任務(wù)就是將檢測信號轉(zhuǎn)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(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成標準信號后，才能進入控制系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)器等其他儀表配合工作。 圖 32 為溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結(jié)構(gòu)基本相同。 圖 32 溫度變送器的原理框圖 調(diào)節(jié)閥的作用方式 調(diào)節(jié)閥開、關(guān)形式的選擇主要是考慮在不同工藝條件下安全生產(chǎn)的需要。在選用時，應(yīng)考慮以下情況。 時人身、工藝設(shè)備的安全。當過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。例如，鍋爐供水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，可保證事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥處于全開位置，使鍋爐不致因進水中斷而燒干，甚至引起爆炸危險。 ，保證產(chǎn)品質(zhì)量。精餾塔是工業(yè)生產(chǎn)中傳感原件 輸入電路 放大電路 反饋電路 電量 + 輸出電流 檢測信號 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（ 論文） 13 的重要設(shè)備之一，其進料調(diào)節(jié)閥一般選用氣開式，這樣，在事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，停止進料，以減少原料損耗；而回流量調(diào)節(jié)閥一般選用氣關(guān)式，在事故狀態(tài)下使 調(diào)節(jié)閥全開，保證回流量，以防止不合格產(chǎn)品的蒸出。 。對裝 有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置，蒸汽流量調(diào)節(jié)閥選用氣關(guān)式。一旦事故發(fā)生，使其處于全開狀態(tài)，以防止物料結(jié)晶、凝固和堵塞給重新開工帶來麻煩，甚至損壞設(shè)備。 綜合考慮以上因素，間歇式化學(xué)反應(yīng)釜 冷（熱）劑調(diào)節(jié)閥 應(yīng)選擇 氣關(guān)式。 本章小結(jié) 本章主要進行了主、副調(diào)節(jié)器的選擇，分析調(diào)節(jié)器的作用方式，確定溫度變送器選型，根據(jù)反應(yīng)釜工作特點確定了調(diào)節(jié)閥的氣關(guān)工作方式。為文成課題打下硬件基礎(chǔ)。 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（ 論文） 14 第 4 章 MATLAB 仿真設(shè)計及結(jié)果 模擬 PID算法 及規(guī)律 在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常見的 控制規(guī)律是 PID 控制。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 41 所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成。 圖 41 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 在 工業(yè)現(xiàn)場實際應(yīng)用中，最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律是比例積分微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié) PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的控制算法，在工業(yè)生產(chǎn)過程中， PID 控制占85%～ 95%，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機的發(fā)展，許多先進的 PID控制涌現(xiàn)出來得到了廣泛的應(yīng)用。 PID 控制 具有如下特點： ，易被人們熟悉和掌握。 PID 控制由比例、微分、積分三個典型環(huán)節(jié)組合而成，原理簡單，易于理解和掌握，其參數(shù)的物理含義也比較明確。 ，適應(yīng)性強。 PID 控制廣泛適用于化工、冶金、石油、熱工等工業(yè)生產(chǎn)中。 ，魯棒性強。恰當整定 PID 控制器參數(shù)，可使控制系統(tǒng)達到較好的控制效果，且 PID 控制對被控對象特性的變化不太靈敏。 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技 術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型 時，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當比例 積分 微分 被控對象 r（ t） e(t)) u(t) c(t) + + + + 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（ 論文） 15 我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例 （ P） 控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 （ Steadystate error） 。 積分 （ 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。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng) （ System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積 分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 （ PI） 控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤 差。 微分 （ D） 控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 （ 即誤差的變化率 ）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件 （ 環(huán)節(jié) ） 或有滯后 （ delay） 組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項 ” ，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 （ PD） 控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 比例調(diào)節(jié)依據(jù) “ 偏差的大小 ” 來動作 ， 它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)及時 ， 有力 ， 但有余差。它用比例度來表示其作用的強弱 ， 比例度越小 ， 調(diào)節(jié)作用越強 ； 相反 ， 比例度越大 ， 調(diào)節(jié)作用就越弱；比例作用太強時 ， 會引起震蕩。 積分調(diào)節(jié)依據(jù) “ 偏差是否存在 ” 來動作 ， 它的輸出與偏差對時間的積分成比例 ， 只有當余差消失時 ， 積分作用才會停止 ， 其作用是消除余差 。 但積分作用使最大動偏差增大 ， 延長了調(diào)節(jié)時間 。 它用積分時間 T 來表示其作用 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（ 論文） 16 的強弱 ， T 越小 ， 積分作用越強 ， 但積分作用太強時 ， 也會引起震蕩。 微分調(diào)節(jié)依據(jù) “ 偏差變化的速度 ” 來動作它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例 ， 其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化 ， 有超前調(diào)節(jié)的作用 ， 對滯后大的對象 （ 溫度 ） 有很好的效果 .它使調(diào)節(jié)過程偏差減小 ， 時間縮短 ， 余差也減小 （ 但不能消除 ）。 它用微分時間 TdL 來表示其作用的強弱 ， Td 大 ， 作用強 ， 但 Td 太大 ,也會引起振蕩。 單回路控制系統(tǒng)仿真 仿真?zhèn)鬟f函數(shù)為： 5S 1)(1 ??sGp 1)(1 2 ??? SsGp 間歇式反應(yīng)釜的 單回路 仿真圖，如圖 42 所示： 圖 42 單回路系統(tǒng)仿真圖 利用 MATLAB 進行初步仿真即在 PID 作用在比例為 1 的情況下即沒有調(diào) 節(jié)起作用的情況下系統(tǒng)的階躍曲線圖，我們可以通過觀察響應(yīng)曲線 看出系統(tǒng)的特征然后進行系統(tǒng)分析。經(jīng)過 MATLAB 的初步仿真可得單位階躍響應(yīng)原始曲線圖如圖 43 所示： 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（ 論文） 17 圖 43 單回路控制原始曲線圖 采用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器 PID 控制參數(shù)，將主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（ 4:1）曲線法整定，逐步降低副回路的比例度 amp。2s，直到得到副回路過渡過程衰減比為 4:1 的曲線，即得到如圖 44 所示的階躍響應(yīng)曲線，此時 amp。s=320， Ts=，其中 Ts 為衰減振蕩周期。 圖 44 4:1 衰減曲線仿真圖 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（ 論文） 18 按已求得的 amp。s、 Ts 值，結(jié)合選定的衰減曲線法已給定單位調(diào)節(jié)規(guī)律，按衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗公式，計算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。經(jīng)計算以后，調(diào)節(jié)的參數(shù)設(shè)置如圖 45 所示 圖 45 PID 最終調(diào)節(jié)參數(shù) 經(jīng)調(diào)節(jié)后得到單回路 控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖，如圖 46 所示，從圖中可以看出單回路控制系統(tǒng)根本無法滿足間歇式反應(yīng)釜的基本工藝要求。 圖 46 單回路控制系統(tǒng) 仿真圖 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（ 論文） 19 串級控制仿真 仿真?zhèn)鬟f函數(shù)為： 5S 1)(1 ??sGp 1)(1 2 ??? SsGp 間歇式反應(yīng)釜的串級仿真圖，如圖 47 所示： 圖 47 串級控制系統(tǒng)仿真圖 利用 MATLAB 進行初步仿真即在主副 PID 作用在比例為 1 的情況下即沒有調(diào)節(jié)起作用的情 況下系 統(tǒng)的階躍曲線圖，我們可以通過觀察響應(yīng)曲線 看出系統(tǒng)的特征然后進行系統(tǒng)分析。經(jīng)過 MATLAB 的初步仿真可得串級控制原曲線圖如圖 48 所示： 圖 48 串級控制原曲線圖 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（ 論文） 20 采用衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器 PID 控制參數(shù)，將主調(diào)節(jié)器比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（ 4:1）曲線法整定，逐步降低副回路的比例度 amp。2s，直到得到副回路過渡過程衰減比為 4:1 的曲線，即得到如圖 49 所示的階躍響應(yīng)曲線，此時 amp。2s=， T2s=，其中 T2s 為衰減振蕩周期。根據(jù)相關(guān)規(guī)定 ， 副調(diào)節(jié)器一般只采用比例調(diào)節(jié)器，因此副調(diào)節(jié)器 可以只采用 P2=的比例調(diào)節(jié)器。 圖 49 副回路 4:1 反應(yīng)曲線圖 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求的數(shù)值 amp。2s 上，把副回路作為一個環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主回路的參數(shù)，求的 amp。1s=35， T1s =。此時主回路的仿真曲線如圖 410 所示： 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（ 論文） 21 圖 410 主回路 4:1 反應(yīng)曲線圖 按已求得的 amp。2s、 T2s 和 amp。1s、 T1s 值，結(jié)合選定的衰減曲線法已給定單位調(diào)節(jié)規(guī)律，按衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗公式，算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。如圖 41 412 主、副調(diào)節(jié)的參數(shù)設(shè)置所示： 圖 411 副回路 PID 調(diào)節(jié) 結(jié)果 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（ 論文） 22 圖 412 主 PID 調(diào)節(jié)最后結(jié)果 當副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)束之后，視其為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好以后系統(tǒng)輸出圖如圖 413 所示： 圖 413 升溫和恒溫階段 階躍響應(yīng)曲線圖 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（ 論文） 23 結(jié)合以上階躍曲線以及主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，得出反應(yīng)全過程曲線圖，如圖 414 所示 ： 圖 414 反應(yīng)全過程曲線圖 本章小結(jié) 本章介紹了模擬 PID 算法與規(guī)律，進行了基于 MATLAB 的反應(yīng)釜串級溫度控制系統(tǒng)仿真與 PID 調(diào)節(jié)，完成 了課題要求的功能指標與技術(shù)指標。 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（ 論文） 24 結(jié) 論 化工生產(chǎn)在我國的國民經(jīng)濟建設(shè)中占有很重要的地位。其些生產(chǎn)過程往往伴隨物化反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變過程等，過程機理十分復(fù)雜?；み^程的被控對象往往是高維、大時滯、嚴重不確定與非線性等，控制起來非常困難?；どa(chǎn)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運行，生產(chǎn)的安全性至關(guān)重要。研究化工生產(chǎn)過程自動檢測和控制技術(shù)，是適應(yīng)當代信息技術(shù)革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要，也是提高生產(chǎn)效率、改善勞動條件、保證安全生產(chǎn)的必然措施。因此，針對需求利用串級控制系統(tǒng)設(shè)計化學(xué)反 應(yīng)釜很有必要。 本文使用模擬 PID 控制方案對間歇式反應(yīng)釜進行控制，主要成果如下： ，對反應(yīng)釜的反應(yīng)過程進行了分析， 設(shè)計出合理的控制方案。 ，精度指標的課題設(shè)計。 MATLAB 仿真對控制系統(tǒng)設(shè)計完成實現(xiàn)。 在本次設(shè)計中，應(yīng)用的串級控制系統(tǒng)對于擾動的處理非常合理，可以更好的處理系統(tǒng)的擾動因素。 串級控制系統(tǒng)在