【正文】 有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果 [8]。 (2)手動／自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，可通過式 （ 215） 計算出來 [7]。 可以看出，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T ，一旦確定了 pK ， iT 和 dT ，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由 上式 求出控制增量。 )]}2()1([)()1({)1( 10 ???????? ??? kekeTTjeTTkeKku kj dip (213) 用式 (212)減去 (213)得 式（ 214）。而且，因為計算機的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， )(ku 的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的位置的大幅 度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式 PID算法。 由于控制器的輸出 )(ku 直接去控制執(zhí)行機構(gòu) (如閥門 )， )(ku 的值和執(zhí)行機構(gòu) 的位置 (如閥門開度 )是一一對應(yīng)的，所以通常 式 (211)或 (212)稱為位置式PID控制 算法。 )]}()([)()({)( 0 TkTekTeTTdiTeTiTKTeKpKTu ki ????? ?? (211) 為了書寫方便，將 )(kTe 簡化表示為 )(ke ，即省去采樣周期 T ，如式（ 212）所示。設(shè)采樣周期為 T，按模擬 PID控制算法的算式，以一系列的采樣時刻點 kT代替連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，采樣周期 T必須足夠短，上述離散過程才能保 證有足夠的精度。數(shù)字 PID控制算法通常分為位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 ])()()([)(0 dttdeKteKteKtu DIIp ??? ? （ 210） 式中 ： pK 為比例增益 ， IK 為積分增益 ， DK 為微分增益 。 ])()(1)([)(0???? I DIp dttdeTteTteKtu （ 29） 其中： )(tu —— PID調(diào)節(jié)器的輸出信號 pK —— 放大倍數(shù) IT —— 積分時間常數(shù) DT —— 微分時間常數(shù) )(te —— 設(shè)定值與測量值的偏差信號 式中： )()()( tctrte ?? ,其中 )(tr 是系統(tǒng)的設(shè)定信號， )(tc 是被控量的測量 值。 在 PID調(diào)節(jié)作用下，對誤差信號 )(te 分別進行了比例、積分、微分運算，三個作用分量之和作為控制信號輸出給被控對象。 PID調(diào)節(jié)原理簡單、易于整定、使用方便； PID調(diào)節(jié)可用于補償系統(tǒng)使之達到大多數(shù)品質(zhì)指標的要求。另外對于純滯后過程，由于在純滯后階段 0)( ?dttde，微分作用為零，所 以附加微分作用對純滯后是不起作用的。如果測量值含有很大的噪聲，即含有高頻或隨機的變化，由于微分作用會對高頻噪聲起到了放大作用，小的噪 聲也會使控制閥產(chǎn)生很大的動作。 微分作用通過提供 超前作用使得被控過程趨于穩(wěn)定，因此它常用來抵消積分作用帶來的不穩(wěn)定趨勢，同時微分作用也能減小過渡過程時間，從而改善被控變量的動態(tài)響應(yīng)。它的傳遞函數(shù) 如式（ 28）所示。 一個理想的 PID控制器 可用式 (27)所示。當(dāng)誤差是常數(shù)時， 即 0)( ?dttde ， 微分控制器的輸出就等于 初始值 0u 。理想的微分控制作用如式（ 26）所示。 由于積分作用而使信號超越“信號有效范圍”的情況叫積分飽和，目前，常用的一種 防積分飽和的方法是當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制器輸出飽和時，就停止控制器的積分作用；當(dāng)控制器輸出不再飽和時再恢復(fù)積分作用。同時積分作用會引起的相角滯后，從而使系統(tǒng)的動態(tài)性能惡化。 otic uedtTeKu ??? ? )1( 0 （ 24） 傳遞函數(shù) 如（ 25）所示。增加了比例作用后，控制器對偏差變化的響應(yīng)迅速很多。因為積分作用比較慢，需要誤差的積累達到一定程度才能產(chǎn)生較為明顯的控制作用。偏差 不為零時，偏差積分后使控制器的輸出 )(tu 向上或 向 下變化。積分作用的一個優(yōu)點就是能消除余差。 2. 比例積分控制作用 積分作用的輸出是誤差相當(dāng)于時間的積分 ，如式（ 23）所示。不過對于那些允許余差存在的應(yīng)用，純比例控制器往往由于它的簡單而得到青睞。 純比例控制器有一個缺點就是當(dāng)設(shè)定值改變后總是存在一 定的余差。 cK 增加能使控制精度提高，但穩(wěn)定程度變差。 )()( sKsG cc ? （ 22） 理想比例控制器的輸出特性對于控制器的輸出沒有物理限制，而實際的控制器是具有物理限制的，當(dāng)輸出達到上限 或者下限，控制器就飽和了。 omspcoc utytyKuteKtu ????? )]()([)()( （ 21） 式中， )(tu 為控制器的輸入信號； )(te 為設(shè)定值 )(tysp 和測量值 )(tym 之差； cK 為控制器的增益，通常無量綱；偏置 ou 是控制器的穩(wěn)態(tài)輸出，反應(yīng)了比例控制的工作點。 下面介紹三種基本的反饋控制模式 ：比例控制（ P） 、 比例積分控制 (PI) 、 比例積分微分控制（ PID） 。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 2 章 各種控制策略的介紹 反饋控制 目前 ，最基本也 是應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)，它由被控對象 、測量變送環(huán)節(jié) 、 反饋控制器以及末端執(zhí)行機構(gòu)組成 （ 見圖 21） ， 實現(xiàn)對被控變量的定值或跟蹤控制。生產(chǎn)過程要求 合成效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定，能源和原料利用率高，觸媒壽命要長 。根據(jù)本人實際情況提出了本課題。對我國合成氨現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)有了大概了解。 控制合成塔觸媒熱點溫度是確太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 保氨合成反應(yīng)高產(chǎn)低耗、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。由于受反應(yīng)平衡的影響 ,混合氣不可能全部轉(zhuǎn)化為氨。 控制合成塔觸媒熱點溫度是確保氨合成反應(yīng)高產(chǎn)低耗、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。由于受反應(yīng)平衡的影響 ,混合氣不可能全部轉(zhuǎn)化為氨。 我國合成氨裝置以中小規(guī)模居多 ,年產(chǎn) 30萬噸以上的大型合成氨裝置很少 ； 合成氨系統(tǒng)自動化程度低 ,尤其是關(guān)鍵的氨合成塔溫度控制絕大多數(shù)是人工操作 ,工人勞動強度 大且溫度控制效果不好 .因此氨合成系統(tǒng)先進控制技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為合成氨工業(yè)的迫切要求 ,對我國合成氨生產(chǎn)企業(yè)在現(xiàn)有條件下挖潛增效 ,提高經(jīng)濟效益和競爭力具有重要意義 。原料以煤、焦為主，其中以煤、焦為原料的占 96%，以氣為原料的僅占 4%，我國引進大型合成氨裝置的總生產(chǎn)能力為 1000萬 t/a，只占我國合成氨 總能力的 1/4左右，因此可以說我國氮肥工業(yè)主要是依靠自力更生建設(shè)起來的。 我國目前有中型合成氨裝置 55套，生產(chǎn)能力約為 500萬 t/a；其下游產(chǎn)品主要是尿素和硝酸銨；其中以煤、焦油原料的裝置有 34套，以渣油為原料的裝置有 9套，以氣為原料的裝置有 12套。 我國的氮肥工業(yè)自 20世紀 50年代以來，不斷發(fā)展壯大，目前合成氨產(chǎn)量 已躍居世界第一位，現(xiàn)已掌握了以焦炭、無煙煤、焦爐氣、天然氣及油田伴 生氣和液態(tài)烴多種生產(chǎn)合成氨、尿素的技術(shù)，形成了特有的煤、石油，天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。我國的能源利用率很低，只有 28％左右，還不到日本的一半 (日 本達到 57％ )比西歐的 40％也低的多。 氨合成塔溫度控制概述 隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能量消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性 的問題。 大部分工業(yè)過程還具有一些其他的特性，如時變性、緩慢性、間歇性、過程約束的多樣性以及狀態(tài)的不完全性等。目前，許多單變量控制系統(tǒng)所以能正常工作，是因為在某些情況下變量之間的耦合程度不高。 (4)過程的多變量及強耦合特性。因而時滯對象被認為是最難控制的對象之一。在大多數(shù)過程控制系統(tǒng)中，不同程度地存在著時間滯后的工藝過程 [3]，包括純滯后與容量 滯后。線性系統(tǒng)的分析設(shè)計有著比較完善和系統(tǒng)的理論方法，而非線性系統(tǒng)的研究雖然取得了一些新成果，但非線性理論遠非完善，有很多問題尚待研究 [2] 。當(dāng)系統(tǒng)的非線性不是很嚴重時，可用線性系統(tǒng)來近似，這在工程上是可以接受的。 (2)過程的非線性。由于人類的認識能力有限，且工業(yè)現(xiàn)場普遍存在著各種各樣的干擾，許多過程復(fù)雜的物理和化學(xué)變化使得人們難以完全從機理上揭示其內(nèi)在規(guī)律；另一方面，過程中還存在著不可預(yù)知輸入，即對輸出產(chǎn)生影響的，在重復(fù)試驗中無法重復(fù)的干擾。 通常來說，工業(yè)過程的復(fù)雜性及控制的困難性表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)過程的不確定性。在這種情況下，要想精確地描述復(fù)雜對象與系統(tǒng)的物理現(xiàn)象和運動狀態(tài)是十分困難的，因而傳統(tǒng)的建立在對象精確模型上的控制方法往往難以滿足閉環(huán)優(yōu)化控制的要求。這表明，人們從系統(tǒng)對象所能獲得的知識信息量正相對減少，而對控制性能的要求卻日益高度化 [1]。常規(guī)的過程控制系統(tǒng)是在了解掌握生產(chǎn)工藝流程及過程動態(tài)、靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)對控制提出的要求，應(yīng)用控制理論，針對不同的生產(chǎn)過程進行檢測、變換、顯示等，配合執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。 ammonia。 關(guān)鍵詞： 氨， 氨合成系統(tǒng) ， 氨合成塔， PLC 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 ABSTRACT Ammonia is the most important one of basic chemical products and the production of chemical products is in the first place。 PLC 具有結(jié)構(gòu)簡單、編程 方便、性能優(yōu)越、靈活通用、使用方便、可靠性高、搞干擾能力強等到一系列優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了滿足在線控制的需要提出簡化控制模型結(jié)構(gòu)，本文采用一階加純滯后模型結(jié)構(gòu)。 我國合成氨裝置以中小規(guī)模居多 ,年產(chǎn) 30 萬噸以上的大型合成氨裝置很少 ； 合成氨系統(tǒng)自動化程度低 ,尤其是關(guān)鍵的氨合成塔溫度控制絕大多數(shù)是人工操作 ,工人勞動強度大且溫度控制效果不好 .因此氨合成系統(tǒng)先進控制技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為合成氨工業(yè)的迫切要求 ,對我國合成氨生產(chǎn)企業(yè)在現(xiàn)有條件下挖潛增效 ,提高經(jīng)濟效益和競爭力具有重要意義。 同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。 主要技術(shù)指標(或研究目標 ) 通過這次畢業(yè)論文的設(shè)計，進一步加深對所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握；培養(yǎng)設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文字表達、文獻查閱、計算機應(yīng)用、外文應(yīng)用等基本工作實踐能力。 太原科技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計 (論文 )題目： 基于 PLC 和 OPC 在氨合成塔溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 姓 名： 張磊 學(xué)院（系）：機電工程系 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 年 級： 2020 級 指導(dǎo)教師： 衛(wèi)明社 副教授 2020 年 6 月 1 日太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)院（直屬系）：化學(xué)與生物工程學(xué)院 時間： 2020 年 3 月 1 日 學(xué) 生 姓 名 張磊 指 導(dǎo) 教 師 衛(wèi)明社 設(shè)計（論文）題目 基于 PLC 和 OPC 在氨 合成 塔溫度控制 系統(tǒng)設(shè)計 主要研 究內(nèi)容 ； ； ； Step7 和 WinCC 仿真。 研究 方法 調(diào)查法、觀察法、文獻研究法、用 Step7 和 WinCC 軟件等。 主要參考文獻 [1] 合成氨工學(xué) . [2] 孫洪程，李大字 .過程控制工 程設(shè)計（第二版） [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 . [3] 李國勇，謝克明，楊麗娟 .計算機仿真技術(shù)與 CAD：基于 MATLAB的控制系統(tǒng)（第 2版） [M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2020. [4] 孫洪程，李大字 .過程控制工程設(shè)計（第二版） [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 . 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 目錄 摘要 ................................................................................................................................. 3 第 1章 引言 ................................................................................................................... 5 工業(yè)過程控制概述 .............................................................................................. 5 氨合成塔溫度控制概述 .....................