【正文】 。2s，直到得到副回路過(guò)渡過(guò)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(shí) amp。 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(jì)（ 論文） 19 串級(jí)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(jí)仿真圖，如圖 47 所示： 圖 47 串級(jí)控制系統(tǒng)仿真圖 利用 MATLAB 進(jìn)行初步仿真即在主副 PID 作用在比例為 1 的情況下即沒(méi)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(guò)觀察響應(yīng)曲線 看出系統(tǒng)的特征然后進(jìn)行系統(tǒng)分析。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(yàn)公式，計(jì)算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。s=320， Ts=，其中 Ts 為衰減振蕩周期。經(jīng)過(guò) 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(jì)（ 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。 它用微分時(shí)間 TdL 來(lái)表示其作用的強(qiáng)弱 ， Td 大 ， 作用強(qiáng) ， 但 Td 太大 ,也會(huì)引起振蕩。 它用積分時(shí)間 T 來(lái)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(jì)（ 論文） 16 的強(qiáng)弱 ， T 越小 ， 積分作用越強(qiáng) ， 但積分作用太強(qiáng)時(shí) ， 也會(huì)引起震蕩。 積分調(diào)節(jié)依據(jù) “ 偏差是否存在 ” 來(lái)動(dòng)作 ， 它的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例 ， 只有當(dāng)余差消失時(shí) ， 積分作用才會(huì)停止 ， 其作用是消除余差 。比例調(diào)節(jié)及時(shí) ， 有力 ， 但有余差。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 （ PD） 控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此，比例 +積分 （ PI） 控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤 差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng) （ System with Steadystate Error） 。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 （ Steadystate error） 。 比例 （ P） 控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。當(dāng)被控對(duì)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(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。恰當(dāng)整定 PID 控制器參數(shù)，可使控制系統(tǒng)達(dá)到較好的控制效果，且 PID 控制對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太靈敏。 PID 控制廣泛適用于化工、冶金、石油、熱工等工業(yè)生產(chǎn)中。 PID 控制由比例、微分、積分三個(gè)典型環(huán)節(jié)組合而成，原理簡(jiǎn)單，易于理解和掌握，其參數(shù)的物理含義也比較明確。 圖 41 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 在 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jiǎn)稱(chēng) PID 控制，又稱(chēng) PID 調(diào)節(jié) PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的控制算法，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中， PID 控制占85%～ 95%，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的發(fā)展，許多先進(jìn)的 PID控制涌現(xiàn)出來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 41 所示。為文成課題打下硬件基礎(chǔ)。 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。對(duì)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。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(cè)信號(hào) 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） 13 的重要設(shè)備之一，其進(jìn)料調(diào)節(jié)閥一般選用氣開(kāi)式，這樣，在事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，停止進(jìn)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(kāi)，保證回流量，以防止不合格產(chǎn)品的蒸出。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(kāi)位置，使鍋爐不致因進(jìn)水中斷而燒干，甚至引起爆炸危險(xiǎn)。 時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全。 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(kāi)、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。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號(hào)必須經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，才能進(jìn)入控制系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)器等其他儀表配合工作。 溫度 變送器 檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 。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(guò)程的 為正。為了保證副回路為負(fù)反饋。 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。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。 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。 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 。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)。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。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)。 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。 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。 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。 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。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。 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。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。 化學(xué)反應(yīng)釜作為被控對(duì)象有其特殊性。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)。 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。 串級(jí)控制系統(tǒng)控制方案示意圖，如圖 24 所示。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)。因而控制參數(shù)選擇冷劑或熱劑。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。 ： 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)。 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。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。 本系統(tǒng)的測(cè)溫范圍要求為 0~100℃ 。同時(shí)，系統(tǒng)具有定時(shí)功能。 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。達(dá)到反應(yīng)溫度后，要保持釜溫在 80℃ 約 90 分鐘。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。 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。 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。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。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。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)。 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。 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℃。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。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。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。有時(shí)在恒溫后還要進(jìn)行二次升溫和恒溫。 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。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)。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。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。 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。 近年來(lái)，以微控制器或工業(yè)微機(jī)為核心的 各種 反應(yīng)釜內(nèi)化學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究 控制系統(tǒng)成為反應(yīng)釜過(guò)程控制的主流。早期的反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，大多 是使用一些單元組合儀表組成位式控制裝置，由于化學(xué)過(guò)程中存在較嚴(yán)重的非線性和時(shí)滯性，這種簡(jiǎn)單的控制方式難以達(dá)到預(yù)期的控制精度，且往往因出現(xiàn)超調(diào)而導(dǎo)致失誤。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，人們開(kāi)始研究各種反應(yīng)釜自動(dòng)控制裝置。在十幾年前，反應(yīng)釜的控制幾乎完全是靠手工操作。因此，通過(guò)測(cè)量并校正這些參數(shù)，以確?；どa(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和安全性是十分重要的。 在反應(yīng)釜、培養(yǎng)皿等化工容器內(nèi)完成的化學(xué)工業(yè)過(guò)程的特征參量一般為溫度、壓力、濃度等，這些參量是化工過(guò)程本身的屬性的表現(xiàn)。由于許多化學(xué)工業(yè)、生物制藥工業(yè)具有規(guī)模小、產(chǎn)品更新快的特點(diǎn)，使得多數(shù)的、小規(guī)模的反應(yīng)釜、培養(yǎng)皿 生產(chǎn)方式將長(zhǎng)期存在下去。在我國(guó)由于大中城市科學(xué)技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展步伐較快，近年來(lái)一些生產(chǎn)規(guī)模不大，而具有一定危險(xiǎn)性的化工生產(chǎn)項(xiàng)目轉(zhuǎn)移到農(nóng)村和小城市，并常有爆炸、起火等安全事故發(fā)生?；どa(chǎn)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運(yùn)行，生產(chǎn)的安全性至關(guān)重要。其生產(chǎn)過(guò)程往