【正文】 中許多復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象和不確定因素、對方程進行了近似的處理等等。在反應(yīng)過程中伴有很強的熱效應(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。 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，而整個生產(chǎn)過程從起始升溫、中間恒溫到最后降溫，對象具有明顯的時變性。 對于一個溫度過程系統(tǒng)，都并存在傳導(dǎo)、對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。在整個溫區(qū)內(nèi)，被控對象的動態(tài)參數(shù)隨著溫度的變化而變化，在工作點附近的小溫度范圍內(nèi)，其動態(tài)特性可以看成近似線性的。最終設(shè)計和開發(fā)出可靠性、穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的性價比高的控制器?？刂葡到y(tǒng)的主要控制功能為自動地實現(xiàn)釜溫控制，釜溫 — 時間曲線由標準制式或由操作人員從人機接口設(shè)置。 圖 22 反應(yīng)釜溫度曲線圖 圖中升溫部分用虛線描繪，表示對升溫時間的要求不是很嚴格，只要保證超調(diào)量不是太大即可。降溫階段有一定時間要求，在 20 分鐘內(nèi)冷卻到 30℃即可，此后使其自然冷卻。在加熱和冷卻工況下，要求釜溫從實際溫度變化到設(shè)定溫度，然后使反應(yīng)釜在設(shè)定時間內(nèi)維持在設(shè)定溫度。除自動工況外，其他工況均可進行時間設(shè)定，即開機狀態(tài)可設(shè)置定時關(guān)機，關(guān)機狀態(tài)可設(shè)置定 時開機。自動工況下，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（ 論文） 6 要求不是很高，升溫結(jié)束階段向恒溫階段切換時的超調(diào)量要求不超過 5℃ 。 2℃ 。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。 ：從間歇式反應(yīng)釜的生產(chǎn)過程來看，影響釜底溫度有兩個量，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。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。 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（ 論文） 7 圖 24 單回路控制系統(tǒng)框圖 串級控制系統(tǒng)設(shè)計 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 。 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。 串級控制系統(tǒng)框圖如圖 25 所示。 圖 24 串級控制系統(tǒng)方案示意圖 溫度 給定值 副對象 主調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器 主對象 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（ 論文） 8 圖 25 串級控制系統(tǒng)框圖 方案確定 在間歇式生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)過程中，當反應(yīng)物投入反應(yīng)釜后，為了使其達到反應(yīng)溫度，往往在反應(yīng)開始前需要給它提供一定的熱量。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)熱問題，又要考慮反應(yīng)過程中及時移走反應(yīng)熱的問題。本論文通過研究反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和工作原理，選用溫度作為控制參量。 ；根據(jù)對反應(yīng)釜動態(tài)特性的分析，確定以反應(yīng)釜的溫度為被控對象。 ，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器，增加的投資并不多，但控制效果卻有顯著的提高。 綜合以上因素， 選擇串級控制方案。 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（ 論文） 10 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 主、副調(diào)節(jié)器的選擇 控 制器的選型主要根據(jù)被控過程的特性、工藝對控制品質(zhì)的要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計來綜合考慮，根據(jù)課題的要求，本次設(shè)計選擇 DDZⅢ 型調(diào)節(jié)器。它接受變送器或轉(zhuǎn)換器的 DC1~5V 或 DC4~mA 測量信號為輸入信號，與 DC1~5V 或DC4~20mA 給定信號進行比較，并對其偏差進行 PID 運算，輸出 DC4~20mA標準統(tǒng)一信號。從而擴大了調(diào)節(jié)器的功能，可組成各種變型調(diào)節(jié)器，滿足生產(chǎn)過程自動化的需要。 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） 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單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。被控過程的特性也分為正、反兩種，即當被控過程的輸入 （ 通過調(diào)節(jié)閥的物 料或能量 ） 增加 （ 或減少 ） 時，其輸出 （ 被控參數(shù) ） 亦增加 （ 或減少 ） ，此時稱此被控過程為正作用；反之為反作用。氣開式調(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。 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、關(guān)形式、然后按被控過程的特性，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確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。 從上述方法可以看出，串級控制系統(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、氣關(guān)型式及副控制器的作用方向完全無關(guān)，因此，串級控制系統(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、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。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器中正、反作用方式的選擇原則是使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。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)計相同。當調(diào)節(jié)閥開度增大，冷（熱）劑流量增加，反應(yīng)釜釜底溫度溫度升高，故副過程的 為正。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。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。變送器的任務(wù)就是將檢測信號轉(zhuǎn)換成標準信號輸出。 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。在選用時，應(yīng)考慮以下情況。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。 ，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 。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。 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。 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。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成。 PID 控制 具有如下特點： ，易被人們熟悉和掌握。 ，適應(yīng)性強。 ，魯棒性強。 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。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。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 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。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。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。 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。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。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)。 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。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。 但積分作用使最大動偏差增大 ， 延長了調(diào)節(jié)時間 。 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 ）。 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。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。 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。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。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=， T2s=，其中 T2s 為衰減振蕩周期。 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。1s=35， T1s =。2s、 T2s 和 amp。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。 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。化工過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。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。 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。 MATLAB 仿真對控制系統(tǒng)設(shè)計完成實現(xiàn)。 串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡單控制系統(tǒng)多了一個控制回路，但對系統(tǒng)的影響特別大。其次，采用串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。所以在工業(yè)應(yīng)用中只要將變化劇烈、而且幅度大的擾動包括在串級系統(tǒng)副回路中，就可以大大減少其對主回路的影響。 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） 25 致 謝 在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機會向在這四年中給予了我?guī)椭椭?導(dǎo)的所有老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。 同時，在畢業(yè)過程中，我還參考了有關(guān)的書籍和論文，在這里一并向有關(guān)的作者表示謝意。 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） 26 參考文獻 1 邵裕森，戴先中編．過程控制．機械工業(yè)出版社， 2021． 2 薛定宇編．控制系統(tǒng)輔助設(shè)計．清華大學(xué)出版社， 2021． 3 梅曉榕編．自動控制原理．科學(xué)出版社， 2021． 4 張毅，張寶芬編．自動檢測技術(shù)及儀表控制技術(shù)．化學(xué)工業(yè)出版社， 2021. 5 周澤魁編．控制儀表與計算機控制裝置．化學(xué)工業(yè)出版社， 2021． 6 王兆安，黃俊編 . 電力電子技術(shù) . 機械工業(yè)出版社， 2021. 7 劉迎春 . 傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用 . 國防科技大學(xué)出版社， 1997. 8 周慶海，翁維勤編 . 過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計 . 化學(xué)工業(yè)出版社， 1992. 9 朱瑞、張鵬等 . 自動溫度控 制系統(tǒng) . 濟南山東大學(xué)， 2021. 10 鞠麗葉 .自適應(yīng)預(yù)測