反应器串级控制系统整定

西华大学课程设计说明书

目录

1 前言 (1)

2 总体方案设计 (2)

2.1 方案比较 (2)

2.2 方案选择 (4)

3 反应器串级控制系统分析 (5)

3.1 被控变量和控制变量的选择 (5)

3.2 主、副回路的设计 (5)

3.3 主、副控制器正、反作用的选择 (7)

3.4 控制系统方框图 (7)

3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择 (8)

4 串级控制系统的参数整定 (9)

4.1 参数整定方法 (9)

4.2 参数整定 (9)

4.3 两步法的整定步骤 (10)

5 MATLAB仿真 (12)

5.1 控制系统的MATLAB仿真 (12)

5.2 串级控制系统PID参数整定： (14)

5 结论 (18)

6 总结与体会 (19)

7 参考文献 (20)

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1 前言

反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。

夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反应器操作一般都比较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。

化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。

设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个方面考虑（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物）。

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2 总体方案设计

2.1 方案比较

（1） 简单控制系统

如图所示，温度调节器TC 是根据反应器内物料的温度T 与设定值的偏差进行控制，当冷却水部分出现干扰后系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数T 的影响控制质量差。但在冷却水扰动可以忽略或很小的情况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简单控制系统还是可以满足要求的，如果冷却水的扰动大，而且对系统产生很大影响，则简单控制系统很难满足工艺要求。简单控制系统框图如图所示。

图2.1 反应器温度简单控制系统

图2.2 反应器物料温度简单控制系统框图

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被控变量：反应器内物料的温度；

操控变量：冷却水流量。

（2）串级控制系统

串级控制系统采用两套检测変送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入，后一个调节器的输出送往调节阀。

中间被控变量：夹套和槽壁温度；

被控变量：反应器内物料的温度；

操纵变量：冷却水流量。

夹套和槽壁温度变化时，TC 可以及时动作，克服扰动。

图2.3和图2.4分别为串级系统工艺流程图和串级系统框图。

图2.3 串级系统工艺流程图

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图2.4 串级系统框图

2.2 方案选择

方案一的简单控制系统有干扰时，TC 输出信号改变阀门开度，进而改变冷却水的流量。在开始时，物料的温度离设定值偏差大，用冷却水降温传温慢，就造成开始是反应时间过长，动作不及时，偏差在短时间内不能消除。

方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。在系统开始时，在副回路的作用下先对槽壁进行冷却，这样就等于较少了一个热容，继而加速了系统的平衡。对于串级系统而言，副回路有先调、初调、快调的特点；主回路有后调、细调、慢调的特点。两者相互配合，使控制质量明显提高，与简单系统相比，对离被控对象较远的扰动（二次扰动）有明显的抑制作用，增加了系统的稳定性，提高了系统的响应速度。

综上所述，根据本设计系统的特点，选择串级控制。

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3 反应器串级控制系统分析

3.1 被控变量和控制变量的选择

（1）被控变量的选择

根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。夹套式反应器的工艺指标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。因此，

若要反映工艺指标，夹套式反应器内反应温度必须是T-T 串级控制系统的主被控变量。 从串级控制的特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克服它，起到超前控制作用，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，并力求把尽量多的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，吧对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。同时冷却水温度变化是主要扰动，包括水温变化、水量变化等许多的扰动。因此采用夹套水温度作为副被控变量。这样完全符合副被控变量包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。

（2）控制变量的选择

控制变量是在系统中加以控制的变量。除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些变量有些必须加以控制。在夹套式反应器中反应温度和夹套水温度构成的T-T 串级控制系统中，冷却水流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取冷却水流量作为系统的控制变量，这样符合系统的整体控制。

3.2 主、副回路的设计

（1）主回路的设计

串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主回路的设计仍可用单回路控制系统的设计原则进行。因此主回路应包括主要的质量指标等标准。因此确定了主被控变量、主控制变量及主要扰动变量就能组成主回路。由上述的主被控变量和控制变量的选择可设计出系统主回路。如图3.1所示；

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图3.1 串级控制系统主回路

（2）副回路的设计

副回路可看作是一种新的动态环节。副回路设计是串级控制系统设计的一个关键问题。从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为父对象，然后组成一个控制回路，即可归纳为如何选择福参数。首先副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。

由此可设计出系统的副回路。如图3.2所示；

图3.2 串级控制系统副回路

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3.3 主、副控制器正、反作用的选择

假设夹套式反应器中反应为放热反应。则选择如下：

（1）控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀0v k <；

（2）副控制对象（2T T ）：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此

20p k <； （3）副控制器（2T C ）：为保证负反馈，应满足

2220c v p m k k k k >，因此20m k >，应选20c k >，即选用反作用控制器；

（4）主被控对象（1TT ）：当夹套温度升高时，反应器温度升高，因此10p k >；

（5）主控制器（1T C ）：为保证负反馈，应满足

1110c p m k k k >，因此10m k >，应选10c k >，

即选用反作用控制器。[3] 3.4 控制系统方框图

图3.3 反应温度与夹套水温度串级控制系统方框图

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如图3.3所示；反应温度与夹套温度构成串级控制系统，反应温度为主被控变量，夹套温度为副被控变量。反应温度控制器的输出作为夹套温度控制的设定值。

此温度串级控制系统的具体工作过程为：当工况稳定时，物料的流量和温度不变，冷却水的压力和温度稳定。反应温度和夹套水温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定开度，1T 也稳定在设定值上。如果工况平衡被破坏，一方面冷却水干扰2F 会影响夹套水的温度，副控制器动作，控制调节阀改变冷却水流量，以克服其对夹套水温度的影响。如果干扰量不大，经过副回路的及时控制一般不会影响反应温度。如果干扰量副职较大，副回路虽能及时矫正，但仍可能影响反应温度，此时再通过主控制器的进一步调节，就可以完全克服上述扰动。若进料干扰1F 使反应温度变化，通过主回路即可抑制其影响。显然由于副回路的存在加快了控制作用，使扰动对反应温度的影响比单回路要小。

3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择

（1）被控对象特性分析

由于被控变量的选择中可知主被控变量为反应器内的反应温度，副被控变量为夹套内冷却水的温度。由设计可知；主扰动为进料口进料流量，副扰动为冷却水流量。

依据文献资料可做以下假设：对于夹套式反应器反应温度对象，控制通道与扰动通道的动态特性可假设为：111()1p

s P P P K e G s T s τ=+， 111()1D s D D D K e G s T s τ=+。对于夹套冷却水温度对象，控制通道与扰动通道动态特性可假设为：

222()1P P P K G s T s =+，222()1D D D K G s T s =+。 （2）控制算法的选择

根据夹套式反应器的工艺指标及工艺要求，该系统设计的控制算法选择PID 算法。

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4 串级控制系统的参数整定

串级控制系统从整体上来看是定制控制系统，要求主参数有较高的控制精度。但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变化。串级控制系统主、副回路的原理不同，对主、副参数的要求也不同。通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。

4.1 参数整定方法

串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。

1. 逐步逼近法

逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。

2.两步整定法

两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主调节器进行一次参数整定。

3.一步整定法

一步整定发就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。

本设计选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。

4.2 参数整定

在串级控制系统中，主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为1o T =（3~10）2o T 。主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态

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关联较小。因此，当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副变量的控制品质差一点也是可以接受的。

4.3 两步法的整定步骤

1） 在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度1P 置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副调节器的比例度2P ，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：1的比例度2s P ，过渡过程的振荡周期为2s T 。

2） 在副调节器的比例度等于2s P 的条件下，逐步降低主调节器的比例度1P ，直到

同样得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度1s P

，过渡过程的振荡周期为1s T 。 3） 按已求得的1s P

、1s T 和2s P 、2s T 值，结合已选定的调节规律，按下表衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数。

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4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到调节器上，做一些扰动试验，在做扰动实验时观察过渡过程曲线，与此同时作适当的参数调整。

5）调整参数后，一直直到控制品质最佳为止，同时记录最佳数据。

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5 MATLAB 仿真

5.1 控制系统的MATLAB 仿真

由主对象传递函数: 011()(301)G s s =

+ ，和副对象传递函数: 0221

()(101)(1)G s s s =++，在MATLAB 中画出仿真框图。由各个传递函数等模块所组成的

模型如下图所示，其中两个温度控制器都采用PID 调节器。对应的对象模型参数分别取值为：

1%/%v K =，25/(/)P K C T hr =?，22min P T =，21/(/)D K C T hr =?

24min D T =，15/(/)P K C T hr =?，14min p T =，3min P τ=

12/(/)D K C T hr =?，13min D T =,2min D τ=

首先封装控制器模块，如图所示：

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图5.1 PID 控制器模块

接着根据要求设计可得到串级控制系统仿真模型，如图所示；

图5.2 夹套式反应器温度串级控制系统仿真模型

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5.2 串级控制系统PID 参数整定：

夹套反应器串级控制系统PID 参数整定过程为：进行控制器的参数整定。

步骤一 首先随机设定控制器PID 参数的初始值为：

δ1=50%，Ti1=0.5min ，Td1=0min

δ2=50%，Ti2=0.5min ，Td2=0min

可得到系统输出图如图5.3所示；因为是发散振荡，故此图不符合整定要求。

图5.3 系统初始输出图

步骤二 再根据设定值跟踪速度的快慢，调整PID 中的值，以起到增加调控力度。可得到整定输出图，如图5.4所示；

136%δ=,110min I T =, 10min D T =

233%δ=,24min I T = , 20min D T =

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图5.4 系统整定输出图

由此图分析可知：控制系统的过渡过程是一个单调过程，虽然起到了控制的作用，使被控变量最终稳定下来，但其回复到平衡状态的速度慢，时间长，故还要进一步优化PID 参数设计。

步骤三 继续调整PID 参数：

δ1=100%，Ti1=1min ，Td1=0min ；

δ2=100%，Ti2=1min ，Td2=0min ：可得到整定输出图5.5：

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图5.5 系统输出整定图

由图分析可知，此参数下的控制系统过渡过程为衰减振荡，可以快速有效的使被控变量稳定下来。

步骤四 步骤二中的单调过程也是可以通过参数的调整起到优化控制作用的，设定参数为： δ1=80%，Ti1=5min ，Td1=0min ；

δ2=33%，Ti2=5min ，Td2=0min ；可得到输出整定图5.6：

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图5.6 系统输出整定图

由图分析可知：虽然此参数下的控制系统过渡过程为单调非振荡过程，但仍能以比较快的速度来使被控变量稳定下来。

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5 结论

经过上述PID 控制系统的仿真实验和参数设定，可知知道的是，串级控制系统能迅速的克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力；它还改善了除主控制器以外的广义对象特性，是系统的工作频率提高；并且消除副过程的非线性特性和由于调解阀流量不适合而造成的对控制质量的影响；可兼顾两个变量，更精确控制操作变量，控制方式灵活，必要时可切除副调节器。这些都大大的提高了串级控制系统在工业生产中的应用，与单回路控制系统相比，串级控制系统能改善被控过程的动态特性，抗干扰能力增强，对负荷和操作条件变化的适应能力增强。

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6 总结与体会

经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计经历了将近一个暑假，从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我们组都团结协作，互相帮助，并且得到老师的关怀。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。学校安排了这次课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。