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1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）摘 要反应釜是一种常用的化学反应容器，其内部反应机理较为复杂。研究通过控制其过程参数而控制化学反应过程，以提高产品的收率和质量的方法，对化工生产和生物制药等工业很有实用价值。本文全面的分析了反应釜温度变化的特点以及控制难点，在对反应釜夹套加热系统的传热原理系统分析的基础上，根据热量平衡原理和反应釜的热量传递关系，采用机理建模和阶跃响应曲线方法建立了釜内温度的数学模型，并利用实验数据和理论分析验证了模型的有效性。关键词：反应釜；串级控制；MATLAB仿真；温度控制AbstractThe reaction kettle is a kind of com
2、mon chemical reaction containers, its internal reaction mechanism is more complicated. Research through the control of its process parameters and the control of chemical reaction process, to improve the yield and quality products with the method of chemical production and biological pharmaceutical i
3、ndustry, etc have practical value.This paper analyzed the characteristics of the reaction kettle temperature change and control the difficulty, in the reaction kettle clip set of heating system of the heat transfer theory system on the basis of analysis, according to the quantity of heat balance pri
4、nciple and the reaction kettle of heat transfer of the relationship, using mechanism modeling and step response curve method to establish the mathematical model of temperature in the kettle, and the utilization of the data and the theoretical analysis verify the effectiveness of the model.Keywords:
5、the reaction kettle；cascade control；MATLAB；the temperature control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题的目的与意义1第2章 控制方案的确定32.1 反应釜的结构及工作原理32.2 反应釜釜底温度特点分析42.3 反应釜控制系统设计指标的确定52.4 方案比较62.4.1 单回路控制系统设计62.4.2 串级控制系统设计72.5 方案确定8本章小结9第3章 系统硬件设计103.1 主、副调节器的选择103.2 主、副调节器的作用方式113.3 温度变送器123.4 调节阀的作用方式12本章
6、小结13第4章 MATLAB仿真设计及结果144.1 模拟PID算法及规律144.2 单回路控制系统仿真164.3 串级控制仿真19本章小结24结 论25致 谢26参考文献27附录1 译文28附录2 英文参考资料37-47-第1章 绪论1.1 课题背景化工生产在我国的国民经济建设中占有很重要的地位。其生产过程往往伴随有物化反应、生化反应、相变过程等，过程机理十分复杂。化工过程的被控对象往往是高维、大时滞、严重不确定与非线性等，控制起来非常困难。化工生产经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产的安全性至关重要。研究化工生产过程自动检测和控制技术，是适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要，
7、也是提高生产效率、改善劳动条件、保证安全生产的必然措施。在我国由于大中城市科学技术和工业自动化的发展步伐较快，近年来一些生产规模不大，而具有一定危险性的化工生产项目转移到农村和小城市，并常有爆炸、起火等安全事故发生。因此对于智能化检测和控制装置的呼声日益增高。由于许多化学工业、生物制药工业具有规模小、产品更新快的特点，使得多数的、小规模的反应釜、培养皿生产方式将长期存在下去。因此，针对这种化工生产特点所进行的智能检测和控制方面的研究及产品开发将长期进行下去，并不断深化。在反应釜、培养皿等化工容器内完成的化学工业过程的特征参量一般为温度、压力、浓度等，这些参量是化工过程本身的属性的表现。它们不仅
8、是化工生产过程质量好坏的表征，而且在很多时候也是化工生产过程安全性（例如是否爆炸、起火等）的表征。因此，通过测量并校正这些参数，以确保化工生产过程的质量和安全性是十分重要的。1.2 课题的目的与意义反应釜是化工生产中的一种十分常见的反应容器。在十几年前，反应釜的控制几乎完全是靠手工操作。手工操作不仅操作工的劳动强度大，控制精度不高，且操作不当，极易引发安全事故。近年来，随着电子技术和自动控制理论的发展，人们开始研究各种反应釜自动控制装置。在我国，目前也出现了一些反应釜智能控制器的研发与应用。早期的反应釜自动控制系统较为简单，大多是使用一些单元组合仪表组成位式控制装置，由于化学过程中存在较严重的
9、非线性和时滞性，这种简单的控制方式难以达到预期的控制精度，且往往因出现超调而导致失误。后来有人使用PLC作为控制器，较大地提高了控制精度，但这种控制方式难以适用较复杂的过程控制，在通信和管理方面也存在很多缺点。近年来，以微控制器或工业微机为核心的各种反应釜内化学过程控制系统开发研究控制系统成为反应釜过程控制的主流。在控制理论的运用上，早期的反应釜控制系统多为两位式调节的单回路调节系统，对于重要的环节设计有串级调节系统。第2章 控制方案的确定2.1 反应釜的结构及工作原理反应釜有间歇式和连续式之分。间歇反应釜通常用于液相反应，如多品种、小批量的制药、燃料等反应。连续反应釜用于均相和非均相的液相反
10、应，如聚合反应等，本文研究的对象为间歇式反应釜。反应釜的基本结构如图2-1所示,由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。釜体为一个钢制罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为了测量釜内的各项参数，在罐内装有钢制的套管，可将各种传感器放入其中。图2-1反应釜结构示意图在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜的夹套内导入蒸汽加热使釜内物料的温度升高，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒
11、温以使化学反应正常进行，反应结束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈自激的关系。也就是说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象，使釜内的产品变成废品，并且会影响安全生产。按照工艺要求，这些反应一般要经过加热、恒温、冷却等过程，当原料配比、浓度确定以后，准确控制反应的温度是保证产品质量和产量的关键。为了使釜温稳定，在夹套中通以
12、一定的冷却介质，来移走反应放出的多余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求。本课题使用的是间歇式反应釜。在实际使用中需要检测釜内的温度、压力和液位三种状态信号，系统的主要控制的参数是温度，反应温度设定在80。液位的控制主要在加入原料、物料等阶段，在到达指定液位后，系统将自动关闭进料阀门。2.2 反应釜釜底温度特点分析根据反应釜的工作特性分析结果可知，反应釜内的工作温度对化学反应有极大的影响。在分析对象的特性时，为了便于分析作了许多的简化和假设，如：忽略了热交换中的能量损失、忽略了反应过程中许多复杂的化学现象和不确定因素、对方程进行了近似的处理等等
13、。事实上作为被控对象的反应釜工作温度与一般的工业对象对比，主要有以下几个方面的特点：1.大时滞性反应釜一般在反应之初加热使反应釜内达到所需的温度。在反应过程中伴有很强的热效应，导致反应釜内温度急剧升高，此后在夹套中通以液态氮带走多余的热量，以使釜内温度降低。但由于反应釜内与外界热交换主要依靠反应釜的间壁进行热传导，内壁对整个釜内加热也需要一定的时间，所以导致系统表现出很大的时滞效应。2.时变性反应釜内的温控特性主要取决于釜内化学反应的激烈程度，而整个生产过程从起始升温、中间恒温到最后降温，对象具有明显的时变性。并且，就某一个具体的阶段而言，由于化学反应的速度不稳定，导致过程的增益、惯性时间和纯
14、滞后也会发生相应的变化。3.非线性对于一个温度过程系统，都并存在传导、对流和辐射三种形式的传热，只是在不同的阶段各种传热形式所占的比例不同。事实上，只有一维导热可以看作是线性的，辐射热量是绝对问题的四次方函数，对流传热受多种因素的影响，一般也是非线性的。在整个温区内，被控对象的动态参数随着温度的变化而变化，在工作点附近的小温度范围内，其动态特性可以看成近似线性的。针对被控对象的上述特点，应综合考虑系统的鲁棒性和快速性的要求，提高温度测量的精度和测量稳定性。最终设计和开发出可靠性、稳定性好，系统的性价比高的控制器。2.3 反应釜控制系统设计指标的确定根据要求，本课题设计的反应釜控制系统要求对某化
15、学反应实现过程控制。控制系统的主要控制功能为自动地实现釜温控制，釜温时间曲线由标准制式或由操作人员从人机接口设置。其中标准制式要求釜温达到如图2-2所示的变化规律。图2-2 反应釜温度曲线图图中升温部分用虚线描绘，表示对升温时间的要求不是很严格，只要保证超调量不是太大即可。达到反应温度后，要保持釜温在80约90分钟。降温阶段有一定时间要求，在20分钟内冷却到30即可，此后使其自然冷却。自动工况即对应于反应釜过程温度时间标准制式。在加热和冷却工况下，要求釜温从实际温度变化到设定温度，然后使反应釜在设定时间内维持在设定温度。同时，系统具有定时功能。除自动工况外，其他工况均可进行时间设定，即开机状态可设置定时关机，关机状态可设置定时开机。本系统的测温范围要求为0100。自动工况下，升温阶段的控制精度要求不是很高，升温结束阶段向恒温阶段切换时的超调量要求不超过5。恒温阶段的控制精度要求较高，要求绝对误差不超过2。2.4 方案比较2.4.1 单回路控制系统设计在工业生产过程中，如图2-3所示的间歇式反应釜如进料管，出料管，搅拌器，冷热剂出口，反应室，夹套等设备应用十分普
