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1、反应器串级控制系统整定(DOC)西华大学课程设计说明书目录1序言.12整体方案设计.22.1方案比较.22.2方案选择.43反应器串级控制系统分析.53.1被控变量和控制变量的选择.53.2主、副回路的设计.53.3主、副控制器正、反作用的选择.73.4控制系统方框图.73.5分析被控对象特征及控制算法的选择.84串级控制系统的参数整定.94.1参数整定方法.94.2参数整定.94.3两步法的整定步骤.105MATLAB仿真.125.1控制系统的MATLAB仿真.125.2串级控制系统PID参数整定：.145结论.186总结与意会.197参照文件.20西华大学课程设计说明书1 序言反应器（或称
2、反应釜）是化工生产中常用的典型设施，种类很多。化学反应器在构造、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，自控方案差异也比较大。夹套式反应器是一类重要的化工生产设施，因为化学反应过程伴有很多化学和物理现象以及能量、物料均衡和物料、动量、热量和物质传达等过程，所以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其重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。化工生产过程平常可区分为前办理、化学反应及后办理三个工序。前办理工序为化学反应做准备，后办理工序用于分别和精制反应产物，而化学反应工序平常是整个生产过程的要点，所以在化学反应工序中设计一套比较完美的控制系统
3、是很重要的。设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标，物料均衡和能量均衡，拘束条件三个方面考虑（假定在本反应器中反应物为一般性的，无腐化，无爆炸的液液反应物）。1西华大学课程设计说明书2 整体方案设计2.1方案比较（1）简单控制系统以以下图，温度调理器TC是依据反应器内物料的温度T与设定值的误差进行控制，当冷却水部分出现搅乱后系统其实不可以及时产生控制作用，战胜搅乱对被控参数T的影响控制质量差。但在冷却水扰动能够忽视或很小的状况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简单控制系统还是能够满足要求的，假如冷却水的扰动大，并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。简单控制系统框图以以
4、下图。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2西华大学课程设计说明书被控变量：反应器内物料的温度；控制变量：冷却水流量。（2）串级控制系统串级控制系统采纳两套检测変送器和两个调理器，前一个调理器的输出作为后一个调理器的输入，后一个调理器的输出送往调理阀。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；控制变量：冷却水流量。夹套和槽壁温度变化时，TC能够及时动作，战胜扰动。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3西华大学课程设计说明书图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搅乱时，TC输出信号
5、改变阀门开度，从而改变冷却水的流量。在开始时，物料的温度离设定值误差大，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，误差在短时间内不可以除去。方案二的串级控制系统中，因为引进了副回路，不但能快速战胜作用于副回路内的搅乱，也能加快战胜主回路的搅乱。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，既而加快了系统的均衡。关于串级系统而言，副回路有先调、初调、快调的特色；主回路有后调、细调、慢调的特色。二者相互配合，使控制质量明显提升，与简单系统对比，对离被控对象较远的扰动（二次扰动）有明显的克制作用，增添了系统的稳固性，提升了系统的响应速度。综上所述，依据本设
6、计系统的特色，选择串级控制。4西华大学课程设计说明书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）被控变量的选择依据工艺过程的控制要求，主被控变量应当能反应工艺指标。夹套式反应器的工艺指标主假如反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反应的充分状况。所以，若要反应工艺指标，夹套式反应器内反应温度一定是T-T串级控制系统的主被控变量。从串级控制的特色可知，当扰动进入副回路时，副回路能快速而强有力地战胜它，起到超前控制作用，所以在选择副变量时，必定要把主要扰动包含在副回路内，并力争把尽量多的扰动包含在副回路中，以充发散挥串级控制的最大长处，吧对主变量影响最严重、最激烈、最屡次
7、的扰动要素克制到最低程度，以保证主被控变量的控制质量。同时冷却水温度变化是主要扰动，包含水温变化、水量变化等很多的扰动。所以采纳夹套水温度作为副被控变量。这样完整符合副被控变量包含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、副被控变量外的全部变量，这些变量有些一定加以控制。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含的扰动变量最多，所以采纳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还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。所以主回路应包含主要的质量指标等标准。所以确立了主被控变量、主控制变量及主要扰动变量就能构成主回路。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；5西华大学课程设计说明书图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向环节。副回路设计是串级控制系统设计的一个要点问题。从构造上看，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采纳一部分作为父对象，而后构成一个控制回路，即可概括为如何选择福参数。第一副参数的选择应使副回路的时间常数小，调理通道短，反
