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 (5)3 反应器串级控制系统分析 (6)3.1 被控变量和控制变量的选择 (6)3.2 主、副回路的设计 (6)3.3 主、副控制器正、反作用的选择 (8)3.4 控制系统方框图 (8)3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择 (9)4 串级控制系统的参数整定 (10)4.1 参数整定方法 (10)4.2 参数整定 (11)4.3 两步法的整定步骤 (12)5 MATLAB仿真 (14)5.1 控制系统的MATLAB仿真 (14)5.2 串级控制系统PID参数整定： (16)5 结论 (20)6 总结与体会 (21)7 参考文献 (22)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）。

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。

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；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 ()1psPPPK eG sT s τ=+，111()1DsDDDK eG sT sτ=+。

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()1PPPKG sT s=+，222()1DDDKG sT 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。

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T。

2s2）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。