管式热裂解反应器出口温度单回路控制系统Word格式文档下载.doc

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单回路控制系统的有如下特点：

系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛的应用。

但单回路控制系统也有一些缺点，如系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意控制质量。

2管式热裂解反应器温度控系统工艺流程及控制要求

管式热裂解反应器的主要任务是把原油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。

反应器的工艺流程为燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度。

在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度的目的。

其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。

从调节阀动作到温度改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。

工艺上对出口温度要求不高，一般希望波动范围不超过±

1～2%。

控制流程图如下所示：

反应物

C

TC

出口温度T

图2热裂解反应器控制流程图

控制原理为通过控制燃料的进料流量来控制温度。

3系统方框图的确定

根据控制流程图和控制要求图如下：

干扰

调节阀

反应器

温度控制器

T

—+

测量变送元件

图6管式反应器出口温度单回路控制系统框图

4控制系统设计及参数的确定

4.1控制系统被控变量的选择

（1）温度调节器TC是根据原料的出口温度与设定值的偏差进行控制。

当原料部分出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响控制质量差。

当生产工艺对原料出口温度要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。

（2）被控变量的选择：

在一个生产过程中，可能发生波动的工艺变量很多，但并非对所有的变量都要加以控制。

一个化工厂的操作控制大体上可以分为三类，即物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量或成分控制、限制条件或软限保护的控制。

因而在进行自动控制系统设计时，应深入了解工艺过程，找出对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量，或者人工操作过于频繁、紧张，难以满足工艺要求的工艺变量，作为被控变量来设计自动控制系统。

根据工艺过程、工艺特点以及对控制的要求选热裂解反应器出口温度，因为要得到稳定的出口温度。

（3）操纵变量的选择：

由于种种外部的和内在的因素，对工艺过程的稳定运转必然存在着干扰，因而在进行自动控制系统设计时必须深入研究工艺过程，认真分析干扰产生的原因，正确选择操纵变量，建立一个合理的控制系统，以确保生产过程的平稳操作。

根据操纵变量的选择原则选择燃料流量为操纵变量，以保证出口温度的稳定。

4.2系统各坏节分析

（1）调节器PID控制：

在温度控制系统中，常采用PID控制来作为控制规律，PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

它的控制规律为

写成传递函数形式为

式中——比例系数；

——积分时间常数；

——微分时间常数；

选择比例环节，一阶惯性环节的传递函数为，适用于简单加热系统，用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

（2）执行器分析

在温度控制系统中，执行器可看作一个比例环节。

当然，在整个控制过程中执行环节有一定的滞后作用，可在控制过程中添加一个延迟滞后环节。

对于在此看作比例环节，不妨取比例放大倍数K=5。

延迟滞后环节，不妨取延迟时间τ=1。

（3）变送器分析

在变送检测环节中，当变化量较小时，可将该环节看作一个线性环节，即同样可看作是一个比例环节，由于检测变送滞后较小，所以取比例放大系数K=1。

（4）被控变量特性

根据能量守恒定律热流失去的热量等于冷流吸收的热量

C1、m1分别为高温物体的比热和质量，C2、m2分别为低温物体的比热和质量

5仪表的选型

（1）温度变送器

DZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。

III型仪表具有以下主要特点：

（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4～20mA，控制室联络信号为DC1～5V，信号电流与电压的转换电阻为250。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。

DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。

DDZ-III型PID变送器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号（DC4～20mA或DC1～5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4～20mA直流电流输出。

下图给出了温度变送器实物图：

图3温度变送器原理框图

（2）执行器的选择：

从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。

执行器可分为气动、液动和电动执行器。

气动执行器是以压缩空气为能源的执行器，主要特点是：

结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、本质防爆、容易做成大功率等。

应用广泛，因此选用气动执行器。

图4气动执行器

（3）调节器的选择：

调节器是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，在根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器的工作，对生产过程进行自动调节。

选用SK-808/900智能PID调节仪，如下图所示：

图5SK-808/900智能PID调节仪

智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集、记录。

SK-808/900调节仪功能特点：

万能输入功能、自动校准和人工校准功能、手动/自动无扰动切换功能、可选择适应加热或制冷的正/反作用、控制输出信号限幅、智能PID调节仪采用模糊控制理论和传统PID控制相结合的方式，使控制过程具有响应快、超调小、稳态精度高的优点，对常规PID难以控制的大纯滞后对象有明显的控制效果、智能PID调节仪增加了30段程序控制功能等。

6Simulink仿真

6.1控制系统仿真

由以上各参数确定后可得系统的仿真结构图，具体参数整定过程可参见下图查阅相关资料知，对于流量系统，时间常数范围较大，比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时才加入积分作用。

所以初步令TI=0，TD=0，延迟时间τ=1。

图7系统结构图

KP=1；

TI=0；

TD=0；

τ=1

KP=5；

KP=10；

KP=15；

KP=20；

6.2对PID参数的整定

由相关资料可知，常用的调节器参数整定方法有：

经验试凑法、临界比例法、衰减曲线法。

下面以经验试凑法为参考对本系统进行参数整定。

经验试凑法就是根据被控变量的性质在已知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的指作为调节器当前的参数值，然后直接在运行系统中，人为的加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡过程曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过度过程的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的