流化床反应器温度前馈反馈控制系统设计方案1.docx
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流化床反应器温度前馈反馈控制系统设计方案1
中北大学
课程设计任务书
2014/2015学年第1学期
学院：
机械与动力工程学院
专业：
过程装备与控制工程
学生姓名：
学号：
11020343
课程设计题目：
流化床反应器温度前馈-反馈控制方案设计
起迄日期：
2015年1月19日～2015年1月30日
课程设计地点：
中北大学
指导教师：
刘广璞、崔宝珍
系主任：
黄晋英
下达任务书日期:
2015年1月19日
课程设计任务书
1．设计目的：
（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计分析一个过程控制系统的能力。
（2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。
（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；
（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；
（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
经过过程检测、过程控制工程、工程测试技术、过程装备原理、过程流体机械、过程装备监测与诊断等课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。
在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。
1.确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；
2.现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；
3.给出控制系统方框图；
4.分析被控对象特性，选择控制算法；
5.进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
6.写出设计工作小结。
对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：
如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
1．确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。
2．撰写课程设计说明书一份（A4纸）。
4．主要参考文献：
[1]陈炳和，许宁.化学反应过程与设备（第二版）[M].北京：
化学工业出版社，2003：
134，19-21.
[2]金杰.制药过程自动化技术[M].北京：
中国医药科技出版社，2009.3：
242.
[3]俞安然.反应器的自动调节[M].北京：
化学工业出版社，1985.10：
227-242.
[4]戴连奎，于玲，田学民等.过程控制工程（第三版）[M].北京：
化学工业出版社，2012.8：
20，51-64，65-70.
[5]俞金寿，孙自强.过程自动化仪表（第二版）[M].北京：
化学工业出版社，2010.9：
33-39，63.
[6]XX百科.电动调节阀.
UmiyW9lrVoBlHut68L4v188uEAfurG6wQFRO4qk_qg-8k3mHIP6ATT_sYzRh_，2014.12.
[7]张佳薇.检测与转换技术[M].哈尔滨：
哈尔滨工程大学出版社，2011.08：
113-114.
[8]袁德成.过程控制过程[M].北京：
机械工业出版社，2013.02:
198-199.
[9]王正林，郭阳宽.MATLAB/Simulink与过程控制系统仿真（修订版）[M].北京：
电子工业出版社，2012.09:
223-233.
[10]刘文定.过程控制系统的MATLAB仿真[M].北京：
机械工业出版社，2009:
79-80.
5．设计成果形式及要求：
提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；
其中应包括系统控制流程图、方框图、Simulink仿真模型；并且方框图中各环节的传递函数应该和被控对象、控制装置的分析一致，Simulink仿真模型的传递函数应该和方框图中分析的一致；
6．工作计划及进度：
2015年1月19日-1月21日确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图；
2015年1月22日-1月23日控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；
1月24日-1月28日进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
1月28日-1月29日编写课程设计说明书
1月30日答辩
负责人审查意见：
签字：
年月日
中北大学
课程设计说明书
学生姓名：
学号：
11020343
学院：
机械与动力工程学院
专业：
过程装备与控制工程
题目：
流化床反应器温度前馈-反馈控制方案设计
指导教师：
刘广璞职称:
副教授
崔宝珍职称:
副教授
2015年1月30日
第1章流化床反应器工作原理及结构特点
1.1流化现象
对于固定床反应器，因为催化剂是固定的。
流体实际上只能在催化剂颗粒间的孔隙内穿流，不但催化剂的表面反应受到限制，降低了催化剂利用率。
而且，床层的温度分布不均匀，不能保证各部分都在最适宜的温度条件下进行化学反应。
如果减少颗粒大小，增加气流温度，且让气流由下自上通过，当气流速度达到某一值以后，催化剂在床内处于气流的湍动状态，大大增加了催化剂和气流的接触面积，既增加了催化剂的利用率，又改善了温度分布，这种固体在气流作用下产生像流体一样流动状态称流化态[1]。
1.2流化床的工作原理
流化床反应器是气相反应常用的一种反应器。
流化床反应器的工作原理如图1-1所示，根据前面1-1节对流化现象的介绍，当反应气体通过反应器时，催化剂颗粒受到气流的作用悬浮起来，在反应器内作剧烈的翻滚、流动，整个系统与流动的或沸腾的液体很相像，所以称流化床或沸腾床。
催化剂沸腾后，由于搅动剧烈，因而传质、传热和反应强度都较高，并且有利于连续化和自动化生产[2]。
它既具有化学反应器的共同点，又具有自身的特点。
图1-1流化床反应原理
1.3流化床的结构
流化床的结构形式较多，但无论什么形式，一般都由流化床反应器主体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置等组成[1]。
图1-2是有代表性的带挡板的单器流化床反应器。
图1-2流化床反应器
1.4常见的流化床
下面介绍几种工业生产中常见的流化床[3]。
在后面设计与分析中都以丙烯腈反应流化床反应器为例。
1.4.1丙烯腈反应流化床
丙烯腈反应流化床结构示意图如图1-3所示，液态的丙烯与液氨经过气化后，在管路中汇合后经反应器底部的丙烯、氨分布器进入反应器，压缩空气经反应器底部的空气分布器进入反应器，三种物料在处于流化状态下的催化剂的作用下，生成丙烯腈。
图1-3丙烯腈反应流化床
反应温度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一个重要工艺参数，流化床工作的好坏，可以明显地从反应温度上表现出来，当反应状况良好时，反应温度易于控制。
如图1-4所示，可知反应温度对丙烯腈及副产品乙腈、氢氰酸的单程收率有一定的影响。
反应温度高，丙烯腈单程收率高、副产少。
但当反应温度过高时，合成物易深度氧化，生成较多的CO2，温度难以控制；另外，若持续长时间的高温，还会缩短催化剂的寿命。
生产中，实际温度控制在450℃左右。
图1-4反应温度对吸收率的影响
1.4.2提升管催化裂化反应器
催化裂化反应器是双器的流化床反应器，它的作用是在500℃左右的高温下把原料油裂解成烃类等轻质油品。
裂解是吸热反应。
它所需的热量，由催化剂再生燃烧所产生的热量提供。
反应器有并列式，同轴式及提升管式，如图1-5所示是提升管催化裂化反应器。
图1-5提升管催化裂化反应器
提升管反应器已广泛应用于重油催化裂化，但仍还有不少值得研究和改进之处，特别是为了提高轻质油收率并直接生产清洁油品，近年来出现了不同形式反应器系统的重油催化裂化工艺技术，如两段提升管催化裂化技术（TSRFCC）、多产异构烷烃催化裂化技术（MIP）以及催化裂化汽油辅助反应器改质技术等。
1.4.3醋酸乙烯反应器
醋酸乙烯的合成，是以乙炔和醋酸为原料，采用活性炭为载体的醋酸锌触媒，在流化床反应器内进行的。
工艺流程图如图1-6所示。
醋酸在蒸发器中汽化后，与乙炔一起进入反应器底部，反应产物从反应器顶部引出，在旋风分离器中分离出来带的触媒后，进入分离塔。
分离塔分三段：
塔底出来的循环液，一部分循环，一部分排除；塔中流出的是反应液，主要成分是醋酸乙烯，未反应的醋酸以及副产物乙醛和乙烯醛，大部分反应液送往精馏工段精制；塔顶出来的乙炔大部分循环使用，少部分送往放空系统。
图1-6醋酸乙烯合成装置工艺流程示意图
1.5流化床反应器的特性
1.流化床内温度分布比较均匀
在流化床内固体颗粒成湍动状态。
因此，带来两个重要结果：
传热系数大，床内温度均匀。
流化床内由于颗粒的湍动，颗粒之间碰撞机会多，所以固体颗粒之间传热很快，而固体主要又是悬浮状态，所以传热面积很大，大大增加了气体和固体之间的传热速率，另外，还由于固体颗粒不断与换热器壁相碰撞，使得床层与换热器的传热系数也大大增加。
高的传热系数，不仅导致热量容易移去，而且使得床层内温度均匀，不论是径向还是轴向温度基本上一致[3]。
2.反应物料流速的影响
反应物料流速变化给反应器带来两个方面的问题，一是对反应放出的热量的影响，另一是对传热系数的影响[3]。
3.关于传热系数K的问题
反应物料从底部经分布板进入反应器的浓相区，有序固体颗粒催化剂激烈湍动，反应物料与催化剂表面迅速接触，反应发部分在这很快完成，并放出大量的热。
随着气流上升，进入稀相区，反应缓和，放出的热量减少。
而流化床传热系数主要取决于固体颗粒多少和湍动程度。
在浓相区，固体颗粒多，所以传热系数也大，热量容易移走。
在稀相区，固体颗粒大为减少，接近于气管传热情况，所以传热系数小，传热效果也差。
因此，虽然整个床层温度比较均匀，传热推动力差不多，由于传热系数相差很大，它们热量主要在浓相区移去。
因而浓相区的换热器担负主要冷却作用。
它的冷却情况变化对流化床反应温度的影响远比稀相区换热器影响大[3]。
第二章流化床的控制方案的选定
2.1变量的分析与选取
2.1.1被控变量
在上面介绍中，反应温度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一个重要工艺参数，它的稳定与否直接影响生产质量。
所以可以选择流化床反应器内部反应温度为被控变量，其稳定值要求为450℃。
2.1.2操作变量
调节方式为调节管换热器进水量或稳定反应物料流量，如图2-1所示。
对于流化床下部换热管来说，冷却剂流量、温度等变化，对反应影响极大[3]。
故操作变量选择换热器冷却剂进水量，通过调节阀门开度调节其大小。
图2-1流化床温度调节的两种方式
2.1.3扰动变量
对于流化床反应器，其扰动变量包括：
物料流量、温度，冷却剂流量、温度，进口物料组成等。
其中物料流量、温度以及冷却剂流量、温度较容易测量。
2.2控制方案的选择
对反应器冷剂或热剂流量进行定值控制，就可以使反应过程的热量达到平衡，也可以将反应物的进料量作为前馈信号，构成前馈-反馈控制[8]。
下面介绍两种控制方案。
2.2.1方案一——物料流量作为前馈信号
以物料流量为前馈信号的前馈-反馈控制系统来提高控制质量，控制方案图如图2-2所示。
对于前馈作用，通过测量物料的流量，接着通过前馈控制器产生合适的作用于冷却剂阀来改变其开度，使温度保持在设定值上。
对于反馈作用，测其内部温度，随后信号进入控制器，控制器将测量信号与设定值进行比较产生偏差信号，并按照一定的运算规律生成输出信号，从而控制冷却阀开度，达到调节效果。
图2-2以物料流量作为前馈信号的前馈-反馈控制方案
2.2.2方案二——冷却剂温度作为前馈信号
由于冷却剂流量、温度变化对反应影响极大，这里可以考虑选择冷却剂进料温度作为前馈干扰信号构建前馈-反馈控制系统。
其控制方案图如图2-3所示。
图2-3以冷却剂温度作为前馈信号的前馈-反馈控制方案
上述方案一适合物料进料流量变化比较大的场合，方案二适合物料进料流量和温度稳定且冷却剂温度变化较大的场合。
在后面的设计中，将以方案一为例进行设计。
第三章流化床反应器温度的控制系统的设计
3.1前馈-反馈控制系统框图
以物料流量作为前馈信号的前馈-反馈控制方案框图如图3-1所示。
图3-1前馈-反馈控制框图
各符号对应的含义及备注见表3-1。
表3-1系统框图各符号含义及备注
符号
含义
备注
温度设定值
其值为450℃
控制器的传递函数
选用“正作用”控制器
控制阀的传递函数
控制阀选用电开式
控制通道的传递函数
冷却剂流量对反应器温度
测量变送环节的传递函数
——
干扰
这里为物料进料流量
前馈补偿器的传递函数
——
干扰对被控变量T（t）的传递函数
物料流量干扰对反应器温度
T（s）
被控变量
——
F（s）
冷却水流量
操作变量
3.2仪表选型及参数确定
3.2.1控制器
1.控制器控制规律的选择
常见的反馈控制规律有三种：
比例控制（P）、比例积分控制（PI）、比例积分微分控制（PID）[4]。
现将三种规律的特点、用途总结如表3-2所示。
表3-2反馈控制的三种规律的特点、用途
模式
特点
用途
比例控制（P）
简单，调整方便，但会产生余差。
多用于就地控制以及允许误差存在的场合。
比例积分控制（PI）
会消除余差，但降低了响应速度。
一般液位或压力控制系统对于参数的要求不严的场合。
例如流量或快速压力系统。
比例积分微分控制（PID）
可用来补偿对象滞后，提高响应速度。
适用于多容及缓慢变化过程，如温度和成分控制。
对于丙烯腈流化床反应器温度的控制，属于缓慢变化过程，且要求其温度控制在450℃左右，尽量减少其余差，才能提高其产量。
所以控制器选择比例积分微分（PID）控制。
2.控制器型号的选择
控制器类型有很多种，有文献[5]介绍了模拟式、数字式、可编程等控制器，考虑到模拟式控制器在工业上应用广泛，这里选用DDZ-Ⅲ型电动单元控制器。
它是以来自变送器的1~5V直流测量信号作为输入信号，与1~5V直流设定信号相比较得到偏差信号，然后对此偏差信号进行PID运算后，输出1~5V或4~20mA直流控制信号，对实现工艺变量的控制。
3.2.2调节阀
本设计中调节阀的作用是用于冷却剂流量的调节。
选用电动调节阀，如图3-2所示是ZAZP系列电动单座调节阀，接受控制器来的直流电流信号，改变被调介质流量，使被控工艺参数保持在给定值。
图3-2调节阀
本系列产品公称通径由20至200mm，公称压力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用温度范围由-40℃~450℃，接受信号为0~10mA.DC或4~20mA.DC。
流量特性为线性或等百分比。
配用不同的执行机构可分为普通型和电子型两种。
主要技术参数见表3-3.
表3-3ZAZP型调节阀主要技术参数
公称压力PN（MPa）
1.01.64.06.4
固有流量特性
直线、等百分比
固有可调比
50
允许泄漏量
单座
硬密封：
IV级软密封：
VI级
工作温度t（℃）
-20~200-40~250-40~450-60~450
信号范围（mA.DC）
0~104~20
作用方式
电关式电开式
使用环境温度（℃）
电动调节阀：
-20~70℃伺服放大器：
0~50℃
使用环境湿度
电动调节阀：
≤95%伺服放大器：
≤85%
电源电压
220V50Hz380V50Hz24AC/DC
3.2.2温度测量
1.温度测量方法选取
表3-4列出了几种主要的测温方法[5]。
表3-4几种主要测温方法
对于流化床反应器，要求温度测量精确，可以选择接触式测温法，选用热电偶测温，
如图3-3所示。
热电偶的分度规格及特性和时间常数[6]分别见表3-5，表3-6。
图3-3热电偶
表3-5热电偶的分度规格及特性表
表3-6热电偶时间常数
根据表3-5，图中热电偶的热电特性曲线，E曲线最陡且其线性度好，故选择镍铬-铜镍型热电偶。
根据表3-6，镍铬-铜镍型热电偶热惰性级别为Ⅱ，热电偶的时间常数取60s（1min）。
2.
温度变送器
温度变送器是电动单元组合仪表的一个主要单元。
其作用是将热电偶的检测信号转变成标准统一信号，输出到控制器实现与给定值的比较[5]。
以某公司的智能温度变送器为例，如图所示。
图3-4智能温度变送器
其部分功能参数见表3-7。
表3-7温度变送器部分功能参数
可接入传感器
热电偶B/C/D/E/J/K/L/N/R/S/T/U
响应时间
250ms
供电电源
24VDC（允许工作电压范围：
14～36VDC）
输出信号
4～20mA，HART通讯
测量温度
-200℃～800℃
使用环境温度
-40℃～85℃（液晶显示：
-20℃～70℃）
3.2.4流量计
图3-5插入式涡街流量计
本设计的流量计测量进口物料的流量，其流量的变化作为前馈测量的干扰，要求流量计精度高。
而涡街流量计的输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号，可以远距离传输，而且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、黏度等参数无关。
该流量计量程比宽，结构简单，无运动件，具有测量精度高、应用范围广、使用寿命长等特点[5]。
所以选用涡街流量计测量物料进口流量。
以SKLUCB型插入式涡街流量计，如图3-5所示。
主要技术参数如表3-8所示。
表3-8流量计技术参数
公称通经（mm）
250～1500
仪表材质
1Cr18Ni9Ti
公称压力（Mpa）
PN1.6Mpa；PN2.5Mpa
被测介质温度（℃）
－40～+250℃
环境条件
温度－10～+55℃，相对湿度5％～90％，大气压力86～106Kpa
精度等级
示值的±2.5%
量程比
1:
10；1:
15
阻力损失系数
Cd<2.6
输出信号
传感器：
脉冲频率信号0.1~3000Hz低电平≤1V高电平≥6V
变送器：
两线制4~20mADC电流信号
3.3各个环节传递函数及其参数确定
3.3.1温度测量环节
温度测量环节用一阶环节来近似[4]，即有：
由前面表3-2可知热电偶仪表量程为400~500℃，时间常数
，则
则：
3.3.2调节阀
由表3-3，由于此调节阀流量特性为直线和等百分比，故
式中，
为控制阀的流通面积，
通常在一定范围内变化。
这里假设
（即控制器输出变化1%，控制阀的相对流通面积变化1.0%）。
3.3.3被控对象
本设计不妨将流化床反应器简化为反应器模型，反应器温度与冷却水的开环传递函数，可等效为二阶系统（分子多项式为一阶，分母多项式为三阶）包含两个温度测量滞后环节[8]。
则被控对象传递函数，即操作变量冷取水流量F（s）对被控变量流化床反应器温度T（s）的传递函数为：
对于上式，假设分母多项式三阶可以变形为一个二阶和一阶的乘积，一阶多项式可以与分母的一阶多项式进行约分，假设其形式为
不妨假设其系数[9]a=6，b=5，c=10，T1=1min得：
这里不妨假设[9]：
对于物料流量的干扰D（t）对流化床反应器温度T（t）的传递函数也等效为二阶系统加滞后环节组成，假设其传递函数[9]：
3.3.4前馈控制器
应用不变性条件[4]，可推导前馈控制器传递函数：
此前馈控制器数学模型可表示为：
则Kf=2.5，T2=5min，T3=8min。
3.3.5反馈控制器
一个理想的PID控制器[4]为：
其中参数Kc，Ti，Td需要通过参数整定获得，整定方法有经验法、临界比例度法、衰减振荡法、响应曲线法[4]。
在后面的分析中：
P=Kc=PB，I=
，D=KcTd。
工业上大多数系统只要用经验整定法既能满足要求[4]。
以经验法为例，对于温度系统，各需整定参数范围如下：
PB=20~60%，
3~10min，
0.5~3min。
初始值不妨取PB=20%，
，
。
随后依次增大各个参数找最佳值。
则控制器传递函数不妨先定为：
3.4小结
通过以上的分析和计算结果，对系统各个环节传递函数汇总如图3-6所示。
图3-6前馈-反馈控制系统框图
注：
Gc（s）的参数需通过参数整定获取较精确值，后面章节MATLAB系统仿真中会详细分析，这里给出了初始值得公式如下：
=0.2+
+0.1s
第四章MATLAB系统仿真
4.1参数整定
控制系统所整定包括前馈系统整定和反馈控制系统整定两部分。
本设计采用前馈、反馈分别整定法[8]。
4.1.1前馈控制系统整定
由于采用前馈反馈分别整定的方法，所以先进行前馈参数整定，前馈整定参数同前3.3.4节，其中Kf=2.5，T2=5min，T3=8min。
4.1.2反馈控制系统整定
由上面分析，对于其初值PB=20%，
，
，在MATLAB中对应的P，I，D处初值为0.2，0.0667，0.1。
这里用现场试凑法[10]，建立反馈系统Simulink框图如图4-1所示。
图4-1反馈系统Simulk框图
1.改变P，令I=0，D=0.
PID参数设置为P=0.2，I=0，D=0，响应如图4-2（左）所示。
在初值450阶跃下结果是稳定的，但存在明显的稳态误差，增大P至0.5时，如图4-3（右）所示。
其衰减比约为4:
1，对于定值控制系统当其过渡过程响应曲线衰减比为4:
1时效果最好[10]。
图4-2P=0.2，I=0，D=0（左）和P=0.5，I=0，D=0（右）响应曲线
2.改变I，令P=0.5，D=0.
积分作用可以消除余差，PID参数设置为P=0.5，I=0.0667，D=0，如图4-3（a）所示。
减小I值，增大积分时间常数，减弱积分作用，下面取几组数据就其超调量和响应时间作对比。
当P=0.5，I=0.035，D=0，超调量为61.11%，响应时间约为190s；
当P=0.5，I=0.03，D=0，超调量为53.33%，响应时间约为180s；
当P=0.5，I=0.025，D=0，超调量为44.44%，响应时间约为140s；
当P=0.5，I=0.02，D=0，超调量为38.89%，响应时间约为130s；
当P=0.5，I=0.02，D=0，超调量为33.33%，响应时间约为200s。
分别对应图4-3（b）、（c）、（d）、（e）、（f）。
可以看出，当I越来越小时，震荡部分越来越倾向于稳定值以下，其响应时间越来越大。
这里选I=0.025作为最佳积分系数。
ab
cd
ef
图4-3改变I值系统响应曲线
3.改变D，令P=0.5，I=0.025.
由前面分析，对于流化床反应器的控制通道存在滞后，加入微分作用可提高系统的响应速度。
可调节D的值来调节微分作用的强弱，
当P=0.5，I=0.025，D=0.1，
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