温度控制系统的设计.docx
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温度控制系统的设计
目录
第1章绪论1
1.1醋酸乙烯的发展1
1.2温度控制系统的重要性1
1.3温度控制系统的组成2
第2章方案论证2
第3章硬件设计4
第4章软件设计6
4.1温度控制系统的设计6
4.2主、副调节器正反作用方式的确定7
第5章分析参数的整定9
5.1控制器参数的工程整定9
5.2PID调节10
第6章结论11
参考文献12
第1章绪论
1.1醋酸乙烯的发展
醋酸和乙炔合成醋酸乙烯，醋酸乙烯是化学工业中重要的产品之一。
又它出发，可以生产一系列高分子化合物，因此广泛应用于国民经济和国防工业各部门。
目前，我国醋酸乙烯主要用来生产维尼纶的原料聚乙烯醇。
目前，世界上醋酸乙烯的总产量已超过4.5MT/A，并且正以年增长率5%的速度发展。
醋酸乙烯的生产是个塔体非常多的系统,调节回路众多,系统的关联性非常强,一个参数的控制的好坏直接影响到其他参数的控制的成败.一个系统的波动可能带垮整个系统.,因为其产品醋酸乙烯的浓度要求非常高,达到99.9%以上,因此对反应温度,以及流量等参数的控制要求非常平稳,合成反应器的中温要求120正负1度,醋酸蒸发器液位要求达到正负1%,还有乙炔的流量非常不稳定,可控性不太好.这些都对控制的精度提出了很高的要求。
在合成过程中对反应器和换热器的温度控制更是重要的一个控制环节。
1.2温度控制系统的重要性
温度是工业生产与日常生活中一个重要的物理量，在农业、现代业科学研究和高新技术开发中也是一个非常普遍和常用的物理测量参数，例如钢铁生产过程中，按照工艺条的规定保持一定的温度才能保证产品质量和设备的安全。
近年来，温度控制的发展尤为迅速，国内外市场上已出现了多种多样的温度控制仪表，应用于各个方面，例如，呢挂钩进行程序空文的只能多段温度控制仪表，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式温度调节器等。
温度控制应用广泛，无论是重工业中各种机器的制造，还是轻工业中的生产，或者日常生活中的衣食住行，多与温度关系重大，温度控制也就或直接或间接的应用于工业生产或者日常生活中。
1.3温度控制系统的组成
在温度控制的闭环控制中，仪表等测量工具对被控变量即输出变量进行测量，将测量值与所需进行比较，将反馈结果输送到控制器里，控制器将比较结果进行分析，然后发出指令到执行机构，在有执行机构工作以实现工作实际温度向理论温度靠拢。
第2章方案论证
方案一：
利用简单控制系统来控制过程温度。
简单控制系统是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个调节阀和一个被控过程组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统。
单回路控制系统是最基本的控制系统，由于其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，应用十分广泛。
图2.1单回路调节
如图2.1所示为单回路调节，简单控制系统中的单回路控制系统来控制反应器中的温度，单回路只有一个被控对象，结构简单投资少，调整方便，但由于此系统要求较高，只用单回路控制系统无法精确控制反应器中的温度。
方案二：
利用用串级控制系统来控制过程温度。
串级控制系统由于引入副回路，使系统控制品质相对于但回路控制系统显著提高。
在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：
主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。
串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。
由于串级控制系统可以调节两个参数，可以把反应器中的温度做为主控制对象，换热器中的温度作为副控制对象，由于主副各形成闭合回路，能使系统的精度大大提高，若是利用单回路控制系统，虽然投资少，调整方便，但不能精确调整到要求温度，而串级控制系统虽然复杂，却可以利用它的优点，满足工业上很多要求。
当工业要求很高的时候，利用简单控制系统并不能满足工业要求，就可以有比较复杂的串级控制系统。
串级控制系统有很多优点：
1.可用于容量滞后较大的过程2.可用于纯滞后较大的过程。
3.可应用于烦扰幅度大的过程。
4.可应用于非线性过程，醋酸、乙炔混合的一部分气体要通过换热器才能进入反应器中，但换热器有很大的非线性，若是利用单回路控制系统，只可以通过改变调节器的整定参数来保证系统的衰减率，但负荷变化随时反生，仅靠改变调节器的整定参数来适应此种情况是不可行的。
这时就可以用串级控制系统来消除非线性，由于它能根据负荷的变化，自动调整副调节器的设定值，使系统运行在新的工作点，最终使主被控参数保持平稳，从而满足工艺要求。
醋酸装置的乙炔合成反应器，期中部温度是生产过程中的重要参数，为了保证和恒气质量，工艺要求对它进行严格控制，由于在它的控制通道中，包括了一个换热器和一个合成反应器，而这个换热器具有明显的非线性，所以使整个过程特性随着负荷的变化而变化，具有较大的非线性。
若采用但回路控制系统，当负荷变化大时，为了保持系统原有衰减率不变，则必须不断相应地改变调节器的比例放大系数，然而，这是不可能的。
若采用串级控制，则选取反应器中部温度为主参数，换热器出口温度为副参数。
在副回路总包括了过程特性随负荷变化而变化的那一部分。
由于串级控制系统的副回路对于负荷变化具有一定的自适应能力，负荷变化所引起副回路特性的改变，会导致副回路衰减率发生变化，使副参数波动大一些，但是，此时主调节器的输出会重新调整副调节器的给定值，从而改变调节阀的开度，所以对整个系统的衰减率影响不大。
实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主参数保持平稳，达到生产工艺要求。
图2.1串级控制系统方框图
如图2.1所示，为根据方案二所设计的方框图，反应器中部温度为主被控量，混合气体经换热后和没经过换热器的混合气体再次混合后的温度为副被控量。
两个被控量分别通过两个变送器送到控制器中，在空过控制器对两个调节阀进行控制，从而使反应器中的温度达到平衡。
第3章硬件设计
温度控制系统的硬件组成由控制器、变送器、执行器，根据图图3.1的结构图所示，串级温度控制系统需要两个控制器（TC），两个变送器（TT）和两个执行器，几个部分组合在一起便可组成一个对反应器和换热器可控的温度控制系统。
图2.1系统结构图
元件选择：
1.变送器的选择
温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。
主要用于工业过程温度参数的测量和控制。
带传感器的变送器通常由两部分组成：
传感器和信号转换器。
传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。
智能温度变送器是采用微处理器技术的新型现场变送类仪表，其精度，功能，可靠性均比模拟变送器优越。
它可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线通信网络与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。
本设计的温度控制系统中选用了ST3000温度变送器。
ST3000温度变送器是一种智能型两线制变送仪表。
它将输入温度先好线性地转换成4~20mA的直流电流输出，同时也可输出符合HART协议的数字信号。
该变送器能配接多种标准热电偶或热电阻，也可输入其他毫伏信号。
仪表基本误差为±0.1%。
配合PT100的铂电阻使用，用铂电阻测量温度送给变送器，变送器在送给控制器，控制器就能准确的来调节阀门的开度。
2.控制器的选择
控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。
本文选择ST-801S-96温度控制器，供电电压：
AC/DC85~264V。
以下为次控制器特点：
1测量控制范围：
温度-50℃～150℃显示精度±0.1℃（＜100℃）检测精度：
±0.5℃。
2参数设置：
控制值：
全量程0～100％回差：
温度1~30℃传感器误差修正：
温度-50℃～150℃。
显示方式：
三位LED数码管显示，1位小数。
3加热控制：
启动：
温度≤设定温度（下限）；停止：
温度≥设定温度（下限）＋温度回差。
；
4风扇控制：
启动：
温度≥设定温度（上限）；停止：
温度≤设定温度（上限）－温度回差。
功率消耗：
≤5W。
5负载继电器输出容量：
AC220V/5A（阻性负载时）◇ST-801S-96型二路◇ST-802S-96型四路◇ST-803S-96型六路。
6报警继电器触头容量：
AC220V/5A（阻性负载时）一路。
7外形尺寸：
控制器96ⅹ96ⅹ125mm传感器75×80×28.5mm安装方式：
嵌入式安装：
在安装面板上开91+0.5ⅹ91+0.5mm孔，用安装支架将控制器固定在面板上。
3.执行器的选择
自动控制系统里的执行器是指接受某种信号的控制，对外输出机械力或转矩的装置。
它不仅能驱动阀门的开闭，也可以用来驱动其他需要力或位移的对象，是人工远方控制的终端，也是自动调节系统和被调对象间的一个接口。
其设计或选型的正确与否直接影响控制或调节的效果。
电动执行器电动执行器，又称为电动执行机构。
它是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。
本设计选择ZKJ-210电动执行器，工作原理 ：
ZKJ系列电动执行机构是工业过程测量和控制系统的终端控制装置，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移、直线位移，控制阀门等截流件的位置或其它调节机构，使被控介质按系统规定状态工作。
电动执行机构按控制方式分为比例和积分式。
比例式执行机构由电动伺服放大器和积分式执行机构组成，它能够将系统的控制信号与关于输出轴位置的反馈信号加以比较（闭环控制）以改变输出轴的行程，使之与输出信号成比例关系。
积分式执行机构由伺服电机、减速器及位置发送器组成，它能够与电动操作器配合对阀门或其它调节机构实现远方操作。
主要技术参数
ZKJ系列电动执行机构按照中华人民共和国国家标准GB11922-89《工业过程测量和控制系统用电动执行机构》的规定制造。
1. 输入信号:
电子式:
4--20mA DC 或 0--10mA DC,普通式:
开关量
2. 输入通道电阻:
250欧姆 或 200欧姆
3. 输入通道个数:
普通型配放大器3个，电子式1个。
4. 基本误差:
2.5%。
5. 回差:
≤1.5%。
6. 死区:
≤3%。
7. 阻尼特性:
≤3次半周期。
8. 电源电压:
220V或 380V ，50Hz。
9. 工作环境:
温度:
-10 0 C -- +55 0 C ，湿度 :
≤95%,周围空气不含有腐蚀性质。
如图2.1所示，一个控制器控制两个调节阀，这个控制就是控制信号的分段
即分程控制，在分成控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求决定的，调节器输出信号需要分成几个区段，本设计就是控制器控制两个调节阀，当反应器中部温度达到反应温度时，化学反应开始，并不断有反应热产生，为了防止物料温度过高引起事故，此时应使调节器输出信号关闭进入换热器的阀门，同时控制冷却气体的阀门打开，向反应器夹套加入冷却气体，使反应器温度保持在生产工艺要求的范围。
第4章软件设计
4.1温度控制系统的设计
温度控制系统可以有多种设计方案，有基于单片机的，基于PLC的，还有基于计算机和仪表的，本文利用温度仪表开做控制器。
在上述温控实例中,器件工作时产生的热量将使器件本身工作温度升高,最后达到很高的基本稳定的温度。
较高的温度将严重影响器件的各种性能参数,也很可能导致器件不能正常工作,甚至损坏。
温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一个较低的水平上,这样一来就要求根据器件工作时的实际情况（如产热量大小等）采取一定的措施,随时将产生的热量即时散掉,并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制器在单位时间里吸收的热量,若两者达到动态平衡,则可以保持器件工作温度的稳定。
在一定的控制系统中,首先将需要控制的温度由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较,把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值,将控制量送给控制系统进行相应的控制,不停地进行上述工作,从而达到自动调节的目的。
当控制对象的精确数学模型难以建立时,比较成熟且广泛使用的控制方法是采用按差值信号的比例、积分和微分进行计算控制量的方法,即PID法,其控制规律的数学模型为:
其中:
KP为比例系数;e为差值信号；Ti为积分常数;Td为微分常数;V0、V0-1为当时及前一时刻的控制量。
实现PID控制原理的具体方法因系统的不同而不同。
在我们的系统中,采用了增量式计算方法,而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。
在数值控制系统中,其控制规律的数学模型演化为:
其中:
T为采集周期;ei、ei-1、ei-2为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。
这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号,同时输出控制量的初始设定值不必准确,就能较快地进入稳定控制过程。
4.2主、副调节器正反作用方式的确定
一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。
串级控制系有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。
图4.2串级控制系统传递函数框图
副调节器作用方式的确定
根据图4.2所示，出于生产工艺安全考虑，换热器调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止换热器内气体进入反应器，确保设备安全，调节阀的KV>0。
然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度正大，通过换热器的气体增大，反应器内温度上升，所以K02>0。
最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大洗漱乘机必须为真，所以副调节器大于，副调节器作用方式为反作用方式。
主调节器作用方式的确定
根据图4.2所示，当反应器中部温度升高，，主被控过程K01>0。
为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘机必须为正，所以副调节器的放大洗漱K1>0，主调节器作用方式为反作用方式。
从反应器安全角度考虑，调节阀应选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用凡是。
反之，为负作用方式，温度亦增加是正作用方式。
测量变送单元作用方式均为正。
第5章分析参数的整定
5.1控制器参数的工程整定
串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要三种。
两步整定法、逐步逼近法和一步整定法。
1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。
2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，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控制器参数。
3、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。
我们是用稳定边界法来整定串级控制系统的参数。
图5.1仿真调试
上图为在过控实验室做的仿真调试结果，利用稳定边界法来整定参数，首先取Ti=∞，Td=0，根据广义对象他特性选择一个较大的比例度P值，并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动状态。
然后等系统运行稳定后，对设定值施加一个节约绕懂，并减小P，知道系统出现等幅震荡——临界震荡过程。
记录下此时的PM（临界比例度）和系统等幅震荡的周期TM。
最后根据所记录的PM和TM，按表做设定值的经验公式计算调节器的整定参数P、Ti和Td，并按计算结果设置调节器参数，再在哦设定值扰动试验，观察过渡过程曲线。
稳定边界法经验的理论依据是在纯比例调节时，系统的最佳放大倍数约等于临界放大倍数KM的一半。
表5.1稳定边界法整定参数计算表
整定参数
调节规律
P（%）
Ti
Td
P
2PM
—
—
PI
2.2PM
0.85TM
PID
1.7PM
0.50TM
0.125TM
5.2PID调节
根据上章公式得，PID的主要参数是KP、Ti及Td。
其选择方法是:
首先根据控制系统的特性确定KP的极性。
在本文中，其极性应为负，而不是的正极性；并且实验发现，本系统虽然属于具有延迟效应的温度控制系统，但Kp不能选择过大，否则将不稳定。
其次，Ti及Td的选择相对而言就不是很严格了，可根据设计者的要求（如希望积分作用明显还是微分作用明显）而定。
关于采样周期则可以根据系统响应的延迟时间而定，一般可选择比系统响应稍快些即可，选择过小的采样周期反而不好。
本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期，约0.3～0.5s。
PID参数的选择不是唯一的，但一定要选择好关键参数。
在本文中则应仔细选择Kp，然后再选择其它参数。
只要一组PID参数能够较好地用于控制系统,并且控制效果也是较好的,则说明这样一组参数是合适的。
本文中的PID参数选择如下:
Kp=1.0，Ti=2，Td=1.5,，T=0.3。
这样的一组PID参数可以达到良好的控制效果。
第6章结论
本设计较好地达到了要求的技术指标。
在0~150范围内能较准确地实时显示现场温度，精确到小数点后一位。
通过多次仿真测试实验表明，系统在稳定可靠，控制精度较好，进入稳定状态所需要的时间短，超调量小，负荷温度控制系统的特点。
温度控制系统是在工业生产中经常遇到的过程控制理论分析和实际运行都表明，应用PID控制算法是温度控制的有效方法。
本文利用串级控制系统来控制气体温度，是反应器中部温度控制的更加精确，利用串级控制系统再加上控制器的分程控制，使整个系统更加安全可靠。
本设计能较好的控制工艺上要求高的工业生产中，但由于系统比较复杂，所以结构复杂，不易调整，投资较大。
从古至今，温度一直是人们生活中最常见的物理量。
以前是去适应它，但现在人们开始控制它，随着技术的发展，温度控制将越来越简单，越来越完善。
现在，温度控制技术与理论已经达到了一定高度，但仍需我们努力，想更高方向买进。
参考文献
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机械工业出版社，2006
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清华大学出版社，2007
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[6]黄长艺，机械工程测试技术基础。
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[7]曾剩绰，智能一起原理与设计。
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北京航空航天大学出版社，2008
3.3 合成中温串级控制系统组态
我公司沸腾床法醋酸乙烯合成反应中，反应器的中温控制是个关键性的调节系统。
它不仅影响到反应器的生产能力和醋酸乙烯（VAC）的质量，还直接影响到催化剂的活性、选择性和使用寿命。
合成反应过高，副反应增加，VAC中的副产物增加，不但增加了VAC精馏的能耗和难度，而且直接影响PVA的聚合度等重要质量指标。
所以，在工艺上对中温的波动范围要求很严，一般规定在±0.5℃的范围内变化。
3.3.1 系统控制方案
据此调节对象的特点：
大容量、大滞后，并在在该系统的控制通道中，包括了两个换热器和一个合成反应器，而这两个换热器具有明显的非线性，所以使整个过程特性随着负荷的变化而变化，具有较大的非线性，因此我们采用了如图1的串级控制，选取反应器中温为主参数，反应器入口温度为副参数。
在副回路中包括了过程特性随负荷变化而变化的那一部分。
实践证明，该系统的衰减率基本保持不变，组参数保持平稳，抗干忧性能好，自适应能力强，达到生产工艺要求。
该系统中增加PRC166以达到节约加热蒸汽消耗的目的，其调节方案如图1所示。
图10合成中温串级控制系统
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