管式热裂解反应器出口温度前馈 - 反馈控制系统设计(3)

2019-03-16 20:11

中北大学课程设计说明书

流量加大时,温度势必增加,所以阀门控制选择气开式。而当燃油流量增加时,出口温度会增加,所以控制器选择反作用,调节器应选择正作用。

控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动控制阀用压缩空气作为工作能源,主要特点是能在易燃易爆环境中工作,广泛地应用于化工、炼油等生产过程中;电动控制阀用电源工作,其特点是能源取用方便,信号传递迅速,但难以在易燃易爆环境中工作;液动控制阀用液压推动,推力很大,一般生产过程中很少使用。

三、检测变送器的选择 1.温度检测器

热电偶作为温度传感元件,能将温度信号转换成电动势(mV)信号,配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温,可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化,如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件,就可以作为温度传感元件用来测温,称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加,而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

采用热电阻法测量温度时,一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压,当热电阻的连接导线很长时,导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差,不管热电阻和测量一边之间的距离远近,必须使导线电阻的阻值符合规定的数值,如果不足,用锰铜电阻丝凑足。同时,热电阻必须用三线接法,热电阻用三根导线引出,一根连接电源,不影响桥路的平衡,另外两根被分别置于电桥的两臂内,使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。 2.温度变送器

检测信号要进入控制系统,必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此,热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后,才能进入控制系统,与控制器等其他仪表配合工作。

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图1给出了温度变送器的原理框图,虽然温度变送器有多个品种、规格,以配合不同的传感元件和不同的量程需要,但他们的结构基本相同。

电量 输出电流 + 传感元件 输入电路 放大电路 反馈电路 图1 温度变送器原理框图

MAT-TT系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合,以十分简捷的方式把-200~1300℃的温度信号转换为标准4~20mA电流信号实现对温度精确测量与控制。

MAT-TT系列温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用,并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。

仪表主要特点:

温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺,适应于各种恶劣和危险场所使用。冷端、温漂、非线形自动补偿。液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。

技术指标:

(1)基本误差:±1.0%、±0.5%、±0.25% 二线制输出、无需补偿导线。 (2)输出信号:4~20mA 抗干扰能力强、远传性能好。

(3)负载电阻:250Ω允许范围为0~500Ω 结构简单、合理安装方便。 (4)供电电源:24V DC 允许范围为18~30VDC 小型化、安全可靠、使用寿命长。

(5)温度漂移:≤0.015%/℃ 三线制、二线制输入方法通用。

(6)环境温度:-25~60℃、相对湿度:≤95% 液晶显示现场温度,清晰度高,无视觉误差。 3.流量变送器

流量变送器采用LWQ型气体涡轮流量变送器。它吸取了国内外流量仪表先进技术经过优化设计,综合了气体力学、流体力学、电磁学等理论而自行研制开发

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的新一代高精度、高可靠性的气体精密计量仪表,具有出色的低压和高压计量性能,多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性,广泛适用于天然气、煤制气、液化气、轻烃气等气体的计量。该类涡轮流量产品本身不具备现场显示功能,仅将流量信号以电流信号(4-20mA)的方式远传输出。仪表价格低廉,集成度高,体积小巧,特别适用于与二次显示仪、PLC、DCS等计算机控制系统配合使用。且该类涡轮流量计具有防爆功能。 四、控制规律的选择

在控制系统中,主,副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用,副控制器起随动控制作用,这是选择控制器规律的基本出发点。

主被控参数是工艺操作的主要指标,允许波动范围很小,一般要求无静差,因此,主控制器应选PID控制规律。

副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响,因而可以允许在一定范围的变化,并允许有静差。为此,副控制器选择P控制规律。 五、前馈—反馈控制系统的控制过程分析

图2所示为精馏塔提馏段温度为主控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料流量为前馈信号组成的相乘型前馈-反馈控制系统。图中,FC是加热蒸汽流量控制器;TY是乘法器;TC是提馏段温度控制器;FY是前馈控制器。从前馈原理角度看,进料量是扰动变量,反馈信号来自提馏段温度,前馈信号来自进料流量,反馈信号和前馈信号进行相乘运算,运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。

其控制器的正、反作用选择如下:

1、 主被控变量 燃油流量 2、 副被控变量 过热水蒸气流量

3、 控制阀 从安全角度考虑,选择气开型控制阀,Kv>0。

4、 副被控对象 控制阀打开,过热水蒸气流量增加,出口温度也增加,因此,Kp2>。

5、 副控制器 为保证负反馈,应满足Kc2KvKp2Km2>0,因Km2>0,应选Kc2>0, 即选用反作用控制器。

6、 主被控对象 当燃油流量增加时,管式热裂解反应器出口温度升高,

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因此,Kp1>0。

7、 主控制器 为保证负反馈,应满足Kp1Kc1Km1>0,因Km1>0,应选Kc1>0, 即选用反作用控制器。

图3是该控制系统框图。图中,Gy是乘法器,即壁纸控制系统中的比值函数环节;Gff是前馈控制器,即是管式热裂解反应器出口温度控制器;Gc2是副控制器。

F Gff Gm Gf r T Gc1 Gy Gc2 Gv Gp2 Gp1 Gm2 Gm1 图 3 前馈-反馈控制系统框图

3.2 参数的工程整定 一、Kf型前馈控制器

这种模型具有比例特性,实施起来比较容易,用比例控制或比值器等常规仪表就可以实现。Kf可通过现场进行整定。当控制管道的时间常数与干扰通道的时间常数近似相等时,采用这种静态前馈控制,其控制质量将有很大的改善。 二、工程整定

静态参数Kf是前馈控制模型中最基本的参数,它对前馈控制系统中的运行状态影响很大,首先应将整定好。整定方法主要有开环整定和闭环整定。 1.开环整定

就是在系统中做单纯的静态前馈运行下加干扰,Kf值由小到大,直到被控

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量回到设定值。此时,所对应的Kf更视为最佳整定值。在进行整定会有较大的误差。另外,由于系统中是处于单纯的前馈运行状态,在整定过程中,被控量失去反馈控制。为了避免Kf过大而导致被控量产生太大的影响甚至发生生产事故,所以Kf由小逐步增大。由于这种方法容易影响生产的正常进行,所以实际中应用越来越少。 2.闭环整定

可以让系统处于前馈反馈运行状态整定Kf,也可以让系统处于反馈运行的状态对Kf进行整定。需要指出的是,使用这种方法整定时,反馈控制器应有积分作用。否则,在干扰作用下,无法消除被控量的静态误差。同时也要求工况稳定,尽量减少其他干扰的影响。 3、PID参数整定

1)PID参数的选取

如果PID参数不合适,PID的调节结果可能比二位式调节的结果还差,例如产生幅度很大的连续振荡,产生长时期不能消除的静差,或者是在系统受扰动后不能尽快复原等,因此,根据被控对象的工况选取合适的PID参数,是用好PID调节仪表的关键。在大多数场合,选择P=5%,I=210秒,D=30秒,就能达到较理想的调节效果。

根据比例带XP1和振荡周期T,查上表后计算出合适的比例带、积分时间、微分时间三个参数的具体数值,再安仪表的设置步骤键入PID参数并稍作微调即可。

概括的说,比例带P设置的数值越大,系统越不会发生振荡,静差也越大;积分时间I设置的数值越大,积分的作用越不明显,消除静差所需的时间也越长,系统越不会发生振荡;微分时间D设置的数值越小,对比例带和积分的作用力越小,系统不会发生振荡,但系统的响应速度也变得迟钝。积分的作用是使系统趋向稳定,而微分的作用是抑制超调,但会使系统趋向不稳定,微分与积分配合的当,就可获得尽快而稳定的调节过程。

在管式热裂解反应器出口温度前馈-反馈控制系统中,设定值为X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为


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