1、 中北大學課程設計任務書 2014/2015 學年第 1 學期學 院： 機械與動力工程學院 專 業： 過程裝備與控制工程 學 生 姓 名： 李 誠 學 號： 11020343 課程設計題目： 流化床反應器溫度前饋-反饋控制方案設計 起 迄 日 期： 2015年1月 19 日2015年 1 月30 日 課程設計地點： 中北大學 指 導 教 師： 學科部副主任： 下達任務書日期: 2015年1月19日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：（1）培養學生運用過程檢測儀表與控制技術及其他相關課程的知識，結合畢業實習中學到的實踐知識，獨立地分析和解決實際過程控制的問題，初步具備設計分析一個過程控制系統的

2、能力。 （2）運用工程的方法，通過一個簡單課題的設計練習，可使學生初步體驗過程控制系統的設計過程、設計要求、完成的工作內容和具體的設計方法。（3）培養學生獨立工作能力和創造力；綜合運用專業及基礎知識，解決實際工程技術問題的能力；（4）培養查閱圖書資料、產品手冊和各種工具書的能力；（5）培養編寫技術報告和編制技術資料的能力。2設計內容和要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：經過過程檢測、過程控制工程、工程測試技術、過程裝備原理、過程流體機械、過程裝備監測與診斷等課程的學習和生產實習后，對現場的實際過程控制策略、實際環節的控制系統有了一定的認識和了解。在此基礎上，針對實踐環節中的被控對

3、象（控制裝置），獨立完成控制系統的設計，并通過調節系統控制參數，達到較好的控制效果。1. 確定系統整體控制方案以及系統的構成方式，給出控制流程圖；2. 現場儀表選型，編制有關儀表信息的設計文件；3. 給出控制系統方框圖；4. 分析被控對象特性，選擇控制算法；5. 進行系統仿真，調節控制參數，分析系統性能；6. 寫出設計工作小結。對在完成以上設計過程所進行的有關步驟：如設計思想、指標論證、方案確定、參數計算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對所完成的設計作出評價，對自己整個設計工作中經驗教訓，總結收獲。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：1確定系統整體

4、控制方案、儀表選型、系統控制流程圖、選擇控制算法。2撰寫課程設計說明書一份（A4紙）。4主要參考文獻：1陳炳和，許寧.化學反應過程與設備（第二版）M.北京：化學工業出版社，2003：134，19-21.2金杰.制藥過程自動化技術M.北京：中國醫藥科技出版社，2009.3： 242. 3俞安然.反應器的自動調節M.北京：化學工業出版社，1985.10：227-242.4戴連奎，于玲，田學民等.過程控制工程（第三版）M.北京：化學工業出版社，2012.8：20，51-64，65-70.5俞金壽，孫自強.過程自動化儀表(第二版)M.北京：化學工業出版社，2010.9：33-39，63.6百度百科.電

5、動調節閥.UmiyW9lrVoBlHut68L4v188uEAfurG6wQFRO4qk_qg-8k3mHIP6ATT_sYzRh_，2014.12.7張佳薇.檢測與轉換技術M.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011.08：113-114.8袁德成.過程控制過程M.北京：機械工業出版社，2013.02:198-199.9王正林，郭陽寬.MATLAB/Simulink與過程控制系統仿真(修訂版)M.北京：電子工業出版社，2012.09:223-233.10劉文定.過程控制系統的MATLAB仿真M.北京：機械工業出版社，2009:79-80.5設計成果形式及要求：提供課程設計說明書一份，要求內容與

6、設計過程相符，且格式要符合規定要求；其中應包括系統控制流程圖、方框圖、Simulink仿真模型；并且方框圖中各環節的傳遞函數應該和被控對象、控制裝置的分析一致， Simulink仿真模型的傳遞函數應該和方框圖中分析的一致；6工作計劃及進度： 2015年1月19日-1月21日 確定系統整體控制方案以及系統的構成方式，畫出控制流程圖，完成儀表選型，接線圖；2015年1月22日-1月23日 控制系統方框圖，分析被控對象特性，選擇控制算法； 1月 24日-1月28日 進行系統仿真，調節控制參數，分析系統性能； 1月 28日-1月29日 編寫課程設計說明書 1月 30日 答辯負責人審查意見： 簽字： 年

7、 月 日中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 李 誠 學 號： 11020343 學 院： 機械與動力工程學院 專 業： 過程裝備與控制工程 題 目： 流化床反應器溫度前饋-反饋控制方案設計 指導教師： 劉廣璞 職稱: 副教授 崔寶珍 職稱: 副教授 2015年 1 月 30 日中北大學課程設計說明書目 錄第一章 流化床反應器工作原理及結構特點11.1流化現象11.2流化床的工作原理11.3流化床的結構11.4常見的流化床21.4.1丙烯腈反應流化床21.4.2提升管催化裂化反應器31.4.3醋酸乙烯反應器41.5流化床反應器的特性4第二章 流化床的控制方案的選定62.1變量的分析與選

8、取62.1.1被控變量62.1.2操作變量62.1.3擾動變量62.2控制方案的選擇62.2.1方案一物料流量作為前饋信號72.2.2方案二冷卻劑溫度作為前饋信號72.3被控對象分析8第三章 流化床反應器溫度的控制系統的設計93.1前饋-反饋控制系統框圖93.2儀表選型及參數確定103.2.1控制器103.2.2調節閥113.2.2溫度測量123.2.4流量計153.2.5前饋控制器163.3小結16第四章 MATLAB系統仿真184.1參數整定184.1.1前饋控制系統整定184.1.2反饋控制系統整定184.2冷卻劑流量干擾分析214.2.1階躍干擾214.2.2正弦干擾22總結24參考文

9、獻25第1章 流化床反應器工作原理及結構特點1.1流化現象對于固定床反應器，因為催化劑是固定的。流體實際上只能在催化劑顆粒間的孔隙內穿流，不但催化劑的表面反應受到限制，降低了催化劑利用率。而且，床層的溫度分布不均勻，不能保證各部分都在最適宜的溫度條件下進行化學反應。如果減少顆粒大小，增加氣流溫度，且讓氣流由下自上通過，當氣流速度達到某一值以后，催化劑在床內處于氣流的湍動狀態，大大增加了催化劑和氣流的接觸面積，既增加了催化劑的利用率，又改善了溫度分布，這種固體在氣流作用下產生像流體一樣流動狀態稱流化態1。1.2流化床的工作原理 流化床反應器是氣相反應常用的一種反應器。流化床反應器的工作原理如圖1

10、-1所示，根據前面1-1節對流化現象的介紹，當反應氣體通過反應器時，催化劑顆粒受到氣流的作用懸浮起來，在反應器內作劇烈的翻滾、流動，整個系統與流動的或沸騰的液體很相像，所以稱流化床或沸騰床。催化劑沸騰后，由于攪動劇烈，因而傳質、傳熱和反應強度都較高，并且有利于連續化和自動化生產2。它既具有化學反應器的共同點，又具有自身的特點。圖1-1 流化床反應原理1.3流化床的結構流化床的結構形式較多，但無論什么形式，一般都由流化床反應器主體、氣體分布裝置、內部構件、換熱裝置、氣固分離裝置等組成1。圖1-2是有代表性的帶擋板的單器流化床反應器。圖1-2 流化床反應器1.4常見的流化床下面介紹幾種工業生產中常

11、見的流化床3。在后面設計與分析中都以丙烯腈反應流化床反應器為例。1.4.1丙烯腈反應流化床丙烯腈反應流化床結構示意圖如圖1-3所示，液態的丙烯與液氨經過氣化后，在管路中匯合后經反應器底部的丙烯、氨分布器進入反應器，壓縮空氣經反應器底部的空氣分布器進入反應器，三種物料在處于流化狀態下的催化劑的作用下，生成丙烯腈。圖1-3 丙烯腈反應流化床反應溫度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一個重要工藝參數，流化床工作的好壞，可以明顯地從反應溫度上表現出來，當反應狀況良好時，反應溫度易于控制。如圖1-4所示，可知反應溫度對丙烯腈及副產品乙腈、氫氰酸的單程收率有一定的影響。反應溫度高，丙烯腈單程收率高、副產少。但當

12、反應溫度過高時，合成物易深度氧化，生成較多的CO2，溫度難以控制；另外，若持續長時間的高溫，還會縮短催化劑的壽命。生產中，實際溫度控制在450左右。圖1-4 反應溫度對吸收率的影響1.4.2提升管催化裂化反應器催化裂化反應器是雙器的流化床反應器，它的作用是在500左右的高溫下把原料油裂解成烴類等輕質油品。裂解是吸熱反應。它所需的熱量，由催化劑再生燃燒所產生的熱量提供。反應器有并列式，同軸式及提升管式，如圖1-5所示是提升管催化裂化反應器。圖1-5 提升管催化裂化反應器提升管反應器已廣泛應用于重油催化裂化，但仍還有不少值得研究和改進之處，特別是為了提高輕質油收率并直接生產清潔油品，近年來出現了不

13、同形式反應器系統的重油催化裂化工藝技術，如兩段提升管催化裂化技術（TSRFCC）、多產異構烷烴催化裂化技術（MIP）以及催化裂化汽油輔助反應器改質技術等。1.4.3醋酸乙烯反應器醋酸乙烯的合成，是以乙炔和醋酸為原料，采用活性炭為載體的醋酸鋅觸媒，在流化床反應器內進行的。工藝流程圖如圖1-6所示。醋酸在蒸發器中汽化后，與乙炔一起進入反應器底部，反應產物從反應器頂部引出，在旋風分離器中分離出來帶的觸媒后，進入分離塔。分離塔分三段：塔底出來的循環液，一部分循環，一部分排除；塔中流出的是反應液，主要成分是醋酸乙烯，未反應的醋酸以及副產物乙醛和乙烯醛，大部分反應液送往精餾工段精制；塔頂出來的乙炔大部分循

14、環使用，少部分送往放空系統。圖1-6 醋酸乙烯合成裝置工藝流程示意圖1.5流化床反應器的特性1.流化床內溫度分布比較均勻在流化床內固體顆粒成湍動狀態。因此，帶來兩個重要結果：傳熱系數大，床內溫度均勻。流化床內由于顆粒的湍動，顆粒之間碰撞機會多，所以固體顆粒之間傳熱很快，而固體主要又是懸浮狀態，所以傳熱面積很大，大大增加了氣體和固體之間的傳熱速率，另外，還由于固體顆粒不斷與換熱器壁相碰撞，使得床層與換熱器的傳熱系數也大大增加。高的傳熱系數，不僅導致熱量容易移去，而且使得床層內溫度均勻，不論是徑向還是軸向溫度基本上一致3。2.反應物料流速的影響反應物料流速變化給反應器帶來兩個方面的問題，一是對反應

15、放出的熱量的影響，另一是對傳熱系數的影響3。3.關于傳熱系數K的問題反應物料從底部經分布板進入反應器的濃相區，有序固體顆粒催化劑激烈湍動，反應物料與催化劑表面迅速接觸，反應發部分在這很快完成，并放出大量的熱。隨著氣流上升，進入稀相區，反應緩和，放出的熱量減少。而流化床傳熱系數主要取決于固體顆粒多少和湍動程度。在濃相區，固體顆粒多，所以傳熱系數也大，熱量容易移走。在稀相區，固體顆粒大為減少，接近于氣管傳熱情況，所以傳熱系數小，傳熱效果也差。因此，雖然整個床層溫度比較均勻，傳熱推動力差不多，由于傳熱系數相差很大，它們熱量主要在濃相區移去。因而濃相區的換熱器擔負主要冷卻作用。它的冷卻情況變化對流化床

16、反應溫度的影響遠比稀相區換熱器影響大3。第二章 流化床的控制方案的選定2.1變量的分析與選取2.1.1被控變量在上面介紹中，反應溫度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一個重要工藝參數，它的穩定與否直接影響生產質量。所以可以選擇流化床反應器內部反應溫度為被控變量，其穩定值要求為450。2.1.2操作變量調節方式為調節管換熱器進水量或穩定反應物料流量，如圖2-1所示。對于流化床下部換熱管來說，冷卻劑流量、溫度等變化，對反應影響極大3。故操作變量選擇換熱器冷卻劑進水量，通過調節閥門開度調節其大小。圖2-1 流化床溫度調節的兩種方式2.1.3擾動變量對于流化床反應器，其擾動變量包括：物料流量、溫度，冷卻劑流

17、量、溫度，進口物料組成等。其中物料流量、溫度以及冷卻劑流量、溫度較容易測量。2.2控制方案的選擇對反應器冷劑或熱劑流量進行定值控制，就可以使反應過程的熱量達到平衡，也可以將反應物的進料量作為前饋信號，構成前饋-反饋控制8。下面介紹兩種控制方案。2.2.1方案一物料流量作為前饋信號以物料流量為前饋信號的前饋-反饋控制系統來提高控制質量，控制方案圖如圖2-2所示。對于前饋作用，通過測量物料的流量，接著通過前饋控制器產生合適的作用于冷卻劑閥來改變其開度，使溫度保持在設定值上。對于反饋作用，測其內部溫度，隨后信號進入控制器，控制器將測量信號與設定值進行比較產生偏差信號，并按照一定的運算規律生成輸出信號

18、，從而控制冷卻閥開度，達到調節效果。圖2-2 以物料流量作為前饋信號的前饋-反饋控制方案2.2.2方案二冷卻劑溫度作為前饋信號由于冷卻劑流量、溫度變化對反應影響極大，這里可以考慮選擇冷卻劑進料溫度作為前饋干擾信號構建前饋-反饋控制系統。其控制方案圖如圖2-3所示。圖2-3 以冷卻劑溫度作為前饋信號的前饋-反饋控制方案上述方案一適合物料進料流量變化比較大的場合，方案二適合物料進料流量和溫度穩定且冷卻劑溫度變化較大的場合。在后面的設計中，將以方案一為例進行設計。2.3被控對象分析本設計不妨將流化床反應器簡化為反應器模型，反應器溫度與冷卻水的開環傳遞函數，可等效為二階系統（分子多項式為一階，分母多項

19、式為三階）包含兩個溫度測量滯后環節8。則被控對象傳遞函數，即操作變量冷取水流量F(s)對被控變量流化床反應器溫度T(s)的傳遞函數為：對于上式，假設分母多項式三階可以變形為一個二階和一階的乘積，一階多項式可以與分母的一階多項式進行約分，假設其形式為不妨假設其系數9a=6，b=5，c=10，T1=1min得： 對于物料流量的干擾D(t)對流化床反應器溫度T(t)的傳遞函數也等效為二階系統加滯后環節組成，假設其傳遞函數9：注：上述溫度測量滯后時間常數在后面溫度測量儀表選型中已經確定，即T1=1min。第三章 流化床反應器溫度的控制系統的設計3.1前饋-反饋控制系統框圖以物料流量作為前饋信號的前饋-

20、反饋控制方案框圖如圖3-1所示。圖3-1 前饋-反饋控制框圖各符號對應的含義及備注見表3-1。表3-1 系統框圖各符號含義及備注符號含義備注溫度設定值其值為450控制器的傳遞函數選用“正作用”控制器控制閥的傳遞函數控制閥選用電開式控制通道的傳遞函數冷卻劑流量對反應器溫度測量變送環節的傳遞函數干擾這里為物料進料流量前饋補償器的傳遞函數干擾對被控變量T(t)的傳遞函數物料流量干擾對反應器溫度T(s)被控變量F(s)冷卻水流量操作變量3.2儀表選型及參數確定3.2.1控制器1. 控制器控制規律的選擇常見的反饋控制規律有三種：比例控制(P)、比例積分控制(PI)、比例積分微分控制(PID)4。現將三種

21、規律的特點、用途總結如表3-2所示。表3-2 反饋控制的三種規律的特點、用途模式特點用途比例控制(P)簡單，調整方便，但會產生余差。多用于就地控制以及允許誤差存在的場合。比例積分控制(PI)會消除余差，但降低了響應速度。一般液位或壓力控制系統對于參數的要求不嚴的場合。例如流量或快速壓力系統。比例積分微分控制(PID)可用來補償對象滯后，提高響應速度。適用于多容及緩慢變化過程，如溫度和成分控制。對于丙烯腈流化床反應器溫度的控制，屬于緩慢變化過程，且要求其溫度控制在450左右，盡量減少其余差，才能提高其產量。所以控制器選擇比例積分微分(PID)控制。2.控制器型號的選擇控制器類型有很多種，有文獻5

22、介紹了模擬式、數字式、可編程等控制器，考慮到模擬式控制器在工業上應用廣泛，這里選用DDZ-型電動單元控制器。它是以來自變送器的15V直流測量信號作為輸入信號，與15V直流設定信號相比較得到偏差信號，然后對此偏差信號進行PID運算后，輸出15V或420mA直流控制信號，對實現工藝變量的控制。3.PID控制器參數分析一個理想的PID控制器4為：其中參數Kc，Ti，Td需要通過參數整定獲得，整定方法有經驗法、臨界比例度法、衰減振蕩法、響應曲線法4。在后面的分析中：P=Kc=PB，I=，D=KcTd工業上大多數系統只要用經驗整定法既能滿足要求4。以經驗法為例，對于溫度系統，各需整定參數范圍如下：PB=

23、2060%，310min，0.53min。初始值不妨取PB=20%，。隨后依次增大各個參數找最佳值。則控制器傳遞函數不妨先定為：3.2.2調節閥1.調節閥選型本設計中調節閥的作用是用于冷卻劑流量的調節。選用電動調節閥，如圖3-2所示是ZAZP系列電動單座調節閥，接受控制器來的直流電流信號，改變被調介質流量，使被控工藝參數保持在給定值。圖3-2 調節閥本系列產品公稱通徑由20至200mm，公稱壓力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用溫度范圍由-40450，接受信號為010mA.DC或420mA.DC。流量特性為線性或等百分比。配用不同的執行機構可分為普通型和電子型兩種。主要技術參數見表3

24、-3.表3-3 ZAZP型調節閥主要技術參數公稱壓力PN(MPa)1.0 1.6 4.0 6.4固有流量特性直線、等百分比固有可調比50允許泄漏量單座硬密封：IV級 軟密封：VI級工作溫度t()-20200 -40250 -40450 -60450信號范圍（mA.DC）010 420作用方式電關式 電開式使用環境溫度（）電動調節閥：-2070 伺服放大器：050使用環境濕度電動調節閥：95% 伺服放大器：85%電源電壓220V 50Hz 380V 50Hz 24AC/DC2.調節閥傳遞函數表3-3表明調節閥流量特性為直線和等百分比，故式中，為控制閥的流通面積，通常在一定范圍內變化。這里假設4（

25、即控制器輸出變化1%，控制閥的相對流通面積變化1.0%）。3.2.2溫度測量1.溫度測量方法選取表3-4列出了幾種主要的測溫方法5。表3-4 幾種主要測溫方法對于流化床反應器，要求溫度測量精確，可以選擇接觸式測溫法，選用熱電偶測溫，如圖3-3所示。熱電偶的分度規格及特性和時間常數6分別見表3-5，表3-6。圖3-3 熱電偶表3-5 熱電偶的分度規格及特性表表3-6 熱電偶時間常數根據表3-5，圖中熱電偶的熱電特性曲線，E曲線最陡且其線性度好，故選擇鎳鉻-銅鎳型熱電偶。根據表3-6，鎳鉻-銅鎳型熱電偶熱惰性級別為，熱電偶的時間常數取60s(1min)。2. 溫度變送器溫度變送器是電動單元組合儀表

26、的一個主要單元。其作用是將熱電偶的檢測信號轉變成標準統一信號，輸出到控制器實現與給定值的比較5。以某公司的智能溫度變送器為例，如圖3-4所示。圖3-4 智能溫度變送器 其部分功能參數見表3-7。表3-7 溫度變送器部分功能參數可接入傳感器熱電偶 B/C/D/E/J/K/L/N/R/S/T/U響應時間250ms供電電源24VDC（允許工作電壓范圍：1436VDC)輸出信號420mA，HART通訊測量溫度-200800使用環境溫度-4085（液晶顯示：-2070）3.溫度測量環節傳遞函數溫度測量環節用一階環節來近似4，即有：由前面表3-2可知熱電偶儀表量程為400500，時間常數，則則：3.2.4

27、流量計本設計的流量計測量進口物料的流量，其流量的變化作為前饋測量的干擾，要求流量計精度高。而渦街流量計的輸出信號是與流量成正比的脈沖頻率信號或標準電流信號，可以遠距離傳輸，而且輸出信號與流體的溫度、壓力、密度、成分、黏度等參數無關。該流量計量程比寬，結構簡單，無運動件，具有測量精度高、應用范圍廣、使用壽命長等特點5。所以選用渦街流量計測量物料進口流量。以SKLUCB型插入式渦街流量計，如圖3-5所示。主要技術參數如表3-8所示。圖3-5 插入式渦街流量計表3-8 流量計技術參數公稱通經（mm）2501500儀表材質1Cr18Ni 9Ti公稱壓力（Mpa）PN1.6Mpa；PN2.5Mpa被測介

28、質溫度（）40+250環境條件溫度10+55，相對濕度590，大氣壓力86106Kpa精度等級示值的±2.5%量程比1:10；1:15阻力損失系數Cd<2.6輸出信號傳感器：脈沖頻率信號0.1 3000Hz 低電平1V 高電平6V變送器：兩線制4 20mADC電流信號3.2.5前饋控制器應用不變性條件4，可推導前饋控制器傳遞函數：此前饋控制器數學模型可表示為：則Kf =2.5，T2=5min，T3=8min。3.3小結通過以上的分析和計算結果，對系統各個環節傳遞函數匯總如圖3-6所示。圖3-6 前饋-反饋控制系統框圖注：Gc(s)的參數需通過參數整定獲取較精確值，后面章節MAT

29、LAB系統仿真中會詳細分析，在前面PID參數分析中給出了初始值得公式如下：=0.2+0.1s第四章 MATLAB系統仿真4.1參數整定控制系統所整定包括前饋系統整定和反饋控制系統整定兩部分。本設計采用前饋、反饋分別整定法8。4.1.1前饋控制系統整定由于采用前饋反饋分別整定的方法，所以先進行前饋參數整定，前饋整定參數同前3.3.4節，其中Kf =2.5，T2=5min，T3=8min。4.1.2反饋控制系統整定由上面分析，對于其初值PB=20%，在MATLAB 中對應的P，I，D處初值為0.2，0.0667，0.1。這里用現場試湊法10，建立反饋系統Simulink框圖如圖4-1所示。圖4-1

30、 反饋系統Simulk框圖1.改變P，令I=0，D=0.PID參數設置為P=0.2，I=0，D=0，響應如圖4-2(左)所示。在初值450階躍下結果是穩定的，但存在明顯的穩態誤差，增大P至0.5時，如圖4-3(右)所示。其衰減比約為4:1，對于定值控制系統當其過渡過程響應曲線衰減比為4:1時效果最好10。 圖4-2 P=0.2，I=0，D=0(左)和P=0.5，I=0，D=0(右)響應曲線2. 改變I，令P=0.5，D=0.積分作用可以消除余差，PID參數設置為P=0.5，I=0.0667，D=0，如圖4-3(a)所示。減小I值，增大積分時間常數，減弱積分作用，下面取幾組數據就其超調量和響應時

31、間作對比。當P=0.5，I=0.035，D=0，超調量為61.11%，響應時間約為190s；當P=0.5，I=0.03，D=0，超調量為53.33%，響應時間約為180s；當P=0.5，I=0.025，D=0，超調量為44.44%，響應時間約為140s；當P=0.5，I=0.02，D=0，超調量為38.89%，響應時間約為130s；當P=0.5，I=0.02，D=0，超調量為33.33%，響應時間約為200s。分別對應圖4-3(b)、(c)、(d)、(e)、(f)。可以看出，當I越來越小時，震蕩部分越來越傾向于穩定值以下，其響應時間越來越大。這里選I=0.025作為最佳積分系數。 a b c

32、d e f圖4-3 改變I值系統響應曲線3.改變D，令P=0.5，I=0.025.由前面分析，對于流化床反應器的控制通道存在滯后，加入微分作用可提高系統的響應速度。可調節D的值來調節微分作用的強弱，當P=0.5，I=0.025，D=0.1，超調量為43.33%，響應時間約為130s；當P=0.5，I=0.025，D=1，超調量為17.78%，響應時間約為80s；當P=0.5，I=0.025，D=1.5，超調量為8.89%，響應時間約為80s；當P=0.5，I=0.025，D=2，超調量為5.56%，響應時間約為75s。分別對應圖4-4(a)、(b)、(c)、(d)。這里調大P，超調量和響應時間

33、都減小，震蕩部分向下偏移，如圖4-4(d)所示，其波谷值大，不是滿意的結果。這里取D=1.5為最佳微分值，對應響應曲線如圖4-4(c)。 a b c d圖4-4 改變D的值系統響應曲線4.微調從圖4-4(c)可以看出響應時間不太理想，曲線開始震蕩部分比預定值要小，然后緩慢上升到預定值導致響應時間變差，這里對I和D作調整。當P=0.5，I=0.032，D=2，超調量為6.22%，響應時間約為30s。得到比較滿意的結果。圖4-5 P=0.5，I=0.032，D=2時響應曲線4.2冷卻劑流量干擾分析4.2.1階躍干擾流化床反應器溫度前饋-反饋加階躍干擾時Simulink框圖構建如圖4-6所示。圖4-

34、6 加階躍干擾時Simulink系統框圖假設在80s時物料進料流量發生突變比原來大5m3/s，相當于給系統一個階躍干擾，其值為5，當斷開前饋補償時，如圖4-7所示的框圖，其響應曲線如圖4-8(左)所示。加上前饋作用，對應響應曲線如圖4-8(右)所示。干擾有無時超調量、響應時間情況見表3-1。圖4-7 只加干擾，斷開前饋作用系統Simulink框圖圖4-8 不加前饋補償器(左)和加前饋補償器(右)響應曲線表4-1 干擾有無超調量、響應時間情況階躍干擾有無超調量響應時間有4.44%70s無00從圖4-8可以看出，加入階躍干擾后，若沒有前饋控制器調節，系統在反饋作用下可以趨于穩定，當加了前饋作用，階

35、躍干擾對系統影響基本為零。從表4-1可以看出，有干擾時系統在反饋作用下超調量為4.44%，響應時間為70s，對于流化床反應器，對溫度控制要求高，要求迅速，反饋可能滿足不了要求，加入前饋作用對于特定的干擾有明顯的改善。對于連續變化的干擾其前饋和反饋作用效果如何，就是接下來一節要做的。4.2.2正弦干擾給其一個正弦干擾，幅值為10m3/s，框圖如圖4-9所示，正弦干擾波形如圖4-10所示。不加前饋作用其響應曲線如圖4-11(右)所示。當加上前饋補償時，對應響應曲線形如圖4-11(右)所示。圖4-9 正弦干擾下的Simulink框圖圖4-10 正弦干擾波形圖4-11 在正弦干擾下，不加前饋補償器(左)和加前饋補償器(右)響應曲線給系統加一個正弦干擾時，如圖4-11，這時反饋作用不起作用，系統不穩定，但是加了前饋作用后，系統保持穩定，可見前饋作用對冷卻劑流量變化干擾具有很好的補償作用。總結本次課設是流化床反應器溫度前饋-反饋控制系統設計，剛開始通過對被控對象進行分析，從而得出前饋-反饋控制方案，隨后得出其控制系統框圖。但其內部傳熱傳質復雜，也沒有文獻對其進行詳細的分析，給對象動態性能分析帶來了很大的困難，這里參考了文獻8提供的反應器數學模型，明確了內部各個