胡鴻翔

1工藝流程介紹

間歇式化學(xué)反應(yīng)器是生產(chǎn)苯酚過程中不可缺少的磺化工段的主要設(shè)備。其工藝流程如圖1-1所示。

首先把硫酸罐（高位槽）中的濃硫酸定量放進(jìn)反應(yīng)釜里，然后連續(xù)注入苯汽，其最大流量可達(dá)2500立升/小時，用加熱油（變壓器油）連續(xù)加熱4小時左右，其反應(yīng)溫度為120℃，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

C6H6 + H2SO4 = C6H5SO3H + H2O （吸熱反應(yīng)）

最后產(chǎn)品C6H5SO3H（苯磺酸）由反應(yīng)器底部放料，未反應(yīng)完的苯汽，通過分層分離器以后回收再使用。主要控制指標(biāo)是反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但是現(xiàn)在無法直接測量。

2有關(guān)數(shù)據(jù)和已知條件

① 反應(yīng)器動態(tài)特性可以近似的看成一階慣性環(huán)節(jié)，其放大倍數(shù)Kp= 0.8，時間常數(shù)Tp=1.5分。

② 硫酸加入量2噸。

③ 苯最大流量2500立升/小時。

④ 變壓器油溫度200℃，最大流量5噸/小時。

⑤ 反應(yīng)器規(guī)定值為120℃。

⑥ 反應(yīng)所需時間約4小時。

⑦ 加熱油管內(nèi)徑25㎜。

⑧ 苯流量（回流管）管內(nèi)徑20㎜。

⑨ 加熱蒸汽管內(nèi)徑50㎜。

⑩ 加熱蒸汽最大流量500m3 /h，壓力6㎏/ m3。

3 控制方案的確立

根據(jù)工藝過程的簡述，以及性能指標(biāo)的要求，確定使用的控制方案是一個串級控制和一些簡單回路控制。采用串級控制系統(tǒng)的部分是對反應(yīng)釜內(nèi)溫度和加熱油流量的控制。因為采用單回路的控制系統(tǒng)雖然簡單但對于加熱油所受的外部擾動作用小，如加熱油控制閥閥前溫度的變化，系統(tǒng)的抗擾動能力弱，都可能影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)。為此我們采用串級控制系統(tǒng)，在串級回路中，主控對象是反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，其輸出作為加熱油流量控制的給定值，所以加熱油的流量是被調(diào)參數(shù)，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度是調(diào)節(jié)參數(shù)。這樣可以大大提供控制品質(zhì)。

3.1 串級控制回路

1、串級控制

串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。

前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo);后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。

整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成;主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。

一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。

2、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計

1） 主回路的設(shè)計

串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計類似，設(shè)計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計原則進(jìn)行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。

2） 副回路的設(shè)計

由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。

歸納如下

1） 在設(shè)計中要將主要擾動包括在副回路中。

2） 將更多的擾動包括在副回路中。

3） 副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。

4） 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。

5） 在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時，可選流量為副被控量。

在這里要注意（2）和（3）存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實際系統(tǒng)的設(shè)計中要兼顧（2）和（3）的綜合。

3、串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用

1）用于克服被控過程較大的容量滯后

在過程控制系統(tǒng)中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時，應(yīng)該選擇一個滯后較小的副回路，保證快速動作的副回路。

2）用于克服被控過程的純滯后

被控過程中存在純滯后會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動包含在副回路中，提高副回路對系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

3）用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動

串級控制系統(tǒng)的副回路對于回路內(nèi)的擾動具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。

4）用于克服被控過程的非線性

在過程控制中，一般的被控過程都存在著一定的非線性。這會導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時整個系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級控制系統(tǒng)的副回路是隨動控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

3.2 單回路控制

單回路控制回路又稱單回路反饋控制。由于在所有反饋控制中，單回路反饋控制是最基本、結(jié)構(gòu)做簡單的一種，因此，它又被稱之為簡單控制。

單回路反饋控制由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象（簡稱對象）或被控過程（簡稱過程）、測量變送裝置、控制器和控制閥。

所謂控制系統(tǒng)的整定，就是對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過控制器參數(shù)的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。