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化学反应器设计、操作与控制第三组：崔进刘悦杨张莉瞿宏凯谢冬唐为雄温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。分类按测量范围按用途高温计、温度计标准仪表、实用仪表按工作原理热电偶温度计、热电阻温度计、膨胀式温度计、压力式温度计和辐射高温计按测量方式接触式与非接触式任务点0103-1常见温度检测仪表种类及应用测温方式温度计种类测温范围／℃优点缺点接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传双金属-80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大热电偶铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜0～1600-50～1000-50～600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低热电阻铂铜-200～600-50～150测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温，需注意环境温度的影响非接触式测温仪表辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难常用温度计的种类及优缺点液体膨胀式温度计热电偶测量温度计任务点0103-2乙酸丁酯反应器用测温仪表：•选用压力式温度仪表•理由：乙酸丁酯反应温度在120℃左右，在压力式温度仪表（—50~600℃）测量范围之内，具有价廉，最易就地集中监测的优点。任务点0103-3自动控制系统组成自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成分类方法：•自动控制系统有几种分类方法•按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统•在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。闭环控制系统•闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。•按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。•恒值控制系统•给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。•随动控制系统•给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。•程序控制系统•给定值按一定时间函数变化。如程控机床。自动控制系统的应用•自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。•在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。•在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。•此外，在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。任务点0103-4控制器及控制规律•控制器：控制器是控制系统的核心，生产过程中被控变量偏离设定要求后，必须依靠控制器的作用去控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过来的信息与被控变量的设定值比较后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制规律进行核算，最终输出控制信号作用于执行器上。•控制器分类：常用的有电动控制器和数字控制器•电动控制器：•电动控制器以交流220V或直流24V作为仪表能源，以直流电流或直流电压作为输出信号。之所以选用直流信号，是因为直流信号不受传输线路中的电感、电容及负荷性质的影响，不存在相移问题，抗干扰能力强；直流信号传输容易实现模拟量到数字量的转换，从而方便地与工业控制计算机配合使用；直流信号获取方便，应用灵活。•控制器共有“自动”、“保持”、“软手动”和“硬手动”四种工作状态，通过面板上的联动开关进行切换。当控制器处于“自动”工作状态时，输入的测量信号和设定信号在输入电路进行比较后得出偏差，后面的比例微分电路和比例积分电路对偏差进行PID运算，然后经输入电路转换成4~20mA的直流电流输出，控制器对被控变量进行自动控制。当控制器处于“软手动”或“硬手动”工作状态时，由操作者一边观察面板上指示的偏差情况，一边在面板上操作相对应的按键或操作杆，对被控变量进人工控制。•电动控制器是连续的模拟控制仪表。随着工业生产规模的不断扩大和自动化的不断提高，模拟控制仪表很难满足生产要求。因为一块模拟仪表只能控制一个变量，而大型企业中，需要检测和控制的变量数以万计，若都采用模拟控制仪表，其占地之大、布线之繁、操作之不便，使得控制系统的可用性和可靠性都会大为降低。电控制器基本被数字控制器取代。•DTL—3110控制器正面示意图数字控制器数字控制器与常规的模拟控制器相比，具有如下特点：实现了仪表、计算机一体化；具有丰富的运算、控制功能；通用性强、使用方便；使用灵活、便于扩展；可靠性高、维护方便•数字控制器的种类很多，应用最多的是单回路控制器，其品种有以下五类：•可编程序控制器，•固定程序控制器，•可编程脉宽输出控制器，•混合控制器，•批量控制器KMM控制器正面面板布置图常用控制规律：•1、双位控制•在所有的控制规律中，双卫控制规律最为简单，也最容易实现。其动作规律是：当测量值大于或小于设定值时，控制器的输出为最大（或最小），即控制器的输出要么最大，要么最小。相应的执行机构也就只有两个极限位置——要么全开，要么全关。双卫控制由此得名。•双卫控制系统结构简单、成本低、容易实现，但质量控制较差，大多应用于允许被控制变量上下波动的场合。如原料储罐、恒温箱、空调、电冰箱中的温度控制，为气动仪表提供气源的压缩空气罐中的压力控制等。•如果控制系统能使执行机构的行程变化与被控制变量偏差的大小成一定比例关系的话，就可能使上述贮槽的物料流入量等于流出量，从而使液位能稳定在某一值上，即系统在连续控制下达到平衡状态。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差大小成比例关系的控制规律，称为比例控制规律。•比例控制规律•控制器输出变化与输入偏差成正比。•在时间上没有延迟。•在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比例作用强弱的参数。•工业上用比例度来表示比例作用的强弱。•单纯的比例控制适用于扰动不大、滞后较小、负荷变化小、要求不高、允许有一定余差存在的场合。•2、比例（P）控制3、比例积分（PI）控制•比例控制规律是基本控制规律中最基本的，应用最普遍的一种。其最大优点是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的比例控制的基础加上积分控制作用。•积分控制规律•KI表示积分速度。控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏差存在的时间长短。•只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间越长，输出信号的变化量越大，直到达到输出极限。•只有余差为0，控制器的输出才稳定。•力图消除余差是积分作用的重要特性。•比例积分控制器是目前应用最广泛的一种控制器，多用于工业上液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统的稳定性变差。对于有较大滞后性的系统控制，要尽可能避免使用积分控制。•微分控制规律•其输出正比于输入对时间的导数。•TD为微分时间常数。•传递函数：•微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。因此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。•4、比例微分控制（PD）控制任务点0103-5执行器种类及应用•执行器是自动控制系统的终端执行部件，由执行机构和调节机构组成，负责从自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用。•执行器的分类•1、执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器三种。•2、按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。•3、按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。•4、按输入控制型号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。•执行器的应用•气动执行器在化工、炼油等对安全要求较高的生产过程中得到广泛的应用。安全性能差，动作不够迅速，虽然近年来有经过不断改进，应用逐渐扩大的趋势，但总体来看不如气动执行器的应用普遍。任务点0103-6温度自动控制方案•1、低温控制低温控制的特点主要是周围环境温度都比样品的温度高，热量总是源源不断地通过对流、传导和辐射等形式传输给样品。因此，低温控制的任务是：有节制的控制输入的热量与冷量，借以得到所需的温度。借助于低温实验室常备的冷却液，如液氧、液氮和液氦（或包括液氢），控制液体沸腾的压强，即可得到下列温度范围：1—4K(液氦)；54—90K(液氧);63—77K(液氮);10—20.4K(液氢).•2、中温控制以恒温油槽为例，说明温度自动控制原理。油槽结构分为恒温槽部分和控制部分。恒温槽由槽体、保温层、隔离筒和搅拌器等构成，由敏感元件、控制元件、执行原件组成控制系统，控制对象为油的温度。•导电表传感温度的变化，反映为水银柱的高度。当温度高于给定温度时，导电表接通继电器的输入电路，继电器切断加热器，油温在冷却水作用下降低；当油温低于给定温度是，导电表水银柱下降，继电器输入电路断开，继电器动作并接通加热器，油温在加热器作用下上升。如此循环，维持油恒定在给定温度。•3、高温控制由于外界的影响引起敏感元件材料不稳定，使接触式温度计量器具（如热电偶、电阻温度计等）的应用受到了限制。因此，在高温控制中经常采用不接触方法—光学高温计和辐射高温计。但光学高温计的检测结果带有主观性并且不能实现自动检测。而辐射高温计难于测量小物体的温度和难于靠近被测物体，同时易受其它受热物体辐射的影响。•带有光导接收和传感元件的辐射高温计可以消除上述温度计所固有的缺点，用于控制生产过程中温度的稳定性和保证从一个过程到另一个过程的温度复现，以及作为自动恒温中的传感器。使用光导高温计来控制高温，并不低于用热电偶的精度。同时还用于热电偶退火炉的温度控制。保证了加热器工作状态能准确及时的得到校正。•光导高温计结构简单、配备较容易，完全能够保证在各种情况下可靠的进行高温控制。任务点0103-7乙酸丁酯反应器温度自动控制方案•采用改变传热量方法•中温控制：反应釜由夹套和搅拌器等构成，由敏感元件、控制元件、执行原件组成控制系统，控制对象为反应釜的温度。•导电表传感温度的变化，反映为显示器度数变化。当温度高于给定温度时，导电表接通执行器（以电动调节阀为例），电动调节阀切断加热管路，开冷却管路，反应釜温度在冷却水作用下降低；当反应釜温度低于给定温度是，读数减小，冷却管路断开，电动调节阀开启加热管路，反应釜温度在水蒸气作用下上升。如此循环，维持反应釜恒定在给定温度釜式反应器的控制方法：•1：控制进料温度（通过控制预热/预冷器