过程控制工程——反应器系统

有建模

1 问题描述

考虑如题下图所示的过程，该过程通过A和B的反应制造产 品E。反应器出料包括E和其他一些未反应物（主要成分为原料A），简称为液体C；然后采 用分离器将E和C分开。液体C被送入精馏塔T-104，并从底部反馈至反应器。向反应器加入 的物料B的量取决于A的量以及C反馈至反应器中的回流量。对于新鲜进料A，要求物料B的 量满足给定比例为R1 = B/A；而对于回流进料C，要求物料B的量满足给定比例为R2 = B/C。 假设所有的流量计均为质量流量计。试设计一个控制方案，以控制进入反应器的总流量T， 并满足上述比值要求。

2 方案设计

C的输入流量受一个流量-液位的串级系统控制，外置液位设定值是固定的。所以C液体的流量控制器已经做好。接下来只需要控制A和B的流量控制。

B的流量受A和C的比例控制，$B=A\times R_1+C\times R_2$，而对总流量的控制只能体现在对A的控制上。

如图所示

判断控制器正反作用：各个阀门应都为气开阀

• FC74，即总流量控制器，假设为反作用，当总流量Tm变大时，控制器输出变小，使阀门变小，流量变小，故为反作用
• FC75(B流量控制器)，FC76(C流量控制器)都和FC74类似，都为反作用
• LC77，液位控制器，假设为反作用，当液位升高时，控制器输出减小，FC76设定值变小，这样阀门开度变小，出口流量变小，液位会上升，故为正作用

3 仿真建模

假设每个阀门都是气开阀，阀门特性都是$\frac{1}{0.5s+1}$，C的液位特性假设为$F_{in}-F_{out}$，比例为1，滞后为1，即$\frac{1}{s+1}$

由于控制回路中E未参与闭环，故反应器中只涉及C，假设为$C(s)=\frac{0.2}{s+1}A(s)+\frac{0.2}{s+1}B(s)+\frac{0.5}{s+1}C(s)$

再在各个输出的地方加上饱和器防止输出为负，令R1=3，R2=2

搭建起的控制回路如图

初始值定义：F_A=20,F_B=60,F_C=0,L_C=0

液位设定值Lsp为20，主流量Tsp设定值为先上升到240，再下降到230

主流量响应为：

A、B、C、液位为

以总流量为240的一段为例，这一段A=30，C=40，B=170，满足B=3A+2C与A+B+C=240，同时也满足液位稳定在20