过控课设精馏塔温度控制系统设计与仿真.doc

自动化工程与科学学院过程控制系统与仪表课程设计——精馏塔温度控制系统设计与仿真班级：11级自动化2班姓名： 董文杰学号：201130610309 指导老师： 哀薇 日期：20140707 过程控制系统课程设计——精馏塔温度控制系统设计与仿真一、 研究对象图1 精馏塔温度控制问题某精馏塔的工艺流程如图1所示，现要求对精馏段温度TR和提馏段温度TS都进行有效的控制，以确保塔顶和塔底产品的质量图1中，F 为进料量，它受上游流程控制，为精馏塔温度的主要干扰之一，其它干扰包括进料组成与温度变化、塔底蒸汽量变化、塔顶回流冷凝后温度变化等；L为塔顶冷回流量，拟作为精馏段温度TR的控制手段；塔底蒸汽量QH 拟作为提馏段温度TS的控制手段u1为调节阀VL的相对输入信号，u2为调节阀VQ的相对输入信号（以DDZ III型为例，当输入电流为4 mA时，对应相对输入信号为0 %；当输入电流为20 mA时，对应相对输入信号为100 %），P 为精馏塔顶压力，其变化可基本忽略，Pp 为泵出口压力，Pp受塔顶产品调节阀VD开度的影响，变化范围较大。

图1中Lm、Vm、Fm分别为L、V、F的测量值为便于控制方案研究，假设如下：（1） 该精馏塔的静态工作点为 T0 = 140 ℃，F0 = 60 T/hr（吨/小时），L0 = 20 T/hr，V0 = 15 T/hr，u10 = 25 %，fL0 = 75 %， u20 =25 %，fQ0 = 25 %，Pp0 = 0.9 MPa，Pt0 = 0.86MPa这里，fQ为调节阀VQ相对流通面积，fL为调节阀L相对流通面积2） 精馏段和提馏段温度的测量范围都为0 ~ 200 ℃，进料量F的测量范围为0 ~ 100 T/hr，塔顶冷回流量L的测量范围为0 ~ 50 T/hr，塔底回流量V的测量范围为0 ~ 25 T/hrL、V、F的测量值：Lm、Vm、Fm均用%来表示，即Lm、Vm、Fm的最小值为0，最大值为1003） 流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用带纯滞后的一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数，，纯滞后时间，，单位为分4） 考虑到精馏塔操作的安全性，控制阀VL选用气关阀，控制阀VQ选用气开阀，假设控制阀都为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为，5） 对于塔顶冷回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为： ，。

其中为控制阀VL相对流通面积的变化量，%；TR2基本不变，这里设分；KR2、KRd2在一定范围内变化，这里设KR2、KRd2的变化范围分别为 (T/hr)/%； (T/hr)/MPa6） 对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为:，其中为控制阀VR相对流通面积的变化量，%；TS2基本不变，这里设分；KS2、KSd2在一定范围内变化，这里设KS2、KSd2的变化范围分别为(T/hr)/%；T/hr7） 对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为 ；；其中对象特性参数均可能在以下范围内变化： ℃/(T/hr)，℃/(T/hr)，℃/(T/hr)，℃/(T/hr)，分，分，分，分，分，分，分； ℃/(T/hr)，分，分， ℃/(T/hr)，分，分二、 研究任务对于上述被控过程，假设被控变量T所受的主要扰动为进料量F、泵出口压力Pp的变化、蒸汽压力变化Pf，而且变化范围为：T/hr，MPa, ；另外，被控变量T的设定范围为℃试应用单回路、串级、前馈、比值、选择、Smith预估、解耦等控制方法，设计至少2套控制系统，达到控制精馏塔温度的目的对于每一套控制方案，具体要求：1、 说明所采用的控制方案以及采用该方案的原因，并在工艺流程上表明该控制系统。

2、 确定所用控制器的正反作用，画出控制系统完整的方框图（需注明方框图各环节的输入输出信号），并选择合适的PID控制规律3、 在SIMULINK仿真环境下，对所采用的控制系统进行仿真研究具体步骤包括：（1） 在对象特性参数的变化范围内，确定各环节对象的传递函数模型，并构造SIMULINK对象模型；（2） 引入手动/自动切换环节，在手动状态下对控制通道、干扰通道分别进行阶跃响应试验，以获得“广义对象”开环阶跃响应曲线；（3） 依据PID参数整定方法，确定各控制器的参数；（4） 在控制系统处于“闭环”状态下，进行温度设定值跟踪响应试验、干扰塔底回流量、Pp与F对系统输出的扰动响应试验，并获得相应的响应曲线；（5） 在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在其变化范围内发生变化时，重新进行温度设定值跟踪试验与扰动响应试验，并获得相应的响应曲线4、 根据不同控制方案的闭环响应曲线，比较控制性能（包括是否稳定、衰减比、超调量、过渡过程时间等）三、 控制方案精馏塔温度控制的开环回路如下图所示： 温度控制开环回路由图我们可知，被控变量TS、TR控制回路都存在两种主要干扰。

被控变量TR主要受到干扰量是进料量F和泵出口压力PP；被控变量TS主要受到干扰量为进料量F和塔底蒸汽量V且被控变量TS、TR相互耦合为此，我设计了两种方案来实现控制精馏塔的温度第一种，忽略耦合的影响，在每条控制回路上加上反馈控制，构成单回路反馈控制；第二种，对耦合系统先进行解耦，分别采用单回路反馈控制回路1）第一种方案，构造类似单回路反馈电路虽然被控变量之间有耦合，但是两者之间的耦合强度不强，所以可以不做考虑从传递函数可以看出，干扰量对于被控变量的影响不是很大，可以采取直接反馈回路消除1、控制方案的工艺控制流程图图1-1控制工艺流程图2、控制系统方框图系统方框图图1-2系统仿真方框图其中，被控变量TR测量环节的传递函数模块为： 图1-3 被控变量TR测量环节的传递函数模块(Gmr)被控变量TS测量环节的传递函数模块为： 图1-4 被控变量TS测量环节的传递函数模块(Gms)控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模块： 图1-5 GR传递函数模块(包含G11、G21)图1-6 GS传递函数模块(包含G12、G22)进料量F的干扰通道的传递函数模块：图1-7 进料量F的干扰通道的传递函数模块 控制器PID1、PID2都是正作用，都选择PID控制规律。

3、确定各环节对象的传递函数模型（a）对于塔顶冷回流对象，控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为： ，（b）对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为:，（c）对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为；； （e）温度测量环节的传递函数模型： ，4、切换到手动状态，得出各开环阶跃响应曲线(所有控制变量及干扰量初始状态都为0)（a）开始10min后，仅给TR控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给TR控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： TR阶跃响应曲线 TS阶跃响应曲线（b）开始10min后，仅给TS控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给TS控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： TR阶跃响应曲线 TS阶跃响应曲线（c）开始10min后，仅给干扰量F+20的阶跃信号；再过40min后，给干扰量F为-20的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 进料量阶跃作用的TR响应曲线 进料量阶跃作用的TS阶跃响应曲线（d）开始10min后，仅给干扰量PP+0.02的阶跃信号；再过40min后，给干扰量PP为-0.02的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 泵出口压力阶跃作用的TR响应曲线 泵出口压力阶跃作用的TS响应曲线（e）开始10min后，仅给干扰量V+15的阶跃信号；再过40min后，给干扰量V为-15的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 塔底回流量阶跃作用的TR响应曲线 塔底回流量阶跃作用的TS响应曲线由图（a）、（b）可知，被控变量TR、TS的控制通道是相互耦合的，TR的控制变量对被控变量TS的影响大于TS的控制变量对被控变量TR的影响；由图（c）可知，干扰量F对于对于被控变量TS的影响较大点；有图（d）可知，虽然干扰量PP在被控变量TR控制回路，但因为耦合作用，也影响到被控变量TS；有图（e）可知，干扰量V只影响被控变量TS，因为干扰量V作用在被控变量回路TS的末端。

5、控制器参数的整定（a）控制TR的控制器PID1的参数为：P=1.8，I=0.7，D=0.5（b）控制TS的控制器PID2的参数为： P=3.2，I=1.2，D=0.56、控制系统处于“闭环”状态下的性能测试（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140℃）： 温度设定值TR响应曲线 温度设定值TS响应曲线（b）泵出口压力PP对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02MPa）： 泵出口压力干扰TR响应曲线 泵出口压力干扰TS响应曲线（c）进料量F对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20T/hr）： 进料量干扰TR响应曲线 进料量干扰 TS响应曲线（d）塔底回流量V对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15T/hr）： 塔底回流量干扰TR响应曲线 塔底回流量干扰TS响应曲线（f）三种干扰量同时对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，三种干扰量同时给阶跃信号）： 三种干扰同时作用TR响应曲线 三种干扰同时作用TS响应曲线 由以上图形比较可以得出结论：控制系统在“闭环”状态下，温度设定值跟踪响应性能好，响应时间短；干扰量PP与F可以通过反馈控制迅速消除，保持系统的稳定；干扰量V是主要干扰量，仅靠反馈控制可以消除，但是超调量大，调节时间长，不利于系统安全。

7、变换对象特性传递函数，测定系统“闭环”动态性能 ，，；；（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140℃）： 温度设定值TR响应曲线 温度设定值TS响应曲线（b）泵出口压力PP对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给。