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1、过程控制工程课程设计精馏塔顶温度控制系统设计与仿真学 院：姓 名：班 级:学 号:时 间：2011年06月28日一、 研究对象图1 精馏塔顶温度控制问题某精馏塔的工艺流程如图1所示，现要求对精馏段灵敏板温度T进行有效的控制，以确保塔顶产品的质量。图1中，F 为进料量，它受上游流程控制，为精馏段灵敏板温度T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；R 为塔顶冷回流量，拟作为精馏段温度T的控制手段，u为调节阀VR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
2、 %），Pp 为泵出口压力，Pt 为精馏塔顶压力。Pp受塔顶产品调节阀VD开度的影响，变化范围较大；而精馏塔顶压力Pt的变化可基本忽略。图1中Tm、Rm、Fm分别为T、R、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 = 110 ，F0 = 40 T/hr（吨/小时），R0 = 20 T/hr，Pp0 = 0.9 MPa，Pt0 = 0.86 MPa，u0 = 25 %，fV0 = 75 %。这里，fV为调节阀VR相对流通面积。（2） 精馏段温度T的测量范围为0 160 ，进料量F的测量范围为0 100 T/hr，塔顶冷回流量R的测量范围为0 50 T/hr。
3、T、R、F的测量值Tm、Rm、Fm均用%来表示，即Tm、Rm、Fm的最小值为0，最大值为100。（3） 流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数，单位为分。（4） 假设控制阀VR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VR相对流通面积的变化量，%；T2基本不变，这里设分；、K2、Kd2在一定范围内变化，这里设、K2、Kd2的变化范围分别为分；(T/hr)/%； (T/hr)/MPa。（6） 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 ；
4、；其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：/(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与泵出口压力Pp的变化，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、Smith预估补偿、比值、选择等控制方法，设计至少2套控制系统，通过调节塔顶冷回流量达到控制精馏塔顶温度T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、 确定控制阀VR的气开、气关形式，确定所用控制器的正反作用方式，画出控制系统完整的方框图（需注明方
5、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
6、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、衷减比、超调量、过渡过程时间等）。三、 仿真研究要求为使仿真研究结果具有可比性，要求：（1） 跟踪响应试验前控制系统达到稳态，温度设定值与测量值一致，均对应110 ；跟踪响应试验中，温度设定值的阶跃变化幅度对应实际温度为+10。（2） 扰动响应试验前控制系统达到稳态，温度设定值与测量值一致，均对应110 ；扰动响应试验中，进料量F的阶跃变化幅度为15 T/hr，泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为0.02 MPa。（3） 建议采用如图2所示的传递函数模块作为
7、基本的方框图单元，其中U0、Y0分别为输入输出的静态工作点。图2 带有输入输出静态工作点的通用传递函数模块（4） 建议PID控制算法具有输出跟踪、输出限幅、防积分饱和等功能，并采用实际微分运算。四、 分析与计算被控参数选择: 精馏段灵敏板温度T, 静态工作点为 T0 = 110 ,测量范围为0 160 控制变量选择: 塔顶冷回流量R, R0 = 20 T/hr，测量范围为0 50 T/hr。干 扰: 主要扰动为进料量F与泵出口压力Pp的变化, F0 = 40 T/hr（吨/小时）检测仪表选择: 压力,温度等调节阀选择: 控制阀VR为线性阀控制方案选择: 简单控制系统,调节器控制规律PID Sm
8、ith预估补偿控制系统,调节器控制规律PID传递函数计算:(1)流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数，单位为分。其传递函数为：(2)假设控制阀VR为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为 。(3)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VR相对流通面积的变化量，%；T2基本不变，这里设分；、K2、Kd2在一定范围内变化，这里设、K2、Kd2的变化范围分别为分；(T/hr)/%； (T/hr)/MPa。选择Td2=0.1分,(T/hr)/%, (T/hr)/MPa,得传递函数:(4)对于温度对象，
9、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)， 分，分；/(T/hr)，分，分。选择Kp1=-3.0/(T/hr)，Tp1=3.0分,p =5分, Kd1=-1.0/(T/hr),Td1=4分,d =3分,得传递函数: 五、实现方案与仿真测试 没有加入控制器时图3 系统框图(没有控制器)图4 仿真图(没有控制器)方案1:简单回路控制系统简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象(简称对象)、测量变送装置、控制器和执行器。简单控制系统的结
10、构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。(1) 计算PID参数使用响应曲线法整定图5 系统开环状态图6 广义对象开环整定曲线由图可得:，T2（t2t1）200；2 t1t2360；Ti20720； Td0.50180；图7系统框图图8 仿真框图(2) 系统仿真根据计算得出的PID参数得到的图像图9初始给定110仿真框图图10 由计算得出PID参数的仿真图所得图形不适合，进过调整得到：跟踪响应试验前控制系统达到稳态曲线：图11 调整PID参数后所得的仿真图追踪温度分析在4000s的时刻，改变温度输入值，突加给定一个为10的阶跃信号
11、：系统输出如下图12温度输入仿真框图图13 温度突加+10（120）的曲线图14 温度突加-10（100）的曲线分析：由图可见，当输入信号改变时，系统的输出温度能自动跟踪输入，最终也变为130和110度，由此可见此设计效果良好，符合设计要求。泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为0.02 MPa在4000s时刻，单独加入泵出口压力系统输出的如下图15 单独加入泵出口压力干扰仿真图图16泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为+0.02 MPa时的曲线图17泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为-0.02 MPa时的曲线分析：由图可见，在泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为-0.02 MPa时，系统能够较快进行消除。进料量F的
12、阶跃变化幅度为15 T/hr单独加入进料量F系统输出的如下：图18 单独加入进料量干扰F仿真图图19 进料量F的阶跃变化幅度为+15 T/hr图20进料量F的阶跃变化幅度为-15 T/hr分析：由图可见，进料量F的阶跃变化幅度为15 T/hr时，可以在要求范围内对干扰进行消除。两种扰动同时作用时（只选取其中一种+0.02，+15）：图21 两种扰动同时作用仿真图 图12 +0.02 MPa时的曲线和阶跃变化幅度为+15 T/hr分析：由图可见，两种扰动同时作用时，可以在要求范围内对干扰进行消除。 （3）系统调节器的选择图22 简单回路控制系统流程图1）调节阀采用气关阀“”，已由设计要求中给定。
13、 2）被控过程符号为“”。3）温度变送器的符号为“”，已由设计中给定。4）温度调节器选择反作用，符号为“”。为了形成一个负反馈，所以调节器选择反作用。方案2：Smith预估补偿控制系统（1）补偿器计算：Gb(s)=Go(s)（1-e-s）=（2）系统仿真图23 Smith系统框图与仿真框图图24初始给定110仿真框图追踪温度分析图25温度输入仿真框图图26 温度突加+10（120）的曲线图27 温度突加-10（100）的曲线分析：由图可见，当输入信号改变时，系统的输出温度能自动跟踪输入，最终也变为130和110度，由此可见此设计效果良好，符合设计要求。泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为0.02 M
14、Pa在6000s时刻，单独加入泵出口压力系统输出的如下图28 单独加入泵出口压力干扰仿真图图29泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为+0.02 MPa时的曲线图30泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为-0.02 MPa时的曲线进料量F的阶跃变化幅度为15 T/hr，曲线如下：在6000s时刻，单独加入进料量F系统输出的如下图31 单独加入进料量干扰F仿真图图32进料量F的阶跃变化幅度为+15 T/hr图33进料量F的阶跃变化幅度为-15 T/hr分析：由图可见，进料量F的阶跃变化幅度为15 T/hr时，可以在要求范围内对干扰进行消除。两种扰动同时作用时（只选取其中一种+0.02，+15）：图34 两种扰动同时作用仿真图图35 +0.02 MPa时的曲线和阶跃变化幅度为+15 T/hr分析：由图可见，两种扰动同时作用时，可以在要求范围内对干扰进行消除。（3）系统调节器的选择
