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1、(完整word版)精馏塔前馈-反馈控制目录1.前言12.总体方案设计22.1系统方案的论证22.1.1单回路控制系统22.1.2方案二：精馏段前馈反馈控制（以进料量为前馈信号）22.1.3方案三：精馏段前馈反馈控制（以进料量为前馈信号）32.1.4方案四：提馏段前馈反馈控制32.2 方案的比较32.3 方案的选择43.精馏塔前馈-反馈控制系统53.1前馈反馈控制系统的设计53.1.1 被控参数的选择53.1.2 控制变量的选择53.1.3 调节阀的气开、气关方式的选择63.1.4 调节器正反作用的选择63.2 精馏塔前馈反馈控制系统的计算分析83.2.1 前馈反馈控制系统的分析83.2.2 前
2、馈反馈器的模型分析93.3 前馈-反馈控制系统的工程整定103.3.1 Kb的整定103.3.2T1，T2的整定123.3.3调节器参数整定方法123.3.4本次设计中调节器参数整定及结果134. MATLAB 系统仿真144.1 MATLAB的简介144.2 Simulink控制系统仿真145.设计总结176.致谢187.参考资料191.前言精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相
3、，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。精馏过程通过精馏塔、再沸器、冷凝器等设备完成，是实现混合物组分分离的主要设备。精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂，例如，非线性、时变、关联；控制方案多样，例如，同一被控变量可以采用不同的控制方案，控制方案的适应面广等。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了
4、解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。 前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度。精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，是回收率最高、能耗最低，或使总收益最大，或总成本最小。精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，
5、精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。本次设计打算采用前馈反馈复合控制系统来进行，通过与单回路系统仿真运行结果的比较，突出复合系统的优越性。2.总体方案设计2.1系统方案的论证2.1.1单回路控制系统图2.1 单回路系统控制框图 方案一为单回路控制系统，在该系统中只有一个测量元件、一个控制器、一个调节阀和一个被控过程，并只对一个被控参数进行单闭环反馈控制。2.1.2方案二：精馏段前馈反馈控制（以进料量为前馈信号）图2.2 精馏段前馈反馈控制I方案二是精馏塔精馏段温度为被控变量、进料量为前馈信号的相乘型前馈反馈控制系统。2.1.3方案三：精馏段前馈反馈控制（以进料量为前馈信
6、号）图2.3 精馏段前馈反馈控制II方案三与方案二类似，均为精馏塔精馏段温度为被控变量，进料量为前馈信号的相乘型前馈反馈控制系统。2.1.4方案四：提馏段前馈反馈控制图2.4 提馏段前馈反馈控制方案四是精馏塔提馏段温度为主被控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料量为前馈信号组成的相乘型前馈反馈控制系统。2.2 方案的比较方案一：采用单回路控制系统，其实际生产中具有结构简单、投资少、易于调整等优点；但对于动态特性复杂、存在多种扰动或扰动幅度较大、控制要求较高的系统则难以满足要求。方案二：采用间接物料平衡控制，该方案优点是控制作用及时，动态响应快，对克服扰动影响有利；该控制方案的缺
7、点是内回流受外界温度影响大，能量和物料平衡之间关联大。方案三：采用直接物料平衡控制，优点是物料和能量平衡之间关联小，内回流在环境温度变化时基本不变，产品不合格时不出料；缺点是控制回路的滞后大，动态响应差。方案四：从前馈原理角度看，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。从比值控制原理角度看，进料流量与加热蒸汽量应保持一定比值关系，当提馏段温度有偏差时应调整该比值。2.3 方案的选择在精馏塔的控制过程中，所需考虑到的影响系统控制的参数比较多，且该生产过程所要求的控制质量也比较高，故不能选择单回路系统进行实际设计。再
8、通过对三种前馈反馈复合控制设计系统的比较，从实际生产过程中的各种要求上考虑，决定在本次课程设计中，选择方案四进行设计和仿真。3.精馏塔前馈-反馈控制系统3.1前馈反馈控制系统的设计3.1.1 被控参数的选择生产中希望借助控制系统保持恒定值（或按一定规律变化）的参数称为被控参数，也称为被控变量。被控参数是控制方案设计中的重要一环，对控制系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、节能降耗、改善劳动条件、保证生产安全等具有决定性意义、关系到控制方案的成败。如果被控参数选择不当，则不管组成什么形式的控制系统，也不管选用多么先进的检测控制设备，均难以达到预期的控制效果。精馏塔控制目标是两端的产品质量，直
9、接检测产品成分并进行控制的方法因成分分析仪表价格昂贵，维护保养复杂，采样周期较长，反应缓慢，滞后大，可靠性差等原因，而较少采用，绝大多数精馏塔的控制仍采用间接质量指标控制。此次设计中，从工艺合理性的角度考虑，选择温度作为被控参数；这是因为在精馏过程中，一般都要求塔内压力固定，只有规定压力下，才能保证精馏塔的分离纯度和生产效率。塔压固定，精馏塔各层塔板上压力稳定，各层塔板上的温度与组分之间可保持单值对应关系。可见，固定压力，选择温度作为控制产品之类的间接被控参数在工艺上是合理的。3.1.2 控制变量的选择在控制系统中，把用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量称为控制变量（也称操纵变量)
10、。在有些生产过程中，影响被控参数的外部变量有几个，这些输入变量中，有些允许控制，有些不允许控制。原则上，在考虑生产过程特点和产品特点下，要从所允许控制变量中尽可能地选择一个对被控参数影响显著、控制性能好的输入变量作为控制变量。从控制原理来的观点来看，从所有允许控制的变量中选出一个作为控制变量，需要分析、比较不同的控制通道（控制变量对被控参数作用的通道）和不同的扰动通道（扰动量对被控参数的作用通道）对系统特性和控制品质的影响，作出合理的选择。基于以上分析，可得出控制变量选取的一般原则：1） 控制变量是可控的，2） 控制变量一般比其它干扰对被控参数的影响灵敏。即工艺上允许调节的变量。为此，应通过合
11、理选择控制变量，使控制通道的放大系数大、时间常数小、纯滞后时间小。3） 为使其他干扰对被控参数的影响减小、应使干扰通道的放大系数小、时间常尽可能大。4） 被控过程存在多个时间常数，在选择设备时，应尽量使时间常数错开、使其中一个时间常数比其他常大很多，同时注意减小其他时间常数。5） 在选择变量时，除了从提高控制品质的角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产效率及生产过程的经济性。在此次精馏塔前馈反馈复合系统的设计中，被控变量为被塔内温度，而蒸汽流量是干扰参数。通过以上分析，可选取物料流量来作为控制变量，通过对物料流量的控制，来稳定被控变量，从而使整个系统稳定运行。3.1.3 调节阀的气开、气关方式
12、的选择 调节阀开、关作用方式的选择主要以不同生产条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。当控制系统发生故障、信号中断里，阀门处于打开位置危害性小，则应选择气关式调节阀；反之，若阀门处于关闭位置时危害性小，则应选用气开阀。本次设计中，从安全角度考虑，应选气开阀，Kv0。精馏段出料口控制阀选气开可防止蒸汽带液输出，当阀体失去压力作用是，阀应处于全闭状态。该系统以温度作被控变量，选用的控制阀理想流量特性为等百分比流量特性。3.1.4 调节器正反作用的选择 调节器的选型与调节规律的选择对过程控制系统的控制品质有至关重要的影响，也是过程控制系统设计的核心内容之一。调节器的输出决定于被
13、控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作用方向是相反的，调节器的正反作用的定义是：当设定值不就时，随着测量值的增加，调节器的输出增加，则称为“正作用”方式；同样，当测量值不变，设定值减小时，调节器的输出增加，称为“正作用”方式。反之，如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。 调节器正反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定后进行的，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。若对控制系统中各个环节按照其工作特性，定义一个表示其性质的正（+），负（-）符号，则可根据组成控制系统各个环节的正（+），负（-）符号及回路构成负反馈的根本要求，得出
14、调节器的“正”“反”作用的选择工式。 控制系统中各个环节的正、负符号做如下规定： 调节阀：气开式取“+”，气关式取负； 被控对像：若控制变量增加时，被控参数随之增加取“+”；反之取“-”； 变送器：输出信号随被测变量增加而增大，取“+”；反之取“-”； 调节器：测量输入增加，调节器输出增大（正作用）时取“+”；测量输入增加，调节器输出减小（反作用）时取“-”； 在传感器、执行器的符号确定的情况下，为了保证单回路控制系统构成负反馈系统，调节器的符号择应满足单回路各个环节符号的乘积必须为“-”，即： 调节器符号（+或-）*执行器符号（+或-）*变送器符号（+或-）*被控过程符号（+或-）=“-”
15、若其它三项已知时，则可以求出调节器的符号了。根据所求和的符号则可确定其“正”“反”作用形式。在一般情况下，过程控制中变送器的符号都认为是“+”，则可以简化为：调节器符号（+或-）*执行器符号（+或-）*被控过程符号（+或-）=“-”即：调节器符号为被控过程的符号与执行器符号乘积的相反值。由此可知，当控制阀与被控过程符号相同时，控制器应选择“反作用”方式，反之，则选择“正作用”方式。 在上面已经分析了调节阀为气开式，即为“正作用（+）”方式，而变送器一般为“正作用（+）”方式，而被控过程的符号为“+”控制变量（物料流量）增大，被控参数增大，按照上面的公式可知调节器应选“反作用”。即当被控参数增大时，系统通过控制的反作用调节方式，将控制信号送到蒸汽调节阀上，调节阀门，使得其关小，从而减小物料流量的送入，使得塔内温度稳定在某一定值，从而使整个系统稳定。3.2 精馏塔前馈反馈控制系统的计算分析3.2.1 前馈反馈控制系统的分析在精馏塔前馈-反馈复合控制系统中，设定值X(s)、干扰F(s)对输出 Y(s)的共同影响为 3-1 要前馈补偿实现对干扰Y(s)的完全补偿，上
