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1、太原理工大学现代科技学院 过程控制 课程设计 设计名称 精馏塔物料压力定值控制系统的设计 专业班级 自动化09-2 学 号 2009100638 姓 名 刘一帆 指导教师 王 芳 1太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告 装订线专业班级 自动化09-2 学号 2009100638 姓名 刘一帆 成绩 装订线精馏塔物料压力定值控制系统的设计摘要近年来，过程控制在工业过程中不仅得到广泛的应用，而且其理论研究也取得了很大进展。对当前各种预测控制方法的现状及其工业应用进行了较深入的分析，并对其存在的问题和今后可能的发展趋势作了进一步探讨。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
2、传热过程。精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。分析了精馏塔的控制要求和扰动分析，详细总结了其静态特性和动态特性对精馏塔进行了基本的塔压控制。串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。主要对串级系统进行了设计和改进以及simulink仿真。最后对本次课设做了详细的总结，写下了自己的体会。关键词：PID；自适应控制；预测控制；精馏塔控制系统；串级系统；simulink仿真I1太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告 目 录摘 要.I第一章先进控制技术2第二章精馏塔控制系统42.1 概述42
3、.1.1 精馏塔的控制要求52.1.2 精馏塔的扰动分析62.2 精馏塔的特性72.2.1 精馏塔的静态特性72.2.2 精馏塔的动态特性82.3 精馏塔被控变量的选择102.3.1 采用温度作为间接质量指标102.4 精馏塔的基本控制122.4.1 产品质量的开环控制132.4.2 精馏塔的塔压控制14第三章串级控制系统163.1 串级控制的基本概念163.2 串级控制系统的原理163.3 串级控制系统的特点17 3.4 串级控制主、副控制器的设计19 3.5 Simulink仿真213.6 串级控制的改进22第四章 总 结.23参 考 文 献24附录251太原理工大学现代科技学院过程控制系
4、统课程设计报告 正 文第一章 先进控制技术过程控制是指为达到规定的目标而对影响过程状况的变量所进行的操纵。工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。 所谓自适应控制是指对于控制对象的动态信息了解得不够充分对周围环境变化尚掌握不够明确的情况下控制系统对控制器的参数进行积极的自动调节。 自适应控制方法应该做到：在系统远行中，依靠不断采集控制过程信息，确定被控对象的当前实际工作状态，优化性能准则，产生自适应控制规律，从而实时地调整控制器结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态下。通常，自适应控制系统的基本结构有两种形式，即前馈自适应控制和反馈
5、自适应控制。自适应控制系统的设计始终围绕着解决给定对象(过程)下，寻求控制方案和控制器的合理结构与参数，并考虑控制器远行于包括工作点的整个工作范围。对于确定性的控制对象常采用经典控制方案：开环控制、反馈控制、补偿控制和最优控制，控制器的结构和参数一般是固定的。对于不确定性的控制对象由于经典控制方案不能圆满解决控制任务而迫使人们寻求新的控制方案，并出现了可调控制器。 控制器参数的自动调整最早出现于1940年，当时的自适应控制仅被定义为控制器所具有的按照过程动态和静态特性调整本身参数的能力。在此期间，飞机自适应控制器的设计对自适应控制研究产生了巨大的影响。早在20世纪50年代未，由于飞行控制的需要
6、，美国麻省理工学院(MIT)的怀特克(whztaker)教授首先提出了飞机自动驾驶仪的模型参考自适应控制方案，称为MIT方案。这时因现代控制理论向不成熟和计算机技术的限制。1957年用自动驾驶仪试验时随着飞机失事而失败。直到20世纪70年代，这一方法才重新兴起。 1960年至1970年间，控制理论(如状态空间和稳定性理论)得到了发展，从而为自适应控制设计提供了有效服务。并注入了新技术(对偶控制、白适应控制递推方法及模型辨识与参数估计)。1962年首次成功地实现了利用过程计算机进行直接数字式控制。1963年罗马尼亚学者波被夫(V.M.J.Popov)提出了超稳定性理论、随即法国学者兰道(B.wi
7、ttenmark)把这理论引用到模型参考自适应控制中。在1966年德国学者帖克斯(Park)提出了用李雅普诺夫第二法推导自适应算法，以保证自适应系统全局渐进稳定。1973年由瑞典学者阿斯待罗姆(K.J.Astrom)和威特马克(B.WittenMark)首先提出自校正调节器，并在造纸厂获得成功。此后，自适应控制技术真正转入成功实用阶段。1974年吉尔巴待和温斯顿(Gilbart and Wiston)利用模型参考自适应控制使一种光学跟踪望远镜精度提高了5倍以上，同年博里森和西丁(borrisom and Hedquist)在200kW的矿石破碎机中采用自校正控制，使产量提高约l0，而且也改进了
8、动态性能。 进入20世纪80年代后，随着数字机件性能价格比的迅速改善和微机脚用技术的个断提高、普及，自适应控制如鱼得水，更显示出了应用活力。1982年第一台工业数字式自适应拉制器进入市场；1986年约有15个公司出售工业过程数字自校正装置或自适应控制器。与此同时，自适应控制技术再度对航空、航天机器入、舰船驾驶以及现代武器系统产生了极大约吸引力，并获得了具体应用。在航空方面，自适应控制首次成功地解决了高性能飞机的自适应自动驾驶仪问题。除此，可借助鲁棒直接自适应控制重构故障后的飞行控制系统；利用飞行员自适应驾驶模型研究和预测新机飞行操纵品质，通过自适应控制技术实现空中飞行模拟和采用自校正控制技术设
9、计飞机刹车防滑控制规律等。在航天领城内，自适应控制为飞船姿态调节和跟踪、卫星跟踪望远镜安装和使用，以及空间环境模拟等必不可少的关键技术。在高新技术密集的现代武器系统上，自适应控制是极其重要的一个方面。以导弹武器系统为例，可以说所有类型的导弹(无论是一般导弹或是遥控导弹，近距小型导弹还是中远程战术导弹)的自动驾驶仪都实现了自适应体制，而对于反舰导弹来说，应用自适应控制技术尤其具有特殊价值和意义。神经网络控制是20世纪80年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径。神经网络控制是神经网络理论与控制理论相结合
10、的产物，是发展中的学科。它汇集了包括数学、生物学、神经生理学、脑科学、遗传学、人工智能、计算机科学、自动控制等学科的理论、技术、方法及研究成果。在控制领域，将具有学习能力的控制系统称为学习控制系统，属于智能控制系统。神经控制是有学习能力的，属于学习控制，是智能控制的一个分支。神经控制发展至今，虽仅有十余年的历史，已有了多种控制结构。如神经预测控制、神经逆系统控制等。 美国物理学家Hopfield提出了离散型Hopfield神经网络和连续型Hopfield神经经网络，引入“计算能量函数”的概念，给出了网络稳定性判据，尤其是给出了Hopfield神经网络的电子电路实现，开拓了神经网络用于联系那个记
11、忆和优化计算机的新途径。 利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。 预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适
12、用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。 工业生产的过程是复杂的，我们建立起来的模型也是不完善的。就是理论非常复杂的现代控制理论，其控制的效果也往往不尽人意，甚至在一些方面还不及传统的PID控制。70年代，人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制等方面的研究外，开始打破传统的控制思想的观念，试图面向工业开发出一种对各种模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的新型算法。这样的背景下，预测控制的一种，也就是模型算法控制（MAC-Model Algorithmic
13、Control）首先在法国的工业控制中得到应用。因此预测控制不是某一种统一理论的产物，而是工业实践中逐渐发展起来的。同时，计算机技术的发展也为算法的实现提供了物质基础。现在比较流行的算法包括有：模型算法控制（MAC）；动态矩阵控制（DMC）；广义预测控制（GPC）；广义预测极点（GPP）控制；内膜控制（IMC）；推理控制（IC）等等。 60年代初期，卡尔曼(R.E.Kalman)系统地把状态空间法引入到系统和控制理论中，形成现代控制理论，并且很快在航天、航空等领域取得了巨大的成果，对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用。但是，实际工业过程的多变量、非线性、时变和不确定性等特点以及工程应用中要
14、求考虑控制的实时性、有效性和经济性等因素，使得以精确数学模型为基础，立足最优性能指标且许多算法较为复杂的现代控制理论难以有效地应用于复杂的工业过程。为了克服理论与实际应用之间的上述不协调性，自70年代以来，人们一方面为了提高数学模型的精确程度及考虑不确定性因素的影响加强了对系统辨识、工业过程的建模、自适应控制、鲁棒控制等方面的研究，另一方面开始突破传统控制思想的约束，试图面向实际工业过程的特点研究发展各种对模型要求低、在线计算简单方便、实时性好、控制效果佳的控制新算法。另一方面计算机技术的飞速发展，也为新的控制策略提供了良好的运行平台和基础。预测控制就是在这种情况下发展起来的一类新型控制算法。预测控制技术最初由Richalet和Cutler提出1。由于预测控制从工业实践过程中发展起来，最大限度地结合了工业实际的要求、综合效果好，因而引起了工业控制界和理论学术界的广泛兴趣和关注
