1、過(guò)程控制工程課程設(shè)計(jì)精餾塔頂溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真學(xué) 院：姓 名：班 級(jí):學(xué) 號(hào):時(shí) 間：2011年06月28日一、 研究對(duì)象圖1 精餾塔頂溫度控制問(wèn)題某精餾塔的工藝流程如圖1所示，現(xiàn)要求對(duì)精餾段靈敏板溫度T進(jìn)行有效的控制，以確保塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。圖1中，F(xiàn) 為進(jìn)料量，它受上游流程控制，為精餾段靈敏板溫度T的主要干擾之一，其它干擾包括進(jìn)料組成與溫度變化、塔底蒸汽量變化、塔頂回流冷凝后溫度變化等；R 為塔頂冷回流量，擬作為精餾段溫度T的控制手段，u為調(diào)節(jié)閥VR的相對(duì)輸入信號(hào)（以DDZ III型為例，當(dāng)輸入電流為4 mA時(shí)，對(duì)應(yīng)相對(duì)輸入信號(hào)為0 %；當(dāng)輸入電流為20 mA時(shí)，對(duì)應(yīng)相對(duì)輸入信號(hào)為100

2、 %），Pp 為泵出口壓力，Pt 為精餾塔頂壓力。Pp受塔頂產(chǎn)品調(diào)節(jié)閥VD開(kāi)度的影響，變化范圍較大；而精餾塔頂壓力Pt的變化可基本忽略。圖1中Tm、Rm、Fm分別為T(mén)、R、F的測(cè)量值。為便于控制方案研究，假設(shè)如下：（1） 該精餾塔的靜態(tài)工作點(diǎn)為 T0 = 110 ，F(xiàn)0 = 40 T/hr（噸/小時(shí)），R0 = 20 T/hr，Pp0 = 0.9 MPa，Pt0 = 0.86 MPa，u0 = 25 %，fV0 = 75 %。這里，fV為調(diào)節(jié)閥VR相對(duì)流通面積。（2） 精餾段溫度T的測(cè)量范圍為0 160 ，進(jìn)料量F的測(cè)量范圍為0 100 T/hr，塔頂冷回流量R的測(cè)量范圍為0 50 T/hr。

3、T、R、F的測(cè)量值Tm、Rm、Fm均用%來(lái)表示，即Tm、Rm、Fm的最小值為0，最大值為100。（3） 流量測(cè)量?jī)x表的動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)；而溫度測(cè)量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來(lái)近似，溫度測(cè)量環(huán)節(jié)的一階時(shí)間常數(shù)，單位為分。（4） 假設(shè)控制閥VR為線(xiàn)性閥，其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)，動(dòng)態(tài)特性可表示為。（5） 對(duì)于塔頂冷回流對(duì)象，假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可表示為：，。其中為控制閥VR相對(duì)流通面積的變化量，%；T2基本不變，這里設(shè)分；、K2、Kd2在一定范圍內(nèi)變化，這里設(shè)、K2、Kd2的變化范圍分別為分；(T/hr)/%； (T/hr)/MPa。（6） 對(duì)于溫度對(duì)象，假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可表示為 ；

4、；其中對(duì)象特性參數(shù)均可能在以下范圍內(nèi)變化：/(T/hr)， 分，分；/(T/hr)，分，分。二、 研究任務(wù)對(duì)于上述被控過(guò)程，假設(shè)被控變量T所受的主要擾動(dòng)為進(jìn)料量F與泵出口壓力Pp的變化，而且變化范圍為：T/hr，MPa；另外，被控變量T的設(shè)定范圍為。試應(yīng)用單回路、串級(jí)、前饋、Smith預(yù)估補(bǔ)償、比值、選擇等控制方法，設(shè)計(jì)至少2套控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)塔頂冷回流量達(dá)到控制精餾塔頂溫度T的目的。對(duì)于每一套控制方案，具體要求：1、 說(shuō)明所采用的控制方案以及采用該方案的原因，并在工藝流程上表明該控制系統(tǒng)。2、 確定控制閥VR的氣開(kāi)、氣關(guān)形式，確定所用控制器的正反作用方式，畫(huà)出控制系統(tǒng)完整的方框圖（需注明方

5、框圖各環(huán)節(jié)的輸入輸出信號(hào)），并選擇合適的PID控制規(guī)律。3、 在SIMULINK仿真環(huán)境下，對(duì)所采用的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。具體步驟包括：（1） 在對(duì)象特性參數(shù)的變化范圍內(nèi)，確定各環(huán)節(jié)對(duì)象的傳遞函數(shù)模型，并構(gòu)造SIMULINK對(duì)象模型；（2） 引入手動(dòng)/自動(dòng)切換環(huán)節(jié)，在手動(dòng)狀態(tài)下對(duì)控制通道、干擾通道分別進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗(yàn)，以獲得“廣義對(duì)象”開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)；（3） 依據(jù)PID參數(shù)整定方法，確定各控制器的參數(shù)；（4） 在控制系統(tǒng)處于“閉環(huán)”狀態(tài)下，進(jìn)行溫度設(shè)定值跟蹤響應(yīng)試驗(yàn)、干擾Pp與F對(duì)系統(tǒng)輸出的擾動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，并獲得相應(yīng)的響應(yīng)曲線(xiàn)；（5） 在各控制器參數(shù)均保持不變的前提下，當(dāng)對(duì)象特性在其變化范圍

6、內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，重新進(jìn)行溫度設(shè)定值跟蹤試驗(yàn)與擾動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，并獲得相應(yīng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。4、 根據(jù)不同控制方案的閉環(huán)響應(yīng)曲線(xiàn)，比較控制性能（包括是否穩(wěn)定、衷減比、超調(diào)量、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等）。三、 仿真研究要求為使仿真研究結(jié)果具有可比性，要求：（1） 跟蹤響應(yīng)試驗(yàn)前控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，溫度設(shè)定值與測(cè)量值一致，均對(duì)應(yīng)110 ；跟蹤響應(yīng)試驗(yàn)中，溫度設(shè)定值的階躍變化幅度對(duì)應(yīng)實(shí)際溫度為+10。（2） 擾動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)前控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，溫度設(shè)定值與測(cè)量值一致，均對(duì)應(yīng)110 ；擾動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)中，進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15 T/hr，泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為0.02 MPa。（3） 建議采用如圖2所示的傳遞函數(shù)模塊作為

7、基本的方框圖單元，其中U0、Y0分別為輸入輸出的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖2 帶有輸入輸出靜態(tài)工作點(diǎn)的通用傳遞函數(shù)模塊（4） 建議PID控制算法具有輸出跟蹤、輸出限幅、防積分飽和等功能，并采用實(shí)際微分運(yùn)算。四、 分析與計(jì)算被控參數(shù)選擇: 精餾段靈敏板溫度T, 靜態(tài)工作點(diǎn)為 T0 = 110 ,測(cè)量范圍為0 160 控制變量選擇: 塔頂冷回流量R, R0 = 20 T/hr，測(cè)量范圍為0 50 T/hr。干 擾: 主要擾動(dòng)為進(jìn)料量F與泵出口壓力Pp的變化, F0 = 40 T/hr（噸/小時(shí)）檢測(cè)儀表選擇: 壓力,溫度等調(diào)節(jié)閥選擇: 控制閥VR為線(xiàn)性閥控制方案選擇: 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)器控制規(guī)律PID Sm

8、ith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)器控制規(guī)律PID傳遞函數(shù)計(jì)算:(1)流量測(cè)量?jī)x表的動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)；而溫度測(cè)量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來(lái)近似，溫度測(cè)量環(huán)節(jié)的一階時(shí)間常數(shù)，單位為分。其傳遞函數(shù)為：(2)假設(shè)控制閥VR為線(xiàn)性閥，其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)，動(dòng)態(tài)特性可表示為 。(3)對(duì)于塔頂冷回流對(duì)象，假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可表示為：，。其中為控制閥VR相對(duì)流通面積的變化量，%；T2基本不變，這里設(shè)分；、K2、Kd2在一定范圍內(nèi)變化，這里設(shè)、K2、Kd2的變化范圍分別為分；(T/hr)/%； (T/hr)/MPa。選擇Td2=0.1分,(T/hr)/%, (T/hr)/MPa,得傳遞函數(shù):(4)對(duì)于溫度對(duì)象，

9、假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可表示為 ； ；其中對(duì)象特性參數(shù)均可能在以下范圍內(nèi)變化：/(T/hr)， 分，分；/(T/hr)，分，分。選擇Kp1=-3.0/(T/hr)，Tp1=3.0分,p =5分, Kd1=-1.0/(T/hr),Td1=4分,d =3分,得傳遞函數(shù): 五、實(shí)現(xiàn)方案與仿真測(cè)試 沒(méi)有加入控制器時(shí)圖3 系統(tǒng)框圖(沒(méi)有控制器)圖4 仿真圖(沒(méi)有控制器)方案1:簡(jiǎn)單回路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象(簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)象)、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)

10、構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所需的自動(dòng)化裝置數(shù)量少，投資低，操作維護(hù)也比較方便，而且在一般情況下，都能滿(mǎn)足控制質(zhì)量的要求。(1) 計(jì)算PID參數(shù)使用響應(yīng)曲線(xiàn)法整定圖5 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)狀態(tài)圖6 廣義對(duì)象開(kāi)環(huán)整定曲線(xiàn)由圖可得:，T2（t2t1）200；2 t1t2360；Ti20720； Td0.50180；圖7系統(tǒng)框圖圖8 仿真框圖(2) 系統(tǒng)仿真根據(jù)計(jì)算得出的PID參數(shù)得到的圖像圖9初始給定110仿真框圖圖10 由計(jì)算得出PID參數(shù)的仿真圖所得圖形不適合，進(jìn)過(guò)調(diào)整得到：跟蹤響應(yīng)試驗(yàn)前控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)曲線(xiàn)：圖11 調(diào)整PID參數(shù)后所得的仿真圖追蹤溫度分析在4000s的時(shí)刻，改變溫度輸入值，突加給定一個(gè)為10的階躍信號(hào)

11、：系統(tǒng)輸出如下圖12溫度輸入仿真框圖圖13 溫度突加+10（120）的曲線(xiàn)圖14 溫度突加-10（100）的曲線(xiàn)分析：由圖可見(jiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)改變時(shí)，系統(tǒng)的輸出溫度能自動(dòng)跟蹤輸入，最終也變?yōu)?30和110度，由此可見(jiàn)此設(shè)計(jì)效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為0.02 MPa在4000s時(shí)刻，單獨(dú)加入泵出口壓力系統(tǒng)輸出的如下圖15 單獨(dú)加入泵出口壓力干擾仿真圖圖16泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為+0.02 MPa時(shí)的曲線(xiàn)圖17泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為-0.02 MPa時(shí)的曲線(xiàn)分析：由圖可見(jiàn)，在泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為-0.02 MPa時(shí)，系統(tǒng)能夠較快進(jìn)行消除。進(jìn)料量F的

12、階躍變化幅度為15 T/hr單獨(dú)加入進(jìn)料量F系統(tǒng)輸出的如下：圖18 單獨(dú)加入進(jìn)料量干擾F仿真圖圖19 進(jìn)料量F的階躍變化幅度為+15 T/hr圖20進(jìn)料量F的階躍變化幅度為-15 T/hr分析：由圖可見(jiàn)，進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15 T/hr時(shí)，可以在要求范圍內(nèi)對(duì)干擾進(jìn)行消除。兩種擾動(dòng)同時(shí)作用時(shí)（只選取其中一種+0.02，+15）：圖21 兩種擾動(dòng)同時(shí)作用仿真圖 圖12 +0.02 MPa時(shí)的曲線(xiàn)和階躍變化幅度為+15 T/hr分析：由圖可見(jiàn)，兩種擾動(dòng)同時(shí)作用時(shí)，可以在要求范圍內(nèi)對(duì)干擾進(jìn)行消除。 （3）系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的選擇圖22 簡(jiǎn)單回路控制系統(tǒng)流程圖1）調(diào)節(jié)閥采用氣關(guān)閥“”，已由設(shè)計(jì)要求中給定。

13、 2）被控過(guò)程符號(hào)為“”。3）溫度變送器的符號(hào)為“”，已由設(shè)計(jì)中給定。4）溫度調(diào)節(jié)器選擇反作用，符號(hào)為“”。為了形成一個(gè)負(fù)反饋，所以調(diào)節(jié)器選擇反作用。方案2：Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)（1）補(bǔ)償器計(jì)算：Gb(s)=Go(s)（1-e-s）=（2）系統(tǒng)仿真圖23 Smith系統(tǒng)框圖與仿真框圖圖24初始給定110仿真框圖追蹤溫度分析圖25溫度輸入仿真框圖圖26 溫度突加+10（120）的曲線(xiàn)圖27 溫度突加-10（100）的曲線(xiàn)分析：由圖可見(jiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)改變時(shí)，系統(tǒng)的輸出溫度能自動(dòng)跟蹤輸入，最終也變?yōu)?30和110度，由此可見(jiàn)此設(shè)計(jì)效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為0.02 M

14、Pa在6000s時(shí)刻，單獨(dú)加入泵出口壓力系統(tǒng)輸出的如下圖28 單獨(dú)加入泵出口壓力干擾仿真圖圖29泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為+0.02 MPa時(shí)的曲線(xiàn)圖30泵出口壓力Pp的階躍變化幅度為-0.02 MPa時(shí)的曲線(xiàn)進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15 T/hr，曲線(xiàn)如下：在6000s時(shí)刻，單獨(dú)加入進(jìn)料量F系統(tǒng)輸出的如下圖31 單獨(dú)加入進(jìn)料量干擾F仿真圖圖32進(jìn)料量F的階躍變化幅度為+15 T/hr圖33進(jìn)料量F的階躍變化幅度為-15 T/hr分析：由圖可見(jiàn)，進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15 T/hr時(shí)，可以在要求范圍內(nèi)對(duì)干擾進(jìn)行消除。兩種擾動(dòng)同時(shí)作用時(shí)（只選取其中一種+0.02，+15）：圖34 兩種擾動(dòng)

15、同時(shí)作用仿真圖圖35 +0.02 MPa時(shí)的曲線(xiàn)和階躍變化幅度為+15 T/hr分析：由圖可見(jiàn)，兩種擾動(dòng)同時(shí)作用時(shí)，可以在要求范圍內(nèi)對(duì)干擾進(jìn)行消除。（3）系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的選擇1）調(diào)節(jié)閥采用氣關(guān)閥“”，已由設(shè)計(jì)要求中給定。 2）被控過(guò)程符號(hào)為“”。3）溫度變送器的符號(hào)為“”，已由設(shè)計(jì)中給定。4）溫度調(diào)節(jié)器選擇反作用，符號(hào)為“”。為了形成一個(gè)負(fù)反饋，所以調(diào)節(jié)器選擇反作用。六、性能比較由以上的仿真結(jié)果可知，單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，控制效果也可到達(dá)預(yù)定要求，但是PID參數(shù)整定較花時(shí)間。而Smith預(yù)估補(bǔ)償器相對(duì)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)加多了一個(gè)前饋補(bǔ)償控制器，對(duì)于干擾可以較快的消除干擾。七、設(shè)計(jì)心得通過(guò)兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，主要完成以下任務(wù)：閱讀課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)；查閱相關(guān)資料；復(fù)習(xí)過(guò)控相關(guān)知識(shí)；根據(jù)過(guò)控課本介紹設(shè)計(jì)方案；matlab的簡(jiǎn)易學(xué)習(xí)；仿真與測(cè)試；撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了很多自己遺忘的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)復(fù)習(xí)并與同學(xué)討論，一一解決設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，在通過(guò)書(shū)籍和網(wǎng)絡(luò)資料的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了很多精餾塔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想基本一致，但不論常規(guī)控制方法，還是優(yōu)化控制方法方案，都是以充分的工藝機(jī)理分析為基礎(chǔ)的，具體問(wèn)題具體分析，需要根據(jù)蒸餾過(guò)程采取適當(dāng)?shù)姆桨?，比如，有的較簡(jiǎn)單