精餾塔頂溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

過程控制工程課程設(shè)計(jì)過程控制工程課程設(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DLCF精餾塔RRMTTMUFMPPPTVRVD圖1精餾塔頂溫度控制問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DDZIII型為例，當(dāng)輸入電流為4MA時(shí)，對(duì)應(yīng)相對(duì)輸入信號(hào)為0；當(dāng)輸入電流為20MA時(shí)，對(duì)應(yīng)相對(duì)輸入信號(hào)為100），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、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T0110，F(xiàn)040T/HR（噸/小時(shí)），R020T/HR，PP009MPA，PT0086MPA，U025，F(xiàn)V075。這里，F(xiàn)V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0160，進(jìn)料量F的測(cè)量范圍為0100T/HR，塔頂冷回流量R的測(cè)量范圍為050T/HR。T、R、F的測(cè)量值TM、RM、FM均用來表示，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)來近似，溫度測(cè)量環(huán)節(jié)的一階時(shí)間常數(shù)，單位為分。51（4）假設(shè)控制閥VR為線性閥，其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)，動(dòng)態(tài)特性可表示為。SUFGV（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，。122STKFVP221DDPKRSGPT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)SFV分；、K2、KD2在一定范圍內(nèi)變化，這里設(shè)、K2、KD2的變化范602TDDT圍分別為分；T/HR/；T/HR21,020,10,1/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；SSTRSGPPPEX11；KFDDD1其中對(duì)象特性參數(shù)均可能在以下范圍內(nèi)變化/T/HR，03,41P分，分；/T/HR，05,31PT50,7P2D分，分。64D3D二、研究任務(wù)對(duì)于上述被控過程，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1540F029PP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10SPT方法，設(shè)計(jì)至少2套控制系統(tǒng)，通過調(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、氣關(guān)形式，確定所用控制器的正反作用方式，畫出控制系統(tǒng)完整的方框圖（需注明方框圖各環(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”開環(huán)階躍響應(yīng)曲線；（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；（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。4、根據(jù)不同控制方案的閉環(huán)響應(yīng)曲線，比較控制性能（包括是否穩(wěn)定、衷減比、超調(diào)量、過渡過程時(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15T/HR，泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA。（3）建議采用如圖2所示的傳遞函數(shù)模塊作為基本的方框圖單元，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T0110,測(cè)量范圍為0160控制變量選擇塔頂冷回流量R,R020T/HR，測(cè)量范圍為050T/HR。干擾主要擾動(dòng)為進(jìn)料量F與泵出口壓力PP的變化,F040T/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PIDSMITH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501T13SGM2假設(shè)控制閥VR為線性閥，其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)，動(dòng)態(tài)特性可表示為。UFVV3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，。122STKFSVP221DDPKRSPT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)SFV分；、K2、KD2在一定范圍內(nèi)變化，這里設(shè)、K2、KD2的變化范602TDD圍分別為分；T/HR/；T/HR201,DT20,12K20,12DK/MPA。選擇TD201分,T/HR/,T/HR/MPA,得傳遞函數(shù)D1362SFRSGVP0PPD4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；SSTKRSPPPEX11；FGDDD1其中對(duì)象特性參數(shù)均可能在以下范圍內(nèi)變化/T/HR，03,41P分，分；/T/HR，05,31PT50,7P2DK分，分。64D3D選擇KP130/T/HR，TP130分,P5分,KD110/T/HR,TD14分,D3分,得傳遞函數(shù)SSRSGP30EX1801FTD8P241五、實(shí)現(xiàn)方案與仿真測(cè)試沒有加入控制器時(shí)GVSGP2SGP1SGD2SGD1SGMS輸出溫度T給定輸入泵出口壓力干擾進(jìn)料量干擾圖3系統(tǒng)框圖沒有控制器圖4仿真圖沒有控制器方案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)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，都能滿足控制質(zhì)量的要求。1計(jì)算PID參數(shù)使用響應(yīng)曲線法整定圖5系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)圖6廣義對(duì)象開環(huán)整定曲線由圖可得，XY/MINAKO30，60T2（T2T1）200；2T1T2360；898500PTI20720；TD050180；GCSGVSGP2SGP1SGD2SGD1SGMS輸出溫度T給定輸入泵出口壓力干擾進(jìn)料量干擾圖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)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）的曲線圖14溫度突加10（100）的曲線分析由圖可見，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002MPA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002MPA時(shí)的曲線圖17泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA時(shí)的曲線分析由圖可見，在泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA時(shí)，系統(tǒng)能夠較快進(jìn)行消除。進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15T/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15T/HR圖20進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15T/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002，15）圖21兩種擾動(dòng)同時(shí)作用仿真圖圖12002MPA時(shí)的曲線和階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，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。2）被控過程符號(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2SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)（1）補(bǔ)償器計(jì)算GBSGOS（1ES）30EXP1803S（2）系統(tǒng)仿真GCSGVSGP2SGP1SGD2SGD1SGMS輸出溫度T給定輸入泵出口壓力干擾進(jìn)料量干擾GP1SEXPS圖23SMITH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）的曲線圖27溫度突加10（100）的曲線分析由圖可見，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002MPA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002MPA時(shí)的曲線圖30泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA時(shí)的曲線進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15T/HR，曲線如下在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15T/HR圖33進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，進(jìn)料量F的階躍變化幅度為15T/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002，15）圖34兩種擾動(dòng)同時(shí)作用仿真圖圖35002MPA時(shí)的曲線和階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，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)心得設(shè)計(jì)心得通過兩個(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；查閱相關(guān)資料；復(fù)習(xí)過控相關(guān)知識(shí)；根據(jù)過控課本介紹設(shè)計(jì)方案；MATLAB的簡(jiǎn)易學(xué)習(xí)；仿真與測(cè)試；撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)了很多自己遺忘的知識(shí)點(diǎn)，通過復(fù)習(xí)并與同學(xué)討論，一一解決設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題，在通過書籍和網(wǎng)絡(luò)資料的過程中，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，具體問題具體分析，需要根據(jù)蒸餾過程采取適當(dāng)?shù)姆桨福?