基于MATLAB的精餾控制系統(tǒng)開發(fā)與仿真

1、信息科學(xué)與工程學(xué)院工程訓(xùn)練報告題 目 基于MATLAB的精餾控制系統(tǒng)開發(fā)與仿真 學(xué)生姓名 大神 學(xué) 號 專業(yè)班級 自動化大神班 指導(dǎo)老師 大神的老師 完成日期 2015.9.14 前言精餾塔是化工、石油化工、煉油生產(chǎn)過程中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過程設(shè)備。精餾過程的實質(zhì)就是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，實現(xiàn)各組分的分離。精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機理較復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，在線測量困難，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精館塔的控制方案是一個極為重要的課題。此外，在全球金融危機的壓力下，國內(nèi)眾多過程工業(yè)企業(yè)不僅面臨著同行的競爭壓

2、力，同時也面臨著來自國際間的市場挑戰(zhàn)。在當(dāng)前經(jīng)濟并不景氣的大環(huán)境下，積極的開發(fā)和應(yīng)用先進過程控制技術(shù)來提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，增強企業(yè)自身的競爭力是過程工業(yè)迎接挑戰(zhàn)的主要途徑。隨著控制理論與計算機技術(shù)的發(fā)展，不僅為先進控制技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，同樣也提供了良好的軟硬件平臺。近些年來，先進控制技術(shù)在實際工業(yè)過程中也取得了較好的成效，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。精餾過程因其大時滯、變量稱合、動態(tài)特性分析復(fù)雜、約束條件復(fù)雜且難以進行變量配對等特性成為過程控制界多年來理論研究和實踐的熱點。近30年來，有關(guān)精餾塔控制的研究文獻大量涌現(xiàn)，其研究熱點大致趨勢可分為：(1)開發(fā)和應(yīng)用線性多變量控制技術(shù)，自適應(yīng)控制

3、，預(yù)測推理控制和魯棒控制算法，進行精餾塔的預(yù)測控制系統(tǒng)和魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計。(2)應(yīng)用先進控制技術(shù)與優(yōu)化策略，實現(xiàn)精餾塔的節(jié)能優(yōu)化控制。針對精餾塔的非線性本質(zhì)，Trotta采用降階模型來簡化控制器的設(shè)計，并通過全局線性化的控制方法對精館塔的兩端組分含量進行控制，取得了良好的控制效果。在先進控制算法方面，F(xiàn)ileti將可編程自適應(yīng)控制器、自整定調(diào)節(jié)器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的模型預(yù)測控制算法應(yīng)用于實驗間歇精館塔裝置的控制。就魯棒性問題，王剎設(shè)計了對象具有加性不確定性時基于控制的Smith預(yù)估器，將具有多個時間滯后系統(tǒng)的跟蹤問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)控制器設(shè)計問題。智能控制方面，Canete采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對精餾塔建模，

4、提出自適應(yīng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制器，并在二元精館塔上進行了仿真。與此同時，對精館塔兩端組分控制（Dual Composition Control)及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析成為主要的研宄方向之一。推理控制也因組分在線測量裝置的精度難以滿足在線控制的需求而受到廣泛關(guān)注。Kano指出了動態(tài)推理模型有最好的估計精度，并在此基礎(chǔ)上提出了一種“預(yù)測推理控制”，使用在線辨識的推理模型估計未來成分的變化以對其控制。綜合來說，絕大數(shù)精館塔控制的研究仍局限于理論推導(dǎo)仿真或?qū)嶒炇已b置，實際的工業(yè)應(yīng)用仍占少數(shù)。隨著過程工業(yè)對精館過程要求的提高，需要控制界提出更多實際應(yīng)用價值高的控制策略，并付諸實際。本文針對工程訓(xùn)練任務(wù)書中

5、給出的系統(tǒng)辨識函數(shù)，搭建了仿真框圖，調(diào)整PID參數(shù)，最終使系統(tǒng)在較好的指標(biāo)內(nèi)達到穩(wěn)定。目錄前言21精餾控制系統(tǒng)概述41.1精餾工藝概述41.2精餾工藝的基本要求42系統(tǒng)分析及方案選擇53控制對象的數(shù)學(xué)模型64系統(tǒng)穩(wěn)定性分析75控制系統(tǒng)的參數(shù)整定86控制系統(tǒng)Simulink仿真106總結(jié)11參考文獻111精餾控制系統(tǒng)概述1.1精餾工藝概述精餾是將一定濃度的溶液送入精餾裝置使它反復(fù)地進行部分汽化和部分冷凝，從而的得到預(yù)期的塔頂和塔底產(chǎn)品的操作。精餾的設(shè)備和過程如圖1.1所示。圖1.1 精餾設(shè)備與精餾過程精餾設(shè)備主要有：精餾塔、再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵。原料從精餾塔中段某一塊塔板（稱為進料板）

6、進入。進料板把精餾塔分為進料板以上的精餾段和進料板以下的提餾段。進入塔內(nèi)的液體與塔內(nèi)上升蒸汽在各層塔板上充分接觸，使沸點低的易揮發(fā)組分汽化上行；沸點高的難揮發(fā)組分隨液體往下流。精餾塔內(nèi)物料和蒸汽在逆流作用下進行傳質(zhì)和傳熱。下流到塔釜的液體分為兩部分，一部分被引出為塔底產(chǎn)品，另一部分經(jīng)再沸器加熱汽化后返回精餾塔。精餾塔內(nèi)上升的蒸汽依次經(jīng)過所有塔板，使蒸汽中易揮發(fā)組分濃度逐漸增大，餾出塔頂?shù)恼羝诶淠髦欣淠秊橐后w，經(jīng)回流罐和回流泵后，液體分為兩部分，一部分塔頂產(chǎn)品引出，另一部分則引回到精餾塔塔頂?shù)木s段塔板上，稱為回流量。在精餾過程達到穩(wěn)態(tài)時，塔內(nèi)狀態(tài)穩(wěn)定，每層塔板上液體和蒸汽的濃度均保持不變，

7、塔外狀態(tài)穩(wěn)定，塔頂產(chǎn)品和塔釜產(chǎn)品的濃度和流量均保持定值。1.2精餾工藝的基本要求精餾塔的控制主要有三類指標(biāo)：質(zhì)量指標(biāo)（產(chǎn)品純度）、產(chǎn)品產(chǎn)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)。根據(jù)精餾過程，基本的精餾工藝要求有：（1）保證產(chǎn)品的提純純度（質(zhì)量）和產(chǎn)量精餾過程所得產(chǎn)品自然應(yīng)滿足規(guī)定的質(zhì)量要求。精餾產(chǎn)品的質(zhì)量要求一般是要保證塔頂或塔底產(chǎn)品之一達到規(guī)定的純度要求，而另一產(chǎn)品純度在規(guī)定的范圍內(nèi)。產(chǎn)品質(zhì)量的高低與能耗、產(chǎn)量和成本等關(guān)聯(lián)密切，為了取得綜合效益最好，往往把產(chǎn)品質(zhì)量控制到剛好能滿足規(guī)格要求，即所謂“卡邊”生產(chǎn)。產(chǎn)品的產(chǎn)量通常用回收率表示?；厥章蕿樵现忻繂挝划a(chǎn)品組分所能得到的可售產(chǎn)品的數(shù)量?？梢娀厥章试礁?，表明產(chǎn)量

8、越高。（2）安全和節(jié)能生產(chǎn)過程的安全性主要體現(xiàn)在精餾過程控制中的參數(shù)設(shè)限問題，即根據(jù)實際情況，設(shè)定如蒸汽壓力、流量等的最大最小值，以防止事故發(fā)生保證安全生產(chǎn)。耗能問題是精餾過程所研究的重點問題。能耗的降低主要考慮工藝過程的合理性、過程控制的參數(shù)選擇和策略選擇合理性等。2系統(tǒng)分析及方案選擇精餾工藝的基本控制內(nèi)容包括：精餾塔外部的原料流量控制、過熱蒸汽控制；精餾塔內(nèi)部的精餾塔壓力控制、精餾段相關(guān)量控制、提餾段相關(guān)量控制；總體的安全控制和節(jié)能控制等。其中，精餾塔內(nèi)精餾段相關(guān)量控制包括：精餾段回流量控制、餾出液量控制、餾出產(chǎn)品質(zhì)量控制等。精餾塔內(nèi)提餾段相關(guān)量控制包括：再沸器加熱量控制、提餾段質(zhì)量控制、

9、提餾段釜液流量控制等。在分離混合物的精餾過程中，通過控制再沸器的加入蒸汽量來維持精餾塔氣相的空間速度。如果氣相的空間速度太高會引起液泛，其后果是從氣相帶走大量沒有分離的混合物；反之，如果氣象空間速度太低，則會引起漏液，其后果是從液相帶走大量沒有分離的混合物。在這兩種情況下，都會破壞精餾塔的正常運行。蒸汽加熱的再沸器是把蒸汽釋放的潛熱轉(zhuǎn)化成被加熱液體的汽化熱，如果加熱蒸汽量太大，傳熱間壁兩邊的溫差增大，容易使被加熱液體一側(cè)產(chǎn)生的氣泡連成一片，使實際傳熱效率大大降低?？梢娫冢诳刂圃俜衅髡羝髁康耐瑫r。需要對最大的蒸汽量加以限制。被調(diào)節(jié)變量可以取精餾塔的供料流量、塔壓、精餾塔塔釜液位或冷凝液儲槽液

10、位。選擇冷凝液儲槽液位為被調(diào)節(jié)量，控制再沸器的蒸汽加入量。這種控制方法在塔底產(chǎn)品流量較小時經(jīng)常采用。在這種場合下，一般不采用塔釜液位來調(diào)節(jié)加熱蒸汽量，因為塔底產(chǎn)品流量很低時，加熱蒸汽量的增加會使再沸器里的一部分液體排入精餾塔，造成塔釜液位短時間里增加，之后又逐漸下降，這樣控制起來會比較困難。圖2.1 系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)簡圖考慮到冷凝槽的液位變化基本上是與加熱蒸汽量成比例的，所以采用冷凝液儲槽液位控制加熱蒸汽量可以應(yīng)用線性調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.1。由于蒸汽加入量的變化要通過再沸器、精餾塔、冷凝器和儲槽，再影響到液位的變化，所以對象有較大的滯后特性，因此采用PID調(diào)節(jié)器。為了防止設(shè)定值

11、突變時，微分控制輸出突跳，將微分環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中，微分運算只對測量信號進行，即先行微分；蒸汽流量調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。冷凝液儲槽液位利用差壓變送器進行測量。系統(tǒng)框圖如圖2.2。圖2.2再沸器控制系統(tǒng)框圖3控制對象的數(shù)學(xué)模型廣義被控對象（即從再沸器至儲液槽液位，含有電/氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器/閥門、被控對象和液位變送器）的數(shù)學(xué)模型為：Gs=3e-15s(15s+1)2從再沸器（蒸汽流量）至精餾塔內(nèi)壓力測量變送器的數(shù)學(xué)模型為：Gs=e-5s13s+1 整齊的限制流量和塔內(nèi)壓力關(guān)系為：QsHs=Q0-0.64P(s)，式中QsH (s)為蒸汽的限制流量（拉氏變換）；Q0為蒸汽的最大流量；P(s)為

12、塔內(nèi)壓力最大值（拉氏變換）。4系統(tǒng)穩(wěn)定性分析廣義被控對象Gs=3e-15s(15s+1)2的伯德圖：Matlab程序：num=3;den=conv(15 1,15 1);G=tf(num,den,inputdelay,15);margin(G);伯德圖：由Bode圖可知，無調(diào)節(jié)器時，相位裕度為-10.5，幅值裕度為-0.893，所以開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。5控制系統(tǒng)的參數(shù)整定PID模塊位于MATLABSIMULINK的coutinuous庫中，如圖5.1，這里先整定蒸汽流量調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)，利用此PID Tunner，可以自動整定PI參數(shù)。D參數(shù)由于采用先行微分，需要通過觀察simulink仿真波形，

13、手動調(diào)試。圖5.1 PID模塊首先連接仿真模型，如圖5.2圖5.2閉環(huán)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器simulink框圖雙擊打開PID模塊的設(shè)置界面如圖5.3圖5.3PID模塊設(shè)置頁面在Controller下拉菜單中選擇PI結(jié)構(gòu)模式，Time-domain選項選擇連續(xù)域模式。選擇好模式之后，單擊Apply，然后單擊Tune按鈕，PID Tuner會自動在系統(tǒng)默認(rèn)的工作點處對模型進行線性化處理，設(shè)計出控制器的參數(shù)。如圖5.4所示,P=0.1197，I=0.。圖5.4PID自動調(diào)節(jié)模塊界面6控制系統(tǒng)Simulink仿真搭建完整的系統(tǒng)Simulink仿真框圖，在仿真框圖中，為了模擬真正的工業(yè)控制環(huán)境，在特定的環(huán)節(jié)，

14、添加了幅值為-0.5至0.5的噪聲干擾信號，仿真框圖如圖所示：圖6.1 控制系統(tǒng)仿真框圖圖6.2 仿真結(jié)果曲線從上至下依次為：給定蒸汽流量、實際蒸汽流量、塔內(nèi)壓力、擾動。由圖6.2可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，穩(wěn)態(tài)時間約為200s左右，能滿足一般精餾過程控制的需要。6總結(jié)本次工程訓(xùn)練，我通過查閱國內(nèi)相關(guān)文獻和教材，了解了精餾控制系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對精餾過程的背景和工藝流程有了一定的認(rèn)識。我通過快速學(xué)習(xí)，使用Simulink對精餾控制系統(tǒng)進行了建模與仿真。在仿真過程中，遇到了許多問題，我通過查閱資料和動手調(diào)試，解決了大部分問題，基本實現(xiàn)了精餾控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定和Simulink仿真。在本次實踐過程中，我也發(fā)現(xiàn)了自身基礎(chǔ)知識掌握欠佳，對Matlab和Simulink的理解和運用依然停留在表面水平。因此，在今后的學(xué)習(xí)中，我將更加注重基礎(chǔ)與實踐的結(jié)合，以求對原理有更深刻的理解。參考文獻1 周艷明. 精餾塔先進控制算法理論