過控課設精餾塔溫度控制系統(tǒng)設計與仿真

1、 自動化工程與科學學院過程控制系統(tǒng)與儀表課程設計精餾塔溫度控制系統(tǒng)設計與仿真班級：11級自動化2班姓名： 董文杰學號：201130610309 指導老師： 哀薇 日期：20140707 過程控制系統(tǒng)課程設計精餾塔溫度控制系統(tǒng)設計與仿真一、 研究對象圖1 精餾塔溫度控制問題某精餾塔的工藝流程如圖1所示，現(xiàn)要求對精餾段溫度tr和提餾段溫度ts都進行有效的控制，以確保塔頂和塔底產(chǎn)品的質量。圖1中，f 為進料量，它受上游流程控制，為精餾塔溫度的主要干擾之一，其它干擾包括進料組成與溫度變化、塔底蒸汽量變化、塔頂回流冷凝后溫度變化等；l為塔頂冷回流量，擬作為精餾段溫度tr的控制手段；塔底蒸汽量qh 擬作為

2、提餾段溫度ts的控制手段。u1為調(diào)節(jié)閥vl的相對輸入信號，u2為調(diào)節(jié)閥vq的相對輸入信號（以ddz iii型為例，當輸入電流為4 ma時，對應相對輸入信號為0 %；當輸入電流為20 ma時，對應相對輸入信號為100 %），p 為精餾塔頂壓力，其變化可基本忽略，pp 為泵出口壓力，pp受塔頂產(chǎn)品調(diào)節(jié)閥vd開度的影響，變化范圍較大。圖1中l(wèi)m、vm、fm分別為l、v、f的測量值。為便于控制方案研究，假設如下：（1） 該精餾塔的靜態(tài)工作點為 t0 = 140 ，f0 = 60 t/hr（噸/小時），l0 = 20 t/hr，v0 = 15 t/hr，u10 = 25 %，fl0 = 75 %， u2

3、0 =25 %，fq0 = 25 %，pp0 = 0.9 mpa，pt0 = 0.86mpa。這里，fq為調(diào)節(jié)閥vq相對流通面積，fl為調(diào)節(jié)閥l相對流通面積。（2） 精餾段和提餾段溫度的測量范圍都為0 200 ，進料量f的測量范圍為0 100 t/hr，塔頂冷回流量l的測量范圍為0 50 t/hr，塔底回流量v的測量范圍為0 25 t/hr。l、v、f的測量值：lm、vm、fm均用%來表示，即lm、vm、fm的最小值為0，最大值為100。（3） 流量測量儀表的動態(tài)滯后忽略不計；而溫度測量環(huán)節(jié)可用帶純滯后的一階環(huán)節(jié)來近似，溫度測量環(huán)節(jié)的一階時間常數(shù)，純滯后時間，單位為分。（4） 考慮到精餾塔操作

4、的安全性，控制閥vl選用氣關閥，控制閥vq選用氣開閥，假設控制閥都為線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，動態(tài)特性可表示為，。（5） 對于塔頂冷回流對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為：，。其中為控制閥vl相對流通面積的變化量，%；tr2基本不變，這里設分；kr2、krd2在一定范圍內(nèi)變化，這里設kr2、krd2的變化范圍分別為 (t/hr)/%； (t/hr)/mpa。（6） 對于塔底回流對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為:，。其中為控制閥vr相對流通面積的變化量，%；ts2基本不變，這里設分；ks2、ksd2在一定范圍內(nèi)變化，這里設ks2、ksd2的變化范圍分別為(t/hr)/

5、%；t/hr。（7） 對于溫度對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為；其中對象特性參數(shù)均可能在以下范圍內(nèi)變化： /(t/hr)，/(t/hr)，/(t/hr)，/(t/hr)，分，分，分，分，分，分，分； /(t/hr)，分，分， /(t/hr)，分，分。二、 研究任務對于上述被控過程，假設被控變量t所受的主要擾動為進料量f、泵出口壓力pp的變化、蒸汽壓力變化pf，而且變化范圍為：t/hr，mpa, ；另外，被控變量t的設定范圍為。試應用單回路、串級、前饋、比值、選擇、smith預估、解耦等控制方法，設計至少2套控制系統(tǒng)，達到控制精餾塔溫度的目的。對于每一套控制方案，具體要求：1、 說

6、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、 確定所用控制器的正反作用，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），并選擇合適的pid控制規(guī)律。3、 在simulink仿真環(huán)境下，對所采用的控制系統(tǒng)進行仿真研究。具體步驟包括：（1） 在對象特性參數(shù)的變化范圍內(nèi)，確定各環(huán)節(jié)對象的傳遞函數(shù)模型，并構造simulink對象模型；（2） 引入手動/自動切換環(huán)節(jié)，在手動狀態(tài)下對控制通道、干擾通道分別進行階躍響應試驗，以獲得“廣義對象”開環(huán)階躍響應曲線；（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，進行溫度設定值跟

7、蹤響應試驗、干擾塔底回流量、pp與f對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗，并獲得相應的響應曲線；（5） 在各控制器參數(shù)均保持不變的前提下，當對象特性在其變化范圍內(nèi)發(fā)生變化時，重新進行溫度設定值跟蹤試驗與擾動響應試驗，并獲得相應的響應曲線。4、 根據(jù)不同控制方案的閉環(huán)響應曲線，比較控制性能（包括是否穩(wěn)定、衰減比、超調(diào)量、過渡過程時間等）。三、 控制方案精餾塔溫度控制的開環(huán)回路如下圖所示： 溫度控制開環(huán)回路由圖我們可知，被控變量ts、tr控制回路都存在兩種主要干擾。被控變量tr主要受到干擾量是進料量f和泵出口壓力pp；被控變量ts主要受到干擾量為進料量f和塔底蒸汽量v。且被控變量ts、tr相互耦合。為此，我設

8、計了兩種方案來實現(xiàn)控制精餾塔的溫度。第一種，忽略耦合的影響，在每條控制回路上加上反饋控制，構成單回路反饋控制；第二種，對耦合系統(tǒng)先進行解耦，分別采用單回路反饋控制回路。（1）第一種方案，構造類似單回路反饋電路。雖然被控變量之間有耦合，但是兩者之間的耦合強度不強，所以可以不做考慮。從傳遞函數(shù)可以看出，干擾量對于被控變量的影響不是很大，可以采取直接反饋回路消除。1、控制方案的工藝控制流程圖圖1-1控制工藝流程圖2、控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖圖1-2系統(tǒng)仿真方框圖其中，被控變量tr測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊為： 圖1-3 被控變量tr測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊(gmr)被控變量ts測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊為：

9、圖1-4 被控變量ts測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊(gms)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模塊： 圖1-5 gr傳遞函數(shù)模塊(包含g11、g21)圖1-6 gs傳遞函數(shù)模塊(包含g12、g22)進料量f的干擾通道的傳遞函數(shù)模塊：圖1-7 進料量f的干擾通道的傳遞函數(shù)模塊 控制器pid1、pid2都是正作用，都選擇pid控制規(guī)律。3、確定各環(huán)節(jié)對象的傳遞函數(shù)模型（a）對于塔頂冷回流對象，控制通道與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模型為：，（b）對于塔底回流對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模型為:，（c）對于溫度對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模型為； （e）溫度測量環(huán)節(jié)的傳

10、遞函數(shù)模型： ，4、切換到手動狀態(tài)，得出各開環(huán)階躍響應曲線(所有控制變量及干擾量初始狀態(tài)都為0)（a）開始10min后，僅給tr控制信號+50的階躍信號；再過40min后，給tr控制信號為-50的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： tr階躍響應曲線 ts階躍響應曲線（b）開始10min后，僅給ts控制信號+50的階躍信號；再過40min后，給ts控制信號為-50的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： tr階躍響應曲線 ts階躍響應曲線（c）開始10min后，僅給干擾量f+20的階躍信號；再過40min后，給干擾量f為-20的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： 進料量階躍作用的t

11、r響應曲線 進料量階躍作用的ts階躍響應曲線（d）開始10min后，僅給干擾量pp+0.02的階躍信號；再過40min后，給干擾量pp為-0.02的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： 泵出口壓力階躍作用的tr響應曲線 泵出口壓力階躍作用的ts響應曲線（e）開始10min后，僅給干擾量v+15的階躍信號；再過40min后，給干擾量v為-15的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： 塔底回流量階躍作用的tr響應曲線 塔底回流量階躍作用的ts響應曲線由圖（a）、（b）可知，被控變量tr、ts的控制通道是相互耦合的，tr的控制變量對被控變量ts的影響大于ts的控制變量對被控變量tr的影響；由圖

12、（c）可知，干擾量f對于對于被控變量ts的影響較大點；有圖（d）可知，雖然干擾量pp在被控變量tr控制回路，但因為耦合作用，也影響到被控變量ts；有圖（e）可知，干擾量v只影響被控變量ts，因為干擾量v作用在被控變量回路ts的末端。5、控制器參數(shù)的整定（a）控制tr的控制器pid1的參數(shù)為：p=1.8，i=0.7，d=0.5（b）控制ts的控制器pid2的參數(shù)為： p=3.2，i=1.2，d=0.56、控制系統(tǒng)處于“閉環(huán)”狀態(tài)下的性能測試（a）溫度設定值跟蹤響應試驗（溫度設定值為140）： 溫度設定值tr響應曲線 溫度設定值ts響應曲線（b）泵出口壓力pp對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40mi

13、n后，給階躍信號+0.02mpa）： 泵出口壓力干擾tr響應曲線 泵出口壓力干擾ts響應曲線（c）進料量f對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+20t/hr）： 進料量干擾tr響應曲線 進料量干擾 ts響應曲線（d）塔底回流量v對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+15t/hr）： 塔底回流量干擾tr響應曲線 塔底回流量干擾ts響應曲線（f）三種干擾量同時對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，三種干擾量同時給階躍信號）： 三種干擾同時作用tr響應曲線 三種干擾同時作用ts響應曲線 由以上圖形比較可以得出結論：控制系統(tǒng)在“閉環(huán)”狀態(tài)下，溫度設定值跟蹤響應

14、性能好，響應時間短；干擾量pp與f可以通過反饋控制迅速消除，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定；干擾量v是主要干擾量，僅靠反饋控制可以消除，但是超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間長，不利于系統(tǒng)安全。7、變換對象特性傳遞函數(shù)，測定系統(tǒng)“閉環(huán)”動態(tài)性能，；（a）溫度設定值跟蹤響應試驗（溫度設定值為140）： 溫度設定值tr響應曲線 溫度設定值ts響應曲線（b）泵出口壓力pp對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+0.02mpa）： 泵出口壓力干擾tr響應曲線 泵出口壓力干擾ts響應曲線（c）進料量f對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+20t/hr）： 進料量干擾tr響應曲線 進料量干擾 ts響應曲

15、線（d）塔底回流量v對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+15t/hr）： 塔底回流量干擾tr響應曲線 塔底回流量干擾ts響應曲線通過以上圖形，可以看出：無論是溫度設定值跟蹤響應曲線還是擾動響應曲線，都發(fā)生強烈的振蕩。所以在各控制器參數(shù)均保持不變的前提下，當對象特性在發(fā)生變化時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，即每當對象特性發(fā)生變化時，我們都要進行pid整定，才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。（2）第二種方案，先對控制通道進行解耦，塔頂塔底均采用單回路反饋控制方法。 被控變量tr、ts的控制通道是相互耦合的，當ts受到大干擾時，由于耦合作用，同樣會嚴重影響被控變量tr。一般而已，我們對于塔頂精餾段要求比較高

16、，所以增加解耦環(huán)節(jié)，使被控變量tr不再受到塔底回流量v的干擾，有利于被控變量tr的穩(wěn)定快速控制。對于塔頂回路，干擾量影響不大，采用單回路反饋控制，即可以達到控制要求。對于塔底回路，由于控制過程由兩條通道并聯(lián)，且滯后時間都不一樣，所以無法采用smith預估補償控制，故仍然采用單回路反饋控制。 1、控制方案的工藝控制流程圖圖2-1 控制工藝流程圖2、控制系統(tǒng)方框圖 系統(tǒng)方框圖圖2-2 系統(tǒng)仿真方框圖其中，被控變量tr測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊為： 圖2-3 被控變量tr測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊(gmr)被控變量ts測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊為： 圖2-4 被控變量ts測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊(gms)控制通道

17、與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模塊： 圖2-5 gr傳遞函數(shù)模塊(包含g11、g21)圖2-6 gs傳遞函數(shù)模塊(包含g12、g22)進料量f的干擾通道的傳遞函數(shù)模塊：圖2-7 進料量f的干擾通道的傳遞函數(shù)模塊解耦環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模塊： 圖2-8 解耦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)模塊n(包含n21、n12) 控制器pid1、pid2都是正作用，都選擇pid控制規(guī)律。3、確定各環(huán)節(jié)對象的傳遞函數(shù)模型（a）對于塔頂冷回流對象，控制通道與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模型為：，（b）對于塔底回流對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模型為:，（c）對于溫度對象，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性傳遞函數(shù)模型為； （e

18、）溫度測量環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型： ，4、切換到手動狀態(tài)，得出各開環(huán)階躍響應曲線(所有控制變量及干擾量初始狀態(tài)都為0)（a）開始10min后，僅給tr控制信號+50的階躍信號；再過40min后，給tr控制信號為-50的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： tr階躍響應曲線 ts階躍響應曲線（b）開始10min后，僅給ts控制信號+50的階躍信號；再過40min后，給ts控制信號為-50的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： tr階躍響應曲線 ts階躍響應曲線（c）開始10min后，僅給干擾量f+20的階躍信號；再過40min后，給干擾量f為-20的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）：

19、進料量階躍作用的tr響應曲線 進料量階躍作用的ts階躍響應曲線（d）開始10min后，僅給干擾量pp+0.02的階躍信號；再過40min后，給干擾量pp為-0.02的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： 泵出口壓力階躍作用的tr響應曲線 泵出口壓力階躍作用的ts響應曲線（e）開始10min后，僅給干擾量v+15的階躍信號；再過40min后，給干擾量v為-15的階躍信號（橫軸表示時間，縱軸表示幅度）： 塔底回流量階躍作用的tr響應曲線 塔底回流量階躍作用的ts響應曲線由以上圖形相互比較，可以得出：通過n21(s)、n12(s)前饋解耦環(huán)節(jié)解耦以后，被控變量tr、ts的控制回路都轉變?yōu)閱位芈房?/p>

20、制通道。控制信號、干擾量都只對其控制通道有作用。但是，由于每條回路都是由并聯(lián)的過程特性函數(shù)組成，由于過程特性函數(shù)滯后時間不一樣，存在過渡時間，使得階躍響應曲線有略微的振蕩。5、控制器參數(shù)的整定（a）控制tr的控制器pid1的參數(shù)為：p=0.8，i=0.7，d=0.6（b）控制ts的控制器pid2的參數(shù)為： p=4.6，i=0.9，d=0.56、控制系統(tǒng)處于“閉環(huán)”狀態(tài)下的性能測試（a）溫度設定值跟蹤響應試驗（溫度設定值為140）： 溫度設定值tr響應曲線 溫度設定值ts響應曲線（b）泵出口壓力pp對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+0.02mpa）： 泵出口壓力干擾tr響應

21、曲線 泵出口壓力干擾ts響應曲線（c）進料量f對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+20t/hr）： 進料量干擾tr響應曲線 進料量干擾 ts響應曲線（d）塔底回流量v對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+15t/hr）： 塔底回流量干擾tr響應曲線 塔底回流量干擾ts響應曲線（f）三種干擾量同時對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，三種干擾量同時給階躍信號）： 三種干擾同時作用tr響應曲線 三種干擾同時作用ts響應曲線 由以上圖形比較可以得出結論：控制系統(tǒng)在“閉環(huán)”狀態(tài)下，溫度設定值跟蹤響應性能好，響應時間短；干擾量pp與f可以通過反饋控制迅速消除，

22、保持系統(tǒng)的穩(wěn)定；通過解耦環(huán)節(jié)以后，干擾量v不再對被控變量tr造成影響。但干擾量v仍讓是被控變量ts的主要干擾量，僅靠反饋控制可以消除，但是超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間長，不利于系統(tǒng)安全。7、變換對象特性傳遞函數(shù)，測定系統(tǒng)“閉環(huán)”動態(tài)性能，；（a）溫度設定值跟蹤響應試驗（溫度設定值為140）： 溫度設定值tr響應曲線 溫度設定值ts響應曲線（b）泵出口壓力pp對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+0.02mpa）： 泵出口壓力干擾tr響應曲線 泵出口壓力干擾ts響應曲線（c）進料量f對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+20t/hr）： 進料量干擾tr響應曲線 進料量干

23、擾 ts響應曲線（d）塔底回流量v對系統(tǒng)輸出的擾動響應試驗（開始40min后，給階躍信號+15t/hr）： 塔底回流量干擾tr響應曲線 塔底回流量干擾ts響應曲線通過以上圖形，可以看出：塔頂回路可以維持穩(wěn)定，但是對于塔底回路來說，可以回路無論是溫度設定值跟蹤響應曲線還是擾動響應曲線，都發(fā)生強烈的振蕩。所以在各控制器參數(shù)均保持不變的前提下，當對象特性在發(fā)生變化時，系統(tǒng)將可能出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，即每當對象特性發(fā)生變化時，我們都要進行pid整定，才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，才能使系統(tǒng)獲得最佳狀態(tài)。四、 控制性能比較 表1 不同方案的控制性能比較表格方案一方案二trtstrts溫度設定值跟蹤衰減比2.1：16：13.5:13:1超調(diào)量/6336359調(diào)節(jié)時間/min1419.511.511.5是否穩(wěn)定是是是是泵壓力干擾影響最大動態(tài)偏差/73.56.60恢復時間/min343.40是否穩(wěn)定是是是是進料量干擾影響最大動態(tài)偏差/2.562.86恢復時間/min5.396.312是否穩(wěn)定是是是是塔底回流量干擾影響最大動