精餾塔頂溫度控制系統(tǒng)設計與仿真

過程控制工程課程設計過程控制工程課程設計精餾塔頂溫度控制系統(tǒng)設計與仿真學院姓名班級學號時間2011年06月28日一、研究對象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)要求對精餾段靈敏板溫度T進行有效的控制，以確保塔頂產(chǎn)品的質量。圖1中，F(xiàn)為進料量，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為調節(jié)閥VR的相對輸入信號（以DDZIII型為例，當輸入電流為4MA時，對應相對輸入信號為0；當輸入電流為20MA時，對應相對輸入信號為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T0110，F(xiàn)040T/HR（噸/小時），R020T/HR，PP009MPA，PT0086MPA，U025，F(xiàn)V075。這里，F(xiàn)V為調節(jié)閥VR相對流通面積。（2）精餾段溫度T的測量范圍為0160，進料量F的測量范圍為0100T/HR，塔頂冷回流量R的測量范圍為050T/HR。T、R、F的測量值TM、RM、FM均用來表示，即TM、RM、FM的最小值為0，最大值為100。（3）流量測量儀表的動態(tài)滯后忽略不計；而溫度測量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來近似，溫度測量環(huán)節(jié)的一階時間常數(shù)，單位為分。51（4）假設控制閥VR為線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，動態(tài)特性可表示為。SUFGV（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，。122STKFVP221DDPKRSGPT其中為控制閥VR相對流通面積的變化量，；T2基本不變，這里設SFV分；、K2、KD2在一定范圍內(nèi)變化，這里設、K2、KD2的變化范602TDDT圍分別為分；T/HR/；T/HR21,020,10,1/MPA。（6）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；SSTRSGPPPEX11；KFDDD1其中對象特性參數(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的設定1540F029PP范圍為。試應用單回路、串級、前饋、SMITH預估補償、比值、選擇等控制10SPT方法，設計至少2套控制系統(tǒng)，通過調節(jié)塔頂冷回流量達到控制精餾塔頂溫度T的目的。對于每一套控制方案，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），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，進行溫度設定值跟蹤響應試驗、干擾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、衷減比、超調量、過渡過程時間等）。三、仿真研究要求為使仿真研究結果具有可比性，要求（1）跟蹤響應試驗前控制系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，溫度設定值與測量值一致，均對應110；跟蹤響應試驗中，溫度設定值的階躍變化幅度對應實際溫度為10。（2）擾動響應試驗前控制系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，溫度設定值與測量值一致，均對應110；擾動響應試驗中，進料量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。圖2帶有輸入輸出靜態(tài)工作點的通用傳遞函數(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，并采用實際微分運算。四、分析與計算被控參數(shù)選擇精餾段靈敏板溫度T,靜態(tài)工作點為T0110,測量范圍為0160控制變量選擇塔頂冷回流量R,R020T/HR，測量范圍為050T/HR。干擾主要擾動為進料量F與泵出口壓力PP的變化,F040T/HR（噸/小時）檢測儀表選擇壓力,溫度等調節(jié)閥選擇控制閥VR為線性閥控制方案選擇簡單控制系統(tǒng),調節(jié)器控制規(guī)律PIDSMITH預估補償控制系統(tǒng),調節(jié)器控制規(guī)律PID傳遞函數(shù)計算1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)，單位為分。其傳遞函數(shù)為501T13SGM2假設控制閥VR為線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，動態(tài)特性可表示為。UFVV3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，。122STKFSVP221DDPKRSPT其中為控制閥VR相對流通面積的變化量，；T2基本不變，這里設SFV分；、K2、KD2在一定范圍內(nèi)變化，這里設、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；SSTKRSPPPEX11；FGDDD1其中對象特性參數(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、實現(xiàn)方案與仿真測試沒有加入控制器時GVSGP2SGP1SGD2SGD1SGMS輸出溫度T給定輸入泵出口壓力干擾進料量干擾圖3系統(tǒng)框圖沒有控制器圖4仿真圖沒有控制器方案1簡單回路控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)，通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象簡稱對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。簡單控制系統(tǒng)的結構比較簡單，所需的自動化裝置數(shù)量少，投資低，操作維護也比較方便，而且在一般情況下，都能滿足控制質量的要求。1計算PID參數(shù)使用響應曲線法整定圖5系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)圖6廣義對象開環(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由計算得出PID參數(shù)的仿真圖所得圖形不適合，進過調整得到跟蹤響應試驗前控制系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)曲線圖11調整PID參數(shù)后所得的仿真圖追蹤溫度分析在4000S的時刻，改變溫度輸入值，突加給定一個為10的階躍信號系統(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，當輸入信號改變時，系統(tǒng)的輸出溫度能自動跟蹤輸入，最終也變?yōu)?30和110度，由此可見此設計效果良好，符合設計要求。泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA在4000S時刻，單獨加入泵出口壓力系統(tǒng)輸出的如下圖15單獨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時的曲線圖17泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA時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，系統(tǒng)能夠較快進行消除。進料量F的階躍變化幅度為15T/HR單獨加入進料量F系統(tǒng)輸出的如下圖18單獨加入進料量干擾F仿真圖圖19進料量F的階躍變化幅度為15T/HR圖20進料量F的階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，進料量F的階躍變化幅度為15T/HR時，可以在要求范圍內(nèi)對干擾進行消除。兩種擾動同時作用時（只選取其中一種002，15）圖21兩種擾動同時作用仿真圖圖12002MPA時的曲線和階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，兩種擾動同時作用時，可以在要求范圍內(nèi)對干擾進行消除。（3）系統(tǒng)調節(jié)器的選擇圖22簡單回路控制系統(tǒng)流程圖1）調節(jié)閥采用氣關閥“”，已由設計要求中給定。2）被控過程符號為“”。3）溫度變送器的符號為“”，已由設計中給定。4）溫度調節(jié)器選擇反作用，符號為“”。為了形成一個負反饋，所以調節(jié)器選擇反作用。方案2SMITH預估補償控制系統(tǒng)（1）補償器計算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，當輸入信號改變時，系統(tǒng)的輸出溫度能自動跟蹤輸入，最終也變?yōu)?30和110度，由此可見此設計效果良好，符合設計要求。泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA在6000S時刻，單獨加入泵出口壓力系統(tǒng)輸出的如下圖28單獨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時的曲線圖30泵出口壓力PP的階躍變化幅度為002MPA時的曲線進料量F的階躍變化幅度為15T/HR，曲線如下在6000S時刻，單獨加入進料量F系統(tǒng)輸出的如下圖31單獨加入進料量干擾F仿真圖圖32進料量F的階躍變化幅度為15T/HR圖33進料量F的階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，進料量F的階躍變化幅度為15T/HR時，可以在要求范圍內(nèi)對干擾進行消除。兩種擾動同時作用時（只選取其中一種002，15）圖34兩種擾動同時作用仿真圖圖35002MPA時的曲線和階躍變化幅度為15T/HR分析由圖可見，兩種擾動同時作用時，可以在要求范圍內(nèi)對干擾進行消除。（3）系統(tǒng)調節(jié)器的選擇1）調節(jié)閥采用氣關閥“”，已由設計要求中給定。2）被控過程符號為“”。3）溫度變送器的符號為“”，已由設計中給定。4）溫度調節(jié)器選擇反作用，符號為“”。為了形成一個負反饋，所以調節(jié)器選擇反作用。六、性能比較由以上的仿真結果可知，單回路系統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)，控制效果也可到達預定要求，但是PID參數(shù)整定較花時間。而SMITH預估補償器相對于簡單控制系統(tǒng)加多了一個前饋補償控制器，對于干擾可以較快的消除干擾。七、設計心得設計心得通過兩個星期的課程設計，主要完成以下任務閱讀課程設計任務書；查閱相關資料；復習過控相關知識；根據(jù)過控課本介紹設計方案；MATLAB的簡易學習；仿真與測試；撰寫設計報告。在設計過程中，發(fā)現(xiàn)了很多自己遺忘的知識點，通過復習并與同學討論，一一解決設計過程中出現(xiàn)的問題，在通過書籍和網(wǎng)絡資料的過程中，發(fā)現(xiàn)了很多精餾塔系統(tǒng)的設計思想基本一致，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理分析為基礎的，具體問題具體分析，需要根據(jù)蒸餾過程采取適當?shù)姆桨福?