毕业论文_基于SIMULINK的精馏控制仿真研究

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摘要
在化工生产过程中，精馏是提纯产品的主要手段，广泛地应用于各类化工产品的生产过程中。

因此，精馏控制是一种常见的化工过程控制，精馏控制的理论、仿真、实验和工程研究，将促进过程控制理论的发展和应用。

MATLAB是一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。

SIMULINK是基于框图的仿真平台，它挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。

本课题首先要建立一个基于SIMULINK功能模块的精馏控制仿真研究平台，即以典型的精馏工业生产过程为被控对象、以常规PID为调节器的精馏控制系统。

然后研究这个精馏控制系统在单位阶跃输入和阶跃扰动作用下的动态响应，被控对象参数变化时系统在单位阶跃输入和阶跃扰动作用下的动态响应，控制器参数变化时系统在单位阶跃输入和阶跃扰动作用下的动态响应，全面考察精馏控制系统的性能，在此基础上进行各种改进控制方案的仿真研究，分析有关精馏控制的最新成果，为后续精馏控制的实验和工程研究建立必要的基础。

本设计综合了自动控制原理、计算机控制技术、过程控制系统及控制系统仿真等方面的专业知识，训练了仿真软件SIMULINK的使用能力，建立了进行科学研究的基本方法：要解决的问题、所使用的方法、仿真得到的结果、对结果进行分析得出的结论。

关键词：精馏 PID控制 SIMULINK 仿真
Abstract
In chemical manufacturing process, distillation is the main means, purification
products widely used in all kinds of chemical products production process. Therefore, distillation control is a common chemical process control, distillation control theory, simulation and experiment and engineering research, will promote the development of the process control theory and its application.
MATLAB is a scientific computing, software, it is a kind of takes matrix based interactive program calculation language. SIMULINK is based on simulation platform of the diagram, articulated in the MATLAB environment, with MATLAB powerful computing functions as the basis, intuitive module is simulated and calculated.
This topic first to establish a function modules based on SIMULINK rectification control simulation platform, namely to typical distillation industrial production process for controlled object, to the conventional PID control system for the regulator distillation. Then study the distillation control system in the unit step inputs and Laplace domain under the action of dynamic response disturbance, controlled object parameters change system in the unit step inputs and Laplace domain under the action of dynamic response disturbance, the system when controller parameters change in unit step inputs and Laplace domain under the action of dynamic response disturbance, comprehensive distillation control system performance, based on which the various improved control scheme simulation research, analysis of the latest achievements about distillation control for the subsequent distillation control, the experiment and engineering research to establish the necessary foundation
This design integrated automatic control principle, computer control technology, process control system and control system simulation etc professional knowledge, training simulation software SIMULINK use ability, established the basic methods of scientific research, problems to solve, use method, the simulation results obtained, the results are conclusion.
Keywords:distillation PID control simulink simulation
目录
目录 (4)
第1章绪论 (5)
第2章 MATLAB/SIMULINK基础知识 (7)
第3章精馏控制系统设计方案 (19)
3.1设计方案 (19)
3.2 选塔依据 (19)
3.3 设计思路 (20)
第4章精馏塔板的工艺设计 (21)
4.1精馏塔全塔物料衡算 (21)
4.2理论塔的计算 (21)
4.3塔径的初步设计 (22)
第5章基于MATLAB/SIMULINK的精馏控制系统仿真 (25)
5.1精馏塔前馈采样仿真 (25)
5.2 精馏塔液位控制曲线图 (29)
5.3 精馏塔相关参数计算 (30)
5.4精馏过程的节能 (32)
第6章结论 (33)
致谢 (34)
参考文献 (35)
第1章绪论
现代化的化工生产日益朝着综合化方向发展，对一个装置或一个过程和设备孤立地进行研究、设计操作管理的传统做法已不能适应要求，必须将其作为一个整体系统研究；随着石油化工装置日趋大型化，要求现实最优设计、最优控制和管理，已达到节省装置投资、降低生产操作费用和成本费用以及和环保要求的目的；生产过程的连续化和为节省能源而集成度不断提高的装置是设备的操作条件愈来愈苛刻，对过程的自动化提出了更高的要求，过去只对个别回路进行PID调节的方法已不能满足要求，必须结合过程的动态和定态数学模型，将整个控制对象当作一个整体进行研究，采用电子计算机根据数学模型进行系统优化控制；化工产品的不断更新与工业逐级放大技术落后间的矛盾，要求将过去的模拟、逐级放大的方法改为数学模拟的方法指导放大和设计以缩短工业化周期，减少人力物力的消耗；电子计算机技术的迅猛发展和现代应用数学方法及现代控制论方法在化学过程中的应用，促使人们在化工企业的组织管理、生产过程的开发研究、设计中采用新的概念，于是在化学、工程学、运筹学、控制论和计算技术等学科的边缘产生了化工系统工程着一新兴的学科。

在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。

近年来，MATLAB已成为科学研究和工程设计中最重要的工具之一。

在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、熟悉信号处理、模拟与数字通行、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为授课内容。

这几乎成了21世纪教科书与旧版教科书的标志性区别。

为适应计算机辅助教学的发展趋势，国内许多工科学院的电气相关专业也开设了类似于“MATLAB及系统仿真”等相关课程作为学生的专业选修课程。

以往在电厂自动化专业学生进行毕业设计过程中，常常需要进行大量的数学运算。

在当今计算机时代，通常的做法是借助高级语言Basic、Fortran或C 语言等编制计算程序，输入计算机做近似计算。

但是这需要熟练的掌握所运用的语法规则与编制程序的相关规定，而且编制程序不容易，费时费力。

目前，比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB。

1980年美国的Cleve Moler 博士研制的MATLAB环境（语言）对控制系统的理论及计算机辅助设计技术起到了巨大的推动作用。

由于MATLAB的使用极其容易，不要求使用者具备高深的数学与程序语言的知识，不需要使用者深刻了解算法与编程技巧，且提供了丰富的矩阵处理功能，因此控制理论领域的研究人员很快注意到了这样的特点。

尤
其MATLAB应用在电厂自动化专业的毕业设计的计算机仿真上，更体现出它巨大的优越性和简易性。

使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。

本实验平台是基于SIMULINK功能模块的精馏控制仿真研究拟实验平台，可以通过该试验平台了解相关的过程装备的工作原理以及操作流程，并且可以通过和好的人机界面监控过程装备的运行，还可以通该模型了解过程设备的工作机理，辅助过程控制课程的学习。

总体上说，精馏是多次简单蒸馏的组合。

精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。

精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在相互接触的过程中，液相中的轻组分转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。

第2章 MATLAB/SIMULINK基础知识
2.1 MATLAB介绍
Matlab(Matrix Laboratory)是美国 MathWorks公司开发的一套高性能的数值分析和计算软件，用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境，是目前最好的科学计算类软件之一。

MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。

MATLAB已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。

在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。

成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。

在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。

在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能[2]。

2.1.1 MATLAB的主要组成部分
MATLAB系统由5个主要的部分构成：
(1) 开发环境(Development Environment)：微MATLAB用户或程序编制员提供的一套应用工具和设施。

由一组图形化用户接口工具和组件集成：包括MATLAB桌面、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、工作空间、文件和搜索路径等浏览器。

(2) MATLAB数学函数库(Math Function Library)：数学和分析功能在MATLAB工具箱中被组织成8个文件夹。

elmat 初步矩阵，和矩阵操作。

elfun 初步的数学函数。

求和、正弦、余弦和复数运算等
specfun 特殊的数学函数。

矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数等；
matfun 矩阵函数－用数字表示的线性代数。

atafun 数据分析和傅立叶变换。

polyfun 插值，多项式。

funfun 功能函数。

sparfun 稀疏矩阵。

(3) MATLAB语言：(MATLAB Language)一种高级编程语言（高阶的矩阵/数组语言），包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编程；
(4) 句柄图形：(Handle Graphics) MATLAB制图系统具有2维、三维的数据可视化，图象处理，动画片制作和表示图形功能。

可以对各种图形对象进行更为细腻的修饰和控制。

允许你建造完整的图形用户界面（GUI），以及建立完整的图形界面的应用程序。

制图法功能在MATLAB工具箱中被组织成5个文件夹：二维数图表（graph2d）、三维图表（graph3d）专业化图表（specgraph）、制图法（graphics）、图形用户界面工具（uitools）。

(5) 应用程序接口：(Applied Function Interface)MATLAB的应用程序接口允许用户使用C或FORTRAN语言编写程序与MATLAB连接。

2.1.2 MATLAB的系统开发环境(System Developing Environment)
1．操作桌面(Operating Desktop)
（1）桌面布局：6个窗口
命令窗口（Commend Window）、工作空间窗口（Workspace）、当前目录浏览器（Current Directory ）、命令历史窗口（ Commend History ）、启动平台（Launch Pad）、帮助窗口（Help）、M文件优化器（Profiler）。

（2）菜单和工具栏；(Menu and toolbar) 操作桌面上有6个菜单和带有9个快捷按钮的工具栏组。

（3）改变桌面设置：(Setting) File 菜单中Preference对话框中设置。

2．命令窗口：(Command window)MATLAB的主要交互窗口。

用于输入MATLAB 命令、函数、数组、表达式等信息，并显示图形以外的所有计算结果。

还可在命令窗口输入最后一次输入命令的开头字符或字符串，然后用↑键调出该命令行。

3．工作空间窗口：(Workspace Window)
用于储存各种变量和结果的空间，显示变量的名称、大小、字节数及数据类型，对变量进行观察、编辑、保存和删除。

临时变量不占空间。

为了对变量的内容进行观察、编辑与修改，可以用三种方法打开内存数组编辑器。

双击变量名；选择该窗口工具栏上的打开图标；鼠标指向变量名，点击鼠标右键，弹出选择菜单，然后选项操作。

欲查看工作空间的情况，可以在命令窗口键入命令whos（显示存在工作空间全部变量的名称、大小、数据类型等信息）或命令who（只显示变量名）。

4．当前目录浏览器：(Current Directory)
用于显示及设置当前工作目录，同时显示当前工作目录下的文件名、文件类型及目录的修改时间等信息。

只有在当前目录或搜索路径下的文件及函数可以被运行或调用。

设置当前目录可以在浏览器窗口左上角的输入栏中直接输入，或点击浏览器下拉按钮进行选择。

还可用cd命令在命令窗口设置当前目录，如：
cd c:\mydir 可将c盘上的mydir目录设为当前工作目录。

5．命令历史窗口：(Command History)
记录已运行过的MATLAB命令历史，包括已运行过的命令、函数、表达式等信息，可进行命令历史的查找、检查等工作，也可以在该窗口中进行命令复制与重运行。

6．启动平台：(Launch Pad)
帮助用户方便地打开和调用MATLAB 的各种程序、函数和帮助文件。

平台列出了系统中安装的所有的MATLAB产品的目录，可以通过双击来启动相应的选项。

7．MATLAB 的搜索路径：(Searching Path)
MATLAB定义的一系列文件路径的组合，缺省状态下包括当前路径和已安装的全部工具箱的路径。

搜索目录的设置通过选择主菜单Set Path菜单项进行。

用Add Folder…按钮可以将某一目录加入搜索路径，选择Add with Subfolder…按钮可将选中目录的子目录也包括在搜索路径中。

8．内存数组编辑器：(Array Editor)
提供对数值型或字符型二维数组的显示和编辑功能，对其他数据类型都不能编辑。

通过工作空间窗口打开所选的变量时，该编辑器启动。

2.2 SIMULINK仿真基础
SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上[3]。

1．所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。

2．Simulink可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分为几个部分，每
层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个完整系统。

模型创建完成后，可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。

仿真结果可以以图形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式保存起来，并输入到MATLAB中以完成进一步的分析。

3.Simulink可以仿真线性和非线性系统，并能创建连续时间、离散时间或二者混合的系统。

支持多采样频率系统。

2.2.1 SIMULINK启动
在MATLAB命令窗口中输入simulink，结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。

也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。

2.2.2 SIMULINK的模块库介绍
整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中，包括：信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组( Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、函数与表格模块组(Function&Tables )、信号与系统模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subsystems)几个部分，此外还有和各个工具相与模块集之间的联系构成的子模块组，用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。

2.2.3 电力系统模块库的介绍
进入MATLAB系统后打开模块库浏览窗口，用鼠标左键双击其中的Power System Blocks 即可弹出电力系统工具箱模块库，它包括连接元件库(Connectors)，电源库(Electrical Sources)，基本元件库(Elements)，元件库(Extra Library)，电机元件库(Machines)，测量元件库(Measurements)和电力电子元件库(Power Electronics)。

这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。

利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。

（1）电路元件模型
该部分包括断路器（Breaker)、分布参数线(Distribute Parameter Line)、线性变压器(Linear Transformer)、并联RLC负荷(Parallel RLC Load)，II型线路参数(II Section Line)、饱和变压器(Saturable Transformer)、串联RLC支路（Series RLC Branch)、串联RLC负荷(Series RLC load)、过电压自动装置（Surge Arrester)。

这部分可以仿真交流输电线装置。

（2）电力电子设备模型
此部分含有二极管（Diode)、GT0、理想开关(Ideal Switch)、MOS管(Mosfet)、可控晶闸管(Thyristor)的仿真模型。

这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。

（3）电机设备模型
此部分有异步电动机(Asynchronous Machine)、励磁系统(Excitation System)、水轮电机及其监测系统(Hydraulic Turbine and Governor(HTG))、永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine)、简化的同步电机(Simplified Synchronous Machine)、同步电机(Synchronous Machine)。

这些模型可以仿真电力系统中发电机设备，电力拖动设备等。

（4）接线设备模型
这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。

如接地设备、输电线母线等。

（5）测量设备模型
该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。

这一部分还起着连接SIMULINK模型与POWERLIB模型的作用。

（6）Powerlib扩展库
扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组用户可以根据自己的电力系统结构图使用POWERLIB和SLMULINK中相应的模型来组成仿真的电路模型。

2.2.4 SIMULINK简单模型的建立
1．简单模型的建立
（1）建立模型窗口。

（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口。

（3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型。

2．模型的特点
（1）在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。

（2）IMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。

（3）SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。

2.2.5 SIMULINK功能模块的处理
功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、
颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。

1．模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。

2．在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。

此时可以对模块进行以下的基本操作。

（1）移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。

若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。

（2）复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。

（3）删除：选中模块，按Delete键即可。

若要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。

也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。

（4）转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。

在菜单Format中选择Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转90度。

或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。

（5）改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。

（6）模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。

名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。

Hide Name可以隐藏模块名称。

（7）颜色设定：Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。

（8）参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。

参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。

通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。

（9）属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。

包括Description属性、 Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。

其中Open function属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。

（10）模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是
一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。

缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。

某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。

2.2.6 SIMULINK线的处理
SIMULINK模型的构建是通过用线将各种功能模块进行连接而构成的。

用鼠标可以在功能模块的输入与输出端之间直接连线。

所画的线可以改变粗细、设定标签，也可以把线折弯、分支。

1．改变粗细：线所以有粗细是因为线引出的信号可以是标量信号或向量信号，当选中Format菜单下的Wide Vector Lines时，线的粗细会根据线所引出的信号是标量还是向量而改变，如果信号为标量则为细线，若为向量则为粗线。

选中Vector Line Widths则可以显示出向量引出线的宽度，即向量信号由多少个单一信号合成。

2．设定标签：只要在线上双击鼠标，即可输入该线的说明标签。

也可以通过选中线，然后打开Edit菜单下的Signal Properties进行设定，其中signal name属性的作用是标明信号的名称，设置这个名称反映在模型上的直接效果就是与该信号有关的端口相连的所有直线附近都会出现写有信号名称的标签。

3．线的折弯：按住Shift键，再用鼠标在要折弯的线处单击一下，就会出现圆圈，表示折点，利用折点就可以改变线的形状。

4．线的分支：按住鼠标右键，在需要分支的地方拉出即可以。

或者按住Ctrl键，并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。

2.2.7 SIMULINK仿真的运行
构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。

运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数，启动仿真和仿真结果分析。

1．设置仿真参数和选择解法器
设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。

Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。

Workspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。

Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。