精馏塔前馈-反馈控制系统

第1章精馏塔前馈-反馈控制系统概述1.1 精馏及精馏塔概述精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。

精馏的目的是利用各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。

精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。

按需分离组分的多少可分为二元精馏和多元精馏；按混合物中组分挥发度的差异，可分为一般精馏和特殊精馏。

精馏过程通过精馏塔、再沸器、冷凝器等设备完成。

再沸器为混合物液相中轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。

精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备，一般为圆柱体，内部装有提供汽液分离的塔板或填料，塔身设有混合物进料口和产品出料口。

随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分离物料的组分越来越多，分离的产品纯度要求越来越高，对精馏过程的控制也提出了越来越高的要求，也越来越被人们所重视。

精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵变量也多；过程动态和机理复杂，例如，非线性、时变、关联；控制方案多样，例如，同一被控变量可以采用不同的控制方案，控制方案的适应面光等。

1.2 精馏塔的扰动分析和其他化工过程一样，精馏过程是在一定物料平衡和能量平衡基础上进行的。

一切影响精馏塔操作的因素均通过物料平衡和能量平衡进行。

影响物料平衡的因素主要包括进料量和进料成分的变化、顶部馏出物及底部出料的变化。

影响能量平衡的因素主要包括进料温度或热焓的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化及塔的环境温度变化等。

物料平衡和能量平衡之间相互影响。

各种扰动因素有可控的，也有不可控的。

1.进料流量和进料成分进料流量是上工序的出料，因此，通常不可控但可测，当进料流量较大时，对精馏塔的操作会造成很大的影响。

这时，可将进料流量作为前馈信号，引入到控制系统中，组成前馈-反馈控制系统。

当进料流量需要定值控制时，从工艺角度看，有时需要增加中间储罐或容器，以便缓冲上一工序的出料量。

从控制角度看，可以采用均匀控制策略，使进料流量基本恒定的同时，对上一工序的操作不造成较大影响。

单一的进料流量定值控制系统较少采用。

进料流量影响物料平衡，也影响能量平衡。

因此，控制策略应保持流量的基本恒定。

进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况下也难于测量。

因此，控制策略是尽量控制上一工序的操作，从外围着手，使进料成分能够保持恒定，减小其变化对精馏塔操作的影响。

2.进料温度或进料热焓进料温度或热焓影响精馏塔的能量平衡。

进料温度一般可控可测，多数情况下，进料温度较恒定，因此，控制策略是不进行控制。

当进料需经换热器预热后进入后，由于进料的状态可以是液态、气态或气液两相混合，因此，可能出现进料热焓的变化，这时，控制策略是采用热焓控制，保证进料热焓的恒定。

除此之外，扰动因素还包括再沸器加热蒸汽压力、冷却水压力和温度、环境温度等。

1.3 前馈-反馈控制系统反馈控制系统的输出是偏差的函数，只有出现偏差才进行调节，因此，调节不及时。

如果采用某种控制策略，使该控制运算的输出是扰动的函数，则一旦出现扰动，控制系统就有输出，就能在偏差还未出现以前把扰动的影响消除，因此，调节及时。

依据预防的控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。

前馈控制系统根据扰动进行调节；采用开环控制方式；控制器的输入信号只有一个变量，即扰动量；只能克服某个特定扰动的影响；控制器的控制规律是前馈控制规律，它与前馈广义对象特性和扰动通道特性有关，因此，只能近似实现所需控制规律，要实现绝对不变性较困难。

前馈控制能及时克服特定扰动的影响，如果合适设计控制规律，可大大消弱扰动对被控变量的影响。

因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈-控制系统。

这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调节量实行反馈检验的长处。

所以前馈-反馈控制是适合于过程控制的较好的方式。

第2章课程设计方案论证2.1 控制方案1设计所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的控制算法为比例控制，即Gb=−GfGoGvGm =−KfKoKvKm=−Kb式中，Ko、Kv、Km与Kf分别是过程控制通道、调节阀、温度变送器静态放大系数以及过程干扰通道的静态放大系数；Gb=−Kb,其大小由Ko、Kv、Km、Kf确定。

静态前馈控制的控制目标是使被控参数最终的静态偏差接近于零，而不考虑由于两通道时间常数的不同而引起的动态偏差。

由于静态前馈控制非常简单，实施方便。

在实际生产中，当干扰通道与控制通道的时间常数相差不大时，应用静态前馈控制可获得较高的控制精度。

2.2 控制方案2设计静态前馈控制系统结构简单、易于实现，但在扰动影响下动态偏差依然存在。

对于扰动频繁且要严格控制动态偏差的生产过程，静态前馈不能满足生产工艺的精度要求，这种情况下宜采用动态前馈控制。

动态前馈控制必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性，其传递函数由式Gb=−GfGoGvGm决定。

采用动态前馈控制使扰动对被控参数的影响在每个时刻都得到补偿，能够极大地提高控制过程的动态品质，是提高控制质量的有效手段。

但动态前馈要采用专用控制器，控制规律由上式决定，结构一般比较复杂，往往无法获得精确表达式，也难以精确实现，往往只能近似处理。

因此，只有在工艺对控制精度要求较高、其他控制方案又难以满足的情况下，才考虑采用动态前馈控制方案。

2.3 控制方案3设计为了克服前馈控制的局限性，常把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈-反馈复合控制系统。

这样既发挥了前馈控制及时克服主要扰动对被控参数影响的优点，又保持了反馈控制能抑制各种干扰的优势，同时也降低了对前馈控制器的要求，便于工程上的实现。

当蒸汽流量F（s）发生变化时，前馈控制器Gb(s)及时发出控制指令，补偿蒸汽流量F（s）变化对精馏塔提馏段出口温度Y（s）的影响；而蒸汽温度、压力等扰动对物料出口温度的影响，则由反馈控制器Gc(s)来克服。

前馈控制作用加反馈控制作用，能够很好地克服扰动对出口温度的影响，获得比较理想的控制效果。

相对于单纯的前馈控制或反馈控制，复合控制系统具有以下优点：1.前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和加其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。

2.由于增加了反馈控制回路，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。

3.在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾，往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。

而前馈-反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。

由于前馈控制不含时间因子，比较简单，在一般情况下，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要求。

而且事实证明，滞后相位差不大的时候，应用静态前馈控制方法可以获得较高的控制精度，相比之下，由于动态前馈控制系统的结构复杂，系统的运行和参数整定过程也比较复杂，需要一套专门的补偿装置。

综上所述，由于本设计主要考虑温度和蒸汽流量对精馏塔产品的影响，所以采用静态前馈-反馈控制方案。

第3章前馈-反馈控制系统设计及器件选择3.1 前馈—反馈控制系统设计一、控制器的选择以单片机89C51为控制器，将温度传感器得到的微弱电信号，经仪表放大器放大后，送入转换器，转化结束后，89C51读取转换结果，当炉温低于设定温度时，启动加热控制部件，使炉温升高，以满足现场要求．当炉温高于设定温度时，实时地切断加热源．采用单片机来对炉温实时控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且提高了炉温控制精度的技术要求，从而大大提高了产品的质量．1.A/D转换器的选择ADS774是BRR-BROWN(BB)公司设计生产的主次逼近式模数转换器，4种可选电压范围输入：0～+10V，0～+20V，-5～+5V和-10～+10V,12位或8位可选输出，单一+5V供电。

它采用低功耗COMS工艺和新的电容阵列技术，包含有内部时钟、微处理器接口、三态输出缓冲器以及若干组内部可调阻抗，功率最大为120mv，转换时间为t≤8.5μS。

ADS774可以在2种模式下工作：一种是工作过程由微处理器控制，即所谓非独立方式；一种是独立运行工作模式。

2.D/A转换器的选择MAX508是美国美信公司生产的具有内部参考电压输出型12位的D/A转换器。

转换电压具有相同参考极性，允许单电源工作。

内部包含一个BURIED-ZENER参考电源，积分转换器（DAC），电压输出放大器。

MAX508特性：（1）12位电压输出型；（2）内部电压参考；（3）快速μPs接口；（4）单+12V或±15V供电；（5）DIP20/24或SO封装。

3.控制系统硬件设计控制器电路中D/A转换器MAX508与P1口连接；P0口及P2口通过74LS245进行驱动，与A/D转换器ADS774相连接。

控制器电路图见图3.1。

图3.1 控制系统硬件原理图二、执行器的选择1.调节阀工作区间的选择：正常工况下要求调节阀的开度在15﹪-85﹪之间。

2.调节阀的流量特性选择：根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，应选用等百分比流量特性或抛物线流量特性。

3.调节阀的气开、气关作用方式选择：气开阀即随着控制信号的增加而开度增大，当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态。

由于设计要求当物料进入精馏塔的时候，有一定的温度，当物料流量加大时，蒸汽流量势必增加，所以阀门控制选择气开式。

而当物料流量增加时，输出物料也会增加，同时精馏塔本身容量的限制势必会控制这个流量大小，所以控制器选择反作用，调节器应选择正作用。

控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。

气动控制阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动控制阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动控制阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。

三、检测变送器的选择1.温度检测器热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。

具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。

大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。