过程控制课程设计-精馏塔温度控制系统

过程控制系统与仪表课程设计

目录

一、研究对象......................................................................................... 错误！未定义书签。

二、研究任务......................................................................................... 错误！未定义书签。

三、仿真研究要求 (4)

四、传递函数计算 (5)

五、控制方案......................................................................................... 错误！未定义书签。

1. 单回路反馈控制系统 (6)

1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图............................. 错误！未定义书签。

2) PID参数整定 (7)

3) 系统仿真................................................................................. 错误！未定义书签。

4) 对象特性变化后仿真 (12)

2. Smith预估补偿控制系统 .............................................................. 错误！未定义书签。

1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图............................. 错误！未定义书签。

2) 控制系统方框图..................................................................... 错误！未定义书签。

3) 系统仿真 (21)

3. 前馈-反馈控制系统

1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图 (25)

2) 系统仿真 (27)

3) 对象特性变化后仿真 (30)

六、控制性能比较 (35)

七、个人心得体会 (35)

一、 研究对象

图1 精馏塔顶温度控制问题

某精馏塔的工艺流程如图1所示，现要求对精馏段灵敏板温度T 进行有效的控制，以确保塔顶产品的质量。图1中，F 为进料量，它受上游流程控制，为精馏段灵敏板温度T 的主要干扰之一，其它干扰包括进料组成与温度变化、塔底蒸汽量变化、塔顶回流冷凝后温度变化等；R 为塔顶冷回流量，拟作为精馏段温度T 的控制手段，u 为调节阀V R 的相对输入信号（以DDZ III 型为例，当输入电流为4 mA 时，对应相对输入信号为0 %；当输入电流为20 mA 时，对应相对输入信号为100 %），P p 为泵出口压力，P t 为精馏塔顶压力。P p 受塔顶产品调节阀V D 开度的影响，变化范围较大；而精馏塔顶压力P t 的变化可基本忽略。图1中T m 、R m 、F m 分别为T 、R 、F 的测量值。

为便于控制方案研究，假设如下：

（1） 该精馏塔的静态工作点为 T 0 =120 ℃，F 0 =50 T/hr （吨/小时），R 0 =15 T/hr ，P p 0

= 0.92 MPa ，P t 0 = 0.88 MPa ，u 0 = 30 %，f V 0 = 70 %。这里，f V 为调节阀V R 相对流通面积。

（2） 精馏段温度T 的测量范围为0 ~ 200 ℃，进料量F 的测量范围为0 ~ 100 T/hr ，

塔顶冷回流量R 的测量范围为0 ~ 25 T/hr 。T 、R 、F 的测量值T m 、R m 、F m 均用%来表示，即T m 、R m 、F m 的最小值为0，最大值为100。

（3） 流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用一阶环节来近似，温

度测量环节的一阶时间常数10.8T =，单位为分。

（4） 假设控制阀V R 为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为

1)

()

()(-=∆∆=s u s f s G V v

。 （5） 对于塔顶冷回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为：

1)()()(22

2+=∆∆=s T K s f s R s G V p ，22

2

()()()1d d p d K R s G s Ps T s ∆==∆+ 其中)(s f V ∆为控制阀V R 相对流通面积的变化量，%；T 2基本不变，这里设

20.7T =分；2

d T

、K 2、K d 2在一定范围内变化，这里设2

d T

、K 2、K d 2的变化范

围分别为2[0.1,0.2]d T ∈分；]35.0,1.0[2∈K (T/hr)/%；]30,10[2∈d K (T/hr)/MPa 。

（6） 对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为

()()s s T K s R s T s G p

p p p τ-+=∆∆=exp 1)()()(1

1

1；

()()s s T K s F s T s G d

d d d τ-+=∆∆=exp 1)()()(1

1

1； 其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]5.1,0.3[1

--∈p K ℃/(T/hr)，1[4.0,6.0]p T ∈

分，[5.0,7.0]p τ∈分；]2.0,4.0[1--∈d K ℃/(T/hr)，]0.8,0.6[1∈d T 分，[4.0,6.0]d τ∈

分。 二、 研究任务

对于上述被控过程，假设被控变量T 所受的主要扰动为进料量F 与泵出口压力P p 的变

化，而且变化范围为：1550±∈F T/hr ，02.092.0±∈p P MPa ；另外，被控变量T 的设定范围为20120±∈sp T ℃。试应用单回路、串级、前馈、Smith 预估补偿、比值、选择等控制方法，设计至少2套控制系统，通过调节塔顶冷回流量达到控制精馏塔顶温度T 的目的。

对于每一套控制方案，具体要求：

1、 说明所采用的控制方案以及采用该方案的原因，并在工艺流程上表明该控制系统。

2、 确定控制阀V R 的气开、气关形式，确定所用控制器的正反作用方式，画出控制系统

完整的方框图（需注明方框图各环节的输入输出信号），并选择合适的PID 控制规律。 3、 在SIMULINK 仿真环境下，对所采用的控制系统进行仿真研究。具体步骤包括：

（1） 在对象特性参数的变化范围内，确定各环节对象的传递函数模型，并构造

SIMULINK 对象模型； （2） 引入手动/自动切换环节，在手动状态下对控制通道、干扰通道分别进行阶跃

响应试验，以获得“广义对象”开环阶跃响应曲线； （3） 依据PID 参数整定方法，确定各控制器的参数； （4） 在控制系统处于“闭环”状态下，进行温度设定值跟踪响应试验、干扰P p 与

F 对系统输出的扰动响应试验，并获得相应的响应曲线； （5） 在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在其变化范围内发生变化

时，重新进行温度设定值跟踪试验与扰动响应试验，并获得相应的响应曲线。

4、 根据不同控制方案的闭环响应曲线，比较控制性能（包括是否稳定、衷减比、超调

量、过渡过程时间等）。

三、 仿真研究要求

为使仿真研究结果具有可比性，要求：

（1） 跟踪响应试验前控制系统达到稳态，温度设定值与测量值一致，均对应120 ℃；

跟踪响应试验中，温度设定值的阶跃变化幅度对应实际温度为+20℃。

（2） 扰动响应试验前控制系统达到稳态，温度设定值与测量值一致，均对应120 ℃；

扰动响应试验中，进料量F 的阶跃变化幅度为±15 T/hr ，泵出口压力P p 的阶跃