过控课设精馏塔温度控制系统设计与仿真.doc

自动化工程与科学学院 过程控制系统与仪表课程设计 ——精馏塔温度控制系统设计与仿真 班级：11级自动化2班 姓名： 董文杰 学号：201130610309 指导老师： 哀薇 日期  过程控制系统课程设计 ——精馏塔温度控制系统设计与仿真 一、 研究对象 图1 精馏塔温度控制问题 某精馏塔的工艺流程如图1所示，现要求对精馏段温度TR和提馏段温度TS都进行有效的控制，以确保塔顶和塔底产品的质量。图1中，F 为进料量，它受上游流程控制，为精馏塔温度的主要干扰之一，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；L为塔顶冷回流量，拟作为精馏段温度TR的控制手段；塔底蒸汽量QH 拟作为提馏段温度TS的控制手段。u1为调节阀VL的相对输入信号，u2为调节阀VQ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 为精馏塔顶压力，其变化可基本忽略，Pp 为泵出口压力，Pp受塔顶产品调节阀VD开度的影响，变化范围较大。图1中Lm、Vm、Fm分别为L、V、F的测量值。 为便于控制方案研究，假设如下： 该精馏塔的静态工作点为 T0 = 140 ℃，F0 = 60 T/hr（吨/小时），L0 = 20 T/hr，V0 = 15 T/hr，u10 = 25 %，fL0 = 75 %， u20 =25 %，fQ0 = 25 %，Pp0 = 0.9 MPa，Pt0 = 0.86MPa。这里，fQ为调节阀VQ相对流通面积，fL为调节阀L相对流通面积。 精馏段和提馏段温度的测量范围都为0 ~ 200 ℃，进料量F的测量范围为0 ~ 100 T/hr，塔顶冷回流量L的测量范围为0 ~ 50 T/hr，塔底回流量V的测量范围为0 ~ 25 T/hr。L、V、F的测量值：Lm、Vm、Fm均用%来表示，即Lm、Vm、Fm的最小值为0，最大值为100。 流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用带纯滞后的一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数，，纯滞后时间，，单位为分。 考虑到精馏塔操作的安全性，控制阀VL选用气关阀，控制阀VQ选用气开阀，假设控制阀都为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为 ，。 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： ，。 其中为控制阀VL相对流通面积的变化量，%；TR2基本不变，这里设分；KR2、KRd2在一定范围内变化，这里设KR2、KRd2的变化范围分别为 (T/hr)/%； (T/hr)/MPa。 对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为: ，。 其中为控制阀VR相对流通面积的变化量，%；TS2基本不变，这里设分；KS2、KSd2在一定范围内变化，这里设KS2、KSd2的变化范围分别为(T/hr)/%；T/hr。 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 ； ； 其中对象特性参数均可能在以下范围内变化： ℃/(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、泵出口压力Pp的变化、蒸汽压力变化Pf，而且变化范围为：T/hr，MPa, ；另外，被控变量T的设定范围为℃。试应用单回路、串级、前馈、比值、选择、Smith预估、解耦等控制方法，设计至少2套控制系统，达到控制精馏塔温度的目的。 对于每一套控制方案，具体要求： 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。 确定所用控制器的正反作用，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。 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： 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； 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； 依据PID参数整定方法，确定各控制器的参数； 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、干扰塔底回流量、Pp与F对系统输出的扰动响应试验，并获得相应的响应曲线； 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。 根据不同控制方案的