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：20140707 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：（1） 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。（2） 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。（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。（4） 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，。（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：，。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。（6） 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。（7） 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：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。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；（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、衰减比、超调量、过渡过程时间等）。三、 控制方案精馏塔温度控制的开环回路如下图所示： 温度控制开环回路由图我们可知，被控变量ts、tr控制回路都存在两种主要干扰。被控变量tr主要受到干扰量是进料量f和泵出口压力pp；被控变量ts主要受到干扰量为进料量f和塔底蒸汽量v。且被控变量ts、tr相互耦合。为此，我设计了两种方案来实现控制精馏塔的温度。第一种，忽略耦合的影响，在每条控制回路上加上反馈控制，构成单回路反馈控制；第二种，对耦合系统先进行解耦，分别采用单回路反馈控制回路。（1）第一种方案，构造类似单回路反馈电路。虽然被控变量之间有耦合，但是两者之间的耦合强度不强，所以可以不做考虑。从传递函数可以看出，干扰量对于被控变量的影响不是很大，可以采取直接反馈回路消除。1、控制方案的工艺控制流程图图1-1控制工艺流程图2、控制系统方框图系统方框图图1-2系统仿真方框图其中，被控变量tr测量环节的传递函数模块为： 图1-3 被控变量tr测量环节的传递函数模块(gmr)被控变量ts测量环节的传递函数模块为： 图1-4 被控变量ts测量环节的传递函数模块(gms)控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模块： 图1-5 gr传递函数模块(包含g11、g21)图1-6 gs传递函数模块(包含g12、g22)进料量f的干扰通道的传递函数模块：图1-7 进料量f的干扰通道的传递函数模块 控制器pid1、pid2都是正作用，都选择pid控制规律。3、确定各环节对象的传递函数模型（a）对于塔顶冷回流对象，控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为：，（b）对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为:，（c）对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为； （e）温度测量环节的传递函数模型： ，4、切换到手动状态，得出各开环阶跃响应曲线(所有控制变量及干扰量初始状态都为0)（a）开始10min后，仅给tr控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给tr控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： tr阶跃响应曲线 ts阶跃响应曲线（b）开始10min后，仅给ts控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给ts控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： tr阶跃响应曲线 ts阶跃响应曲线（c）开始10min后，仅给干扰量f+20的阶跃信号；再过40min后，给干扰量f为-20的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 进料量阶跃作用的tr响应曲线 进料量阶跃作用的ts阶跃响应曲线（d）开始10min后，仅给干扰量pp+0.02的阶跃信号；再过40min后，给干扰量pp为-0.02的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 泵出口压力阶跃作用的tr响应曲线 泵出口压力阶跃作用的ts响应曲线（e）开始10min后，仅给干扰量v+15的阶跃信号；再过40min后，给干扰量v为-15的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 塔底回流量阶跃作用的tr响应曲线 塔底回流量阶跃作用的ts响应曲线由图（a）、（b）可知，被控变量tr、ts的控制通道是相互耦合的，tr的控制变量对被控变量ts的影响大于ts的控制变量对被控变量tr的影响；由图（c）可知，干扰量f对于对于被控变量ts的影响较大点；有图（d）可知，虽然干扰量pp在被控变量tr控制回路，但因为耦合作用，也影响到被控变量ts；有图（e）可知，干扰量v只影响被控变量ts，因为干扰量v作用在被控变量回路ts的末端。5、控制器参数的整定（a）控制tr的控制器pid1的参数为：p=1.8，i=0.7，d=0.5（b）控制ts的控制器pid2的参数为： p=3.2，i=1.2，d=0.56、控制系统处于“闭环”状态下的性能测试（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140）： 温度设定值tr响应曲线 温度设定值ts响应曲线（b）泵出口压力pp对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02mpa）： 泵出口压力干扰tr响应曲线 泵出口压力干扰ts响应曲线（c）进料量f对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20t/hr）： 进料量干扰tr响应曲线 进料量干扰 ts响应曲线（d）塔底回流量v对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15t/hr）： 塔底回流量干扰tr响应曲线 塔底回流量干扰ts响应曲线（f）三种干扰量同时对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，三种干扰量同时给阶跃信号）： 三种干扰同时作用tr响应曲线 三种干扰同时作用ts响应曲线 由以上图形比较可以得出结论：控制系统在“闭环”状态下，温度设定值跟踪响应性能好，响应时间短；干扰量pp与f可以通过反馈控制迅速消除，保持系统的稳定；干扰量v是主要干扰量，仅靠反馈控制可以消除，但是超调量大，调节时间长，不利于系统安全。7、变换对象特性传递函数，测定系统“闭环”动态性能，；（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140）： 温度设定值tr响应曲线 温度设定值ts响应曲线（b）泵出口压力pp对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02mpa）： 泵出口压力干扰tr响应曲线 泵出口压力干扰ts响应曲线（c）进料量f对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20t/hr）： 进料量干扰tr响应曲线 进料量干扰 ts响应曲线（d）塔底回流量v对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15t/hr）： 塔底回流量干扰tr响应曲线 塔底回流量干扰ts响应曲线通过以上图形，可以看出：无论是温度设定值跟踪响应曲线还是扰动响应曲线，都发生强烈的振荡。所以在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在发生变化时，系统将不稳定，即每当对象特性发生变化时，我们都要进行pid整定，才能维持系统的稳定。（2）第二种方案，先对控制通道进行解耦，塔顶塔底均采用单回路反馈控制方法。 被控变量tr、ts的控制通道是相互耦合的，当ts受到大干扰时，由于耦合作用，同样会严重影响被控变量tr。一般而已，我们对于塔顶精馏段要求比较高，所以增加解耦环节，使被控变量tr不再受到塔底回流量v的干扰，有利于被控变量tr的稳定快速控制。对于塔顶回路，干扰量影响不大，采用单回路反馈控制，即可以达到控制要求。对于塔底回路，由于控制过程由两条通道并联，且滞后时间都不一样，所以无法采用smith预估补偿控制，故仍然采用单回路反馈控制。 1、控制方案的工艺控制流程图图2-1 控制工艺流程图2、控制系统方框图 系统方框图图2-2 系统仿真方框图其中，被控变量tr测量环节的传递函数模块为： 图2-3 被控变量tr测量环节的传递函数模块(gmr)被控变量ts测量环节的传递函数模块为： 图2-4 被控变量ts测量环节的传递函数模块(gms)控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模块： 图2-5 gr传递函数模块(包含g11、g21)图2-6 gs传递函数模块(包含g12、g22)进料量f的干扰通道的传递函数模块：图2-7 进料量f的干扰通道的传递函数模块解耦环节的传递函数模块： 图2-8 解耦环节传递函数模块n(包含n21、n12) 控制器pid1、pid2都是正作用，都选择pid控制规律。3、确定各环节对象的传递函数模型（a）对于塔顶冷回流对象，控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为：，（b）对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为:，（c）对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为； （e）温度测量环节的传递函数模型： ，4、切换到手动状态，得出各开环阶跃响应曲线(所有控制变量及干扰量初始状态都为0)（a）开始10min后，仅给tr控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给tr控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： tr阶跃响应曲线 ts阶跃响应曲线（b）开始10min后，仅给ts控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给ts控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： tr阶跃响应曲线 ts阶跃响应曲线（c）开始10min后，仅给干扰量f+20的阶跃信号；再过40min后，给干扰量f为-20的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 进料量阶跃作用的tr响应曲线 进料量阶跃作用的ts阶跃响应曲线（d）开始10min后，仅给干扰量pp+0.02的阶跃信号；再过40min后，给干扰量pp为-0.02的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 泵出口压力阶跃作用的tr响应曲线 泵出口压力阶跃作用的ts响应曲线（e）开始10min后，仅给干扰量v+15的阶跃信号；再过40min后，给干扰量v为-15的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）： 塔底回流量阶跃作用的tr响应曲线 塔底回流量阶跃作用的ts响应曲线由以上图形相互比较，可以得出：通过n21(s)、n12(s)前馈解耦环节解耦以后，被控变量tr、ts的控制回路都转变为单回路控制通道。控制信号、干扰量都只对其控制通道有作用。但是，由于每条回路都是由并联的过程特性函数组成，由于过程特性函数滞后时间不一样，存在过渡时间，使得阶跃响应曲线有略微的振荡。5、控制器参数的整定（a）控制tr的控制器pid1的参数为：p=0.8，i=0.7，d=0.6（b）控制ts的控制器pid2的参数为： p=4.6，i=0.9，d=0.56、控制系统处于“闭环”状态下的性能测试（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140）： 温度设定值tr响应曲线 温度设定值ts响应曲线（b）泵出口压力pp对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02mpa）： 泵出口压力干扰tr响应曲线 泵出口压力干扰ts响应曲线（c）进料量f对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20t/hr）： 进料量干扰tr响应曲线 进料量干扰 ts响应曲线（d）塔底回流量v对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15t/hr）： 塔底回流量干扰tr响应曲线 塔底回流量干扰ts响应曲线（f）三种干扰量同时对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，三种干扰量同时给阶跃信号）： 三种干扰同时作用tr响应曲线 三种干扰同时作用ts响应曲线 由以上图形比较可以得出结论：控制系统在“闭环”状态下，温度设定值跟踪响应性能好，响应时间短；干扰量pp与f可以通过反馈控制迅速消除，保持系统的稳定；通过解耦环节以后，干扰量v不再对被控变量tr造成影响。但干扰量v仍让是被控变量ts的主要干扰量，仅靠反馈控制可以消除，但是超调量大，调节时间长，不利于系统安全。7、变换对象特性传递函数，测定系统“闭环”动态性能，；（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140）： 温度设定值tr响应曲线 温度设定值ts响应曲线（b）泵出口压力pp对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02mpa）： 泵出口压力干扰tr响应曲线 泵出口压力干扰ts响应曲线（c）进料量f对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20t/hr）： 进料量干扰tr响应曲线 进料量干扰 ts响应曲线（d）塔底回流量v对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15t/hr）： 塔底回流量干扰tr响应曲线 塔底回流量干扰ts响应曲线通过以上图形，可以看出：塔顶回路可以维持稳定，但是对于塔底回路来说，可以回路无论是温度设定值跟踪响应曲线还是扰动响应曲线，都发生强烈的振荡。所以在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在发生变化时，系统将可能出现不稳定状况，即每当对象特性发生变化时，我们都要进行pid整定，才能维持系统的稳定，才能使系统获得最佳状态。四、 控制性能比较 表1 不同方案的控制性能比较表格方案一方案二trtstrts温度设定值跟踪衰减比2.1：16：13.5:13:1超调量/6336359调节时间/min1419.511.511.5是否稳定是是是是泵压力干扰影响最大动态偏差/73.56.60恢复时间/min343.40是否稳定是是是是进料量干扰影响最大动态偏差/2.562.86恢复时间/min5.396.312是否稳定是是是是塔底回流量干扰影响最大动