精馏塔塔釜温度控制系统的设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过程控制系统过程控制系统 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 精馏塔塔釜温度控制系统的设计精馏塔塔釜温度控制系统的设计 院（系）：院（系）： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 设计题目精馏塔塔釜温度控制系统的设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 设计精馏塔塔釜温度控制系统 精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置，通过精馏操作可将由多组分组成的混合 物分离成较纯组分的产品。精馏塔温度是保证分离纯度的重要指标，塔釜的部分产品经 过再沸器回流到塔内，一方面保证精馏塔温度恒定，另一方面保证生产的连续性。工艺 要求塔釜温度控制在 800 0.5 。在生产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有 时从 0.5Mpa 突然下降到 0.3Mpa，压力变化了 40%。 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、仿真分析/实验测试分析； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 测量范围：01000 ； 控制温度：800 0.5 ； 最大偏差：1.5。 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2 天，分散完成） 2、确定系统的控制方案，绘制工艺节点图、方框图。（1 天，实验室完成） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2 天，分散完成） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室 1 天） 5、MATLAB 仿真分析或实验测试分析、答辩。（3 天，实验室完成） 6、撰写、打印设计说明书。（1 天，分散完成） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 摘 要 本系统利用工业生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温度控制系统。通 过选用铂铑 10铂热电偶传感器、ZMAP-16P DN15 气动调节阀、DT2031 数字调节器、热 电偶温度变送器来实现。系统设计主要包括控制方案的设计和系统各仪表选型，软件设 计，系统仿真四大部分。软件设计采用 DCS 组态来完成，并完成了系统监控画面。系统 仿真采用 MATLAB 进行仿真，并得出仿真图。本系统便是基于工业生产过程控制采用串 级控制系统实现精馏塔塔釜温度控制系统，通过对工业生产过程控制，来实现对精馏塔 塔釜温度的控制。此次设计就是要设计一个精馏塔塔釜温度的串级控制系统。要求当物 料进入精馏塔时，塔釜的温度可控并且温度恒定，保证生产的连续性。 关键词关键词：精馏；温度控制；PID 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 控制方案的设计 .3 2.1 设计要求.3 2.2 方案设计.3 2.2.1 塔釜温度的前馈控制 4 2.2.2 塔釜温度的串级控制 5 2.2.3 塔釜温度的反馈控制 6 第 3 章 系统各仪表选型 .8 3.1 温度传感器的选择.8 3.2 执行器的选择.8 3.3 调节器的选择.9 3.4 压力变送器的选择.9 3.5 温度变送器的选择10 3.6 控制器的正反作用选择10 第 4 章 软件设计 11 4.1 系统控制流程图11 4.2 DCS 组态 11 第 5 章 系统仿真 14 5.1 PID 控制器的参数整定 14 5.2 凑试法确定 PID 参数14 5.3 切线法确定被控对象的传函15 5.4 系统MATLAB仿真分析 17 第 6 章 课程设计总结 19 参考文献 .20 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 1 章 绪论 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置。有板式塔与填料塔两种主要类 型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。 蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降 液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分 不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈 接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气 相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的 部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发 成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。 蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份 挥发度不同（相对挥发度，）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其 操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 近年来出现的超重力精馏技术，利用高速旋转产生的数百至千倍重力的超重 力场代替常规的重力场，极大地强化气液传质过程，将传质单元高度降低 1 个数 量级。从而使巨大的塔设备变为高度不到 2 米的超重力精馏机，达到增加效率、 缩小体积的目的。超重力精馏改变了传统的塔设备精馏模式，只要在室内厂房里 就可以实现连续精馏过程。对社会的发展而言可节省钢材资源，延长地球资源的 使用年限；对企业的发展而言，可以节约场地与空间资源，减少污染排放，提高 产品质量，改善经营管理模式，降低生产劳动强度，增加生产的安全性。 精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原 理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和 蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部 分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高， 也就是说在提馏段上升的轻组分的易挥发组分逐渐增多，难挥发组分逐渐减少， 而下降液相中易挥发组分逐渐减少，难挥发组分逐渐增多，从而实现分离的目的， 满足化工连续化生产的需要。 精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果， 控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。 维持正常的塔釜温度，可以避免轻约分流失，提高物料的回收率；也可减少残余 物料的污染作用。影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰（如进 料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。一般情况下精馏塔塔釜的温度， 我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。灵敏板是当外界条件或负荷 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。以往调节只是采用灵敏板温度调节 器单一回路调节，调节反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难保 证。 从上述干扰分析来看，有些干扰是可控的，有些干扰是不可控的。从而选择 一种可靠并且稳定的控制系统来控制精馏塔塔釜的温度是非常重要的。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 2 章 控制方案的设计 2.1 设计要求 精馏塔塔釜温度控制系统的设计要求如下： 1塔釜温度控制在 8000.5； 2生产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，要保证精馏塔正常工作； 3塔釜及相关期间要经济实用。 2.2 方案设计 精馏塔的干扰因素： 1.进料量波动的影响； 2.进料成分波动的影响； 3.进料温度波动的影响； 4.蒸汽压力波动的影响； 5.回流量和冷剂量波动的影响。 精馏塔的扰动如图 2-1： 图 2-1 系统扰动 根据扰动的分析，系统设计方案主要考虑前馈，反馈和串级三种控制方案。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 2.2.1 塔釜温度的前馈控制 首先介绍什么叫静态前馈控制，即静态前馈控制的原理。所谓静态前馈控制 原理就是指前馈控制器的输出信号仅仅随着输入信号（干扰信号）d 大小的函数， 而与时间因子 t 无关。因此，前馈控制作用可以简化为： （2-1） 通常将上式的关系近似的表示为线性关系，则前馈控制器就仅仅参考器静态 放大系数作为矫正的依据，即： （2-2） 0 /)(KKKsW dft 式中，分别为干扰通道和控制通道的放大系数，一般来说可以用 d K 0 K f K 实验方法来获得，如果有条件列写对象有关参数的静态方程，则可以通过计算来 确定。 在精馏塔塔釜的温度控制中，扰动可以测量但是不好控制，并且干扰幅度较 大。蒸汽压力的变化是塔釜温度的主要干扰量，控制对象则是塔釜的温度。 塔釜温度前馈控制的系统框图和塔釜温度前馈控制工节结点图如 2-2、2-3 所 示： 扰动 输出 图 2-2 塔釜温度前馈控制的系统框图 蒸汽 图 2-3 塔釜温度前馈控制工艺节点图 前馈控制器 执行器 被控对象 检测变送 扰动通道 )(dfM f 精馏塔 FY f(x) 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 2.2.2 塔釜温度的串级控制 串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另 一个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副 回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测 变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在 主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过 程上的，即包括在副回路范围内的扰动。 为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加 热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。其中灵敏板温度调节 器是主调节器，再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器。塔釜温度串级控制工艺 结点图如 2-4 所示：塔釜温度串级控制示意图如图 2-5 所示： 设定值 蒸汽 图 2-4 塔釜温度串级控制工艺节点图 设定值 被控变量 图 2-5 塔釜温度串级控制的系统框图 精馏塔 主控制器副控制器 PC 执行器副对象 主对象 温度变送 器 TTTC 压力变送 器 PT 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 通过实际改造和使用，串级调节与单回路控制相比较，串级控制有许多优点： 1、抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同 时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了 调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的 干扰。表现更为突出。 2、及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。 3、适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统， 但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操 作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的 变化。 通过采用串级控制系统，塔釜温度控制更加平稳，产品纯度很高，随着控制 系统软件和硬件的不断发展和完善，计算机集散型控制系统的应用和普及，精馏 塔的分离质量将会越来越好，分离精度也将会越来越高。 2.2.3 塔釜温度的反馈控制 在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端 到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。 反馈控制系统由控制器、控制对象和反馈通路组成如图 2-3 所示。图中带叉 号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体 系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输 出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。炉温用热 电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放 大后用来驱动相应的执行机构进行控制。塔釜温度反馈控制的系统框图和塔釜温 度反馈控制的工艺节点图如图 2-6、2-7 所示： 设定值 扰动 被控对象 图 2-6 塔釜温度反馈控制的系统框 控制器执行器 被控对象 检测变送 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 设定值 蒸汽 图 2-7 塔釜温度反馈控制的工艺节点图 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管 出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产 生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化 不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而 且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量 时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合 控制系统。系统本身的工作效果，反过来又作为信息指导该系统的工作，叫做反 馈调节。 开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。但反馈回路的引入增加了系 统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰 动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制(即前馈控制)作为反馈控制的补 充而构成复合控制系统。 由于前馈控制因不含时间因子，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。由于本设计主要考虑物料、压力等物 理量对精馏塔釜温度的影响，并且干扰变化剧烈，幅度大，有时从0.5Mpa突然下 降到0.3Mpa，压力变化40。干扰幅度较大，所以应用串级控制系统。 精馏塔 f(x) TT TC TY 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 3 章 系统各仪表选型 3.1 温度传感器的选择 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500C以上的 高温，可以在1600C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。热电阻 分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高 而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。 铂铑10铂热电偶传感器测温范围在01600，WRP型铂铑10铂热电偶性 能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在01600环境下。 3.2 执行器的选择 执行器在控制系统中夜起着重要的作用，它直接实施控制系统的动作就好像 人体的五官和手脚一样，大脑是调节器，而手就是执行器。执行器是一种现场类 仪表因此它的精度、使用寿命、抗干扰和环境的适应能力等就是人们所关注的指 标。 控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信 号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式： 1.按动力来源分，有气动和电动两大类； 2.按动作极性分，有正作用和反作用两大类； 3.按动作特性分，有比例和积分两大类。ZMAP-1.6Mpa气开式 ZMAP-16P DN15气动调节阀 PN1.6MPa。特点： 1.采用平衡式阀芯结构，轴向不平衡力小，允许压差大，稳定性好。 2.套筒互换性强，拆装方便，容易维修。 3.全金属阀芯结构适用多种工作场合，达到IV级泄漏标准，ZXMQ型软密封结构阀 芯达到VI级泄漏标准。 4.阀体按流体力学原理设计成等截面低流阻流道，可调范围大，固有可调比为 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 50， 额定流量系数增大30。 5.执行机构采用多弹簧结构，高度减少30。重量减轻30。 6.ZJHPW型波纹管密封型调节阀，对移动的阀杆形成了完全的密封，堵绝流体外 漏。 7.ZJHPJ型调节阀带有保温夹套，用于流体冷却后易结晶、凝固造成堵塞的场合 3.3 调节器的选择 调节器是控制系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信 号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理， 运算处理的结果作为调节器的输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统 的任务。 DT2031数字调节器是基于电动单元组合仪表进行升级，采用数字化控制技术 的新型过程控制仪表，是一种智能型调节器，仪表的内部有功能强大的微处理器， 根据不同要求进行组态设定。 DT2031 数字调节器是基于电动单元组合仪表进行升级，采用数字化控制技术 的新型过程控制仪表，是一种智能型调节器，仪表的内部有功能强大的微处理器， 根据不同要求进行组态设定。实现具有微分前馈功能的 PID，PI，PD，P 控制方 案，操作，组态，设定方便，性能价格比高，可用于电力、冶金、石油、化工等 领域的自动化控制。 DT2031 数字调节器支持 4-20mA、0-10mA 信号输入，输出；外部给定电压和 跟踪电压可选择 1-5V 或 0-10V。 3.4 压力变送器的选择 压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、 表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电 流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和 过程调节。 压力变送器测量原理是：流程压力和参考压力分别作 变送器用于集成硅压 力敏感元件的两端，其差压使硅片变形（位移很小，仅 m 级），以使硅片上用 半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的 mV 级电压信号。由于硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。 工作时，压力变送器将被测物理量转换成 mV 级的电压信号，并送往放大倍数很 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变 换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系 的标准电流电压信号。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器 （0.001MPa20MPa）和微差压变送器（030KPa）两种。 HSL-3051 型压力变送器，传感器是采用引进国外先进技术生产的高精度小型 化智能传感器，在转换原理上利用数字化补偿技术对温度、静压进行补偿，提高 了测量精度，降低了温度漂移。具有长期稳定性好，可靠性高，自诊断能力强等 特点。以其极高的性能价格比，而成为变送器市场的主流产品。 详细参数 供电电源:15-36 VDC(标定电压 24VDC) 输出信号:(4-20)mA(二/三线制)、带 Hart 协议 工作温度:放大器工作在-29 +93; 敏感元件工作在-40 +104 3.5 温度变送器的选择 热电偶温度变送器由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I 转换、 断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经 冷端补偿放大后，再帽由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转 换为 4-20mA 电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造 成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会 输出最大值(28mA)以使仪表切断电源。 在量程范围内输出 4-20mA 直流信号，与热电偶或热电阻的输入信号成线性 或与温度成线性。智能型温度变送器输出 4-20mA 直流信号同时叠加符合 hart 标 准协议通信；隔离式温度变送器：输入与输出相隔离，隔离电压 500V，增加了抗 共模干扰能力，更适合与计算机连网使用。 3.6 控制器的正反作用选择 控制阀：气开式取“+”号，气关式取“-”号； 控制器：正作用取“+”号，反作用取“-”号； 对象：当控制阀的物料或能量增加的时候，若被控量随之增加取“+”号， 反之取“-”号； 变送器：一般为正环节； 气开阀随着控制信号的增大而开度增大，当无压力控制信号的时候，阀门处 于全关闭状态； 当物料及蒸汽压力加大的时候阀门处于气开状态； 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 当物料流量增加的时候，输出物料也会增加，同时精馏塔本身容量的限制会 控制这个流量的大小，所以控制器选择反作用，调节器即为正作用。 第 4 章 软件设计 4.1 系统控制流程图 本系统利用工业生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温度控 制系统。通过选用温度传感器采入塔釜温度设定值和实际值，在通过计算机计算 控制器输出值，然后发出命令驱动执行机构。系统的控制流程图如图 4-1 所示： Y N Y Y 图 4-1 系统控制流程图 4.2 DCS 组态 开始 到达设定值 初始化 结束 塔釜温度大于设定值 塔釜温度小于设定值 输入设定值 塔釜温度测量 调节阀打开 调节阀关闭 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） DCS 是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System)，在国内 自控行业又称之为集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算 机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。 DCS 系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益 复杂应运而生的综合控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术 和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能。是 完成过程控制、过程管理的现代化设备。 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制 信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基 本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。 如图 4-2 为组态画面，图 4-3 为系统监控画面，图 4-4 为总貌画面设置， 图 4-5 为趋势组态设置。 图 4-2 组态画面 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 图 4-3 系统监控画面 图 4-4 总貌画面设置 图 4-5 趋势组态设置 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 5 章 系统仿真 5.1 PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特 性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整 定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的 数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以 直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖 工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际 中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线 法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验 公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方 法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期 让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振 荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式 计算得到 PID 控制器的参数。 PID 参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线， 从而调整 PID 的大小。 比例 I/微分 D=2，具体值可根据仪表定，再调整比例带 P，P 过头，到达稳 定的时间长，P 太短，会震荡，永远也打不到设定要求。 温度 T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s 压力 P: P=3070%,T=24180s, 液位 L: P=2080%,T=60300s, 流量 L: P=40100%,T=660s。 5.2 凑试法确定 PID 参数 增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静Kn 差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增 大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除 1 T 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 将随之减慢。增大微分时间亦有利于加快系统响应，使超调量减少，稳定性增 D T 加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后 积分，在微分的整定步骤。 5.3 切线法确定被控对象的传函 获取被控对象的数学模型是进行控制系统设计的先决条件，只有得到被控 对象的数学模型，才能分析对象的动态特性， 进而设计出合理的控制系统通常 将获取对象数学模型的过 程称为建模。常用的建模方法有两种，即理论建模法 和实验建模法。理论建模主要是通过对对象机理的分析，并在一定的假设条件 下求出其动态方程，然后进行线性化处理。该方法比 较复杂，一般只用于描述 新研制对象的动态特性。对于热工被控对象，较多的采用实验的方 法测定其动 态特性，然后根据其动态特性求取其数学模型，这也是工程中常用的行之有效 的方法。 目前应用较多的是阶跃响应曲线法 ，即当对象处于稳定状态时，在 对象的 输入端人为的加以阶跃扰动信号，同时观察被调量的响应特性曲线，然后由该 曲线求出被控对象的传递函数。 由阶跃响应曲线求取对象的近似传递函数有切线法、两点法、半对数法等 多种方法，每种方法都具有各自的特点，应根据实际情况使用。限于篇幅，在 这里简单介绍切线法求对象的近似传递函数 。如表 5-1 所示：根据表中信息 可以得出： 主对象中的 K=5，T=3，所以： 主对象的传递函数为： 13 5 s SG 副对象中的 K=2，T=2，所以： 主对象的传递函数为： 12 2 s SG 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 表 5-1 用切线法求有自平衡能力对象的传递函数 内容 被控对象 单容有自平衡能力对象多容有自平衡能力对象 阶跃响应曲线 传递函数一般表达 式 1 Ts K SG s e Ts k SG 1 切线法步骤 1.作稳态值的渐进线,则 0 C ； 0 C K 2.作响应曲线起始点的切线 于点 M，则线段 OM 在时间 0 C 轴上的投影就为时间常数 步骤 1.作稳态值的渐进线, 0 C 则； 0 C K 2.作响应曲线拐点 P 的切 线分别交线和时间轴 0 C 于 M 和 N，时间常数 T。 ON= NH=T 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 5.4 系统 matlab 仿真分析 本次设计使用串级控制系统，通过操纵蒸汽流量来控制提馏段的温度，获得 良好的抗扰性能，从而达到产品质量要求。在设计中主要设计温度控制器，在通 过计算机仿真来进一步揭示串级控制系统的特点。如图 5-1、5-2 所示：主控制 器设置为 P=2，I=0.5，D=0。副控制器参数设置为 P=3，I=0.1，D=0。脉冲设置 为在第 0 秒为 800。 图4.1串级控制系统图 图 5-1 无扰动仿真 图5-2无扰动仿真图 如图可看出波形先振荡，随后恢复稳态。还可以看出超调时间为3.4秒，稳 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 态值为800，最大值为900.所以超调量可以计算得： 超调量=0.125 增加扰动，再次进行仿真模拟观察，如 5-3,5-4 所示：扰动设置为在第 3 秒 为 200。 图5-3扰动仿真 图 5-4 扰动仿真图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 如图可看出波形先振荡，随后恢复稳态。又因为增加扰动，波形在第 3 秒出 现振荡，随后恢复稳态。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 6 章 课程设计总结 对精馏塔塔釜温度控制系统的设计，需要利用多种器件来完成系统控制，充 分结合所学的知识来完成，使本系统成功的对精馏塔塔釜温度的调节与控制，具 有良好的使用性和经济型，为精馏塔温度的控制起到了积极的作用。