精馏塔顶温度控制系统设计与仿真

过程控制工程课程设计过程控制工程课程设计精馏塔顶温度控制系统设计与仿真学院姓名班级学号时间2011年06月28日一、研究对象DLCF精馏塔RRMTTMUFMPPPTVRVD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VR的相对输入信号（以DDZIII型为例，当输入电流为4MA时，对应相对输入信号为0；当输入电流为20MA时，对应相对输入信号为100），PP为泵出口压力，PT为精馏塔顶压力。PP受塔顶产品调节阀VD开度的影响，变化范围较大；而精馏塔顶压力PT的变化可基本忽略。图1中TM、RM、FM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T0110，F040T/HR（吨/小时），R020T/HR，PP009MPA，PT0086MPA，U025，FV075。这里，FV为调节阀VR相对流通面积。（2）精馏段温度T的测量范围为0160，进料量F的测量范围为0100T/HR，塔顶冷回流量R的测量范围为050T/HR。T、R、F的测量值TM、RM、FM均用来表示，即TM、RM、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一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数，单位为分。51（4）假设控制阀VR为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为。SUFGV（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，。122STKFVP221DDPKRSGPT其中为控制阀VR相对流通面积的变化量，；T2基本不变，这里设SFV分；、K2、KD2在一定范围内变化，这里设、K2、KD2的变化范602TDDT围分别为分；T/HR/；T/HR21,020,10,1/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；SSTRSGPPPEX11；KFDDD1其中对象特性参数均可能在以下范围内变化/T/HR，03,41P分，分；/T/HR，05,31PT50,7P2D分，分。64D3D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PP的变化，而且变化范围为T/HR，MPA；另外，被控变量T的设定1540F029PP范围为。试应用单回路、串级、前馈、SMITH预估补偿、比值、选择等控制10SPT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VR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、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110；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10。（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110；扰动响应试验中，进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR，泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA。（3）建议采用如图2所示的传递函数模块作为基本的方框图单元，其中U0、Y0分别为输入输出的静态工作点。图2带有输入输出静态工作点的通用传递函数模块（4）建议PID控制算法具有输出跟踪、输出限幅、防积分饱和等功能，并采用实际微分运算。四、分析与计算被控参数选择精馏段灵敏板温度T,静态工作点为T0110,测量范围为0160控制变量选择塔顶冷回流量R,R020T/HR，测量范围为050T/HR。干扰主要扰动为进料量F与泵出口压力PP的变化,F040T/HR（吨/小时）检测仪表选择压力,温度等调节阀选择控制阀VR为线性阀控制方案选择简单控制系统,调节器控制规律PIDSMITH预估补偿控制系统,调节器控制规律PID传递函数计算1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，单位为分。其传递函数为501T13SGM2假设控制阀VR为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为。UFVV3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，。122STKFSVP221DDPKRSPT其中为控制阀VR相对流通面积的变化量，；T2基本不变，这里设SFV分；、K2、KD2在一定范围内变化，这里设、K2、KD2的变化范602TDD围分别为分；T/HR/；T/HR201,DT20,12K20,12DK/MPA。选择TD201分,T/HR/,T/HR/MPA,得传递函数D1362SFRSGVP0PPD4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；SSTKRSPPPEX11；FGDDD1其中对象特性参数均可能在以下范围内变化/T/HR，03,41P分，分；/T/HR，05,31PT50,7P2DK分，分。64D3D选择KP130/T/HR，TP130分,P5分,KD110/T/HR,TD14分,D3分,得传递函数SSRSGP30EX1801FTD8P241五、实现方案与仿真测试没有加入控制器时GVSGP2SGP1SGD2SGD1SGMS输出温度T给定输入泵出口压力干扰进料量干扰图3系统框图没有控制器图4仿真图没有控制器方案1简单回路控制系统简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象简称对象、测量变送装置、控制器和执行器。简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。1计算PID参数使用响应曲线法整定图5系统开环状态图6广义对象开环整定曲线由图可得，XY/MINAKO30，60T2（T2T1）200；2T1T2360；898500PTI20720；TD050180；GCSGVSGP2SGP1SGD2SGD1SGMS输出温度T给定输入泵出口压力干扰进料量干扰图7系统框图图8仿真框图2系统仿真根据计算得出的PID参数得到的图像图9初始给定110仿真框图图10由计算得出PID参数的仿真图所得图形不适合，进过调整得到跟踪响应试验前控制系统达到稳态曲线图11调整PID参数后所得的仿真图追踪温度分析在4000S的时刻，改变温度输入值，突加给定一个为10的阶跃信号系统输出如下图12温度输入仿真框图图13温度突加10（120）的曲线图14温度突加10（100）的曲线分析由图可见，当输入信号改变时，系统的输出温度能自动跟踪输入，最终也变为130和110度，由此可见此设计效果良好，符合设计要求。泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA在4000S时刻，单独加入泵出口压力系统输出的如下图15单独加入泵出口压力干扰仿真图图16泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA时的曲线图17泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA时的曲线分析由图可见，在泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA时，系统能够较快进行消除。进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR单独加入进料量F系统输出的如下图18单独加入进料量干扰F仿真图图19进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR图20进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR分析由图可见，进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR时，可以在要求范围内对干扰进行消除。两种扰动同时作用时（只选取其中一种002，15）图21两种扰动同时作用仿真图图12002MPA时的曲线和阶跃变化幅度为15T/HR分析由图可见，两种扰动同时作用时，可以在要求范围内对干扰进行消除。（3）系统调节器的选择图22简单回路控制系统流程图1）调节阀采用气关阀“”，已由设计要求中给定。2）被控过程符号为“”。3）温度变送器的符号为“”，已由设计中给定。4）温度调节器选择反作用，符号为“”。为了形成一个负反馈，所以调节器选择反作用。方案2SMITH预估补偿控制系统（1）补偿器计算GBSGOS（1ES）30EXP1803S（2）系统仿真GCSGVSGP2SGP1SGD2SGD1SGMS输出温度T给定输入泵出口压力干扰进料量干扰GP1SEXPS图23SMITH系统框图与仿真框图图24初始给定110仿真框图追踪温度分析图25温度输入仿真框图图26温度突加10（120）的曲线图27温度突加10（100）的曲线分析由图可见，当输入信号改变时，系统的输出温度能自动跟踪输入，最终也变为130和110度，由此可见此设计效果良好，符合设计要求。泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA在6000S时刻，单独加入泵出口压力系统输出的如下图28单独加入泵出口压力干扰仿真图图29泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA时的曲线图30泵出口压力PP的阶跃变化幅度为002MPA时的曲线进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR，曲线如下在6000S时刻，单独加入进料量F系统输出的如下图31单独加入进料量干扰F仿真图图32进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR图33进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR分析由图可见，进料量F的阶跃变化幅度为15T/HR时，可以在要求范围内对干扰进行消除。两种扰动同时作用时（只选取其中一种002，15）图34两种扰动同时作用仿真图图35002MPA时的曲线和阶跃变化幅度为15T/HR分析由图可见，两种扰动同时作用时，可以在要求范围内对干扰进行消除。（3）系统调节器的选择1）调节阀采用气关阀“”，已由设计要求中给定。2）被控过程符号为“”。3）温度变送器的符号为“”，已由设计中给定。4）温度调节器选择反作用，符号为“”。为了形成一个负反馈，所以调节器选择反作用。六、性能比较由以上的仿真结果可知，单回路系统结构简单，易于实现，控制效果也可到达预定要求，但是PID参数整定较花时间。而SMITH预估补偿器相对于简单控制系统加多了一个前馈补偿控制器，对于干扰可以较快的消除干扰。七、设计心得设计心得通过两个星期的课程设计，主要完成以下任务阅读课程设计任务书；查阅相关资料；复习过控相关知识；根据过控课本介绍设计方案；MATLAB的简易学习；仿真与测试；撰写设计报告。在设计过程中，发现了很多自己遗忘的知识点，通过复习并与同学讨论，一一解决设计过程中出现的问题，在通过书籍和网络资料的过程中，发现了很多精馏塔系统的设计思想基本一致，但不论常规控制方法，还是优化控制方法方案，都是以充分的工艺机理分析为基础的，具体问题具体分析，需要根据蒸馏过程采取适当的方案，