基于MATLAB的精馏控制系统开发与仿真

1、信息科学与工程学院工程训练报告题 目 基于MATLAB的精馏控制系统开发与仿真 学生姓名 大神 学 号 专业班级 自动化大神班 指导老师 大神的老师 完成日期 2015.9.14 前言精馏塔是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程设备。精馏过程的实质就是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，实现各组分的分离。精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓，变量之间相互关联，在线测量困难，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馆塔的控制方案是一个极为重要的课题。此外，在全球金融危机的压力下，国内众多过程工业企业不仅面临着同行的竞争压

2、力，同时也面临着来自国际间的市场挑战。在当前经济并不景气的大环境下，积极的开发和应用先进过程控制技术来提高企业的经济效益，增强企业自身的竞争力是过程工业迎接挑战的主要途径。随着控制理论与计算机技术的发展，不仅为先进控制技术的应用奠定了理论基础，同样也提供了良好的软硬件平台。近些年来，先进控制技术在实际工业过程中也取得了较好的成效，具有十分广泛的应用前景。精馏过程因其大时滞、变量稱合、动态特性分析复杂、约束条件复杂且难以进行变量配对等特性成为过程控制界多年来理论研究和实践的热点。近30年来，有关精馏塔控制的研究文献大量涌现，其研究热点大致趋势可分为：(1)开发和应用线性多变量控制技术，自适应控制

3、，预测推理控制和鲁棒控制算法，进行精馏塔的预测控制系统和鲁棒控制系统设计。(2)应用先进控制技术与优化策略，实现精馏塔的节能优化控制。针对精馏塔的非线性本质，Trotta采用降阶模型来简化控制器的设计，并通过全局线性化的控制方法对精馆塔的两端组分含量进行控制，取得了良好的控制效果。在先进控制算法方面，Fileti将可编程自适应控制器、自整定调节器和基于神经网络建模的模型预测控制算法应用于实验间歇精馆塔装置的控制。就鲁棒性问题，王刹设计了对象具有加性不确定性时基于控制的Smith预估器，将具有多个时间滞后系统的跟踪问题转化为标准控制器设计问题。智能控制方面，Canete采用神经网络对精馏塔建模，

4、提出自适应基于神经网络的模糊控制器，并在二元精馆塔上进行了仿真。与此同时，对精馆塔两端组分控制（Dual Composition Control)及控制系统结构分析成为主要的研宄方向之一。推理控制也因组分在线测量装置的精度难以满足在线控制的需求而受到广泛关注。Kano指出了动态推理模型有最好的估计精度，并在此基础上提出了一种“预测推理控制”，使用在线辨识的推理模型估计未来成分的变化以对其控制。综合来说，绝大数精馆塔控制的研究仍局限于理论推导仿真或实验室装置，实际的工业应用仍占少数。随着过程工业对精馆过程要求的提高，需要控制界提出更多实际应用价值高的控制策略，并付诸实际。本文针对工程训练任务书中

5、给出的系统辨识函数，搭建了仿真框图，调整PID参数，最终使系统在较好的指标内达到稳定。目录前言21精馏控制系统概述41.1精馏工艺概述41.2精馏工艺的基本要求42系统分析及方案选择53控制对象的数学模型64系统稳定性分析75控制系统的参数整定86控制系统Simulink仿真106总结11参考文献111精馏控制系统概述1.1精馏工艺概述精馏是将一定浓度的溶液送入精馏装置使它反复地进行部分汽化和部分冷凝，从而的得到预期的塔顶和塔底产品的操作。精馏的设备和过程如图1.1所示。图1.1 精馏设备与精馏过程精馏设备主要有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵。原料从精馏塔中段某一块塔板（称为进料板）

6、进入。进料板把精馏塔分为进料板以上的精馏段和进料板以下的提馏段。进入塔内的液体与塔内上升蒸汽在各层塔板上充分接触，使沸点低的易挥发组分汽化上行；沸点高的难挥发组分随液体往下流。精馏塔内物料和蒸汽在逆流作用下进行传质和传热。下流到塔釜的液体分为两部分，一部分被引出为塔底产品，另一部分经再沸器加热汽化后返回精馏塔。精馏塔内上升的蒸汽依次经过所有塔板，使蒸汽中易挥发组分浓度逐渐增大，馏出塔顶的蒸汽在冷凝器中冷凝为液体，经回流罐和回流泵后，液体分为两部分，一部分塔顶产品引出，另一部分则引回到精馏塔塔顶的精馏段塔板上，称为回流量。在精馏过程达到稳态时，塔内状态稳定，每层塔板上液体和蒸汽的浓度均保持不变，

7、塔外状态稳定，塔顶产品和塔釜产品的浓度和流量均保持定值。1.2精馏工艺的基本要求精馏塔的控制主要有三类指标：质量指标（产品纯度）、产品产量指标和能耗指标。根据精馏过程，基本的精馏工艺要求有：（1）保证产品的提纯纯度（质量）和产量精馏过程所得产品自然应满足规定的质量要求。精馏产品的质量要求一般是要保证塔顶或塔底产品之一达到规定的纯度要求，而另一产品纯度在规定的范围内。产品质量的高低与能耗、产量和成本等关联密切，为了取得综合效益最好，往往把产品质量控制到刚好能满足规格要求，即所谓“卡边”生产。产品的产量通常用回收率表示。回收率为原料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量。可见回收率越高，表明产量

8、越高。（2）安全和节能生产过程的安全性主要体现在精馏过程控制中的参数设限问题，即根据实际情况，设定如蒸汽压力、流量等的最大最小值，以防止事故发生保证安全生产。耗能问题是精馏过程所研究的重点问题。能耗的降低主要考虑工艺过程的合理性、过程控制的参数选择和策略选择合理性等。2系统分析及方案选择精馏工艺的基本控制内容包括：精馏塔外部的原料流量控制、过热蒸汽控制；精馏塔内部的精馏塔压力控制、精馏段相关量控制、提馏段相关量控制；总体的安全控制和节能控制等。其中，精馏塔内精馏段相关量控制包括：精馏段回流量控制、馏出液量控制、馏出产品质量控制等。精馏塔内提馏段相关量控制包括：再沸器加热量控制、提馏段质量控制、

9、提馏段釜液流量控制等。在分离混合物的精馏过程中，通过控制再沸器的加入蒸汽量来维持精馏塔气相的空间速度。如果气相的空间速度太高会引起液泛，其后果是从气相带走大量没有分离的混合物；反之，如果气象空间速度太低，则会引起漏液，其后果是从液相带走大量没有分离的混合物。在这两种情况下，都会破坏精馏塔的正常运行。蒸汽加热的再沸器是把蒸汽释放的潜热转化成被加热液体的汽化热，如果加热蒸汽量太大，传热间壁两边的温差增大，容易使被加热液体一侧产生的气泡连成一片，使实际传热效率大大降低。可见在，在控制再沸器蒸汽流量的同时。需要对最大的蒸汽量加以限制。被调节变量可以取精馏塔的供料流量、塔压、精馏塔塔釜液位或冷凝液储槽液

10、位。选择冷凝液储槽液位为被调节量，控制再沸器的蒸汽加入量。这种控制方法在塔底产品流量较小时经常采用。在这种场合下，一般不采用塔釜液位来调节加热蒸汽量，因为塔底产品流量很低时，加热蒸汽量的增加会使再沸器里的一部分液体排入精馏塔，造成塔釜液位短时间里增加，之后又逐渐下降，这样控制起来会比较困难。图2.1 系统控制方案结构简图考虑到冷凝槽的液位变化基本上是与加热蒸汽量成比例的，所以采用冷凝液储槽液位控制加热蒸汽量可以应用线性调节器。系统控制方案结构简图如图2.1。由于蒸汽加入量的变化要通过再沸器、精馏塔、冷凝器和储槽，再影响到液位的变化，所以对象有较大的滞后特性，因此采用PID调节器。为了防止设定值

11、突变时，微分控制输出突跳，将微分环节设置在反馈回路中，微分运算只对测量信号进行，即先行微分；蒸汽流量调节器采用PI调节器。冷凝液储槽液位利用差压变送器进行测量。系统框图如图2.2。图2.2再沸器控制系统框图3控制对象的数学模型广义被控对象（即从再沸器至储液槽液位，含有电/气转换器、阀门定位器/阀门、被控对象和液位变送器）的数学模型为：Gs=3e-15s(15s+1)2从再沸器（蒸汽流量）至精馏塔内压力测量变送器的数学模型为：Gs=e-5s13s+1 整齐的限制流量和塔内压力关系为：QsHs=Q0-0.64P(s)，式中QsH (s)为蒸汽的限制流量（拉氏变换）；Q0为蒸汽的最大流量；P(s)为

12、塔内压力最大值（拉氏变换）。4系统稳定性分析广义被控对象Gs=3e-15s(15s+1)2的伯德图：Matlab程序：num=3;den=conv(15 1,15 1);G=tf(num,den,inputdelay,15);margin(G);伯德图：由Bode图可知，无调节器时，相位裕度为-10.5，幅值裕度为-0.893，所以开环系统不稳定。5控制系统的参数整定PID模块位于MATLABSIMULINK的coutinuous库中，如图5.1，这里先整定蒸汽流量调节器的PI参数，利用此PID Tunner，可以自动整定PI参数。D参数由于采用先行微分，需要通过观察simulink仿真波形，

13、手动调试。图5.1 PID模块首先连接仿真模型，如图5.2图5.2闭环系统PI调节器simulink框图双击打开PID模块的设置界面如图5.3图5.3PID模块设置页面在Controller下拉菜单中选择PI结构模式，Time-domain选项选择连续域模式。选择好模式之后，单击Apply，然后单击Tune按钮，PID Tuner会自动在系统默认的工作点处对模型进行线性化处理，设计出控制器的参数。如图5.4所示,P=0.1197，I=0.。图5.4PID自动调节模块界面6控制系统Simulink仿真搭建完整的系统Simulink仿真框图，在仿真框图中，为了模拟真正的工业控制环境，在特定的环节，

14、添加了幅值为-0.5至0.5的噪声干扰信号，仿真框图如图所示：图6.1 控制系统仿真框图图6.2 仿真结果曲线从上至下依次为：给定蒸汽流量、实际蒸汽流量、塔内压力、扰动。由图6.2可知，系统实现了控制要求，系统稳定性较好，稳态时间约为200s左右，能满足一般精馏过程控制的需要。6总结本次工程训练，我通过查阅国内相关文献和教材，了解了精馏控制系统国内外发展现状，对精馏过程的背景和工艺流程有了一定的认识。我通过快速学习，使用Simulink对精馏控制系统进行了建模与仿真。在仿真过程中，遇到了许多问题，我通过查阅资料和动手调试，解决了大部分问题，基本实现了精馏控制系统PID参数的整定和Simulink仿真。在本次实践过程中，我也发现了自身基础知识掌握欠佳，对Matlab和Simulink的理解和运用依然停留在表面水平。因此，在今后的学习中，我将更加注重基础与实践的结合，以求对原理有更深刻的理解。参考文献1 周艳明. 精馏塔先进控制算法理论