凌伟控课程设计说明书任务书3

1、第1章精馏概述1.1精馏原理以及工业流程精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示, 其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的 回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板 上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液 体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并 将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶

2、产品。进料7产品塔底产品图1.1连续精馏装置工艺流程图1.2精馏塔的特性精馏塔的特性分为静态特性和动态特性，以二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系1.2.1精馏塔的静态特性一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。图6.1-1所示的 精馏过程，其物料平衡关系为:(1.2-1)总物料平衡 F D B轻组分平衡F zfD xD B xB(1.2-2 )由式（6.2-1）和（6.2-2 ）联立可得：FXdD(ZfXb) XbD XdZfF XdXb(1.2-3 )Zf、Xd、Xb分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量式中 F、D、B分别为进料、顶馏出液

3、和底馏出液流量;从上述关系可看出：当 D F增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即 Xd、Xb下降。而当B F增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即 Xd、Xb上升然而，在D F （或B F ） 一定，且Zf 一定的条件下并不能完全确定XD、Xb的数值，只能确定Xd与Xb之间 的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定 Xd与Xb两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度s可用下式表示:Xd (1 Xb ) s(1.2-4)XB (1XD )从上式可见：随着分离度s的增大，而Xb减小，说明塔系统的分离效果增大

4、。影响分离度 s的因素很多，诸如平 均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量V和进料量F的比值等。对于一个既定的塔来说：Vs f （）F（1.2-5 ）式（6.2-6 ）的函数关系也可用一近似式表示：VXd（1 Xb）F In Xb（1 Xd ）（ 1.2-6）式中为塔的特性因子。由式（2.2-6 ）、（ 2.2-7 ）可以看出，随着V F增加，s值提高。也就是xD增加，xB下降，分离效果提高 了。由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡 关系式。而且由上述分析可见：V F的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。

5、对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D/F和VF 定，这个它的分离结果，即Xd与Xb将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数上述结论与一般工艺书中所说保持回流比 R L D 一定，就确定了分离结果是一致的。精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平 衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。1.2.2精馏塔的动态特性精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。要建立整塔的动 态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进

6、料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。下面以二元精馏塔第 j块塔板为例说明如何建立单板动态方程。总物料平衡：dMLj i Lj VVjdt轻组分平衡：(1.2-7)dM jXjLjlXj1 LjXj Vjiyj1 Vjyj(1.2-8)式中：L表示回流量，下标指回流液来自哪块板；V表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽;M指液相的蓄存量;x、y分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连 接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。1.

7、3精馏塔精馏段温度控制过程的数学模型对于精馏塔产品质量控制系统中，若选择被控变量为Y1=Tr（精馏段灵敏板温度）,y 2=Ts （提馏段灵敏板温度）操纵变量为U1=L/F,u 2=V/F。经阶跃响应测试得到的对象特性为：。而第2章控制系统设计2.1前馈系统简介1. 前馈控制系统的结构和类型反馈控制是基于被控量的偏差进行的，没有偏差也就不存在反馈控制。当然只要存在偏差，控制系统就不可 能保持在理想控制要求上，而是在理想控制要求的附近摆动，所以反馈控制是接近理想要求，但永远也无法保 持理想要求的控制。当被控对象呈现大延迟或受干扰较多，干扰频率较高时，要求系统快速反应实现控制目的 时，反馈控制的效果

8、往往不明显。与反馈控制相比，前馈控制可以很好的弥补了反馈控制的一些缺点，前馈控 制是针对扰动量及其变化进行控制的。图2.1.1前馈控制原理图干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈的控制原理是给系统附加一个前馈通道（或称前馈控制器）使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制量，利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除 或减小干扰的影响。按结构分前馈控制可分为静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈控制和前馈-串级控制2. 前馈控制系统的选用原则前馈控制系统的选用原则主要有:1. 扰动量可测不可控原则。扰动量的可测性是补偿的前提条件，不可测的扰动量无法设计前馈补偿器。2. 控制系统能够

9、精确辨识原则。前馈控制中每一环节的传递函数都应能精确辨识。作为开环控制，构成前 馈控制系统的任何一个环节都应尽可能准确。3. 被控系统自衡原则。在非自衡系统中不能单独使用前馈控制。4. 优先级原则。采用控制系统的优先级依次是：反馈控制、静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制。5. 经济性原则。静态前馈控制简单，一般采用比例调节器或比值器就能满足使用要求。通常动态前馈控制 要求采用专用的控制器，投资高于静态前馈控制。所以，若静态前馈控制能达到工艺要求，则首先选用静态前 馈控制。3. 前馈-反馈控制系统反馈控制是针对系统全部干扰进行补偿，是在被控量“变化了”的基础上的“滞后补偿

10、”，而前馈控制系统是针对系统的某种特定干扰而进行的补偿，是在被控量“变化前”进行的“超前补偿”。实际系统的干扰情况往往比较复杂，对所有干扰因素采取前馈控制是不可能的，在要求精度较高时，完全采用反馈控制又难以实现系 统的控制要求。因此，常利用前馈和反馈控制的优点组成控制系统一一前馈-反馈控制系统实现过程的高精度控制要求。2.2精馏塔精馏段温度控制系统设计方案当精馏塔顶采出液作为主要产品时，往往按精馏塔精馏段指标进行控制。采用精馏段指标控制的具体场合有： 对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格；全部为气相进料；塔底或提馏段温度不能很好反映组分 的变化，即组分变化时，提馏段塔板温度变化不显著

11、，或进料含有比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重 杂质。1精馏塔精馏段被控变量的选择通常，精馏段的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。 采用温度作为间接质量指标， 对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控变量。对于多 元精馏塔。由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物，在一定塔压下，温度与成分之间仍有 较好的对应关系，误差较小。因此，绝大多数精馏塔精馏段质量控制仍采用温度作为间接指标。2 精馏段温度控制系统温度检测点选择根据温度检测点的位置不同，有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。塔顶温度控制方案对温度检

12、测装置提出较高要求，产品中的杂质影响产品的沸点，造成对温度的扰动，因此,该控制方案很少采用，主要用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理。采用精馏段灵敏板温度作为被控变量，能够快速反映产品成分的变化。该塔板在扰动正反向变化时具有相接 近的较大的增益。但是塔板效率不易准确估计，而且灵敏板位置需通过仿真计算或实测确定。中温通常指加料板稍上或稍下的塔板， 或加料板的温度。采用中温作为被控变量，可以兼顾塔顶和塔底成分， 及时发现操作线的变化。但因不能及时反映塔顶或塔底产品的成分，因此，不能用于分离要求较高、进料浓度 变化较大的应用场合。综合比较，本系统采用灵敏板温度作为被控变量比较方便和贴近实际生产情况。

13、3 精馏塔精馏段温度前馈控制系统设计精馏操作中，精馏塔进料受前工序影响而波动，它影响精馏塔的稳定运行。如果为减少进料波动产生的影响， 把回流量或再沸器加热量均设置为定值控制系统且设定值需足够大，也能达到进料量波动大是精馏塔的分离操 作仍能保证产品质量要求的目标。但是这种控制方式必然造成大量的能源浪费。由精馏塔的静态数学模型可知，对于一个确定的二院精馏塔，如进料浓度固定不变，则塔顶塔底的产品的纯 度由塔顶产品分配量D/F与回流比L/D唯一确定。塔顶产品的纯度恒定，又能间接地说明精馏段温度的稳定。 现在基于D/F和V/F的比值恒定来设计前馈控制系统，对于提馏段温度恒定也有促进作用，而提馏段温度的恒

14、 定对精馏段保持稳定又有积极地作用，同时由于 V=L+D D/F和V/F的比值恒定，则回流比L/D也基本固定。从而，对于进料浓度的波动，可通过 D/F的调整来补偿。冷凝液贮楕）塔顶产rS2再沸器塔底产品图223精馏塔精馏段温度前馈控制方案4 精馏塔精馏段温度反馈控制系统设计反馈控制系统的被控对象选择精馏塔精馏段温度灵敏板，控制变量选择精馏塔精馏段灵敏板温度，操作变量选择塔顶回流的流量，通过控制回流量以及回流比，最终实现对精馏塔精馏段温度的控制(:冷凝就贮槽J塔顶产品塔底产晶图224精馏塔精馏段温度反馈控制方案5 精馏塔精馏段温度控制系统设计总方案综合前馈控制与反馈控制系统两个部分，得到精馏塔精

15、馏段温度前馈-反馈控制系统方案如下所示；L冷凝便贮槽）D塔顶产图225精馏塔精馏段温度前馈-反馈控制方案6 精馏塔精馏段温度控制系统设计总方案描述第3章硬件选型3.1反馈调节器的选型在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它将来自变送器的测量信号V与调节器的内给定或外给定信号Vs进行比较，得到其偏差e,有e=V-Vs ,然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算， 输 出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控变量如温度、液位、压力和流量等的自动控制作用。调节器的分类方法很多，按使用的能源来分，有气动调节器和电动调节器；按结构形式分有基地式调节器、 单元组合调节器和组装式调节器

16、。单元组合调节器有气动单元组合调节器和电动单元组合调节器。共有I型、II型和III型调节器。由于DDZ-III型调节器性能优越，易于与计算机联用。因此，本设计的调节器选择使用 PID算法的DDZ- III型调节器。3.2前馈调节器的选型前馈调节器可选用模拟仪表，具体有三种类型：（1） Kf型调节器。即GF（S）=- Kf。这种前馈模型具有比例特性。Kf的大小可根据扰动通道和过程控制通道的 静态放大系数来决定。可选用比例调器来实现Kf型调节。&型调节只能保证被控变量的静态偏差接近或等于零， 而不能保证被控变量的动态偏差接近或等于零。（2）Kf二卫乞型调节器。即G（S）二-KfL丄。这是一种动态前

17、馈模型，因为具有时间常数，所以可以实T2S 1T2S 1现动态补偿作用，能较好地实现对扰动的补偿。（3） K=T1eS型调节器。即GF（S）=- &卫乞eS。这也是一种动态前馈模型，其特性实际上是比例特T2S 1 匸T2S 1 匸S性，动态微分特性与纯时延特性的串联，实际上要采用常规仪表来实现“e ”的模型是很复杂的。所以目前采T1S 1S 用常规仪表实现“ kf =T2S 1 e ”型的前馈模型还是很少的。综合比较，选用 矗=卫乞型调节器。可以选用DDZ-III型仪表和具有“竺”型特性的前馈调节器配套使 t2s 1t2s 1用实现前馈-反馈控制。3.3执行器的选型1执行器执行机构选型执行器接

18、受来自调节器的输出信号，并转换成直线位移或角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入 或流出的被控过程的物料或能量，实现过程参数的自动控制。根据使用的能源种类，执行器可分为电动执行器， 气动执行器和液动执行器。常规情况下三种执行器的主要特性比较见表3.1 o表3.1执行器主要特性比较主要特性气动执仃器电动执行器液动执行器构造简单复杂简单体积中小大配置管线较复杂简单复杂推力中小大动作滞后大小小维护检修简单复杂简单使用场合适用于防火防爆不适用于防火防爆要注意火花价格低高高综合比较三种执行器的特性，设计采用气动执行器比较适宜2. 调节阀的选择调节阀是过程控制系统中，一个极其重要的环节，对它的选择正

19、确与否直接影响到过程控制系统的控制质 量。严重时甚至系统不能正常运行，因此，必须高度重视调节阀的选型。一般应根据被控介质的特点和生产工 艺要求来合理选择，主要考虑以下几个问题：1. 调节阀的尺寸选择。调节阀接管的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg来表示。Dg和dg是根据计算出来的调节器的流通能力来确定的。具体选型可参照调节阀流通能力与其尺寸之间的关系表。例设计管道最大体积流量为40mV h，流体密度为0.05g/cm3，阀前后压差为p=0.2Mpa,查表得D=40mm, cg=40mm2. 调节阀的气开、气关选择。在生产过程中，调节阀的气开气关形式的选择，主要从生产工艺的安全来考 虑，当气源

20、一旦中断，阀门处于全开或全关状态，应能保证生产过程的设备和人身安全。蒸汽加热器选择气开 调节阀，一旦气源中断，阀门就处于全关状态停止加热。由于本设计中其他调节阀要对物料流量进行精度调节， 也应选择气开式调节阀，气源中断，阀门就得立马全关。3. 单座阀和双座阀的选择。通常在对泄漏量有严格要求，低静压、低压差和小口径的场合应选择单座阀； 而在对泄漏量无要求，高静圧、高压差和大口径的场合，应选择双座阀。本设计，涉及到的工业现场为精馏操 作，所以选择直通单座阀。3.4检测变送仪表的选型在精馏塔精馏段温度前馈-反馈控制系统中，涉及到的检测变送器主要有两类 ：温度变送器和流量变送器。1. 温度变送器的选型

21、。温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。本设计的温度测量变送采用DDZ-III型温度变送器。2. 流量变送器的选型。选用节流式差压流量计中的差压计和 DDZ-III型差压变送器将被测量转换成 DC4-20m 统一标准信号。3.4控制系统辅助仪表的选型由于精馏塔精馏段温度前馈-反馈控制系统采用的是电动调节器和气动执行器，依次必须利用电气转换器将 电动调节器输出的标准电流信号（DC 0-10mA或 DC 4-20mA转换成气动执行器能接受的 0.02-0.1MPa统一气压 信号。由于EPC100C型电气转化器设计新颖、先进、合理，目前市

22、场上体积最小，重量最轻的一种产品。结构紧 凑，通用化程度高，所以电气转换器采用 EPC1000型系列电气转换器由于DDZ-III指示记录仪具有体积小，重量轻，精度高和性能稳定的特点，所以选用DDZ-III型指示记录仪与变送器配合对被测工艺参数进行指示和记录。第4章控制系统辨识4.1精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统方框图结合控制方案，得到控制系统方块图如图 4.1所示。詔前馈腔制器Z检测变送器1-4i I+ 詁調节器备T执I門调节通直I帀号传送通道检测变送器图4.1.1精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统方框图4.2确定控制系统的传递函数1 检测变送器的传递函数在过程控制系统中，检测变送环节对于信息的获

23、取和传送非常重要。在工程上为了提高控制精度，被控参 数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。检测变送环节对被控 参数作正确测量，并将它转换成标准统一信号输出到调节器或指示记录仪。对于检测变送环节作线性处理后， 通常可用一阶加时延特性来描述其传递函数，但是考虑到模拟仿真时实现起来的可行性和复杂性，将检测变送器 近似成比例环节，精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统选用的DDZ-III型温度变送器和DDZ-III型差压变送器，将 放大系数假定为1。则检测变送器的传递函数Gs)=12.执行器的传递函数精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统采用的是气动执行机构，气动执行机构由膜片

24、，推杆和平衡弹簧等组成，气动薄膜执行机构的静态特性为静态平衡时输入信号P与阀杆位移L之间的关系即：PA=KL,说明气动执行机构是一个比例环节，放大系数 Kp = L =-,查得A和K的规格表，取A为280cm2 ,K=14N/cm,所以得到放大系数 KP KL A 280 ,=20，G3(s)=20 。P K 143. 调节通道的传递函数多数的化工过程和热工过程的调节通道特性可用一阶或二阶加延时来描述，基于前面对被控对象的特性的3。贝 U G3(s)=KTS 1研究，确定调节通道的传递函数形式为GC(s)=K e S,假定K=2， T=3,TS 1 Ds 23se 3S 1 e .4. 扰动通

25、道的传递函数被控过程扰动通道，扰动变量对被控变量的作用途径，基于前面对被控对象的研究，确定扰动通道为一阶惯性环节GD(s)=K s ts ie假定 K=50, T=8,3,则 GD(s)=K sts ie =50 3s8S i e5. 信号传送通道的传递函数 精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统中，气压信号在管路中传送。加上测量元件、变送器、等安装在现场, 现集中控制，彼此间有一定的距离，因而跟气动管道的传输特性有关，气动管道的传输特性为GE(s)=为了实Ksts 1 e23s假定K=2, T=2,3 ,则信号传输通道特性为 G(s)=- e2S 1 D4.2精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统简化框图图

26、4.2精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统简化框图在简化的控制系统方块图中，很容易就能得到:40 3s3S 1 e ，23sG2(s)= G B(s) G C(s)= 20e =3S 1匸503sGXs)= G D(s)=一 e .8S 1匸前馈控制器的传递函数有前馈控制器传递函数与控制通道传递函数和扰动通道传递函数关系，孑(沪警=煜討十G2(s)3S 1。8S 1另外，调节器由于采用PID控制算法，其传递函数的确定在后面的反馈调节器参数整定进行第5章控制系统仿真5.1 PID系统整定设计中调节器选用PI形式，米用阶跃响应法整定 PI参数，开环阶跃响应Simulink框图如图5.1.1所示402S+

27、11I0f S口StepTransfer FenTransport Transfer Fcn1 DelayTransportDelayl图 5.1.1开环阶跃响应Simulink框图Fto A Vpflw jnwrt T&M密国 QQQ 兴ISO B淫増3S+1图5.1.2开环系统单位阶跃响应Simulink框图T其中阶跃输入量 U1，因此得到:Kp0 9? U ?T.Kp= 0.9 - U - 1 =0.01375, KI =0.00052y?L3L5.2系统仿真其中干扰源模块和PID模块的内部结构分别如图5.2.2和图5.2.3所示图5.2.2干扰源模块结构30?n10irjii|rtif HlFFi旦ie bdn 岂胆脚 irssir： reels gtsnitp 空195* 单 u昂営Q於用能応騒判操0.007150.00116.总结体会两周的过程检测与仪表课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在此期间我们热情高涨，也 曾一度失落过。从开始时