过程控制课程设计精馏塔温度控制系统

1、过程控制系统与仪表课程设计目录一、研究对象3二、研究任务4三、 仿真研究要求.4四、 传递函数计算.5五、控制方案51.单回路反馈控制系统61)控制方案的系统框图和工艺控制流程图62)pid参数整定73)系统仿真84)对象特性变化后仿真122.smith预估补偿控制系统161)控制方案的系统框图和工艺控制流程图172)控制系统方框图183)系统仿真21 3. 前馈-反馈控制系统1)控制方案的系统框图和工艺控制流程图252)系统仿真27 3)对象特性变化后仿真.30六、 控制性能比较35七、个人心得体会35一、 研究对象图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

2、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 %），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

3、，假设如下：（1） 该精馏塔的静态工作点为 t0 =120 ，f0 =50 t/hr（吨/小时），r0 =15 t/hr，pp0 = 0.92 mpa，pt0 = 0.88 mpa，u0 = 30 %，fv0 = 70 %。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0 200 ，进料量f的测量范围为0 100 t/hr，塔顶冷回流量r的测量范围为0 25 t/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

4、。（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。（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vr相对流通面积的变化量，%；t2基本不变，这里设分；、k2、kd2在一定范围内变化，这里设、k2、kd2的变化范围分别为分；(t/hr)/%； (t/hr)/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 ； ；其中对象特性参数均可能在以下范围内变化： /(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与泵出口压力pp的变化，而且变化范围为：t/h

5、r，mpa；另外，被控变量t的设定范围为。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

6、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

7、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120 ；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+20。（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120 ；扰动响应试验中，进料量f的阶跃变化幅度为±15 t/hr，泵出口压力pp的阶跃变化幅度为±0.02 mpa。（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、积分输出限幅、防饱和等功能，并采用实际

8、微分运算。四、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min,其传递函数为： (2) 假设控制阀为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为: (3) 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vr相对流通面积的变化量，%；t2基本不变，这里设分；、k2、kd2在一定范围内变化，这里设、k2、kd2的变化范围分别为分；(t/hr)/%； (t/hr)/mpa。选择=0.1 ,k2=0.1 kd2=10得传递函数:，(4) 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

9、中对象特性参数均可能在以下范围内变化： /(t/hr)，分，分；/(t/hr)，分，分。选择参数 ，分，分； ，分；分。得传递函数:； 5 控制方案1、 构造单回路反馈电路简单控制系统，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。 简单反馈回路系统框图 工艺流程图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

10、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。（1）pid参数整定 开环系统环节 开环阶跃整定由阶跃响应曲线法分析，可得：k=0.2，t1=758, t2=575t=2*(t2-t1)=2*（758-575）=366=2*t1-t2=2*575-758=392理论控制参数为=0.182（k=5.5）=784 （2）系统仿真 1）理论参数的仿真 单回路反馈仿真结构图 输入理论参数的波形仿真图分析：由图可以看出，系统上升时间内有波动，而且响应时间太大，系统性能不好，应该继续进行参数的调整。2）参数调整后的仿真： 调整的理想参数为：

11、k=4.5=196 调整参数后得到的仿真波形 分析：调整参数后，系统可以在较快的调节时间内达到稳定，且没有超调，系统性能良好。跟踪响应试验 在4000s时刻加入+20的阶跃扰动 给定输入加阶跃+20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1140度，由此可见此设计效果良好，符合设计要求。扰动响应试验 在4000s时刻加入+/-0.02mpa 的阶跃扰动 加入阶跃+0.02mpa 加入阶跃-0.02mpa 分析：由图可见，在泵出口压力pp的阶跃变化幅度为+/-0.02 mpa时，对系统的影响几乎可以忽略不计，能够很快进行消除，系统的抗干扰性能良好。 在4000s

12、时刻加入+/-15t/hr的阶跃扰动 f加阶跃+15t/hr f加阶跃-15t/hr 分析：由图可见，进料量f的阶跃变化幅度为±15 t/hr时，可以在要求范围内对干扰进行消除，系统性能良好。（3）对象特性变化后的仿真 特性变化后的传递函数： ； ，系统正常情况下的仿真 仿真机构图 仿真波形图 分析：在对象参数发生变化后，系统可以在较快的调节时间内达到稳定，且超调也比较小，系统性能良好，适应性强。跟踪响应试验在4000s时刻加入+20的阶跃扰动 温度设定阶跃变化+20 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140度，由此可见系统性能良好，符合设计要

13、求。在4000s时刻加入+/-0.02mpa 的阶跃扰动 压力pp阶跃变化+0.02mpa 压力pp的阶跃扰动变化-0.02分析：由图可见，在泵出口压力pp的阶跃变化幅度为+/-0.02 mpa时，对系统的影响几乎可以忽略不计，能够很快进行消除，系统的抗干扰性能良好。在4000s时刻加入+/-15t/hr的阶跃扰动 进料量f的阶跃变化+15t/hr 进料量f的阶跃变化-15t/hr 分析：由图可见，进料量f的阶跃变化幅度为±15 t/hr时，可以在要求范围内对干扰进行消除，系统性能良好。2. smith预估补偿控制算法smith预估补偿控制算法，是按照对象特性，设计一种模型加入到反馈

14、系统中，估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制作用提前，从而降低超调，并加速调节过程。在这个工艺流程中，有属于大滞后的环节，加入smith模型，可以加快调节过程，提高整个系统的性能。 smith预估补偿控制算法系统框图 smith预估补偿控制算法工艺流程图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。（1）补偿器计算： gb(s)=go(s)（1-e-s）=（2） 系统仿真 系统仿真结构图理想调节参数：k=12=110 正常情况下

15、的阶跃输入响应 阶跃输入+120响应曲线分析：由图可以看出，系统响应时间较快，没有超调情况，所以系统的性能良好。跟踪响应试验 在4000s时刻加入+20的阶跃变化 输入阶跃变化+20响应曲线 分析：由图可以看出，在阶跃输入变化的情况下，系统能够较快的达到新的稳定状态，由此可见，系统的跟随性能良好。扰动输入响应试验在4000s时刻加入pp为+/-0.02mpa的扰动 pp的阶跃变化为+0.02mpa pp的阶跃变化为-0.02mpa 分析：由图可见，pp干扰对系统的干扰非常小，几乎可以忽略不计，说明系统对其抗干扰的能力比较好。在4000s时刻加入+/-15h/tr的f的扰动 f的阶跃变化为+15

16、h/tr f的阶跃变化为-15h/tr 分析：由图可知，在f的扰动下，系统可以较快的重新进入稳定状态，说明系统消除扰动的能力良好。（3） 系统对象特性参数改变后的系统仿真 对象特性改变后相应的传递函数： ， 系统的仿真结构图系统在正常输入下的相应情况 在给定输入+120的阶跃的响应曲线分析：由图可以看出，在改变对象的特性参数后，系统的相应虽然有小小的超调，但是不大，而且响应时间也较快，说系统的性能良好，适应性强。跟踪响应试验 在4000s时刻，加入+20的阶跃响应 阶跃输入为+20的响应曲线分析：由图可知，在输入发生阶跃变化时，系统能够较快的达到稳定状态，说明系统的跟随性能良好。扰动响应试验在

17、4000s时刻，加入pp的扰动 pp扰动的阶跃变化为+0.02mpa pp扰动的阶跃变化为-0.02mpa分析：由图可知，对pp扰动，系统变化不大，很快就可以消除扰动带来的影响，说明了系统的抗干扰能力强。在4000s时刻输入f的扰动量 f扰动的阶跃变化为15h/tr f的阶跃扰动变化为-15h/tr分析：由图可以知道，在f的扰动作用下，系统可以较快的重新达到稳态，说明系统的抗干扰性能良好。3. 前馈-反馈控制方法 前馈控制系统的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消对被控参数的影响。在这个系统中，由于物料流量f对系统的干扰较大，所以可以

18、考虑设计一前馈控制环节，抑制f对系统的扰动作用，从而提高系统的性能。 前馈-反馈控制系统的系统框图 前馈-反馈控制系统的工艺流程图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，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。5）设流量变送器的符号位“+”，为了形成一个前馈（正反馈），流量调节器应该选择正作用。（1） 系统的前馈控制器环节 =31.5s+0.7719+(2)系统仿真 系统的仿真结构图系统调节的理想参数： k=4.0正常的阶跃输入响应 输入阶跃响应为+120的响应曲线分析;由图可以看出

19、，系统的阶跃输入响应性能良好，没有超调量，而且调节时间比较小，系统的性能优越。 系统跟踪响应试验在4000s时刻输入阶跃发生变化 阶跃输入变化+20分析：由图可以看出，系统在阶跃输入变化的情况下，很快可以到达新的稳定状态，说明系统的跟随性能好。在4000s时刻，加入pp扰动阶跃 pp扰动阶跃变化为+0.02mpa pp的扰动阶跃为-0.02pa分析：由图可知，在pp的阶跃扰动下，系统变化很小，说明系统很快消除了扰动的影响，抗干扰性能好。 在4000s时刻，输入f干扰的阶跃 f干扰的阶跃为+15 f的扰动阶跃为-15分析：由图可知，在f扰动的作用下，系统的状态并没有发生改变，因为系统的f扰动设置

20、了一个前馈环节，把扰动带来的影响完全补偿了，所以系统的前馈环节的作用已经得到实现。（3） 对象特性发生改变后的仿真 对象特性改变后的传递函数：； ， 系统仿真结构图正常阶跃输入情况 阶跃输入为+ 120的响应情况分析：改变对象的特性以后，系统的性能发生了一些改变，产生量超调量，但是都在合理的范围内，而且响应时间也比较小，说明系统的性能良好，适应性强。系统跟踪响应试验在4000s时刻阶跃输入改变 输入阶跃变化+20的响应曲线分析：由图可知，系统可以较快的跟随阶跃输入变化，说明系统的跟随性能良好。扰动响应试验 在4000s时刻，扰动pp发生阶跃变化 pp的扰动阶跃变化为+0.02mpa pp的阶跃扰动变化为-0.02mpa分析：由图可知，扰动变化对系统的影响几乎可以忽略不计，说明系统的抗干扰性能良好。在4000s时刻加入f的阶跃变化扰动 f的扰动变化为+15h/tr f的阶跃响应扰动变化为-15h/tr分析：由图分析可知，在f扰动变化的情况下，系统的状态几乎没有发生改变，因为系统中的前馈环节将f扰动进行了补偿，大大的减弱了扰动，说明系统在对象特性变化情况下前馈控制环节工作仍然良好