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............................................................................................错误!未定义书签。二、研究任务............................................................................................错误!未定义书签。三、仿真研究要求.....................................................................................................................4四、传递函数计算.....................................................................................................................5五、控制方案............................................................................................错误!未定义书签。1.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................................错误!未定义书签。2)PID参数整定...........................................................................................................73)系统仿真....................................................................................错误!未定义书签。4)对象特性变化后仿真.............................................................................................122.Smith预估补偿控制系统.................................................................错误!未定义书签。1)控制方案的系统框图和工艺控制流程图................................错误!未定义书签。2)控制系统方框图........................................................................错误!未定义书签。3)系统仿真.................................................................................................................213.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.................................................................................................................273)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.................................................................................................................352一、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T0=120℃，F0=50T/hr（吨/小时），R0=15T/hr，Pp0=0.92MPa，Pt0=0.88MPa，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0~100T/hr，塔顶冷回流量R的测量范围为0~25T/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10.8T，单位为分。（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1)()()(susfsGVv。（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：1)()()(222sTKsfsRsGVp，222()()()1ddpdKRsGsPsTs其中)(sfV为控制阀VR相对流通面积的变化量，%；T2基本不变，这里设20.7T分；2dT、K2、Kd2在一定范围内变化，这里设2dT、K2、Kd2的变化范3围分别为2[0.1,0.2]dT分；]35.0,1.0[2K(T/hr)/%；]30,10[2dK(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ssTKsRsTsGppppexp1)()()(111；ssTKsFsTsGddddexp1)()()(111；其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]5.1,0.3[1pK℃/(T/hr)，1[4.0,6.0]pT分，[5.0,7.0]p分；]2.0,4.0[1dK℃/(T/hr)，]0.8,0.6[1dT分，[4.0,6.0]d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：1550FT/hr，02.092.0pPMPa；另外，被控变量T的设定范围为20120spT℃。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±15T/hr，泵出口压力Pp的阶跃4变化幅度为±0.02MPa。（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10.8Tmin,其传递函数为：1481Gms(2)假设控制阀RV为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为:1)()()(susfsGVv(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：1)()()(222sTKsfsRsGVp，222()()()1ddpdKRsGsPsTs。其中)(sfV为控制阀VR相对流通面积的变化量，%；T2基本不变，这里设20.7T分；2dT、K2、Kd2在一定范围内变化，这里设2dT、K2、Kd2的变化范围分别为2[0.1,0.2]dT分；]35.0,1.0[2K(T/hr)/%；]30,10[2dK(T/hr)/MPa。选择2dT=0.1,K2=0.1Kd2=10得传递函数:1421.0)()()(2ssfsRsGVp，1610)()()(2dssPpsRsG(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:ssTKsRsTsGppppexp1)()()(111；ssTKsFsTsGddddexp1)()()(111；5其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]5.1,0.3[1pK℃/(T/hr)，1[4.0,6.0]pT分，[5.0,7.0]p分；]2.0,4.0[1dK℃/(T/hr)，]0.8,0.6[1dT分，[4.0,6.0]d分。选择参数2K1p，0.6T1p分，0.5p分；2.0K1d，0.8T1d分；0.4d分。得传递函数:sssRsTsGp300exp13602-)()()(1；sssFsTsGd240exp14802.0-)()()(1五．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