精馏塔顶温度控制系统设计与仿真

过过程程控控制制工工程程课课程程设设计计——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日过程控制课程设计~1~一、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=110℃，F0=40T/hr（吨/小时），R0=20T/hr，Pp0=0.9MPa，Pt0=0.86MPa，u0=25%，fV0=75%。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0~160℃，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0~50T/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5.01T，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：过程控制课程设计~2~1)()()(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6.02T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；]2.0,1.0[2K(T/hr)/%；]200,100[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：]0.3,0.4[1pK℃/(T/hr)，]0.5,0.3[1pT分，[5.0,7.0]p分；]0.1,0.2[1dK℃/(T/hr)，]0.6,0.4[1dT分，]0.5,0.3[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：1540FT/hr，02.09.0pPMPa；另外，被控变量T的设定范围为10110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）。过程控制课程设计~3~三、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±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、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T0=110℃,测量范围为0~160℃控制变量选择:塔顶冷回流量R,R0=20T/hr，测量范围为0~50T/hr。干扰:主要扰动为进料量F与泵出口压力Pp的变化,F0=40T/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5.01T，单位为分。其传递函数为：1301)(ssGm(2)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。(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6.02T分；2dT、K2、Kd2在一定范围内变化，这里设2dT、K2、Kd2的变化范过程控制课程设计~4~围分别为2[0.1,0.2]dT分；]2.0,1.0[2K(T/hr)/%；]200,100[2dK(T/hr)/MPa。选择Td2=0.1分,2.02K(T/hr)/%,1002dK(T/hr)/MPa,得传递函数:1362.0)()()(2ssfsRsGVp16100)()()(2ssPsRsGpd(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；其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]0.3,0.4[1pK℃/(T/hr)，]0.5,0.3[1pT分，[5.0,7.0]p分；]0.1,0.2[1dK℃/(T/hr)，]0.6,0.4[1dT分，]0.5,0.3[d分。选择Kp1=-3.0℃/(T/hr)，Tp1=3.0分,τp=5分,Kd1=-1.0℃/(T/hr),Td1=4分,τd=3分,得传递函数:sssRsTsGp300exp11800.3)()()(1sssFsTsGd180exp12401)()()(1五、实现方案与仿真测试没有加入控制器时Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gd2(s)Gd1(s)Gm(s)输出温度T给定输入泵出口压力干扰进料量干扰过程控制课程设计~5~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系统开环状态过程控制课程设计~6~图6广义对象开环整定曲线由图可得:6)x-Δx(x)y-Δy/(yminmaxminmaxKo，3006.0)(0xyK，T＝2（t2－t1）＝200；τ＝2t1－t2＝360；%8.9185.0000PTPTi＝2τ0＝720；Td＝0.5τ0＝180；Gc(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gd2(s)Gd1(s)Gm(s)输出温度T给定输入泵出口压力干扰进料量干扰-图7系统框图过程控制课程设计~7~图8仿真框图(2)系统仿真①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：过程控制课程设计~8~图11调整PID参数后所得的仿真图②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温度输入仿真框图过程控制课程设计~9~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。③泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为±0.02MPa过程控制课程设计~10~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+0.02MPa时的曲线过程控制课程设计~11~图17泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为-0.02MPa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-0.02MPa时，系统能够较快进行消除。④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仿真图过程控制课程设计~12~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。⑤两种扰动同时作用时（只选取其中一种+0.02，+15）：过程控制课程设计~13~图21两种扰动同时作用仿真图图12+0.02MPa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）系统调节器的选择过程控制课程设计~14~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2：Smith预估补偿控制系统（1）补偿器计算：Gb(s)=Go(s)（1-e-τs）=)300exp1(11800.3ss（2）系统仿真①Gc(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gd2(s)Gd1(s)Gm(s)输出温度T给定输入泵出口压力干扰进料量干扰Gp1(s)exp(-τs)-过程控制课程设计~15~图23Smith系统框图与仿真框图图24初始给定110仿真框图②追踪温度分析过程控制课程设计~16~图25温度输入仿真框图图26温度突加+10（120℃）的曲线过程控制课程设计~17~图27温度突加-10（