过程控制课程设计-精馏塔温度控制系统Word格式文档下载.doc

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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 25

2） 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，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

。

（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/hr，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：

，。

选择=0.1,K2=0.1Kd2=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:

选择参数，分，分；

，分；

分。

；

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=575

T=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：

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。

①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

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。

②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

由图可见，在泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为+/-0.02MPa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

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±

15T/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：

；

①系统正常情况下的仿真

仿真机构图

仿真波形图

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。

②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

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，符合设计要求。

在4000s时刻加入+/-0.02MPa的阶跃扰动

压力Pp阶跃变化+0.02MPa