过控课设精馏塔温度控制系统设计与仿真

自动化工程与科学学院
过程控制系统与仪表课程设计
——精馏塔温度控制系统设计与仿真
班级：11级自动化2班
姓名： 董文杰
学号：0309
指导老师： 哀薇
日期：
过程控制系统课程设计
——精馏塔温度控制系统设计与仿真
一、 研究对象
图1 精馏塔温度控制问题
某精馏塔的工艺流程如图1所示，现要求对精馏段温度T R 和提馏段温度T S 都进行有效的控制，以确保塔顶和塔底产品的质量。

图1中，F 为进料量，它受上游流程控制，为精馏塔温度的主要干扰之一，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；L 为塔顶冷回流量，拟作为精馏段温度T R 的控制手段；塔底蒸汽量Q H 拟作为提馏段温度T S 的控制手段。

u 1为调节阀V L 的相对输入信号，u 2为调节阀V Q 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 %），P 为精馏塔顶压力，其变化可基本忽略，P p 为泵出口压力，P p 受塔顶产品调节阀V D 开度的影响，变化范围较大。

图1中L m 、V m 、F m 分别为L 、V 、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 T 0 = 140 ℃，F 0 = 60 T/hr （吨/小时），L 0 = 20 T/hr ，
V 0 = 15 T/hr ，u 10 = 25 %，f L0 = 75 %， u 20 =25 %，f Q0 = 25 %，P p 0 = 0.9 MPa ，
P t 0 = 0.86MPa 。

这里，f Q 为调节阀V Q 相对流通面积，f L 为调节阀L 相对流通面
积。

（2） 精馏段和提馏段温度的测量范围都为0 ~ 200 ℃，进料量F 的测量范围为0 ~ 100
T/hr ，塔顶冷回流量L 的测量范围为0 ~ 50 T/hr ，塔底回流量V 的测量范围为0
~ 25 T/hr 。

L 、V 、F 的测量值：L m 、V m 、F m 均用%来表示，即L m 、V m 、F m 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带纯滞后的一阶环节
来近似，温度测量环节的一阶时间常数7.0=R T ，6.0=s T ，纯滞后时间3.0＝R τ，
4.0＝s τ，单位为分。

（4） 考虑到精馏塔操作的安全性，控制阀V L 选用气关阀，控制阀V Q 选用气开阀，假
设控制阀都为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为
1)()()(1-=∆∆=s u s f s G L L ，1)
()()(2=∆∆=s u s f s G Q Q 。

（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)()(L )(22R +=∆∆=s T K s f s s G R R L p ，2R 2)
()()(d p Rd K s P s L s G =∆∆=。

其中)(s f L ∆为控制阀V L 相对流通面积的变化量，%；T R2基本不变，这里设
4.02=R T 分；K R2、K Rd 2在一定范围内变化，这里设K R2、K Rd 2的变化范围分别
为]4.0,2.0[2∈R K (T/hr)/%；]200,100[2∈Rd K (T/hr)/MPa 。

（6） 对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为:
1
)()()(222+=∆∆=s T K s f s Q s G S S V H Sp ，2S 2)()()(d d K s V s T s G =∆∆=。

其中)(s f V ∆为控制阀V R 相对流通面积的变化量，%；T S2基本不变，这里设
5.02=S T 分；K S2、K Sd 2在一定范围内变化，这里设K S2、K Sd 2的变化范围分别
为]2.0,1.0[2∈S K (T/hr)/%；]25,10[2∈Sd K T/hr 。

（7） 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
12212211121112212221221111s R s s S k k e T s T s G G k k e e T s T s τττ---⎛⎫ ⎪++⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭- ⎪++⎝⎭
； ()
()s s T K s F s T s G Rd Rd Rd R Rd τ-+=∆∆=exp 1)()()(11； 其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：]0.4,0.5[11--∈K ℃/(T/hr)，
]0.2,5.1[12∈K ℃/(T/hr)，]0.3,0.2[21∈K ℃/(T/hr)，]0.4,0.3[22∈K ℃/(T/hr)，]0.3,0.2[11∈T 分，]0.4,0.3[12∈T 分，]0.2,0.1[21∈T 分，]0.5,0.4[22∈T 分，]0.4,0.3[12∈τ分，]5.2,5.1[21∈τ分，]0.3,0.2[22∈τ分；
]2.0,5.0[1--∈Rd K ℃/(T/hr)，]0.4,0.2[1∈Rd T 分，]0.4,0.3[∈Rd τ分，
]4.0,6.0[1--∈Sd K ℃/(T/hr)，]0.5,0.3[1∈Sd T 分，]0.4,0.2[∈Sd τ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 、泵出口压力P p 的变化、蒸汽压力变化P f ，而且变化范围为：2060±∈F T/hr ，02.09.0±∈p P MPa, 205f P Kpa ∈±；另外，被控变量T 的设定范围为15140,±∈S R T T ℃。

试应用单回路、串级、前馈、比值、选择、Smith 预估、解耦等控制方法，设计至少2套控制系统，达到控制精馏塔温度的目的。

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、 确定所用控制器的正反作用，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、干扰塔底回
流量、P p 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、衰减比、超调
量、过渡过程时间等）。

三、 控制方案
精馏塔温度控制的开环回路如下图所示：
温度控制开环回路
由图我们可知，被控变量T S 、T R 控制回路都存在两种主要干扰。

被控变量T R 主要受到干扰量是进料量F 和泵出口压力P P ；被控变量T S 主要受到干扰量为进料量F 和塔底蒸汽量V 。

且被控变量T S 、T R 相互耦合。

为此，我设计了两种方案来实现控制精馏塔的温度。

第一种，忽略耦合的影响，在每条控制回路上加上反馈控制，构成单回路反馈控制；第二种，对耦合系统先进行解耦，分别采用单回路反馈控制回路。

（1）第一种方案，构造类似单回路反馈电路。

虽然被控变量之间有耦合，但是两者之间的耦合强度不强，所以可以不做考虑。

从传递函数可以看出，干扰量对于被控变量的影响不是很大，可以采取直接反馈回路消除。

1、控制方案的工艺控制流程图
图1-1控制工艺流程图
2、控制系统方框图
系统方框图
图1-2系统仿真方框图
其中，被控变量T R 测量环节的传递函数模块为：
图1-3 被控变量T R 测量环节的传递函数模块(Gmr)
被控变量T S 测量环节的传递函数模块为：
图1-4 被控变量T S 测量环节的传递函数模块(Gms)
控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模块：
图1-5 GR 传递函数模块(包含G 11、G 21)
图1-6 GS 传递函数模块(包含G 12、G 22)
进料量F 的干扰通道的传递函数模块：
图1-7 进料量F 的干扰通道的传递函数模块
控制器PID1、PID2都是正作用，都选择PID 控制规律。

3、确定各环节对象的传递函数模型
（a ）对于塔顶冷回流对象，控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为： 1
4.03.0)()(L )(R +=∆∆=s s f s s G L p ，2()()150()Rd p L s G s P s ∆==∆ （b ）对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为:。