過程控制畢業(yè)設(shè)計--精餾塔溫度控制設(shè)計

1、<p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　精餾是在石油、化工等生產(chǎn)過程中廣泛運用的一種傳質(zhì)過程。通過精餾過程，使混合物料中的各組分分離，分別達到規(guī)定的純度。分離的機理是利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同進行分離。一般的精餾裝置有精餾塔、再沸器、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等設(shè)備組成。精餾塔是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量的過

2、程，內(nèi)在機理較復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間互有影響，所以控制復(fù)雜。精餾塔的控制目標是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前期下，使塔的總收益最大，總成本最小。</p><p>　　本文主要是針對精餾塔溫度控制設(shè)計。溫度作為間接質(zhì)量指標，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早的也是目前最常見的方式,。用溫度作為間接質(zhì)量指標有一個前提，塔內(nèi)壓力應(yīng)為定值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：精餾塔； 溫度控制；串級控制； 前饋

3、—串級； MATLAB仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Distillation is in petroleum, chemical industry etc widely used in the process of production of a mass transfer process. Through disti

4、llation process, the various components of hybrid material separation, respectively at the purity of specified. Separation mechanism is the use of various components in the mixture of volatility of different separation.

5、General rectification device has rectifying column and reboiler, condensation cooler, reflux drum and the reflux pump and other equipment. Rectify</p><p>　　This article is mainly aimed at rectifying column t

6、emperature control design. Temperature indirectly as a quality index, is the first application in the quality control of rectification tower is by far the most common way, With temperature indirectly as a quality index h

7、as a premise, the tower pressure should be valued.</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘　　要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　引　　言1</

8、b></p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p>　　1.1 課題意義與現(xiàn)狀3</p><p>　　1.1.1 課題意義3</p><p>　　1.1.2 課題現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2 本課題研究的主要內(nèi)容4</p><p>　

9、　2 精餾塔控制過程控制分析5</p><p>　　2.1 精餾基本原理5</p><p>　　2.2 控制方案介紹8</p><p>　　2.3 精餾塔的靈敏板選擇9</p><p>　　2.4 精餾塔控制要求10</p><p>　　2.5 精餾塔精餾段的擾動分析11</p><p&

10、gt;　　3 精餾塔溫度控制方案分析15</p><p>　　3.1 精餾塔串級方案分析15</p><p>　　3.2 精餾塔前饋—串級方案分析16</p><p>　　3.3 工藝描述19</p><p>　　4 控制系統(tǒng)的建模20</p><p>　　4.1 建模方法簡述20</p>&

11、lt;p>　　4.2 過程建模的目的20</p><p>　　4.3 建模的方法20</p><p>　　4.3.1 機理建模20</p><p>　　4.3.2 物料和能量守恒關(guān)系21</p><p>　　4.3.3 經(jīng)驗建模21</p><p>　　4.3.4 階躍響應(yīng)建模22</p>

12、<p>　　4.4 階躍響應(yīng)的獲取22</p><p>　　4.5 經(jīng)驗建模的方法22</p><p>　　4.6 建立數(shù)學模型23</p><p><b>　　5 系統(tǒng)仿真25</b></p><p>　　5.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述25</p><p>　　5.2 系統(tǒng)仿真

13、的分類與發(fā)展25</p><p>　　5.2.1 仿真系統(tǒng)的分類25</p><p>　　5.2.2 仿真系統(tǒng)的發(fā)展26</p><p>　　5.3 MATLAB簡介26</p><p>　　5.4 SIMULINK的簡介27</p><p>　　5.5 使用MATLAB對實驗結(jié)果進行仿真27</p&

14、gt;<p><b>　　結(jié)　　論35</b></p><p>　　參 考 文 獻36</p><p><b>　　致　　謝37</b></p><p><b>　　引　　言</b></p><p>　　石油化工生產(chǎn)常需將液體混合物分離以達到提純或回收有用組

15、分的目的。分離互溶液體混合物有許多種方法，精餾是在煉油、化工等眾多生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的一個傳質(zhì)過程。精餾過程通過反復(fù)的汽化與冷凝，使混合物料中的各組分分離，分別達到規(guī)定的純度。精餾塔的控制直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量消耗，因此精餾塔的自動控制問題長期以來一直受到人們的高度重視。 </p><p>　　精餾過程是由精餾裝置來實現(xiàn)的，精餾裝置一般是由精餾塔、再沸器（重沸器）、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等組成。

16、</p><p>　　實際生產(chǎn)過程中，精餾操作可分為間歇精餾和連續(xù)精餾兩種。石油化工等大型生產(chǎn)過程主要采用的連續(xù)精餾。</p><p>　　精餾塔是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸溜的原理是蒸氣由塔底進入。蒸發(fā)出的氣相與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)（低沸點）組分不斷地向氣相中轉(zhuǎn)移，

17、氣相中的難揮發(fā)（高沸點）組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，氣相愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，從而達到組分分離的目的。由塔頂上升的氣相進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，加熱蒸發(fā)成氣相返回塔中，另一部分液體作為釜殘液取出。 　　</p><p>　　蒸餾的基本原理是將液體混合物部分氣化

18、,利用其中各組份揮發(fā)度不同的特性，實現(xiàn)分離目的的單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。 </p><p>　　精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量過程，其內(nèi)在機理復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個極為重要的課題。</p><p>　　本文設(shè)計目的精餾塔靈敏板溫度控制系統(tǒng)，包

19、括——靈敏板溫度控制器、再沸器1流量控制回路、再沸器2流量控制回路、一個精餾塔對象，靈敏板溫度控制器根據(jù)輸入的靈敏板溫度設(shè)定值和精餾塔對象靈敏板溫度測量值，計算出流量設(shè)定值輸出，輸出端連接至1個再沸器流量控制回路輸入端和一個加熱負荷比例計算模塊，兩個再沸器流量控制回路并聯(lián)于靈敏板溫度控制器和精餾塔對象之間，兩控制回路輸出端連接精餾塔對象輸入端，精餾塔對象通過兩控制回路輸入的流量設(shè)定值控制各自的加熱介質(zhì)流量，為精餾塔塔釜再沸器提供熱源，精

20、餾塔對象通過對靈敏板溫度測量輸出靈敏板溫度，輸出端連接到靈敏板控制器反饋輸入端，其特征在于：靈敏板溫度控制器輸出端同再沸器2控制回路輸入端之間串聯(lián)負荷分配控制回路，輸出到復(fù)合控制器（作為再沸器2的流量設(shè)定1）；兩再沸器出口溫度測量值輸出至溫度均衡控制回路作為輸入端，該溫度均衡控制回路輸出到復(fù)合控制器（作為再沸器2的流量設(shè)定2）；復(fù)合控制器輸出端連接到再沸器2流量控制回路輸入端。</p><p><b>

21、　　緒論</b></p><p><b>　　課題意義與現(xiàn)狀</b></p><p><b>　　課題意義</b></p><p>　　精餾塔是化工生產(chǎn)中分離互溶液體混合物的典型分離設(shè)備。它是依據(jù)精餾原理對液體進行分離，即在一定壓力下，利用互溶液體混合物個組成的沸點或飽和蒸汽壓不同，使輕組份（及沸點較低或飽和蒸

22、汽壓較高的組份）汽化。經(jīng)多次部分液相氣化和部分氣相冷凝，使氣相中的輕組分和液相中的重組分濃度逐漸升高，從而實現(xiàn)分離的目的，滿足化工連續(xù)化生產(chǎn)的需求。精餾塔塔釜溫度控制的穩(wěn)定與否直接決定了精餾塔的分離質(zhì)量和分離效果，控制精餾塔的塔釜溫度是保證產(chǎn)品高效分離，進一步得到高純度產(chǎn)品的重要手段。維持正常的塔釜溫度，可以避免輕組分流失，提高物料的回收率，也可以減少殘留物料的污染作用。</p><p>　　影響精餾塔溫度不穩(wěn)定

23、的因素主要是來自外界的干擾（如進料溫度，流量及成分等的變化對溫度的影響）。一般情況下精餾塔的溫度我們是通過控制精餾塔釜內(nèi)靈敏板的溫度來控制的。靈敏板是當外界條件或負荷改變時精餾塔內(nèi)溫度變化最靈敏的一塊塔板。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，它由很多級塔板組成，內(nèi)在機理復(fù)雜，對控制要求大多較高。這就需要根據(jù)具體要求分析特性，結(jié)合具體塔的特點，進行自動控制方案設(shè)計和研究。</p><p>　　精餾塔的控制最終目標是：在

24、保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。</p><p><b>　　課題現(xiàn)狀</b></p><p>　　國外精餾塔系統(tǒng)發(fā)展比較成熟。新型板式塔是將MD塔板懸掛降液管技術(shù)移植到常規(guī)塔板技術(shù)上，增加了踏板鼓泡面積，提高了精餾塔設(shè)備的處理能力。國外還開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機器—Higee。這種超重力離心分離機具備極為優(yōu)良的傳質(zhì)效率和處理能力特

25、征。</p><p>　　目前，國內(nèi)精餾塔塔溫控制一般采取溫控儀+繼電器進行控制，這種方法雖然廉價，但是在控制上受到很多限制，很難滿足生產(chǎn)要求。所以開發(fā)了一種以西門子S7-200PLC為核心的精餾塔溫度控制系統(tǒng)。近年來出現(xiàn)的超重力精餾技術(shù)，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的數(shù)百至千倍重力的超重力場代替常規(guī)的重力場，極大地強化氣液傳質(zhì)過程，將傳質(zhì)單元高度降低1個數(shù)量級。從而使巨大的塔設(shè)備變?yōu)楦叨炔坏?米的超重力精餾機，達到增加效率

26、、縮小體積的目的。超重力精餾改變了 傳統(tǒng)的塔設(shè)備精餾模式，只要在室內(nèi)廠房里就可以實現(xiàn)連續(xù)精餾過程。對社會的發(fā)展而言可節(jié)省鋼材資源，延長地球資源的使用年限；對企業(yè)的發(fā)展而言，可以節(jié)約場地與空間資源，減少污染排放，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善經(jīng)營管理模式，降低生產(chǎn)勞動強度，增加生產(chǎn)的安全性。</p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　課題研究內(nèi)容是精餾塔的溫度控制。精餾塔溫度控制選取

27、塔釜靈敏板溫度作為被控變量，靈敏板是當外界條件或負荷改變時精餾塔內(nèi)溫度變化最靈敏的一塊塔板。用控制溫度間接控制產(chǎn)品的質(zhì)量。</p><p>　　精餾塔控制過程控制分析</p><p><b>　　精餾基本原理</b></p><p>　　所謂精餾，就是把一定濃度的溶液送到精餾裝置中，使之不斷進行部分冷凝和部分汽化，在塔頂及塔底均得到預(yù)期產(chǎn)品的一

28、種操作過程。在此過程中，人致需要如下設(shè)備：①精餾塔：②冷凝器：③再沸器：④回流罐；⑤回流泵。石油化工行業(yè)中的精餾裝置大多采取的是連續(xù)運行的方式，其具體流程圖見下圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 連續(xù)精餾裝置流程圖</p><p>　　連續(xù)精餾的具體運行流程如下：①原料從進料板（即為精餾塔中段的某塊塔板）上進入，進料板將整個精餾塔分為精餾段（進料板以上的部分）和提餾段（進料板以

29、下的部分）；②溶液進入精餾塔之后，因各組分具有不同的沸點，從而導(dǎo)致低沸點低組分（即易揮發(fā)組分）汽化較易而往上升騰，而高沸點組分（即難揮發(fā)組分）則大多隨著液體向下流。并和精餾塔內(nèi)上升的蒸汽在各層塔板上進行充分接觸，從而進行傳熱、傳質(zhì)過程：③向F流的液體到達塔釜之后，部分被連續(xù)引出從而成為塔底產(chǎn)品。部分經(jīng)加熱汽化之后又返回到精餾塔中；④精餾塔內(nèi)的上升蒸汽依次經(jīng)過全部塔板，從而使蒸汽中的易揮發(fā)組分的濃度逐漸增高，上升至塔頂?shù)恼羝诶淠髦斜焕?/p>

30、凝成為液體，經(jīng)過回流泵和回流罐之后，部分被連續(xù)引出從而成為塔頂產(chǎn)品，部分則作為塔內(nèi)冷卻液而被引回至頂部塔板上，這一過程稱為回流。</p><p>　　精餾的分類方法較多，常見的有以下幾種分類方法：①按需分離組分的不同來分，可分為二元精餾及多元精餾；②按精餾塔的結(jié)構(gòu)來分，可分為板式塔和填料塔；⑨按精餾操作的連續(xù)性來分，可分為間歇精餾及連續(xù)精餾；④按精餾操作壓力來分，可分為常壓精餾、加壓精餾及減壓精餾：⑤按混合物重組

31、分的揮發(fā)度來分，可分為一般精餾與特殊精餾，其中特殊精餾又分為萃取精餾與共沸精餾等。</p><p>　　精餾操作迫使混合物的氣、液兩相在精餾塔體中作逆向流動，在互相接觸過程中，液相中的輕組分逐漸轉(zhuǎn)入氣相，而氣相中的重組分則逐漸進入液相。精餾過程本質(zhì)上是一種傳質(zhì)過程，也伴隨著傳熱。</p><p>　　在恒定壓力下，對單組分液體在沸騰時繼續(xù)加熱，其溫度保持不變。但對于多組分的理想溶液來說，在

32、恒定壓力下，沸騰溶液的溫度卻是可變的。一般而言，在恒定壓力下，溶液氣液相平衡與其組分有關(guān)。高沸點組分的濃度越高，溶液平衡溫度越高。與純物質(zhì)的氣液平衡相比較，溶液氣液平衡的一個特點是：在平衡狀態(tài)下，氣相濃度與液相濃度是不相同的。一般情況下，氣相中的低沸點組分的濃度高于它在液相中的數(shù)值。對于純組分的氣液相平衡，把恒定壓力下的平衡溫度稱為該壓力下的沸點或冷凝點。但對于處在相平衡下的溶液，則把平衡溫度稱為在該壓力下某氣相濃度的露點溫度或?qū)?yīng)的液

33、相濃度的泡點溫度。</p><p>　　對于同一濃度的氣相和液相來說，露點溫度與泡點一般是不相等的，前者比后者高。以苯與甲苯混合液為例，若以溫度為縱坐標，液相或氣相中苯的濃度為橫坐標，將苯一甲苯氣液相平衡數(shù)據(jù)繪成曲線，可得如圖2.2所示的溫度一濃度曲線圖。</p><p>　　在圖2.2中，曲線1表示在一定壓力下，溶液的濃度與泡點的關(guān)系，稱為液相線，線上每一點均代表飽和液體；曲線2表示溶液

34、濃度與露點的關(guān)系，稱為氣相線，線上每一點均代表飽和蒸汽。液相線以下的區(qū)域是液相區(qū)；氣相線以上，溶液全部汽化，稱為過熱蒸汽區(qū)；兩線之間為汽、液兩相共存區(qū)，溶液處于任一點時，都可以分為相互平衡的汽、液兩相。</p><p>　　設(shè)在一個標準大氣壓下，將濃度為、溫度為，的溶液加熱，當達到泡點溫度時，液體開始沸騰，產(chǎn)生的蒸汽濃度為，與平衡，而且>。如繼續(xù)加熱，且不從物系中取走物料，當溫度升高到時，則在共存的汽、液兩

35、相中，液相的濃度為，蒸汽相的濃度為與成平衡的，且>。若再繼續(xù)升高溫度達時，液相完全汽化，而在液相消失前，其濃度為，液相完全汽化成蒸汽后，則氣相濃度，與溶液的最初濃度相同。若繼續(xù)加熱至，蒸汽成為過熱蒸汽，隨著溫度升高，濃度保持不變。自J點向上至H點的這一階段，是使溶液汽化的過程，稱為部分汽化的過程。若繼續(xù)加熱到日點或日點以上，則稱為全部汽化過程。顯然，只有用部分汽化的方法，才能從溶液中分離出具有不同濃度的蒸汽，而且其中所含易揮發(fā)組分

36、較多，也即部分汽化能起一定的分離作用。而完全汽化則不能使溶液的濃度改變，起不到分離作用。反之，也可從溶液的蒸汽出發(fā)，進行冷凝，此過程恰與上述汽化過程相反。</p><p>　　圖2.2 苯一甲苯氣液相平衡溫度濃度曲線</p><p>　　由上述討論可見，部分汽化或部分冷凝之所以能起到部分分離的作用，其基本依據(jù)仍然是溶液中兩組分的揮發(fā)性能之間的差異。部分汽化和部分冷凝是精餾裝置中反復(fù)發(fā)生的

37、過程，依靠此作用才能達到將溶液中兩組分加以分離的目的。所以，多次部分汽化，同時又把產(chǎn)生的蒸汽多次部分吸收冷凝是精餾的基礎(chǔ)。由于溶液汽化要吸收熱量，氣體冷凝要放出熱量。為此，精餾過程必須具備使塔釜加熱汽化的設(shè)備（再沸器）和使塔頂蒸汽冷凝的設(shè)備冷凝器。</p><p><b>　　控制方案介紹</b></p><p>　　隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，新型控制方案、控制算法不斷

38、出現(xiàn)，自定化控制技術(shù)工具也有了飛速的發(fā)展，尤其是計算機在工業(yè)過程中的應(yīng)運日益廣泛，使得精餾塔過程控制中新的控制方案層出不窮，控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標越來越高，保證了塔的平穩(wěn)操作。新型控制方案：解耦控制、推斷控制、精餾塔的節(jié)能控制及精餾塔的最優(yōu)控制。所謂精餾塔的最優(yōu)控制是指在產(chǎn)品質(zhì)量保證一定規(guī)格的前提下，綜合某些要求，規(guī)定一種明確的指標，并使其達到最優(yōu)。</p><p>　　本文設(shè)計精餾塔塔釜溫度有兩種方案：</p

39、><p>　　第一種：采用靈敏板溫度作為主參數(shù)，以再沸器加熱蒸汽的流量作為副參數(shù)，這樣就組成了一個由靈敏板溫度和再沸器加熱蒸汽流量組成的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以實現(xiàn)對精餾塔的塔釜溫度的控制。其示意圖如圖2.3：</p><p>　　圖2.3 串級控制原理圖</p><p>　　第二種：采用靈敏板溫度作為主參數(shù)，以再沸器加熱蒸汽的流量作為副參數(shù)，這樣就組成了一個由靈敏板溫度和再

40、沸器加熱蒸汽流量組成的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，再跟進料流量組成前饋—串級控制系統(tǒng)。其示意圖如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 前饋—串級控制原理圖</p><p><b>　　精餾塔的靈敏板選擇</b></p><p>　　精餾塔內(nèi)從上到下與氣液兩相組成變化相對應(yīng)有一個溫度分布。在接近精餾塔塔頂和塔底的相當一段高度內(nèi)，氣液組成和溫度變化不明

41、顯。如果只測塔兩端溫度，一旦塔頂或塔底溫度發(fā)生可覺察的溫度變化時，塔頂或塔底產(chǎn)品的組成已經(jīng)不合格了，這主要是因為這兩處的溫度變化有延時造成的。在離塔兩端一定距離處的塔板上，溫度隨塔高有較大的變化。若塔內(nèi)濃度分布發(fā)生變化，則這些板上的溫度將發(fā)生較大的變化，易于測量發(fā)現(xiàn)變化，因此可以在塔頂溫度沒有發(fā)生改變前久采取措施防止塔頂Xd降低。這些塔板被稱為靈敏板，生產(chǎn)上常用測量和控制靈敏板的溫度來調(diào)節(jié)控制餾出液和釜殘液的質(zhì)量。  

42、; </p><p>　　當正在操作中的精餾塔受到某一外界干擾，如回流比、進料組成波動等，全塔各板的組成和溫度將發(fā)生變化。變化最靈敏的一塊板或相鄰的幾塊板稱為靈敏板。在一定總壓下，塔頂溫度是餾出液組成的直接反映。但在高純度分離時，在塔頂（或塔底）相當高的一個塔段中溫度變化極小?？梢姼呒兌确蛛x時一般不能用測量塔頂溫度的方法來控制餾出液的質(zhì)量。 仔細分析操作條件變動前后溫度分別的變化，即可發(fā)現(xiàn)在精

43、餾段或提餾段的某些塔板上，溫度變化量最為顯著?；蛘哒f，這些塔板的溫度對外界干擾因素的反映最靈敏，故將這些塔板稱之為靈敏板。將感溫元件安置在靈敏板上可以較早覺察精餾操作所受到的干擾；而且靈敏板比較靠近進料口，可在塔頂餾出液組成尚未產(chǎn)生 變化之前先感受到進料參數(shù)的變動并即使采取調(diào)節(jié)手段，以穩(wěn)定餾出液的組成。</p><p>　　在精餾塔逐板計算中，往往可以發(fā)現(xiàn)某一板和相鄰板的組成變化較大，因而溫度變化也較大

44、，在操作發(fā)生變化時，該板的溫度變化最靈敏，所以稱此板為靈敏板。采用靈敏板控制的好處是：</p><p>　?。?）變化靈敏，調(diào)節(jié)準確。</p><p>　?。?）可以提前看出塔釜物料的變化趨勢，提前調(diào)節(jié)，避免輕組分帶人釜液中。</p><p>　　精餾塔靈敏板選擇，原則上精餾塔的穩(wěn)定操作取決于對靈敏板參數(shù)的穩(wěn)定監(jiān)控，需要在實踐中摸索。這個參數(shù)與你的板結(jié)構(gòu)、處理量、物

45、系、操作條件、上下游工況的影響等有關(guān)</p><p>　　圖2.5 精餾塔內(nèi)部溫度分布圖</p><p>　　精餾塔內(nèi)溫度分布：由塔底至塔頂逐漸降低</p><p>　　溫度在塔頂或塔底相當一段高度內(nèi)變化極小，通過監(jiān)測塔頂和塔底溫度 來反映餾出液組成和釜殘液組成。  </p><p>　　操作條件（F、q、&#

46、160;R再沸器與冷凝器的熱負荷等）改變必然引起分離效果 的變化，但每一塊板改變的程度不等。 </p><p>　　靈敏板：溫度改變最顯著的塔板。以該塔板上的溫度監(jiān)控全塔的操作狀 態(tài)，有利于對精餾塔進行預(yù)見性調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　精餾塔控制要求</b></p><p>　　精餾塔的控制目標是，在保證產(chǎn)

47、品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益（利潤）最大或總成本最小。具體對一個精餾塔來說，需從四個方面考慮，設(shè)置必要的控制系統(tǒng)。</p><p><b>　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量控制</b></p><p>　　塔頂或塔底產(chǎn)品之一合乎規(guī)定的純度，另一端成品維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。在某些特定情況下也有要求塔頂和塔底產(chǎn)品均保證一定的純度要求。所謂產(chǎn)品的純度，就二元精餾來說，其質(zhì)量指標是指塔頂

48、產(chǎn)品中輕組分（或重組分）含量和塔底產(chǎn)品中重組分（輕組分）含分，塔頂產(chǎn)品的關(guān)鍵組分是易揮發(fā)的，稱為輕關(guān)鍵組分，塔底產(chǎn)品是不易揮發(fā)的關(guān)鍵組分，稱為重關(guān)鍵組分。</p><p><b>　　物料平衡控制</b></p><p>　　進出物料平衡，即塔頂、塔底采出量應(yīng)和進料量相平衡，維持塔的正常平穩(wěn)操作，以及上下工序的協(xié)調(diào)工作。物料平衡的控制是以冷凝液罐（回流罐）與塔釜液位一

49、定（介于規(guī)定的上、下限之間）為目標的。</p><p><b>　　能量平衡控制</b></p><p>　　精餾塔的輸入、輸出能量應(yīng)平衡，使塔內(nèi)的操作壓力維持穩(wěn)定。</p><p><b>　?。?）約束條件控制</b></p><p>　　為保證精餾塔的正常、安全操作，必須使某些操作參數(shù)限制在約

50、束條件之內(nèi)。常用的精餾塔限制條件為液泛限、漏液限、壓力限及臨界溫差限等。所謂液泛限，也稱氣相速度限，即塔內(nèi)氣相速度過高時，霧沫夾帶十分嚴重，實際上液相將從下面塔板倒流到上面塔板，產(chǎn)生液泛，破壞正常操作。漏液限也稱最小氣相速度限，當氣相速度小于某一值時，將產(chǎn)生塔板漏液，板效率下降。防止液泛和漏液，可以塔壓降和壓差來監(jiān)視氣相速度。壓力限是指塔的操作壓力的限制，一般是最大操作壓力限，即塔操作壓力不能過大，否則會影響塔內(nèi)的氣液平衡，嚴重越限甚至

51、會影響安全生產(chǎn)。臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)間的溫差，當這一溫差低于臨界溫差時，給熱系數(shù)急劇下降，傳熱量也隨之下降，不能保證塔的正常傳熱的需要。</p><p>　　精餾塔精餾段的擾動分析</p><p>　　精餾塔精餾段的操作就是按照塔頂產(chǎn)品的組成要求來對這幾個影響因素進行調(diào)節(jié)。精餾操作過程的影響因素有以下幾方面：1.塔的溫度和壓力；2.進料量；3.進料組分；4.進料溫度；5.回流量；6

52、.塔頂冷劑量；7.塔頂采出量等。在精餾塔精餾段操作過程中要克服各種影響因素的變化，防止對塔頂產(chǎn)品的數(shù)量和組成的影響。</p><p>　?。?）精餾塔操作壓力的變化對精餾塔精餾段操作的影響</p><p>　　塔的設(shè)計和操作都是基于一定的塔壓下進行的，因此一般精餾塔總是首先要保持壓力的恒定。塔壓波動對塔的操作將產(chǎn)生如下的影響。</p><p>　?、儆绊懏a(chǎn)品質(zhì)量和物

53、料平衡   </p><p>　　改變操作壓力，將使每塊塔板上汽液平衡的組成發(fā)生改變。壓力升高，則氣相中重組分減少，相應(yīng)地提高了氣相中輕組分的濃度；液相中輕組分含量較前增加，同時也改變了氣液相的重量比，使液相量增加，氣相量減少?？偟慕Y(jié)果是：塔頂餾分中輕組分濃度增加，但數(shù)量卻相對減少；釜液中的輕組分濃度增加，釜液量增加。同理，壓力降低，塔頂餾分的數(shù)量增加，輕組分濃度降低；釜液量減少，輕組分濃度減

54、少。正常操作中，應(yīng)保持恒定的壓力，但若因操作不正常，引起塔頂產(chǎn)品中重組分濃度增加時，則可采用適當提高壓力的辦法，使產(chǎn)品質(zhì)量合格，但此時釜液中的輕組分損失增加。</p><p>　　②改變組份間的相對揮發(fā)度</p><p>　　壓力增加，組份間的相對揮發(fā)度降低，分離效率下降，反之，組份間的相對揮發(fā)度增加，分離效率提高。</p><p>　?、鄹淖兯纳a(chǎn)能力 

55、;   </p><p>　　壓力增加，組份的重度增大，塔的處理能力增大。</p><p>　?、芩旱牟▌?#160;   </p><p>　　這將引起溫度和組成間對應(yīng)關(guān)系的混亂。我們在操作中經(jīng)常以溫度作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的間接標準，但這只有在塔壓恒定的前提下才是正確的。當塔壓改變時，混合物的泡點、露點發(fā)生變化，引起全塔的溫度發(fā)生改變，溫度和產(chǎn)品

56、質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系也將發(fā)生改變。</p><p>　　從以上分析可看出，改變操作壓力，將改變整個塔的操作情況，因此在正常操作中應(yīng)維持恒定的壓力（工藝指標），只有在塔的正常操作受到破壞時，才可根據(jù)以上的分析，在工藝指標允許的范圍內(nèi)，對塔的壓力進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)。應(yīng)該指出，在精餾操作過程中，進料量、進料組成和進料溫度的改變，塔釜加熱蒸汽量的改變，回流量、回流溫度和冷劑壓力（對內(nèi)回流塔而言）的改變以及塔的堵塞等，都可能引起塔壓

57、的波動，此時應(yīng)首先分析引起塔壓波動的原因，及時處理，使操作恢復(fù)正常。</p><p>　　（2）進料量的變化對精餾塔精餾段操作的影響</p><p>　　進料流量是上工序的出料，因此，通常不可控但可測，當進料流量較大時，對精餾塔的操作會造成很大的影響。進料流量影響物料平衡，也影響能量平衡。因此，控制策略應(yīng)保持流量的基本恒定。</p><p>　　進料成分影響物料平衡

58、和能量平衡，但進料成分通常不可控，多數(shù)情況下也難于測量。因此，控制策略是盡量控制上一工序的操作，從外圍著手，使進料成分能夠保持恒定，減小其變化對精餾塔操作的影響。</p><p>　　（3）進料組份的變化對精餾塔精餾段操作的影響</p><p>　　進料組份的變化直接影響精餾塔精餾段的操作，當進料中重組份的濃度增加時，精餾段的負荷增加。對于固定了精餾段塔板數(shù)的塔來說，將造成重組份帶到塔頂，

59、使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格。</p><p>　　若進料中輕組份的濃度增加時，此時精餾段的負荷增加。對于固定了提餾段塔板數(shù)的塔來說，將造成提餾段輕組份蒸出不完全，釜液中輕組份的損失加大。</p><p>　　同時，進料組成的變化還將引起全塔物料平衡和工藝條件的變化。組份變輕，則塔頂餾份增加，釜液排出量減少。此時，全塔溫度下降，塔壓升高。組成變重，情況相反。進料組成變化時，可采取如下措施：<

60、/p><p>　?、俑倪M料口  組成變重時，進料口往下改；組成變輕時，進料口往上改。</p><p>　?、诟淖兓亓鞅?#160; 組成變重時，加大回流比；組成變輕時，減少回流比。</p><p>　?、壅{(diào)節(jié)冷劑和熱劑量  根據(jù)組成的變動情況，相應(yīng)地調(diào)節(jié)塔頂冷凝器的冷劑和塔釜熱劑量，維持塔頂及塔底產(chǎn)品質(zhì)量不變。</

61、p><p>　　（4）進料溫度的變化對精餾塔精餾段操作的影響</p><p>　　進料溫度的變化對精餾操作的影響是很大的。總的來講，進料溫度降低，將增加塔底蒸發(fā)釜的熱負荷，減少塔頂冷凝器的冷負荷；進料溫度升高，則增加塔頂冷凝器的冷負荷，減少塔底蒸發(fā)釜的熱負荷。當進料溫度的變化幅度過大時，通常會影響整個塔身的溫度，從而改變汽液平衡組成。例如：在進料溫度過低，塔釜的加熱蒸汽量沒有富裕的情況下，將會

62、使塔底餾分中輕組分含量增加。</p><p>　　進料溫度的的改變，意味著進料狀態(tài)的改變，而進料狀態(tài)的改變將影響精餾段、提餾段負荷的改變，進而產(chǎn)品質(zhì)量、物料平衡都將發(fā)生改變。因此，進料溫度是影響精餾塔操作的重要因素之一。</p><p>　?。?）回流比的大小對精餾塔精餾段操作的影響</p><p>　　操作中以改變回流比的大小來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。當塔頂餾分中重組份含

63、量增加時，常采用加大回流比的方法將重組份壓下去，以使產(chǎn)品質(zhì)量合格。當精餾段的輕組份下到提餾段造成塔下部溫度降低時，可以用適當減少回流比的辦法以使塔下部溫度提起來。增加回流比，對從塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔來說，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，但是卻要降低塔的生產(chǎn)能力，增加水、電、汽的消耗。回流比過大，將會造成塔內(nèi)物料的循環(huán)量過大，甚至能導(dǎo)致液泛，破壞塔的正常操作。</p><p>　?。?）塔頂冷劑量的大小對精餾塔精餾段操作的影響&

64、lt;/p><p>　　對采用內(nèi)回流操作的塔，其冷劑量的大小，對精餾操作的影響比較顯著；同時也是影響回流量波動的主要因素。</p><p>　　對于采用外回流的塔，同樣會由于冷劑量的波動，在不同程度上影響精餾塔的操作。例如，冷劑量減少，將使冷凝器的作用變差，冷凝液量減少，而在塔頂產(chǎn)品的液相采出量作定值調(diào)節(jié)時，回流量勢必減少。假如冷凝器還有過冷作用（即通常所稱的冷凝冷卻器）時，則冷劑量的減少，還

65、會引起回流液溫度的升高。這些都會使精餾塔的頂溫升高，塔頂產(chǎn)品中重組份含量增多，質(zhì)量下降。</p><p>　?。?）塔頂采出量的大小對精餾塔精餾段操作的影響</p><p>　　塔頂采出量的大小和該塔進料量的大小有著相互對應(yīng)關(guān)系，進料量增大，采出量應(yīng)增大。</p><p>　　眾所周知，采出量只有隨進料量變化時，才能保持塔內(nèi)固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會破

66、壞塔內(nèi)的氣液平衡。</p><p>　　例如，當進料量不變時，對采用內(nèi)回流的塔，若塔頂采出量增大，則回流比勢必減少，引起各板上的回流液量減少，氣液接觸不好，傳質(zhì)效率下降；同時操作壓力也將下降，各板上的氣液相組成發(fā)生變化。結(jié)果是重組分被帶到塔頂，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量不合格。</p><p>　　在強制回流的操作中，如果進料量不變，塔頂采出量突然增大，則易造成回流液槽抽空?；亓饕阂恢袛?，頂溫就升高，

67、這同樣也會影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量下降。如果進料量加大，但塔頂采出量不變，其后果是回流比增大，塔內(nèi)物料增多，上升蒸汽速度增大，塔頂與塔釜的壓差增大，嚴重時會引起液泛。</p><p>　　精餾塔溫度控制方案分析</p><p><b>　　精餾塔串級方案分析</b></p><p>　　圖3.1 串級控制系統(tǒng)方塊圖</p><p&

68、gt;　　串級控制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。該系統(tǒng)有兩個環(huán)路：一個內(nèi)環(huán)和一個外環(huán)。習慣稱為副環(huán)和主環(huán)。處于副環(huán)上的控制器、對象和變送器分別稱副控制器、副對象和副變送器。副對象的輸出稱副被控變量，簡稱副變量。處于主環(huán)上的控制器、對象和變送器分別稱為主控制器、主對象和主變送器。主對象的輸出稱為主被控變量，簡稱主變量。在本方案中流量控制器（FIC）是副控制器，流量是副變量，溫度控制器（TIC）是主控制器，溫度則是主變量。由圖3.1知，主控制器的

69、輸出為副控制器的給定；而副控制器的輸出直接送往控制閥。</p><p>　　工作過程：出于安全考慮選定控制閥為氣開閥，溫度和流量控制器均為反作用，假定系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　第一種情況：干擾來自副環(huán)。蒸汽流量突然增大，這時塔溫肯定會增加，但是這一變化有一定的時間，也就是有很大的滯后。但是這一變化流量改變，繼而流量控制器會有變化，它會作用于控制閥是的流量減小，從而調(diào)節(jié)了溫度的

70、變化。在這里流量控制器相當于起“預(yù)調(diào)”的作用。</p><p>　　第二種情況：干擾來自主環(huán)。進料量突然增大，這會導(dǎo)致塔釜液位上升，塔內(nèi)溫度下降對于溫度控制器來說得到的是負偏差信號，輸出會增大，也就是流量控制器的給定值變大了，此時流量沒變化，所以流量控制器接收的是負偏差信號，流量控制器輸出增大。從而蒸汽流量加大，溫度回升達到新的平衡。</p><p><b>　　串級系統(tǒng)的特點：

71、</b></p><p>　?。?）串級控制系統(tǒng)具有更高的工作頻率；由于副回路的存在，改善了對象的特性，使系統(tǒng)的工作頻率得到提高。</p><p>　?。?）串級控制系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力。</p><p>　?。?）串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力（魯棒性）。</p><p>　　精餾塔前饋—串級方案分析</p>

72、<p>　　前饋—串級控制系統(tǒng)的串級系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個控制器，前一個控制器的輸出作為后一個控制器的設(shè)定，后一個控制器的輸出送往控制閥。前一個控制器稱為主控制器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個控制器稱為副控制器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。串級部分包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副控制器、控制閥和副過程構(gòu)成

73、；主回路由主變量檢測變送、主控制器、副控制器、控制閥、副過程和主過程構(gòu)成。</p><p>　　圖3.2 前饋—串級控制系統(tǒng)方塊圖</p><p>　　前饋—串級控制系統(tǒng)的前饋系統(tǒng)采用一個控制器和一個變送器，當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響（完全補償條件）如圖3.3。前饋—串級控制系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。</

74、p><p>　　前饋控制的基本概念是測取進入過程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使受控變量維持在設(shè)定值上。</p><p>　　圖3.3 完全補償條件示意圖</p><p>　　前饋反饋控制的原理：前饋控制又稱擾動補償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負載干

75、擾量的變化，當干擾剛剛出現(xiàn)并能被測出時，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的變化，使兩者在被調(diào)量發(fā)生偏差之前抵消。因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的客服比反饋調(diào)節(jié)及時。但是前饋控制是開環(huán)控制，其控制效果需要通過反饋加以檢驗。前饋控制器在測出擾動之后，按過程的某種物質(zhì)或能量平衡條件計算出校正值。如果前饋支路出現(xiàn)擾動，經(jīng)過流量計測量之后，測量得到干擾的大小，然后在反饋支路通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，直接進行補償。而不需要經(jīng)過調(diào)節(jié)器。前饋控制方案如圖3-4。前

76、饋控制的方塊圖如圖3.5。</p><p>　　圖3.4 前饋控制</p><p>　　圖3.5 前饋控制方塊圖</p><p>　　系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中、分別表示對象干擾道和控制通道的傳遞函數(shù)；為前饋控制器的傳遞函

77、數(shù)。</p><p>　　系統(tǒng)對擾動實現(xiàn)全補償?shù)臈l件是：</p><p>　　時，要求 （3-2）</p><p>　　將（1-2）式代入（1-1）式，可得</p><p>　　=

78、 （3-3）</p><p>　　滿足前饋補償裝置使受控變量不受擾動量變化的影響。圖3-3表示了這種全補償過程。</p><p>　　在階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用和干擾作用的響應(yīng)曲線方向相反，幅值相同。所以它們的合成結(jié)果，可使達到理想的控制連續(xù)地維持在恒定的設(shè)定值上。顯然，這種理想的控制性能，反饋控制系統(tǒng)是做不到的。這是因為反饋控制是按被控變量的偏差動作的。在干擾作用下，受控變量總

79、要經(jīng)歷一個偏離設(shè)定值的過渡過程。前饋控制的另一突出優(yōu)點是，本身不形成閉合反饋回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性矛盾。</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)的主要特點有：</p><p>　?。?）前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時、有效；</p><p>　?。?）前饋控制是屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)；</p><p&g

80、t;　?。?）前饋控制使用的是視對象特性而定的“專用”控制器，又稱前饋補償裝置；</p><p>　　（4）一種前饋作用只能克服一種干擾。</p><p><b>　　工藝描述</b></p><p>　　影響精餾塔精餾段過程的因素是多方面的，而精鎦段是在一定物料平衡和能量平衡的基礎(chǔ)上進行操作的，分析精餾塔的物料和能量平衡對制定精餾塔精餾段的控

81、制至關(guān)重要。</p><p><b>　　精餾塔的基本關(guān)系：</b></p><p>　　以二元簡單精餾為例，介紹物料平衡和能量平衡的基本關(guān)系。</p><p><b>　　物料平衡：</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p&g

82、t;<b>　　增大，，減小。</b></p><p>　　式中 F ，D，B——進料、頂餾出液和底餾出液量；</p><p>　　, , ——進料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量。</p><p>　　能量平衡： (3-5)</p>

83、<p>　　式中分離度,s增大，增大，減小，說明塔系統(tǒng)分離效果增大。為塔特性因子，V為上升蒸汽量，是由再沸器施加熱量來提高的。增大，分離效果增大，能耗增大。對于一個既定的塔，進料組分一定，和一定， 完全確定。分析精餾塔精餾段過程，本文對主回路采用串級控制系統(tǒng)，其主、副調(diào)節(jié)器所起作用各有側(cè)重。由于回流量的變化能夠較快地反映在精餾段溫度變化上，且能夠通過閥門進行控制，因此選擇回流罐的液位量控制作為串級控制的副控參數(shù)。在串級控制中，

84、副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，且副控參數(shù)的調(diào)節(jié)也是為了保證主控參數(shù)的控制質(zhì)量，可以有一定的余差，因此副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器。由于進料量和進料溫度對進料餾段溫度影響較大。</p><p><b>　　控制系統(tǒng)的建模</b></p><p>　　工業(yè)過程的數(shù)學模型可分為動態(tài)數(shù)學模型和靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數(shù)學模型，動態(tài)數(shù)學模型是表示輸出變量與輸入變量之間隨時間而變化的動態(tài)關(guān)系的數(shù)學描述。從

85、控制角度來看，輸入變量就是操縱變量和擾動變量，輸出變量是被控變量。</p><p><b>　　建模方法簡述</b></p><p>　　系統(tǒng)建立數(shù)學模型的方法有機理建模和經(jīng)驗建模，機理建模包括機理法建模，測試法建模和半測試法建模；檢驗建模包括階躍響應(yīng)建模，線性回歸建模和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。</p><p>　　系統(tǒng)建模實際上是一個反復(fù)推演和驗證的過

86、程，這一過程通常必須和實驗相結(jié)合，脫離實驗的純理論建模所獲得的數(shù)學模型往往與實際相差較大。系統(tǒng)中的一些特性和參數(shù)需用實驗的方法獲得，以彌補理論建模的不足。用上面方法所獲得的模型也需要在不同工況條件下用實驗修正和驗證，最后才能得到較準確的反映實際系統(tǒng)動態(tài)特性的模型。</p><p><b>　　過程建模的目的</b></p><p>　　建立被控對象的數(shù)學模型的目的主要

87、有以下幾種：</p><p>　?。?）進行工業(yè)過程優(yōu)化操作。</p><p>　　（2）控制系統(tǒng)方案的設(shè)計和仿真研究。</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)的整定。</p><p>　?。?）作為模型預(yù)測控制等先進控制方法的數(shù)學模型。</p><p>　?。?）工業(yè)過程的故障檢測與診斷。</p&

88、gt;<p>　?。?）設(shè)備啟動與停車的操作方案。</p><p><b>　　建模的方法</b></p><p>　　系統(tǒng)建立數(shù)學模型的基本方法主要是基于過程動力學的機理建模和基于實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗建模。機理法建模就是根據(jù)對象的機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，并從中獲得所需的數(shù)學模型這種方法獲得的模型物理概念清晰、準確、不但給出了系統(tǒng)輸入輸出變量之間的關(guān)系，

89、也給出了系統(tǒng)狀態(tài)和輸入輸出之間的關(guān)系，使人們對系統(tǒng)有一個比較清楚的了解。經(jīng)驗建模通常包括三個基本要素：輸入輸出數(shù)據(jù)；一組候選的模型集。</p><p><b>　　機理建模</b></p><p>　　機理法建模就是根據(jù)對象的機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，并從中獲得所需的數(shù)學模型這種方法獲得的模型物理概念清晰、準確、不但給出了系統(tǒng)輸入輸出變量之間的關(guān)系，也給出了系統(tǒng)狀

90、態(tài)和輸入輸出之間的關(guān)系，使人們對系統(tǒng)有一個比較清楚的了解，因此也被稱為“白箱模型”。它包含一系列的建模步驟：</p><p>　　(1)根據(jù)建模的對象和模型使用目的進行合理的假設(shè)</p><p>　　由于實際的生產(chǎn)過程往往非常復(fù)雜，不可能完全精確地用數(shù)學公式把客觀實際描述出來。因此在建立數(shù)學模型時需要進行一定的假設(shè)。在滿足模型應(yīng)用要求的前提下，根據(jù)對建模對象的了解以及模型使用的目的，進行一

91、些近似處理，把次要因素忽略掉。</p><p>　　(2)根據(jù)過程內(nèi)在機理建立數(shù)學方程</p><p>　　對于過程控制問題，主要依據(jù)是質(zhì)量、能量、動量以及各種物理化學平衡關(guān)系，采用數(shù)學方程來建立對象的數(shù)學模型。這些數(shù)學模型通常由微分方程、偏微分方程、以及相關(guān)的代數(shù)方程共同構(gòu)成，并采用自由度分析方法來保證獲得的數(shù)學模型有解。</p><p><b>　　(

92、3)簡化模型</b></p><p>　　從應(yīng)用的角度上講，動態(tài)模型應(yīng)在能夠達到建模的目的，充分反映過程動態(tài)特性的情況下盡可能的簡單。因此，根據(jù)過程內(nèi)在機理得到的數(shù)學模型常常需要進行進一步的整理和簡化。</p><p><b>　　物料和能量守恒關(guān)系</b></p><p>　　過程控制問題的機理建模建立在物料和能量守恒關(guān)系上。對參

93、量S的守恒關(guān)系為 ：</p><p>　　式中，S可以是總質(zhì)量、各組分質(zhì)量、總能量、動量。</p><p>　　無化學反應(yīng)的物料流量關(guān)系</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，為密度；V為體積；為流入各物料的體積流量；為流入各物料的密度；為流出各物料的體積流量；為流出各物料的密度。&l

94、t;/p><p><b>　　經(jīng)驗建模</b></p><p>　　實驗測試法通常只用于建立對象的輸入輸出模型，它根據(jù)工業(yè)過程輸入和輸出的實測數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學處理后得到的模型。特點是把被研究過程看作一個黑匣子，完全從外部特性上進行測試并描述對象的動態(tài)特性。</p><p><b>　　階躍響應(yīng)建模</b></p>

95、<p>　　如果關(guān)注的過程可近似為一階或二階線性模型，則可通過觀察階躍響應(yīng)曲線來獲得模型的參數(shù)。例如對于一個一階對象</p><p><b>　　（4-2）</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)是u(0)=0,y(0)=0.假設(shè)在t=0時刻輸入u突然從0變化到A，則輸出y的階躍響應(yīng)為</p><p><b>　?。?-3）&l

96、t;/b></p><p>　　不過實際的工業(yè)過程往往包含高階動態(tài)，不能單純采用一階過程來描述，常用的方法是加入純滯后項用一階加純滯后模型進行描述</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　階躍響應(yīng)的獲取</b></p><p>　　通過手動操作使過程工作在測

97、試所需的穩(wěn)態(tài)條件下，穩(wěn)定運行一段時間后，快速改變過程的輸入量，并用記錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄過程輸入和輸出的變化曲線。過一段時間后，過程進入新的穩(wěn)態(tài)，本次實驗結(jié)束，得到的記錄曲線就是過程的階躍響應(yīng)。</p><p><b>　　典型傳遞函數(shù)</b></p><p>　　一階慣性加純滯后模型：</p><p><b>　?。?-5）&

98、lt;/b></p><p><b>　　經(jīng)驗建模的方法</b></p><p>　　一般的經(jīng)驗建模方法是根據(jù)實測數(shù)據(jù)，按照某種性能指標從一組模型中選擇一個最大化（最小化）該性能指標的模型作為過程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，因此?jīng)驗建模通常包括三個基本要素：輸入輸出數(shù)據(jù)；一組候選的模型集；選擇的檢驗建模過程包括以下步驟：</p><p>　　（1）設(shè)計試

99、驗來獲得用于建模的輸入輸出數(shù)據(jù)。</p><p>　　（2）對輸入輸出數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。</p><p>　?。?）指定模型結(jié)構(gòu)或選擇模型集。</p><p>　?。?）確定一個性能指標作為模型選擇的準則，常用均方差最小化作為模型選擇的標準。</p><p>　?。?）根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)和性能指標從指定的模型集中選擇一個最佳模型。</p&g

100、t;<p>　?。?）對獲得的模型進行測試，如果滿意則結(jié)束。</p><p><b>　　建立數(shù)學模型</b></p><p>　　圖 4-1 精餾塔精餾段溫度控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　式中為等效被控過程的放大系數(shù)，</p><p>　　等效被控過程的時間常數(shù)。</p><p

101、>　　可見等效被控過程的時間常數(shù)小于被控過程的時間常數(shù)，隨著的增大，時間常數(shù)減小的效果更明顯，副回路的動態(tài)響應(yīng)快的多。</p><p>　　二次擾動作用下，副回路傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　一次擾動作用下，擾動回路傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　

102、(4-7)</b></p><p>　　系統(tǒng)輸出對輸入的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　主回路系統(tǒng)采用PID控制，副回路采用P控制能最大限度的滿足被控對象的控制通道的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，滯后時間較小。</p><p>　　以二元精餾塔為例，其模型為：&l

103、t;/p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　其中：為塔頂餾出物濃度(mol%)；為塔底餾出物濃度(mol%)；為回流量(lb/min)；為蒸汽輸入量(lb/min)；d (t)為進料速率(lb/min)。而對于精餾段不存在，，則二元精餾塔的模型：</p><p><b>　　(4-10)</b><

104、;/p><p>　　上式為出口流量，而本課題研究的是對出口溫度T的控制，所以上式需轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)，由于存在，則精餾塔主對象傳遞函數(shù)可簡化為：</p><p><b>　　(4-11)</b></p><p>　　副對象是采用典型的慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)是 </p><p><b>　　調(diào)節(jié)閥，取=1</b>

105、;</p><p>　　副調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)（PI）規(guī)律，傳遞函數(shù)為，調(diào)節(jié)閥和副測量變送器分別為，。</p><p>　　主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律。</p><p>　　以某石油加工企業(yè)精餾塔精餾段溫度控制系統(tǒng)為對象，通過數(shù)據(jù)采集進行建模，得到主控廣義對象傳遞函數(shù)為，廣義副對象傳遞函數(shù)為：。</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真&l

106、t;/b></p><p><b>　　系統(tǒng)仿真技術(shù)概述</b></p><p>　　自動控制系統(tǒng)是由被控對象，測量變送裝置和控制器組成的。當選定測量變送裝置和執(zhí)行器后，對自動控制系統(tǒng)驚醒設(shè)計和分析研究，也就是對被控對象的動態(tài)特性驚醒分析和研究，然后根據(jù)被控對象的動態(tài)特性驚醒控制器的設(shè)計，以求獲得滿足性能指標要求的最優(yōu)控制系統(tǒng)。在控制器類型確定后，分析和研究控制

107、系統(tǒng)的主要目的之一是獲得控制器的最佳整定參數(shù)。對于比較簡單的被控對象，可以通過在實際系統(tǒng)上進行實驗和調(diào)整來獲得較好的整定參數(shù)。但是在實際生產(chǎn)過程中，大部分的被控對象是比較復(fù)雜的，并且要考慮安全性，經(jīng)濟性，以及進行實驗研究的可能性等，這在現(xiàn)場試驗中往往不易做到，甚至根本不允許這樣做。這時，就需要對實際系統(tǒng)構(gòu)建物理模型或數(shù)學模型進行研究，簡稱仿真。因此，仿真就是用模型代替實際系統(tǒng)進行試驗和研究，它所遵循的基本原則是相似原理，即幾何相似,環(huán)境

108、相似和性能相似。依據(jù)這個原理，仿真可分為物理仿真，數(shù)學仿真和混合仿真。</p><p>　　由于數(shù)學仿真的主要工具是計算機，因此一般又稱為“計算機仿真”。計算機仿真根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征可分為倆大類：連續(xù)系統(tǒng)仿真及離散事件系統(tǒng)仿真。前者可對系統(tǒng)建立用微分方程或差分等描述的數(shù)學模型，并將其放在計算機上進行試驗；后者面對的是由某種隨機事件驅(qū)動引發(fā)狀態(tài)變化的系統(tǒng)的數(shù)學模型并將它放在計算機上進行實驗。</p>

109、<p>　　物理仿真就是應(yīng)用幾何相似原理，制作一個與實際系統(tǒng)相似但幾何尺寸較小或較大的物理模型進行研究。數(shù)學仿真是應(yīng)用數(shù)學相似原理，構(gòu)成數(shù)學模型在計算機上進行研究。物理仿真則需要進行大量的設(shè)備制造，安裝，接線及調(diào)試工作?；旌戏抡嬗址Q物理-數(shù)學仿真，它是把數(shù)學仿真，物理仿真和實體結(jié)合起來，也就是將系統(tǒng)的一部分描述成數(shù)學模型，放入計算機，而其余部分則構(gòu)建其物理模型或直接采用實體，組成一個復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。</p>&

110、lt;p>　　系統(tǒng)仿真的分類與發(fā)展</p><p><b>　　仿真系統(tǒng)的分類</b></p><p>　　系統(tǒng)仿真可分為三類：</p><p>　　（1）數(shù)學仿真。數(shù)學仿真是應(yīng)用數(shù)學相似原理，構(gòu)成數(shù)學模型在計算機上進研究。</p><p>　　（2）物理仿真。物理仿真則需要進行大量的設(shè)備制造，安裝，接線及調(diào)試工作

111、。</p><p>　?。?）混合仿真?；旌戏抡嬗址Q物理-數(shù)學仿真，它是把數(shù)學仿真，物理仿真和實體結(jié)合起來，也就是將系統(tǒng)的一部分描述成數(shù)學模型，放入計算機，而其余部分則構(gòu)建其物理模型或直接采用實體，組成一個復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。</p><p><b>　　仿真系統(tǒng)的發(fā)展</b></p><p><b>　?。?）硬件發(fā)展 </b&

112、gt;</p><p>　　計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，就硬件而言，大致經(jīng)歷了以下幾個階段。</p><p>　　20世紀40年代出現(xiàn)了模擬計算機，這是的計算機大都是用來設(shè)計飛機的專用計算機。20世紀50年代初，出現(xiàn)了通用的模擬計算機。20世紀50年代末，數(shù)字計算機有了很大發(fā)展，加上這一時期在微分方程數(shù)值解的理論方面又有很大發(fā)展，所以在集中高級語言出現(xiàn)后，在20世紀50年代末期，數(shù)字計算機便在非