精馏塔物料压力定值控制系统的设计

精馏塔物料压力定值控制系统的设计

摘要

近年来，过程控制在工业过程中不仅得到广泛的应用，而且其理论研究也取

得了很大进展。对当前各种预测控制方法的现状及其工业应用进行了较深入的分析，并对其存在的问题和今后可能的发展趋势作了进一步探讨。

精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精

馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。分析了精馏塔的控制要求和扰动分析，详细总结了其静态特性和动态特性对精馏塔进行了基本的塔压控制。

串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环

为主控对象。主要对串级系统进行了设计和改进以及simulink 仿真。

最后对本次课设做了详细的总结，写下了自己的体会。

关键词：PID ；自适应控制；预测控制；精馏塔控制系统；串级系统；simulink 仿真

目 录

摘 要................................................. 错误！未定义书签。

第一章 先进控制技术 ..................................................... 2

第二章 精馏塔控制系统 .................................. 错误！未定义书签。

2.1 概述.............................................................. 4

2.1.1 精馏塔的控制要求............................................ 5

2.1.2 精馏塔的扰动分析............................................ 6

2.2 精馏塔的特性...................................................... 7

2.2.1 精馏塔的静态特性............................................ 7

2.2.2 精馏塔的动态特性............................................ 8

2.3 精馏塔被控变量的选择............................................. 10

2.3.1 采用温度作为间接质量指标................................... 10

2.4 精馏塔的基本控制................................................. 12

2.4.1 产品质量的开环控制......................................... 13

2.4.2 精馏塔的塔压控制........................................... 14

第三章 串级控制系统 .................................................... 16

3.1 串级控制的基本概念............................................... 16

3.2 串级控制系统的原理............................................... 16

3.3 串级控制系统的特点............................................... 17

3.4 串级控制主、副控制器的设计....................................... 19

3.5 Simulink仿真 .................................................... 21

3.6 串级控制的改进................................................... 22

第四章 总 结......................................................... 23

参 考 文 献.............................................................. 24

附录..................................................................... 25

正 文

第一章 先进控制技术

过程控制是指为达到规定的目标而对影响过程状况的变量所进行的操纵。工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。

所谓自适应控制是指对于控制对象的动态信息了解得不够充分对周围环境变化尚掌握不够明确的情况下控制系统对控制器的参数进行积极的自动调节。 自适应控制方法应该做到：在系统远行中，依靠不断采集控制过程信息，确定被控对象的当前实际工作状态，优化性能准则，产生自适应控制规律，从而实时地调整控制器结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态下。通常，自适应控制系统的基本结构有两种形式，即前馈自适应控制和反馈自适应控制。

自适应控制系统的设计始终围绕着解决给定对象(过程) 下，寻求控制方案和控制器的合理结构与参数，并考虑控制器远行于包括工作点的整个工作范围。对于确定性的控制对象常采用经典控制方案：开环控制、反馈控制、补偿控制和最优控制，控制器的结构和参数一般是固定的。对于不确定性的控制对象由于经典控制方案不能圆满解决控制任务而迫使人们寻求新的控制方案，并出现了可调控制器。 控制器参数的自动调整最早出现于1940年，当时的自适应控制仅被定义为控制器所具有的按照过程动态和静态特性调整本身参数的能力。在此期间，飞机自适应控制器的设计对自适应控制研究产生了巨大的影响。早在20世纪50年代未，由于飞行控制的需要，美国麻省理工学院(MIT)的怀特克(whztaker)教授首先提出了飞机自动驾驶仪的模型参考自适应控制方案，称为MIT 方案。这时因现代控制理论向不成熟和计算机技术的限制。1957年用自动驾驶仪试验时随着飞机失事而失败。直到20世纪70年代，这一方法才重新兴起。 1960年至1970年间，控制理论(如状态空间和稳定性理论) 得到了发展，从而为自适应控制设计提供了有效服务。并注入了新技术(对偶控制、白适应控制递推方法及模型辨识与参数估计) 。1962年首次成功地实现了利用过程计算机进行直接数字式控制。1963年罗马尼亚学者波被夫(V.M.J.Popov)提出了超稳定性理论、随即法国学者兰道(B.wittenmark)把这—理论引用到模型参考自适应控制中。在1966年德国学者帖克斯(Park)提出了用李雅普诺夫第二法推导自适应算法，以保证自适应系统全局渐进稳定。1973年由瑞典学者阿斯待罗姆(K.J.Astrom)和威特马克

(B.WittenMark)首先提出自校正调节器，并在造纸厂获得成功。此后，自适应控制技术真正转入成功实用阶段。1974年吉尔巴待和温斯顿(Gilbart and Wiston) 利用模型参考自适应控制使一种光学跟踪望远镜精度提高了5倍以上，同年博里

森和西丁(borrisom and Hedquist)在200kW 的矿石破碎机中采用自校正控制，使产量提高约l0％，而且也改进了动态性能。 进入20世纪80年代后，随着数字机件性能价格比的迅速改善和微机脚用技术的个断提高、普及，自适应控制如鱼得水，更显示出了应用活力。1982年第一台工业数字式自适应拉制器进入市场；1986年约有15个公司出售工业过程数字自校正装置或自适应控制器。与此同时，自适应控制技术再度对航空、航天机器入、舰船驾驶以及现代武器系统产生了极大约吸引力，并获得了具体应用。在航空方面，自适应控制首次成功地解决了高性能飞机的自适应自动驾驶仪问题。除此，可借助鲁棒直接自适应控制重构故障后的飞行控制系统；利用飞行员自适应驾驶模型研究和预测新机飞行操纵品质，通过自适应控制技术实现空中飞行模拟和采用自校正控制技术设计飞机刹车防滑控制规律等。在航天领城内，自适应控制为飞船姿态调节和跟踪、卫星跟踪望远镜安装和使用，以及空间环境模拟等必不可少的关键技术。在高新技术密集的现代武器系统上，自适应控制是极其重要的一个方面。以导弹武器系统为例，可以说所有类型的导弹(无论是一般导弹或是遥控导弹，近距小型导弹还是中远程战术导弹) 的自动驾驶仪都实现了自适应体制，而对于反舰导弹来说，应用自适应控制技术尤其具有特殊价值和意义。

神经网络控制是20世纪80年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径。神经网络控制是神经网络理论与控制理论相结合的产物，是发展中的学科。它汇集了包括数学、生物学、神经生理学、脑科学、遗传学、人工智能、计算机科学、自动控制等学科的理论、技术、方法及研究成果。在控制领域，将具有学习能力的控制系统称为学习控制系统，属于智能控制系统。神经控制是有学习能力的，属于学习控制，是智能控制的一个分支。神经控制发展至今，虽仅有十余年的历史，已有了多种控制结构。如神经预测控制、神经逆系统控制等。 美国物理学家Hopfield 提出了离散型Hopfield 神经网络和连续型Hopfield 神经经网络，引入“计算能量函数”的概念，给出了网络稳定性判据，尤其是给出了Hopfield 神经网络的电子电路实现，开拓了神经网络用于联系那个记忆和优化计算机的新途径。

利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。

预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。

工业生产的过程是复杂的，我们建立起来的模型也是不完善的。就是理论非常复杂的现代控制理论，其控制的效果也往往不尽人意，甚至在一些方面还不及传统的PID 控制。70年代，人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制等方面的研究外，开始打破传统的控制思想的观念，试图面向工业开发出一种对各种模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的新型算法。这样的背景下，预测控制的一种，也就是模型算法控制（MAC-Model Algorithmic Control ）首先在法国的工业控制中得到应用。因此预测控制不是某一种统一理论的产物，而是工业实践中逐渐发展起来的。同时，计算机技术的发展也为算法的实现提供了物质基础。现在比较流行的算法包括有：模型算法控制（MAC ）；动态矩阵控制（DMC ）；广义预测控制（GPC ）；广义预测极点（GPP ）控制；内膜控制（IMC ）；推理控制（IC ）等等。

60年代初期，卡尔曼(R.E.Kalman)系统地把状态空间法引入到系统和控制理论中，形成现代控制理论，并且很快在航天、航空等领域取得了巨大的成果，对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用。但是，实际工业过程的多变量、非线性、时变和不确定性等特点以及工程应用中要求考虑控制的实时性、有效性和经济性等因素，使得以精确数学模型为基础，立足最优性能指标且许多算法较为复杂的现代控制理论难以有效地应用于复杂的工业过程。

为了克服理论与实际应用之间的上述不协调性，自70年代以来，人们一方面为了提高数学模型的精确程度及考虑不确定性因素的影响加强了对系统辨识、工业过程的建模、自适应控制、鲁棒控制等方面的研究，另一方面开始突破传统控制思想的约束，试图面向实际工业过程的特点研究发展各种对模型要求低、在线计算简单方便、实时性好、控制效果佳的控制新算法。另一方面计算机技术的飞速发展，也为新的控制策略提供了良好的运行平台和基础。预测控制就是在这种情况下发展起来的一类新型控制算法。

预测控制技术最初由Richalet 和Cutler 提出[1]。由于预测控制从工业实践过程中发展起来，最大限度地结合了工业实际的要求、综合效果好，因而引起了工业控制界和理论学术界的广泛兴趣和关注，已经在理论和应用方面取得了显著的进展，而且各种预测控制算法不断产生并得到发展。

近20年来，国内外预测控制的研究和应用日趋广泛。各种有关预测控制的文献越来越多地出现在各种刊物和会议上。研究范围已经涉及到预测模型类型、

优化目标种类、约束条件种类、控制算法以及稳定性、鲁棒性等方面，也包括多变量系统、非线性系统以及其他控制方法与预测控制方法的结合如自适应预测控制、模糊预测控制、鲁棒预测控制、神经网络预测控制等，还包括大量的实际工业应用的研究。就目前的研究现状看，预测控制的研究中主要存在以下问题：理论分析难以深入；对多变量预测控制算法的稳定性、鲁棒性的研究亟待解决；对非线性系统的预测控制还没有很好地解决。要解决这些问题，在算法研究上应紧扣预测控制的模型预测、滚动优化和反馈校正这三大机理进行[6]。

预测模型的特点是重在功能而非结构，应充分利用对象的各种先验知识，建立没有结构限制的高质量模型，或利用对象过程中的有效信息建立多个不同结构和功能的预测模型并进行预测，基于某种综合优化指标，确立某个时段的优化控制方案，根据多个并行预测结果综合确定预测值。

优化策略的研究目前多为无约束的二次性能指标优化，实际问题则是多目标多自由度的优化问题，需要规范化并能快速求解。应研究优化策略，将与之对应的先进的控制器结构或方法结合进新的预测控制器结构中，从而得到适应性、鲁棒性和最优性更好的新的预测控制算法。

建立有效的反馈校正方法，将模型误差和干扰引起的预测误差分离开来，可对建模误差进行补偿校正，对干扰误差进行反馈校正，达到理想的校正效果。

为解决复杂工业过程中的不确定性、多目标优化问题，在算法上应与人工智能、神经网络、模糊控制相结合，并继续注重学科的交叉研究。另外，要注重预测控制理论的实际应用，从工业实际的现场去寻找预测控制需解决的或新出现的问题以及今后的发展方向。在这方面, 预测控制算法应用软件产品的发展也是至关重要的。

虽然预测控制的研究在理论分析方面碰到困难，但它的应用前景却是令人乐观的，因此应加强对预测控制的应用研究，从而推动预测控制向前发展。

短短20多年来，预测控制理论与应用得到飞速的发展，展示了其强大的生命力，为企业和国民经济的发展起到了巨大的促进作用。可以预言，随着预测控制理论和应用的不断发展和完善，必将在实际工业领域的控制中发挥越来越重要的作用，展现其美好的前景。

第二章 精馏塔控制系统

2.1 概述

精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度

下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。

轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。

精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。

2.1.1 精馏塔的控制要求

精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。

精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑。

1．质量指标

精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。对于多元精馏而言，则以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分是不易挥发的，称为重关键组分。产品组分含量并非越纯越好，原因是，纯度越高，对控制系统的偏离度要求就越高，操作成本的 精馏塔示意图

用要求适应。

2．物料平衡控制

进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。

3．能量平衡和经济平衡性指标

要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好的经济性。

4．约束条件

精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定的约束条件。 提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度要求应与使

气相速度限：精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象。

最小气相速度限：指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。

操作压力限：每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。

临界温度限：保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度，使精馏塔能够正常操作。

2.1.2 精馏塔的扰动分析

影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化、塔顶馏出物及底部出料量的变化。

影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化及塔的环境温度的变化等。

扰动有可控的也有不可控的。

1． 进料流量和进料成分

进料流量通常不可控但可测。当进料流量变化较大时，对精馏塔的操作会造成很大的影响。这时，可将进料流量做为前馈信号，引到控制系统中，组成前馈-反馈控制系统。

进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况下也是难以测量的。

2． 进料温度和进料热焓值

进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡。控制策略是采用蒸汽压力（或流量）定值控制，或根据提馏段产品的质量指标，组成串级控制。

3． 再沸器加热蒸汽压力

再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡。控制策略是组成塔压的定值控制，或将冷却水压力作为串级控制系统的副被控变量进行控制。

4．冷却水压力和温度

冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制。使用风冷时控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制。

5．环境温度

环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。

2.2 精馏塔的特性

2.2.1 精馏塔的静态特性

精馏塔的精态特性可以通过分析塔的基本关系来表述，即物料平衡和能量平衡关系。以图6.1-1所示的二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。

1．物料平衡关系

一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。图6.1-1所示的精馏过程，其物料平衡关系为：

总物料平衡 F =D +B （2.2-1） 轻组分平衡 F ⋅z f =D ⋅x D +B ⋅x B （2.2-2） 由式（2.2-1）和（6.2-2）联立可得： F x D =(z f -x B ) +x B D

D x D -z f 或 = （2.2-3） F x D -x B

式中 F 、D 、B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；

z f 、x D 、x B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。 同样也可写成： B x D -z f （2.2-4） =F x D -x B

从上述关系可看出：当D F 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即x D 、x B 下降。而当F 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即x D 、x B 上升。 然而，在D F （或B F ）一定，且z f 一定的条件下并不能完全确定x D 、x B 的数值，只能确定x D 与x B 之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定x D 与x B 两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。

2．能量平衡关系

在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度s 可用下式表示：

s =x D (1-x B ) （2.2-5） x B (1-x D )

从式（6.2-5）可见：随着分离度s 的增大，而x B 减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s 的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量V 和进料量F 的比值等。对于一个既定的塔来说： V s ≈f () （2.2-6） F

式（6.2-6）的函数关系也可用一近似式表示： V =βIn s （2.2-7） F

或可表示为：

式中β为塔的特性因子。 x (1-x B ) V =βIn D （2.2-8） F x B (1-x D )

由式（2.2-7）、（2.2-8）可以看出，随着V F 增加，s 值提高。也就是x D 增加，x B 下降，分离效果提高了。由于V 是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。而且由上述分析可见：V F 的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。

对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D /F 和V F 一定，这个它的分离结果，即x D 与x B 将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。 上述结论与一般工艺书中所说保持回流比R =L D 一定，就确定了分离结果是一致的。

精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。

2.2.2 精馏塔的动态特性

1．动态方程的建立

精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。以图6.2-1所示二元精馏塔第j 块塔板为例说明如何建立单板动态方程。

总物料平衡：

L j +1-L j +V j -1-V j =dM j

dt （2.2-9）

轻组分平衡： L j +1x j +1-L j x j +V j -1y j -1-V j y j =d [M j x j ]

dt （2.2-10）

式中:L 表示回流量，下标指回流液来自哪块板；V 表示上升蒸汽量，下标

指来自哪一块板的上升蒸汽；M 指液相的蓄存量；x 、y 分别指液相和气相中轻

组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。

由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来

说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当

复杂的。

2. 动态影响分析

通过上面的讨论，可知精馏塔动态方程的建立是复杂的，尤其建立一个精确

而又实用的动态方程更是具有一定的难度。因此从定性的角度来分析精馏塔的动

态影响，对合理设计控制方案有积极的指导意义。

1）上升蒸汽和回流的影响

在精馏塔内，由于上升蒸汽只需克服塔板上极薄覆盖的液相阻力，因此上升

蒸汽量的变化几秒钟内就可影响到塔顶，也就是说上升蒸汽流量变化的影响是相

当快的。

然而由塔板下流的液相有相当大的滞后。当回流量增加时，必须先使积存在

塔板上的液相蓄存量增加，然后在这增加的液体静压柱的作用下，才使离开塔板

的液相速度增加，所以对回流量变化的响应存在着滞后。

由此可得出这样的结论：要使塔上的任何一处（除塔顶塔板外）的气液比发

生变化，用再沸器的加热量作为控制手段，要比回流量的响应快。

2）组分滞后的影响

V 和L 的变化，引起x D 和x B 的变化，都是通过每块塔板上组分之间的平衡

施加影响的结果。由于组分要达到静态平衡需要一定的时间，所以尽管V 的变化

可较快影响到塔顶，但要使塔顶组分浓度x D 变化达到一个新的平衡仍要经过不

少的时间。同样D 的变化也是一样。且需花费更多的时间。

组分滞后的影响是由于塔板上的组分要等到影响组分的液相或气相流量稳

定较长时间后才能建立平衡。随着塔板上液相蓄存量的增加，组分滞后增加。因

此塔板数的增加及回流比的增加，均会造成塔板上液相蓄存量的增加，从而导致

组分的滞后也增加。当再沸器加热量Q 的增加而引起V 的增加，通过改善气、液

接触，可以减少组分的滞后。

3）回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响

由物料平衡关系可知：在F 一定的情况下，改变D 和B 均能引起x D 和x B 的

变化。实际上D 的变化是通过L 的变化（在回流罐液位不变时）才能影响到塔内

的气液平衡，从而控制产品的质量x D 和x B 。然而，回流罐有一定的蓄液量，从D

变化到L 的变化会产生滞后。同样B 的变化也是通过V 的变化（在塔釜液位不变

时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量x D 和x B 。塔釜的蓄液量

也会使B 的变化到V 的变化产生滞后，通常塔釜截面积要比回流罐小得多，所以，

由于塔釜蓄液量引起的滞后要比回流罐的蓄液量引起的滞后小。

2.3 精馏塔被控变量的选择

精馏塔被控变量的选择，主要是讨论质量控制中的被控变量的确定，以及检

测点的位置等问题。通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号

和间接的温度信号。

2.3.1 采用温度作为间接质量指标

对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温

度作为被控变量。对于多元精馏塔。由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同

系物，在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小。因此，绝大多数精

馏塔仍采用温度作为间接质量指标。

采用温度作为间接质量指标的前提是塔压恒定。因此，下述控制方案都认

为塔压已经采用了定值控制系统。

1． 精馏段的温度控制

精馏段温度控制以精馏段产品的质量为控制目标，根据温度检测点的位置不

同，有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。操纵变量可选择回流

量L 或塔顶采出量D 。也可将塔釜采出量B 作为操纵变量，但应用较少。

采用塔顶温度作为被控变量，能够直接反映产品质量，但因邻近塔顶处塔

板之间的温度差很小，该控制方案对温度检测装置提出较高要求，例如高精确度、

高灵敏度等。此外，产品中的杂质影响产品的沸点，造成对温度的扰动，因此，

采用塔顶温度控制塔顶产品质量的控制方案很少采用，主要用于石油产品按沸点

的粗级切割馏分处理。

采用精馏段灵敏板温度作为被控变量，能够快速反映产品成分的变化。灵

敏板是在扰动影响下塔板温度变化最大的塔板。因此，该塔板与上下塔板之间有

最大的浓度梯度，具有快速的过程动态响应。图6.3-1显示第11塔板是灵敏板，

该塔板在扰动正反向变化时具有相接近的较大的增益。灵敏板位置可仿真计算或

实测确定，因塔板效率不易准确估计，因此，实际应用时，可在计算的灵敏板上

下设置若干温度检测点，根据实际运行情况选择。

中温通常指加料板稍上或稍下的塔板，或加料板的温度。采用中温作为被控

变量，可以兼顾塔顶和塔底成分，及时发现操作线的变化。但因不能及时反映塔

顶或塔底产品的成分，因此，不能用于分离要求较高、进料浓度变化较大的应用

场合。

采用精馏段温度控制的场合是：

①对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格；

②全部为气相进料；

③塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，提馏段塔板

温度变化不显著，或进料含有比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质。

2．提馏段的温度控制

提馏段温度控制以提馏段产品的质量为控制目标，根据温度检测点位置可分

为塔底温度、灵敏板温度和中温控制等。操纵变量可选择再沸器加热蒸汽量V s 或

塔底采出量B 。也可将塔顶采出量D 作为操纵变量，但应用较少。控制策略与精

馏段温度控制类似。

采用提馏段温度控制的场合是：

①对塔底产品成分的要求比对塔顶产品成分的要求严格；

②全部为液相进料；

③塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，精馏段塔板

温度变化不显著，或进料含有比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质；

④采用回流控制时，回流量较大，它的微小变化对产品成分影响不显著，而

较大变化又会影响精馏塔平稳操作的场合。

3．采用压力补偿的温度作为间接质量指标

塔压恒定是采用精馏塔温度控制的前提。当塔压变化或精密精馏等控制要求较高时，

微小的压力变化将影响温度和成分之间的关系，因此，需对温度进行压力补偿。常用的补偿

方法有温差控制、双温差控制和补偿计算控制。

1）温差控制

精馏塔中，成分是温度和塔压的函数，当塔压恒定或有较小变化时，温度

与成分有一一对应关系。但精密精馏时，产品纯度要求较高，微小塔压变化将引

起成分波动。例如，苯-甲苯分离时，压力变化6.67kPa ，苯的沸点变化为2℃。

温差控制的原理是以保持塔顶（或塔底）产品纯度不变为前提的，塔压变

化对两个塔板上的温度都有影响，且影响有几乎相同的变化，因此，温度差可保

持不变。通常选择一个塔板的温度和成分保持基本不变的作为基准温度，例如，

选择塔顶（或稍下）或塔底（或稍上）温度。另一点温度选择灵敏板温度。

温差控制常应用于分离要求较高的精密精馏。例如，苯-甲苯-二甲苯、乙

烯-乙烷、丙烯-丙烷等精密精馏。应用时要注意选择合适的温度检测点位置，合

理设置温差设定值，操作工况要平稳。

2）双温差控制

精馏塔温差控制的缺点是进料流量变化时，会引起塔内成分变化和塔压压降变化。他

们都使温差变化。前者使温差减小，后者使温差增大，使温差与成分呈现非单值函数关系。

双温差控制的设计思想是进料对精馏段温差的影响和对提馏段温差的影响相同，因此，可用

双温差控制来补偿因进料流量变化造成的对温差的影响。应用时除了要合适选择温度检测点

位置外，对双温差的设定值也要合理设置。

3）根据压力补偿计算温度设定值的控制

采用计算机控制装置或DCS 进行精馏塔控制时，由于计算机具有强大的计

算功能，因此，对塔压变化的影响也可用塔压补偿的计算方法进行。补偿公式如

下:

dT d 2T T sp =T s +(p -p 0) +2(p -p 0) 2 (2.3-1) dp dp

式中，T s 是产品所需成分在塔压p 0时对应的温度设定值；p 是塔压测量值；

p 0是设计的塔压值；T sp 是在实际塔压p 条件下的温度设定值。因此，组成根据

塔压模型计算温度设定值的控制系统。应用时需合理设置补偿公式中的系数项，

通常，取到二次幂已经满足控制要求。当精确度不能满足产品纯度要求时，也可

增加幂次。此外，对塔压信号需进行滤波，温度检测点位置应合适，补偿系数应

合适。

2.4 精馏塔的基本控制

精馏塔有多个被控变量和多个操纵变量，合理选择他们的配对，有利于减小系统的关

联，并使精馏塔的操作平稳。

精馏塔控制中变量配对的三条准则：

①当仅需要控制塔的一端产品时，应选用物料平衡方式控制该端产品的质

量；

②塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量；

③当塔两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端

采用物料平衡方式控制其质量，对含纯产品较多，杂质较少的一端采用能量平衡

方式控制其质量。

当选用塔顶产品馏出物流量D 或塔底采出量B 作为操纵变量控制产品质量

时，称为物料平衡控制方式，当选用塔顶回流量L 或再沸器加热蒸汽量V 作为操

纵变量时，称为能量平衡控制。

2.4.1产品质量的开环控制

精馏塔产品的质量开环控制是不采用质量指标作为被控变量的控制。这里，

质量开环控制指没有根据质量指标的控制。因此，精馏塔的质量开环控制主要是根据物料平衡关系，从外围控制精馏塔的D F （或B F ）和V F ，使其产品满

足工艺要求。

1. 固定回流量L 和蒸汽量V

当进料量及其状态恒定时，采用回流量L 、蒸汽量V 定值控制，就能使D 和

B 固定，有公式可知，产品的成分就可确定。控制方案如图6.4-1所示，变量的

配对见表1-2。

表1-2 固定回流和蒸汽量的变量配对

为消除进料量的扰动，可对进料量进行定值控制。当进料量来自上一工序，

变化很大时，可将进料量作为前馈信号，与回流量和蒸汽量组成前馈-反馈控制

系统。

2. 固定塔顶馏出量D 和蒸汽量V

当回流比很大时，控制馏出量D 比控制回流量L 更有利。例如，L =50，D

=1，则控制回流量L 变化1%，D 将变化50%，因此，采用控制D 可使操作更平稳。

控制系统的变量配对见表1-3，控制方案如图6.4-2所示。

表1-3 固定塔顶馏出量和蒸汽变量配对

3. 固定塔底采出量B 和回流量L

控制塔底采出量B 与控制再沸器蒸汽量V 的控制方案与方案一相似。方案

一直接控制蒸汽量V ，塔釜液位则改用蒸汽量控制。变量配对见表1-4，控制方

案如图2.4-3所示。

表1-4 固定塔底采出量和回流量变量配对

图2.4-1 开环质量控制方案一 图2.4-2 开环质量控制方案之二 图2.4-3 开环控制方案之三

2.4.2精馏塔的塔压控制

精馏塔压的恒定是采用温度作为间接质量指标为前提。影响塔压的因素有：进料流量、

进料成分、进料温度、塔釜加热蒸汽量、回流量、回流液温度、冷却剂压力等。

1. 加压精馏塔的压力控制

（1） 液相采出，流出物含大量不凝物。控制方案如图2.4-4。

当冷凝器阻力较小，用回流罐气相压力能反映塔压变化时，可取自回流罐气相压力，

以提高动态响应。

（2） 液相采出，流出物含小量不凝物。采用分程控制，控制方案如图2.4-5。

图2.4-4 液相采出，流出物含大量不凝物 图2.4-5 液相采出，流出物含少量不凝物

塔压先通过改变冷却剂量调节，当冷剂全开后，塔压仍不能下降时，说明塔内已积存

较多不凝性气体，这时，打开气相排气阀，将不凝性气体排放，降低塔压。

（3） 液相采出，流出物含微量不凝物(如图6.4-10(a)(b)(c)所示) 。

方案（a ）用塔压控制冷却水量，最节省冷却水量。

方案（b ）用冷凝液面控制冷却量，动态响应差。

方案（c ）用热旁路，改变进入冷凝器的气体推动力，即改变冷凝器两端的压差，动态

响应较灵敏。

(a) (b) (c)

图2.4-6(a)(b)(c)气相采出时塔压控制方案

（4） 气相采出。以气相采出量作为操纵变量组成单回路控制系统（如图6.4-11所

示）。

图2.4-7气相采出时塔压控制方案

当气相采出是下一工序进料时，可采用塔压为主被控变量、气相出料流量为副被控变量

的串级均匀控制系统。

2． 减压精馏塔的压力控制

当减压塔的压力控制采用蒸汽喷射泵抽真空时，可采用如图6.4-12所示的控制方案。

由于蒸汽喷射压力与真空度有一一对应关系，因此，可采用蒸汽喷射压力恒定的控制系统，

同时，采用吸入支管的控制阀进行微调。当减压塔的压力采用电动真空泵时，常采用调节不

凝气体的抽出量来保证塔顶的真空度，控制阀安装在真空泵回流管。 图2.4-8 减压塔压力控制

3． 常压精馏塔的压力控制

对塔顶压力的恒定要求不高时，可采用常压精馏。它不需要压力控制系统。仅需在精馏

设备（冷凝罐或回流罐）上设置一个通大气的管道，用于平衡压力。如果空气进入塔内会影

响产品质量或引起事故时、或对塔顶压力的稳定要求较高时，应采用类似加压塔的压力控制，

防止空气吸入塔内并稳定塔压。

有时亦采用常压塔的塔压力控制，塔釜的压力恒定等效于控制塔压力降恒定。被控变量是塔釜气相压力，操纵变量是加热蒸汽量。分离要求不太严格的常压塔常采用该方案。

第三章 串级控制系统

3.1. 串级控制的基本概念

串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高个系统的品质，因此串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环快得多。

3.2. 串级控制系统的原理

串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制要求。主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。图1为串级控制系统的结构图。

图1 串级控制系统的结构图

3.3. 串级控制系统的特点

（1） 副控制回路具有快速性，能够有效的克服进入副控回路的二次干扰。图

2为简化串级控制系统的结构图，其中

G v 2(S ) 为二次干扰通道传递函数。

图2 串级控制系统简化结构图

当二次干扰经扰动通道G v 2(S ) 进入副控回路后，首先影响副参数Y 2(S ) ，于是副控制器立即动作，力图削弱干扰对Y 2(S ) 的影响。显然，干扰经副控回路的抑制后再进主控回路，对Y (S ) 的影响将有较大的减弱。按图2所示的串级系统，二次干扰V 2(S ) 到主参数Y (S ) 的传递函数是

G v 2(S ) G 1(S ) Y (S ) （3.1） =V 2(S ) 1+D 2(S ) G 2(S ) +D 1(S ) G 1(S ) D 2(S ) G 2(S )

为了与一个简单单环控制系统相比，由图3可以得到单回路控制下干扰V 2(S ) 至主参数Y (S ) 的传递函数是

G v 2(S ) G 1(S ) Y (S ) （3.2） =V 2

(S ) 1+D (S ) G 1(S ) G 2(S )

图3 单回路控制系统结构图

比较（3.1）和（3.2），假定D (S ) =D 1(S ) , 可以看到串级系统中的Y (S ) 2(S ) 的分母中多了一项，即D 2(S ) G 2(S ) 。在主控回路的工作频率下，这项乘积的系数一般较大，且随副控制器比例增益的增大而增大。另外（3.1）分母中的第三项

比（3.2）分母中的第二项多了一个D 2(S ) ，一般情况下，副控制器的比例增益大于1，因此可以说，串级控制系统的结构使二次干扰V 2(S ) 对主参数Y (S ) 这一通道的动态增益明显减小，当二次干扰出现时，很快被副控制器所克服。与单回路控制系统相比，被控量受二次干扰的影响可以减小至原来的~。

（2） 由于副控回路起到了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主控制器的增益提高系统的工作频率。

如果把整个副控回路看作一个等效对象，记作 ' G 2(S ) =Y 2(S ) (3.3) R 2(S )

并且假设副控回路中各环节传递函数为 G 2(S ) =

则副控回路的等效传递函数为 K c 2K p 2

' 1+K c 2K p 2K p Y 2(S ) D 2(S ) G 2(S ) 2===' G (S ) = (3.5) T S R 2(S ) 1+D 2(S ) G 2(S ) T p 2+1p 21+1+K c 2K p 2' 2K p 2T p 2S +1; D 2(S ) =K c 2 （3.4）

其中 K '

p 2=K c 2K p 2

1+K c 2K p 2

T p 2

1+K c 2K p 2 （3.6） T p ' 2= (3.7)

分别是等效对象的增益和时间常数。

' 比较G 2(S ) 和G 2(S ) ，由于1+K p 2K c 2>1这个不等式恒成立。因此有

T p ' 2

上式表明，由于副控回路的存在，起到改善动态特性的作用，等效对象的时间常数缩小了1+K p 2K c 2倍，且随副控制器比例增益的增大而增大。通常情况下，副控制器的比例增益可以取得较大，这样等效的时间常数就可以减到很小的数值，从而加快了副控回路的响应速度，提高了系统的工作频率。

（3）、由于副控回路的存在，使系统的自适应能力增强。