精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统设计

天津城建大学

课程设计任务书

2016 -2017学年第 2学期

控制与机械工程学院 自动化专业 班级2姓名樊良昊 学号1422060211 课程设计名称： 过程控制 设计题目： 精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统设计

完成期限：自 2017 年 7 月 3 日至 2017 年 7 月 7 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 一、设计任务

精馏塔是化工、石油化工、炼油生产中应用极为广泛的传质传热过程，其目的是将混合物中 的各组份分离，达到规定的纯度。

精馏塔釜温度是保证产品分离纯度的重要指标，工艺上要求温度偏差≤±1.5℃，所以将塔釜温度作为衡量质量指标的间接指标，而以给再沸器提供热量的蒸汽流量作为控制手段的方案，组成单回路控制系统。

e -4s 1.25e -44s

假设主被控对象的数学模型为G (s ) =，副被控对象的数学模型为G (s ) =，控制器2

12s +1(25s +1)

采用PI 控制规律，K P =0.45，T I =1/120。设定值为1300℃。 二、设计要求：

1） 画出控制系统框图；

2) 采用 MATLAB

对系统的阶跃响应进行仿真，根据仿真结果，判断塔釜温度的最大偏差是否满足工

艺要求？

3) 在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，根据仿真曲线，分析系统调节时间。

4) 将蒸汽流量作为副变量，把蒸汽压力的干扰包括在副回路中，构成精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统。副控制器选择P 作用，主控制器选择PID 作用，整定串级控制系统的参数为最佳值。

5) 在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线，最大偏差是否满足工艺要求？ 三、设计报告

课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。 四、参考资料

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004 [2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材

指导教师（签字）： 系主任（签字）：

批准日期： 2017 年 6月 17 日

目录

第一章绪论 ................................................................................................................................................................1 第二章 题目要求 ......................................................................................................................................................2 第三章 总体设计方案 ..............................................................................................................................................2

3.1系统器件选择 .............................................................................................................................................2 3.2 硬件设计方案 ............................................................................................................................................3 第四章 控制算法选择 ..............................................................................................................................................4 第五章 控制参数整定 ..............................................................................................................................................4 第六章 心得体会 ......................................................................................................................................................7 参考资料 ....................................................................................................................................................................8

第一章绪论

过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。

本次课程设计采用串级控制的方法，串级控制是改善控制质量的有效方法之一，在控制过程中得到了广泛应用。串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次干扰有很强的克服能力；提高了对一次扰动的客服能力和对回路参数变化的自使用能力。串级控制系统在工业应用上，用于克服被控过程较大的容量滞后、用于克服被控过程的纯滞后、可以抑制变化剧烈而且幅度大的扰动、并克服被控过程的非线性。

第二章 题目要求

1. 画出控制系统框图。

2．采用 MATLAB对系统的阶跃响应进行仿真，根据仿真结果，判断塔釜温度最大偏差是否满足工

艺要求？

3． 在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，根据仿真曲线，分

析系统调节时间。

4． 将蒸汽流量作为副变量，把蒸汽压力的干扰包括在副回路中，构成精馏塔釜温度与蒸汽流量串

级控制系统。副控制器选择P 作用，主控制器选择PID 作用，整定串级控制系统的参数为最佳值。

5． 在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线，最大偏差是否满足工艺要求？

第三章 总体设计方案

单回路控制系统框图

串级控制系统框图

3.1系统器件选择（包括器件参数）

温度传感器选择：

热点偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（MV ）信号，配以测量毫伏的只是仪表或变送器可以实现温度的测量只是活温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500度以上的高温，可以在1600度高温下长期使用。

铂铑10-铂热点偶传感器测温范围在0—1600度，WRP 型铂铑10-铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0-1600度环境下。 调节器与执行器、传感器的选型

调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即4—20MA 直流电流和1—5伏直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250欧。

调节器 温度传感器 调节阀 818型PID 调节器 WRP系列热电偶传感器 ML7420A 流量传感器 变频器 水泵

MLF-1 西门子MM440 0.37kw

3.2 硬件设计方案

副参数：蒸汽流量 主参数：塔釜温度

当仅有作用流量对象的二次干扰D2加入时，Y2上升，由于Y2变化需要经过一段时间才会引起Y1的变化，故认为Y1暂时不变，则Z1也暂时不变，因R1是给定值，所以E1，R1也不变，从而有：D2上升，Y2上升，Z2上升，E2=R2-Z2下降，阀门开度下降，Y2下降，可见一旦有二次干扰，副回路即对副参数变量进行调节，使其回到受干扰前的数值上，但初始时Y2的上升经一段时间后会影响Y1 的上升，则有： D 2→Y 2↑→Y 1↑→Z 1↑→E 1(=R 1-Z 1) ↓→R 2↓→ E 2↓→Y 2↓→Y 1↓

主、副调节器正反作用方式确定：

由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入精馏塔，确保设备安全，调节阀的Kv ﹥0。主调节器作用方式确定：蒸汽流量增加，塔釜温度升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积须为正，则副调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器Kc>0，副调节器作用方式为反作用方式。

控制系统硬件接线图

第四章 控制算法选择

在精馏塔温度串级控制系统中，我们以塔釜温度为主要被控参数，塔釜温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为精馏塔串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID 调节作为主调节器的调节规律。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以副调节器调节规律选择P 控制。 调节器1：P=2;I=0.454;D=0;SN=33;CF=0;ADDR=1;SV=8; DIH=50; DIL=0;

副调节器：P=1； 第五章 控制参数整定

在比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图所示：

在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，仿真曲线如图所示：

由仿真框图可以看出这时的调节时间（在单位阶跃响应曲线的稳态值附近，取±5%作为误差带，响应曲线达到并不超过该误差带的最小时间）Ts 大约为2500左右。由仿真曲线图可观察知：因塔釜温度最大偏差为3.5℃，单回路控制系统不能满足工艺要求。

保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为10：1的比例度P 1S ，记取过渡过程的振荡周期T 1S 。当衰减比为10：1时，比例度P 2s 为1，Tr 为210。 主、副调节器参数整定好以后系统响应曲线如图所示：

在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线如图所示：

若采用以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参数的串级控制系统，把蒸汽压力变化这个主要扰动包括在副回路中，充分运用对于进入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特点，将副调节器的比例放大系数调到1. 实际运行表明，塔釜温度的最大偏差未超过1.5℃，完全满足了工艺要求。

第六章 心得体会

在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。

在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。

参考资料

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004

[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000

[3] 过程控制教材

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