过程控制课程设计-精馏塔温度控制系统

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1、 1 过程控制系统与仪表课程设计过程控制系统与仪表课程设计 目录目录 一、一、 研究对象 错误错误!未定义书签。未定义书签。 二、 研究任务 错误错误!未定义书签。未定义书签。 三、 仿真研究要求.4 四、 传递函数计算.5 五、 控制方案 错误错误!未定义书签。未定义书签。 1. 单回路反馈控制系统 6 1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 2) PID 参数整定 7 3) 系统仿真. 错误错误!未定义书签。未定义书签。 4) 对象特性变化后仿真 . 12 2. Smith 预估补偿控制系统 错误错误!未定义书签。未定义书签。 1) 控制方案的系统

2、框图和工艺控制流程图 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 2) 控制系统方框图 错误错误!未定义书签。未定义书签。 3) 系统仿真. 21 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 2 一、一、 研究对象研究对象 D LC F 精 馏 塔 R Rm T Tm u Fm Pp Pt VR VD 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

3、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 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 %） ，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

4、如下： （1） 该精馏塔的静态工作点为 T0 =120 ，F0 =50 T/hr（吨/小时） ，R0 =15 T/hr，Pp0 = 0.92 MPa，Pt0 = 0.88 MPa，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 0 100 T/hr， 塔顶冷回流量 R 的测量范围为 0 25 T/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

5、环节来近似，温 度测量环节的一阶时间常数 1 0 .8T，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 1 )( )( )( su sf sG V v 。 （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)( )( )( 2 2 2 sT K sf sR sG V p ， 2 2 2 ( ) ( ) ( )1 d d pd KRs G s P sT s 其中)(sfV为控制阀 VR相对流通面积的变化量，%；T2基本不变，这里设 2 0.7T分； 2d T、K2、Kd2在一定范围内变化，这里设 2d T、K2、Kd2的变化范 3 围

6、 分 别 为 2 0.1 ,0.2 d T 分 ；35.0, 1.0 2 K(T/hr)/% ；30,10 2d K (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 s sT K sR sT sG p p p p exp 1)( )( )( 1 1 1 ； s sT K sF sT sG d d d d exp 1)( )( )( 1 1 1 ； 其中对象特性参数均可能在以下范围内变化：5.1,0.3 1 p K /(T/hr)， 1 4.0,6.0 p T 分 ，5.0,7.0 p 分 ；2.0,4.0 1 d K /(T/hr) ， 0.8, 0.6 1d T分，4.0,6.0 d 分。 二、二、 研究任务研究任务 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