精馏塔温度控制仿真设计毕业设计

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1、 编 号：_审定成绩：_ 毕 业 设 计 （论 文）设计（论文）题目: 精馏塔温度控制仿真设计 单 位（系别）： 自动化系 学 生 姓 名： * 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 05131102 填表时间： 2015 年 6 月重庆邮电大学移通学院教务处制重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目 精馏塔温度控制系统仿真设计 学生姓名 * 系别 自动化系 专业 电气工程与自动化 班级 指导教师 职称 讲师 联系电话 教师单位 重庆邮电大学移通学院下任务日期 2014 年 12 月 30 日 主 要 研 究 内 容 、 方 法 和 要

2、 求1.确定精馏塔温度控制系统的控制方案，给出系统总体设计方案；2.进行器件选型，选择系统中所用传感器、变送器、控制器和执行器的型号和参数；3.建立控制系统的数学模型，并给出系统的详细设计；4.应用MATLAB对系统进行仿真分析。 进 度 计 划1.01 3.15 查阅资料，撰写开题报告，翻译英文文献3.16 4.30 撰写毕业论文，完成初稿5.01 5.22 修改论文，完成终稿5.23 5.29 论文评阅、答辩准备5.30 6.05 论文答辩 主 要 参 考 文 献1 陈曦,何益.化工精馏塔的PLC温度控制系统设计J.仪表技术与传感器,2011(11):77-792 李国勇.过程控制系统M.

3、北京：电子工业出版社，2009.53 赵广元.MATLAB与控制系仿真实践M.北京：北京航空航天大学出版社,2012指导教师签字： 年 月 日教研室主任签字： 年 月 日备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。摘 要 精馏是在炼油、化工等众多生产过程中广泛应用的一个传质过程。精馏过程通过的汽化与冷凝，使混合物料中的各组份分离，分别达到规定的纯度。精馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量消耗，因此精馏塔的自动控制问题长期以来一直受到人们的高度重视。 本文首先简述了板式精馏塔

4、的工作原理，对精馏塔的扰动进行了分析，综合各方面因素考虑，通过对各温度控制系统的比较，最终选择了串级控制系统为系统的控制方案。其次，对精馏塔温度控制系统的硬件进行了分析设计，并对系统中所用的传感器、变送器、控制器和执行器进行了选型。温度传感器选择SBWR-2260K热电偶温度变送器，调节器选择DDZ-2400DDZ-型PID调节器。然后，对温度控制系统进行了数学建模，介绍了建模方法，建立了系统的数学模型，对构建的数学模型进行了详细分析。最后，运用MATLAB中的SIMULINK模块构建了系统模型，对系统进行了调试和仿真，通过对比仿真结果，进行结果分析得出，主回路加干扰串级控制系统具有较强的抗干

5、扰能力，取得了令人满意的控制效果。【关键词】精馏塔 串级控制 MATLAB仿真ABSTRACT Distillation is widely used in the refining, chemical and production process, that is a mass transfer process. Through repeated vaporization and condensation, the distillation process make each component of the mixture compound separation, to achieve t

6、he required purity. The basic principle of distillation is the partial gasification of the liquid mixture, each component of the volatility characteristics, separation of the purpose of unit operations. Control of the distillation column is a direct impact on product quality, production and energy c

7、onsumption, automatic control of distillation column has long been subject to great attention.Firstly, this paper outlines the working principle of the plate distillation column, disturbance distillation column were analyzed various factors to consider, by cascade control system for the control sche

8、me of the system. Secondly, the hardware rectification column temperature control system design were analyzed, and the system used in sensor, transmitters, controllers and actuators of the selection. Temperature sensor selection SBWR-2260K thermocouple temperature transmitter, regulator select DDZ-2

9、400 DDZ- type PID regulator.Then, the temperature control system mathematical modeling, introduces the modeling method, a mathematical model of the system, the mathematical model constructed analyzed in detail.Finally, the use of SIMULINK module MATLAB constructed model, the system debugging and sim

10、ulation, by comparing the simulation results, the results of the analysis concluded the main circuit and interference cascade control system has strong anti-jamming capability, achieved satisfactory control effect.【Key words】Fractionator Cascade Control Matlab Simulation目 录前 言1第一章 绪 论2第一节 课题研究的背景和意义

11、2第二节 精馏塔控制的现状4一、精馏塔国内发展现状4二、国外精馏塔及其技术的发展现状4三、现阶段精馏塔还存在的问题及解决方案5第三节 课题研究的内容和章节安排5一、研究内容5二、章节安排6第二章 精馏塔温度控制方案设计7第一节 概述7第二节 精馏塔的扰动分析7第三节 温度控制方案的设计11一、控制变量的选择11二、温度控制方案的选择11第三章 控制系统的硬件设计16第一节 温度变送器的选择16一、特点16二、主要技术指标17第二节 执行器的选择17第三节 调节器的选择18第四节 调节器与执行器、检测变送器的选型19第四章 控制系统的数学模型20第一节 数学模型简介20一、数学模型的定义及特征2

12、0二、建模应用21第二节 建立数学模型的目的22第三节 建模的方法22一、机理建模22二、经验建模23三、物料和能量守恒关系23四、一阶系统建模24第四节 建立数学模型24第五章 系统的MATALAB仿真27第一节 系统仿真技术的概述27第二节 MATALAB简介27第三节 SIMULINK的简介28第四节 使用MATLAB对实验结果进行仿真29结 论34致 谢35参考文献36附 录38一、英文原文38二、英文翻译4145- -前 言现代工业高速运转，塔设备的也不断出现和更新换代，过去的许多塔设备在控制方面达不到要求而被淘汰。在对塔设备控制中，温度是一个最重要的过程变量，可以说是精馏塔生产的命

13、脉所在。可是，用寻常的温度控制的方法，受潜力所限，已经不能满足现代工业生产的高性能需求。人们开始用串级控制对温度进行控制，不仅具有控制简单、方便、灵活性大等优点，且可以大幅度提高被测量温度的要求指标，从而能够大大提高产品的数量和质量，使得企业不被高速发展的工业时代所淘汰。70年代以来，在工业生产过程的推动下，随着电子技术领域飞速发展，以及自动控制理论和设计方法不断成熟的背景推动下，精馏塔对的温度控制正在逐渐趋于成熟化发展，且在智能化方面也取得了一定的成果。在此领域中日本，美国等国家的技术处于领先位置，他们已经率先生产出了一些高精度且产品质量很好的温度控制产品，已经被广泛的运用到了人们的日常生活

14、中了。串级温度控制系统的诞生，为现代工业注入了新鲜的血液。对此，选择精馏塔温度控制系统仿真设计作为设计题目，有着实在的意义。与石油化工、食品生产、日常生活以及对环境保护都有着密切的关系。精馏塔温度控制采用一种高精度的、能耗小且简便的温度控制系统将会给工业生产和环境保护带来巨大的价值。经过这次设计能使本人对精馏塔温度控制系统有初步的了解，为将来工作奠定一定的基础。近几年，国内外都对精馏塔温度控制系统进行了大量的研究，在各国都对精馏塔温度控制方面投入了大量研究的经费。精馏塔温度控制已经被列为未来对精馏塔控制领域的几大研究方向之一，具有广阔的市场前景。第一章 绪 论第一节 课题研究的背景和意义精馏是

15、一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业生产中运用的最广的液体混合物分离的方法，主要用于石油、化工、轻丁、食品、冶金等部门。精馏按照操作方法的不同进行分类。根据操作方法，可分为连续精馏和间歇精馏这两种;根据混合物的组分数，可分为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏（包括萃取精馏、恒沸精馏和加精馏）根据塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔板式塔，塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传质，属于逐级接触式塔设备。填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润

16、湿的填料表面进行传热和传质，属于连续接触式塔设备。若精馏过程伴有化学反应，则称为反应精馏。原理双组分混合液的分离是最简单的精馏操作。典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝，部分凝液作为回流液返回塔顶，其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升，在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的

17、物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。两段操作的结合，使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。当使n组分混合液较完全地分离而取得n个高纯度单组分产品时，需要有n-1个塔。因为对回流技术的运用使液体混合物精馏更加完全，得到质量更高的产品。塔底高浓度且难挥发的蒸汽和塔顶高浓度易挥发的液体可以通过回流的方式返回到蒸馏塔中。这样在塔的两端就可以分别得到十分纯净的单组分产品，因为逆流接触的气液两相形成了汽液回流

18、。回流比是塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量的比值16。精馏操作一个非常重要的控制参数就包含的有回流比，因为回流比变化直接的影响了精馏操作的分离效果和精馏塔的能耗。精馏操作包含了几个重要的指标它们分别是：产品的纯度。在板式塔中的塔板数或者是填充塔填料层的高度，还有就是料液加入的位子和回流比等，对产品的纯度都有一定的影响。精馏塔精馏操作中用来控制产品质量最主要的方法之一就是对回流比的调节。组分回收率。它的定义为产品中组分的含有量与液料中的组分含量的比值15。操作的总费用。它包含了冷凝器的冷却费用、再沸器的加热费用以及设备的维修费，因为生产过程中回流比是不确定的，这导致了前面两相的费用也会随之变动。

19、除此之外，即使是使用相同的加热量和冷却量，加热和冷却的费用都是不一样的，它们的费用随着沸腾温度和冷凝温度的变化二变化，特别值得注意的是当不使用水蒸汽作为加热剂或者不能使用空气或者冷却水为冷却剂的时候，这两项花费的钱会变得非常的多。如果选择操作的压力适当时，有可能避免使用高温加热剂或者低温冷却剂（或冷却剂），但是增加了加压或抽真空的操作费用。加热回流装置主要应用在冷凝回流，在有机制备中用得较为广泛，如有机物的提纯、蒸馏、以及水与可溶杂质的分离（制各蒸馏水）等等。其原理是利用它们的沸点不同可以使液态物质分离，而且，在制备有机物的过程中，可以减少易挥发反应物质的损失，从而提高产率。欧美对回流方面的控

20、制技术是远远领先与我们国家，“点位控制” 和寻常的PID控制是我国现阶段应用比较多的产品，但是“点位控制”和寻常的PID控制只适合一些寻常性质系统过程的控制，但是对于复杂、滞后以及时变过程系统的控制达到要求都很困难。然而，对于智能化、自适应控制方面等高要求控制技术还是达不到标准。在国外对于仪表控制参数的自整定技术成熟产品已经很多了，但是由于其技术的保密性，以及我国开发的滞后性，因此我国还没有开发出性能比较稳定的软件。因此，智能化、人性化以及高精度的过程控制系统是国内外发展的方向。在金属冶炼、食品等领域回流控制技术有着非常广的应用。如工作繁琐、运行惯性大、不确定的参数以及控制滞后等都是回流控制特

21、点。因此，这也导致在选择控制调节器时要求非常苛刻。如今，在我们国家石油化工企业存在着很多问题，比如控制精度不够高、塔顶温度控制偏差大，在工艺方面也达不到标准，导致了设备的运行成本费变高、资源浪费以及产品的质量达不到要求，影响了企业的生产量，降低企业的收益。在电力、化工、机械制造、冶金以及食品加工等领域中温度是一个非常常见的一个控制指标之一。因为人们需要对各类反应炉、热处理炉、加热炉以及锅炉的炉温进行检测以及控制。但是由于工况复杂、运行惯性大、参数多变、控制滞后等特点，导致对控制调节器的要求也极为苛刻。如今在计算机飞速发展和自动化控制系统发展的推动下，PID控制已经成为运用最多的调节控制规律。温

22、度控制系的发展已经可以用迅猛来形容了，并且在智能化、参数自整定等方面面已经有了很好的成绩。温度控制系统拥有很多特点：适应受控系统过程复杂、参数时变的控制系统；自适应、智能化、参数自整定等力一面取得了卓越的成绩；适应大滞后、大惯性等复杂的过程控制系统；计算机软件技术方面的应用，对，对控制参数和特性进行自动整定。它能够根据历史记录和控制对象的变化，自动调整相关参数，达到了控制效果的最优化；控制系统多数采用自校正控制、自适应控制、模糊控制、人工智能等技术；控制系统既有控制精度高、鲁棒性好、抗干扰能力强的特点。现如今控制系统正向着小型化、智能化以及高精度等领域飞速的发展。如今，国际上许多企业对温度控制

23、器进行了更加深入、广泛的研究，尤其是在现代计算机技术得到飞速发展的前提下，而且对温度控制器的研究已经取得了十分满意的成果，如智能化PID、自适应控制、模糊控制，使其达到了性能优越、控制效果好，已经在各种温度控制系统和石油化工部门等相关设备的拉术改造中推广了。第二节 精馏塔控制的现状一、精馏塔国内发展现状一个国家在工业发面的水平和国防方面的实力与这个国家的化工生产方面水平是积极相关的。在化工产业里面精馏塔有着举足轻重的作用，而我国精馏塔等设备的改造技术有很多性能和质量很好的新型板式塔已经成功的运用，比如由锦西炼油化工总厂分别与石油大学和华东理工大学一起研发的SUPERRRV1浮阀塔板装备与浮阀塔

24、板装备的精馏塔，都是在原来已经成熟技术上进行了更加深入的研究成果。但是根据中国的实际情况，与欧美的发达国家相比我国的塔设备的建造发展起步比较晚、质量也达不到标准、技术也比较落后，因此我们要加快发展步伐，尽快赶上欧美等发达国家。二、国外精馏塔及其技术的发展现状因为国外的精馏塔及其技术起步早于我国，所以在技术方面领先与我国，国外的技术成熟。近些年在国外出现了一批新型的板式塔，比如美国联合碳化物公司林德子公司主打的林德筛板和日本三井造船公司的垂直筛板，STONE-WEBSTER改善研发的波纹筛板，和瑞士KUHN1公司的SLIT筛板以及NUTTER工程公司的专利产品V型栅板等。板设备作为重要的传热和传

25、质设备之一，板设备在各种分离过程中利用的比较多，对分离过程有着举足轻重的作用。板式塔技术的发展方向是研发新型的塔内件，所以研发新型的传质设备势在必行。新型的传质设备必须具备传质效率高、压降小以及通量大等特点。国外出现的分隔壁精馏塔（简称DWC）是一种全热耦合的蒸馏塔，它具有能耗低，投资少的优点。早在1933年，Luster因裂解气分离提出了DWC的概念，并且申请了专利。最简单的隔板是在普通的精馏塔中放入一块隔板，这就相当于拥有了两个精馏塔，所以这样在最大的程度上利用了能量，减少了能量。研究员提出当代工业产业的发展除了依靠传统化的工业技术外，还需要依靠计算机技术寻找一个给予理论的工业设计和开发创

26、新的方法。比如PLC控制，比如利用MATLAB运算相关的数据等。比如PLC控制，它可以把传统的实验需要的人力、物力以及财力降到最低。利用计算机辅助设计必将成为以后工艺设计的新的发展方向。三 、现阶段精馏塔还存在的问题及解决方案面对现如今的工业的快速发展，精馏塔设备在工业的广泛运用。技术的先进与否直接的影响到了企业的经济效益以及产品的竞争力，今年来，国内的精馏技术不断提高，塔设备发展的也非常迅速，但是对精馏中能量消耗却没有得到重视。精馏过程能耗非常大，有相关知料介绍，在工业发达国家，精馏设备消耗的能量非常大，大概占了总设备能耗的8%，而在我国，根据统计表明，精馏塔在精馏过程中的能量消耗达到了总能

27、耗的12%，能耗是直接关系到了工业生产经济性的以一个非常重要的指标，因此。降低生产过程中的能耗有着重要的意义。降低精馏塔精馏过程中的能耗措施主要有以下几个方面：一个是精馏塔本身性能结构方面的调整；另一个是对精馏物质本身性质的控制，物料方面的因素。第三节 课题研究的内容和章节安排一、研究内容本文的研究任务是精馏塔温度控制方案以及建模与仿真研究。首先，本文简述了精馏塔的一些基本概述；其次，熟悉板式精馏塔分离工作原理，通过对精馏塔的控制分析，综合控制要求和扰动等各方面因素考虑；再次，由于精馏塔属于多输入多输出、大滞后和扰动较大的系统，简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制要求，而串级控制系统

28、在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势，所以本文采用串级控制系统来对精馏塔的温度进行控制。二、章节安排本文中论文结构安排如下：第一章为绪论，主要介绍课题的研究背景和意义，介绍了精馏塔系统的发展状况以及本系统研究工作内容。第二章为工业流程和系统选择，主要介绍精馏塔的温度控制原理、工业要求和约束条件干扰因素等进行分析，对精馏塔控制系统分析和控制系统的选择。第三章为系统的硬件部分设计，包括的串联级控制系统的介绍以及控制器、执行器、温度变送器的介绍和选型。第四章为控制系统的数学建模，介绍数学模型的选型与建立。第五章为系统的MATLAB仿真，主要介绍了系统的MATLAB仿真，为更好的研究本课题打

29、下坚实基础。第二章 精馏塔温度控制方案设计第一节 概述对精馏塔的自动控制一直以来都受到了人们的广泛关注，因为精馏塔控制的精确与否，都对精馏产品的质量达到标准与否、产量的多少以及对能量的消耗都有巨大的影响。精馏塔是一个多输入多输出的对象，由多级塔板组成，内部机制复杂以及对控制作用缓慢4。这些都对精馏塔的自动控制造成了一些困难，而且每一个塔的组成都有截然不同的结构特点，这就需要人们对塔的功能以及结构特点进行深入的分析，然后在根据塔的特点进行设计和研究。精馏塔自动控制的最终目标是：在保证产品的品质可以达到标准和尽可能降低能耗的情况时，尽可能获得最大的产品利益。为了更好的实现这一精馏目标，精馏塔温度控

30、制系统的就由然而生。过程变量多，被控变量多以及可操纵变量也多，过程动态和机理复杂，这些都是一个复杂的传热传质的精馏过程。以非线性、时变、关联以及控制方案多样为例，例如，相同被控变量可以使用不同的控制方案和控制方案的适应面光等。第二节 精馏塔的扰动分析精馏塔温度控制操作是按照构成塔顶产品的要求来对这几个影响因素进行调节。精馏操作过程的影响因素有以下几方面：塔的温度和压力；进料量；进料组分；进料温度；回流量；塔顶冷剂量；塔顶采出量等。在精馏塔精馏段操作过程中要克服各种影响因素的变化，防止对塔顶产品的数量和组成的影响。精馏塔操作压力的变化塔的设计和操作是基于在一定的塔压下进行的，并且通常的精馏塔总是

31、首先要保持恒压15。塔压波动对塔的操作具有很大的影响。 影响产品质量和物料平衡当操作的压力发生改变时，那么每块塔板上汽液平衡的组成都将会发生变化。当操作压力增加时，则气相中重组分含量就会减少，而气相中轻组分的浓度就相对的增加；因此液相中轻组分含量较前增加，同时也改变了气液相的重量比，使液相量增加，气相量减少。总的结果是：塔顶馏分中轻组分的数量变少了，但是轻组分的浓度反而变多了；釜液的含量和浓度也会相对的增多。同样地，当操作压力减少时，塔顶馏分轻组分浓度降低，但是数量会增加；釜液量和组分浓度都会相对的减少。正常操作时，应保持恒定的压力，但如果因操作不恰当，造成塔顶产品中重组分浓度含量增加时，可以

32、使用增加一定压力的方式，让产品质量达到标准，这样会导致釜液中的轻组分流失也增加。 变组份间的相对挥发度当压力增加时，各组份间的相对挥发度减少，分离效率也会相对的降低，相对的，组份间的相对挥发度增加，分离的效率也会随之提高。 变塔的生产能力如果塔的压力变大，那塔中组份的重度增加，塔的处理能力也随之增大。虽然产品的产提升了，但是可能导致生产的产品达不到要求。 塔压的波动当塔压发生变化时，将会导致温度和成分间的关系不能一一的对应，或者错乱的对应。在塔压稳定或者固定不变时，我门常常把操作中的温度作为恒量产品质量的间接标准。若果在塔的压力发生变化时，塔中混合物的泡点以及露点将会发生改变，导致整个塔的温度

33、发生变化，这样就改变了产品质量和温度相对应的关系。 从上述分析可以得出，如果塔操作压力发生变化时，那么将会引起整个精馏塔的操作发生变化，所以在正常操作时应该确保塔内的压力是固定的或者恒定的（工艺指标），而且当且仅当塔的正常操作受到破坏时，才能根据上述的分析结果，在工艺指标允许的范围内，对塔的压力进行适当的调节。应该指出，在精馏操作过程中，塔釜加热的蒸汽量，回流量、回流温度以及冷剂压力（对内回流塔而言）的改变以及塔的堵塞都是随着进料速率、进料的成分以及进料的温度的变化而变化，而且这些都可能导致塔的压力产生变化，此时应首先了解引起塔压发生变化的原有，及时处理，使塔恢复正常工作，这样也可以降低塔设备

34、的生产问题，把损失降到最少。进料量的变化对精馏塔精馏段操作的影响进料流量是上工序的出料，因此，一般是不可控的，但是可以测量，当进料速率较大时，对精馏塔的操作会造成很大的影响。进料流量会影响物料平衡，也会影响能量平衡。所以，控制策略应保持恒量流量。进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常是不可控的，在大多数情况下也难于测量。所以，控制策略是尽量控制前一步工序的操作，从外围着手，使进料能够保持恒定，降低其变化对精馏塔操作的影响。进料组份的变化对精馏塔操作的影响进料成分的变化直接影响精馏塔的操作，当进料中重组份的浓度增加时，塔的负荷增加。对于精馏段塔板数一定的塔来说，将造成塔顶的重组分含量增加

35、，使塔顶产品质量达不到标准。 如果进料中轻组份的浓度增加时，此时精馏段的负荷增加。对于固定了提馏段塔板数的塔来说，将造成提馏段轻组份蒸出不完全，釜液中轻组份的损失加大。同时，进料组成的变化还将引起全塔物料平衡和工艺条件的变化。组份变轻，则塔顶馏份增加，釜液排出量减少。此时，全塔温度的下降，塔压升高。组成变重，情况相反。进料组成变化时，可采取如下措施：改进料口：组成变重时，进料口往下改；组成变轻时，进料口往上改。改变回流比：组成变重时，加大回流比；组成变轻时，减少回流比。 调节冷剂和热剂量：如果塔里面组分情况的变动，调节塔顶冷凝器的冷剂和塔釜热剂量，以达到塔顶及塔底产品质量不变15。进料温度的变

36、化对精馏塔操作的影响进料温度的变化对精馏操作的影响是很大的。总的来说，如果塔底蒸发釜的热负荷增加可能是进料时的温度减少了，因此相应的应该减少塔顶冷凝器的冷负荷；如果进料温度变高时，对应的减少塔底蒸发釜的热负荷和增加塔顶冷凝器的冷负荷。当进料温度的变化幅度过大时，通常会影响整个塔身的温度，从而改变汽液平衡组成15。例如：如果是进料温度太低，塔釜的加热蒸汽量不够的情况下，这样就会让塔底馏分中轻组分含量变多，导致质量达不到标准。进料段的温度是影响精馏操作的一个非常重要的因素。如果进料状态会随着进料温度的变化而变化，而且进料状态发生了变化就会影响精馏塔精馏段和提馏段的改变，还有影响产品的质量和物料平衡

37、14。回流比的大小对精馏塔操作的影响产品的品质可以得到保证，在于对回流比的控制，回流比的大小直接影响了对精馏的操作。比如适当的调小回流比可以改善当塔的的轻组分含量，防止其回到精馏塔下部而导致塔温度下降，从而保证了产品可以达到规定标准；将塔顶中重组分可以通过增加回流比的方式将其压回去，从而保证产品的品质。但是对于塔顶得到产品的精馏塔，采用增加回流比的方式固然可以改变产品的品质，然而却减小精馏塔的生产力，这样就大大的增加了能耗。而且如果回流比太大，还会导致精馏塔内部的物料循环量远远多于原来物料循环量，严重时可能会导致液泛，从而可能会影响精馏塔的正常操作，很有可能影响精馏塔产品的质量却是达不到标准。

38、塔顶冷剂量的大小对精馏塔操作的影响对一些采用了内回流操作的塔，其冷剂量的大小，对精馏操作的影响比较显著；同时也是影响回流量波动的主要原因。有部分精馏塔利用的是外回流的方法，但是对于外回流塔也会受到冷却剂的影响，在一定程度上影响了精馏塔的操作。比如，如果采用冷剂量变少了，会使冷凝器的作用减小，冷凝剂量变小，但是在精馏塔塔顶产品的液相采出量也会改变，导致回流量也一定会减少。如果冷凝器还包含了过冷的用（通常所称的冷凝冷却器）时，会导致冷剂量的减小，有可能还会导致回流液的温度升高。这些都会让精馏塔塔顶的温度变高，导致产品重组分含量增加，而质量下降。塔顶采出量的大小对精馏塔操作的影响塔顶采出量的大小和该

39、塔进料量的大小有着相互对应关系，进料量增大，采出量应增大15。众所周知，采出量只有随进料量变化时，才能保持塔内固定的回流比，维持塔的正常操作，否则将会破坏塔内的气液平衡15。比如，当进料的量一定时，采用内回流的精馏塔，如果塔顶的采出量变大时，那么回流比就一定会减小，导致各个板上面的回流液的量变小，气液不能完全接触，传质效率和操作压力都会下降，将会引起气液相组成发生改变。最后导致重组分被带到塔顶，会使塔顶的产品品质下降或者达不到标准。在强制回流的操作中，当进料量一定时，塔顶采出量猛然变大，有可能会导致回流液槽被抽空。如果回流液一旦被中断，塔顶的温度也会马上升高，这样也会导致塔顶的产品质量达不到要

40、求。如果进料量突然增大，而塔顶的采出量不发生变化时，这样将会导致回流比增大，塔内的物料变多，上升的蒸汽速度也随之变大，导致塔釜与塔顶之间的压力差变大，这样更有可能会导致液泛。由上述分析可以看出，精馏操作要受到进料流量、进料组分、进料温度的影响。其中，进料流量与进料组分是不可控的，而进料温度是可以控制的。第三节 温度控制方案的设计一、控制变量的选择在精馏塔的被控制量选取时，最值得注意的是检测点的位置和质量控制中的被控量的确定等。一般情况下，间接的温度信号和直接产品的主要成分，是选取精馏塔品质的主要评判条件。采用产品成分作为直接质量指标为理想的质量指标是以产品成分的检测信号直接作为质量控制的被控信

41、号。以前，难以直接对产品成分信号进行质量控制是因为成分参数在检测时的困难。近年来，成分检测仪表发展迅速，尤其是工业色谱的在线应用，为以成分信号直接作为质量控制的被控变量，创造了现实条件。 因此，因成分分析仪表受到下面三方面的制约，至今在精馏塔质量控制上成功地直接应用还是比较少： 分析仪表的可靠性差； 分析测量过程滞后大，反应缓慢； 成分分析针对产品组分的不同，在品种上较难全部满足。因此，目前在精馏操作中，温度仍是最常用的间接质量指标。采用温度作为间接质量指标温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早也是目前最常见的一种。对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的

42、对应关系，因此，只要塔压恒定，塔板的温度就反应了成分。二、温度控制方案的选择单回路控制系统在一般的条件下都可以满足正常生产的需求，然而在有些条件下单回路控制方法就达不到想要的效果，例如当被控对象的滞后较为严重，即是干扰变化量和复合比有些大且出现次数多的时候，或者是当工艺要求产品的品质有着严格的条件时，所以串级控制系统就出现了。双闭环系统和多闭环系统都是属于串级控制系统，副控对象控制了系统的内环而双闭环系统控制了系统的外环。内环系统主要是把外面的扰动因素在内环进行调整，在最大限度下不要使其波及到外环系统，这样意味着最大限度提高了系统的出处理速度以及系统的质量，所以在串级控制系统中首先要考虑的是，

43、内环系统的响应速度要远远的高于外环系统响应的速度。在过程系统控制里面串级控制系统运用比较广泛，因为它是调节和改善质量最有效的方法。在精馏塔温度串级控制系统中，出口温度变化有很多原因，比如被加热流量的扰动、热质的改变、压力的变化和回流量的扰动等。但是对于这些干扰因素单回路控制系统不能把所有的干扰都概括到一起，所以不可以将出口的温度变化固定在要求的值之上。但是串联级控制系统可以解决上提到的控制要求与滞后时间之间的矛盾，这样就可以实现稳定出口流量温度，使温度保持不变。（一）串级控制系统串级控制在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器称为副控制器，在控制中起“粗调”作

44、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，起“细调”作用，最终保证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。这种由两个控制器串在一起控制一个执行机构的控制系统，称为串级控制系统。作用在外环的扰动称为一次扰动，作用在内环的扰动称为二次扰动16。图2.1是串级控制系统的结构图图2.1 串级控制系统方框图与单回路控制系统相比较，串联级控制系统在结构上多增加了一个副控回路，因为有副控电路的存在，所以串级控制系统具有自己独特的特点。 副控回路具有快速性，能够有效地克服进入副控回路的二次干扰。与单回路控制系统相比，被控量受二次干扰的

45、影响可以减至原来的1/1001/10。 因为副控回路有着改善被控对象的动态特征的作用，所以能增加大主控制器的增益。从而提高系统的工作频率。 由于副控回路的存在，使串级系统的自适应能力增强。（二）串级控制系统的特点串级控制系统是在单回路PID控制系统的基础上发展并且壮大的一种控制技术。串级控制系统是在原有的控制回路当中，多加了一个或者多个控制内回路，用来控制可能引起被控量变化的其它条件，这样就可以更加有效的减小被控对象的时滞特性，提高了系统动态响应的速度。抗干扰能力强。因为有主回路的存在，所以降低了干扰因素进入对副回路的影响。而且，因为串级控制系统多了一个副回路，拥有主、副两个调节器，在很大程度

46、上增加了调节器的放大倍数，也就是说增加了系统的抗干扰能力，特别是对副回路的干扰，体现的尤为突出。及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。适应能力强。串级控制系统就其主回路来说，它是一个定值控制系统，但是对于其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器会根据对象操作条件与负荷的变化情况不同而不断纠正副调节器的给定的值，从而达到适应操作条件和负荷的变化。可以更加准确的控制操纵变量的流量。如果副被控的变量是流量的时候，末引入流量副回路，控制阀的回流差、阀前压力的波动都有可能会影响到操纵的流量，从而使它不可以与主控制器输出信号保持着严格的一一对应的关系。运用串级控制系后，引入流量副

47、回路，使流量测量值与主控制器输出完全对应，以达到可以更加精确的控制操纵变量的流量。（三）精馏塔温度控制的过程分析控制最终的目的是让精馏塔的温度保持不变，现在选择温度与回流量组成串级随动系统。如图3.2所示。图中TC表示温度调节器，LC表示量调节器液位调节器，TC通常按PID调节规律，流量调节器按P调节规律。如果温度发生改变时，由主调节器（温度调节器TC）来调节控制，让输出作为副调节器（液位调节器LC）的给定值控制阀门的开度，主控回路的输出成为副控回路设定值修正的主要依据，然而副控回路的输出成为最终控制量作用于被控对象。如果液位发生了改变，那么副控回路能及时的调整控制阀门的开度，尽快的调节液位以

48、达到液位变化对出料温度的影响。如果液位是确定的，不会改变，那么就只需要测量出实际温度，然后与设定温度的值比较，利用两者之间的温度偏差来控制阀门的开度，这样就可以使温度保持不变。路中，以补偿过程的动态特性，使被控对象的滞后时间超前反映到控制器，更加有效的处理了大惯性环节的时间滞后问题，从而降低了系统的超调量，提高了系统的调节过程所花的时间。而且，可以增大液位调节器的比例增益，系统的等效时间常数能得到最小的值，这样就可以增加副控制回路的响应速度，提高了系统的工作效率4。图2.2 精馏塔温度串级控制系统其控制器的正、反作用选择如下：主被控变量：精馏塔精温度。副被控变量：回流量。控制阀：从安全角度考虑

49、，选择气开型控制阀，Kv0。副被控对象：控制阀打开，进料流量增加，回流量也增加，因此，Kp20。图2.3 精馏塔温度串级控制系统结构图副控制器：为保证负反馈，应满足Kc2KvKp2Km20，因Km20，应选Kc20，即选用反作用控制器。主被控对象：当蒸汽流量增加时，精馏塔温度升高，因此，Kp10。主控制器：为保证负反馈，应满足Kp1Kc1Km10，因Km10，应选Kc10，即选用反作用控制器。在这个计算机串级随动控制系统中，串级控制可以马上检测出系统中可能引起被控量发生变化的一些因素并且加以控制，阀位置与流量可以得到及时的调节，可以使精馏塔温度控制达到一个很好的控制效果，而且可以让系统具有一定

50、的自适应的能力，更加有效的解决了被控对象的等效纯滞后时间很长的问题。由于二次干扰为串级系统的主要扰动，副控回路能有效且迅速的克服二次扰动带来的影响；如果扰动不在副控制回路而在副控回路以外时，例如物料、能量的传输变化而引起的温度变化，温度调节器可以迅速的改变其输出信号，然后由副控回路去调节流量，从而可以克服扰动带来的影响5。第三章 控制系统的硬件设计检测变送环节有着非常重要的作用，它是将工业生产过程的参数（压力、温度、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用的是420mA，15V，010mA电流或者是电压信号，20100kPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号为数

51、字信号。图3.1为检测变送环节的工作原理。图3.1 检测变送环节工作原理图 检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差应小；迅速指检测原件可以及时反映出被控或被测变量发生了变化；可靠是检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行。第一节 温度变送器的选择SBWR系列热电偶温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送器单元。它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。把热电偶信号转变为与420mA成线性的输入信号或与温度信号。 变送器可以安装于热电偶的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温

52、仪表主要应在冶金、石油化工、食品、国防以及科研等工业部门得到了广泛的运用。一、特点采用硅橡胶密封结构，因此耐振，耐湿，适合在恶劣现场环境中安装使用。变送器安装于热电偶的接线盒内，然后再输出420mA，如此做不但可以使传输过程中信号抗干扰的能力变强了，而且也可以去掉因补偿导线而产生的费用。变送器具有输入端开路指示作用。冷端温度自动补偿功能也是热电偶变送器的功能。准确度高、功能消耗低、使用环境温度范围宽，工作性能稳定。应用面广，既可与热电偶形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装在检测设备中。智能型温度变送器可使用带HART协议的通讯设备、一台PC机，设置变送器的型号、分度号及被测温度的量程范

53、围。数显型温度变送器可按用户实际需要调整变送器显示屏的显示方向。二、主要技术指标输入：热电偶主要包含的型号有：T型、E型、N型、S型、K型、J型、B型。输出：在量程范围内转换成输出为420mA直流信号。并且与温度信号或者输入的信号成线性。隔离温度变送器，输入与输出相隔离，隔离电压为0.5KV增加抗共模干扰能力，更适合计算机联网使用。基本误差：*0.5FS传送方式：二线制显示方式：（数显型）LCD四位显示，热电偶开路时显示E标志且输出大于20mA。工作电源：变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。负 载：极限负载电阻按下式计算：RL(max)=50(Vmin-12)（即24

54、V时，负载电阻可在0600范围内选择用）额定负载250。正常工作环境：环境温度250C800C（常规型） -250C700C（数显型）相对湿度595机械振动f50Hz，振幅 0.15mm周围空气中不含对铬、镍镀层、有色金属及其它合金起腐蚀作用的介质。环境温度影响：0.05/10C第二节 执行器的选择执行器位于控制回路的最终端，因此，又称为最终元件。执行器直接与被控介质接触，在高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运行时，执行器的选择尤为重要。控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式：按动力来源分，有气动和电动

55、两大类；按动作极性分，有正作用和反作用两大类；按动作特性分，有比例和积分两大类。本系统采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀的型号为QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性强、操作方便等优点。电源为单相220V，控制信号为420mA或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。第三节 调节器的选择调节器是系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在。输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为输出信号控制执行机构的动作，完成指

56、挥控制系统的任务15。本系统选择DDZ-型PID调节器。DDZ-型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表的精度和仪表可靠性以及安全性，实用与大型工业生产的防爆要求。DDZ-型仪表具有以下主要特点：采用国际电工委员会（IEC）统一信号标准，现场的传输信号确定为DC 420mA。控制室的联络信号是DC 15V，电压与信号电流的转换电阻为250。广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。DTZ-

57、2400 DDZ-型PID调节器的接线端子图如图3.3，主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调节器接收变送器送来的测量信号（DC 420mA或DC 15V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为420mA直流电流输出。DTZ-2400仪表技术参数:输入信号： 15V DC内给定信号：15V DC外给定信号：420mA DC调节作用： 比例+积分+微分；比例带：2500%； 积分时间：0.012.5分；微分时间：0.0410分（可切除）输入、给定指示表： 指示范围：0100%；误

58、差：1%输出指示表：指示范围：0100%；误差：25%输出信号：420mA DC图3.3 DTZ-2400 DDZ-型PID调节器的接线端子图第四节 调节器与执行器、检测变送器的选型调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即420mA直流，15V直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250。最终调节器的选型为DDZ-2400DDZ-型PID调节器，温度传感器为SBWR-2260K热电偶温度变送器。第四章 控制系统的数学模型工业过程的数学模型可分为动态数学模型和静态（稳态）数学模型，动态数学模型是表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数学描述。从控制角度来看，输入变量就是

59、操纵变量和扰动变量，输出变量是被控变量。动态模型在对过程动态的分析和控制中起着举足轻重的作用。可用于各类自动控制系统的设计与分析，以及工艺设计和操作条件的分析和确定。工业过程的静态数学模型是描述输入变量和输出变量之间不随时间变化情况下的数学关系，可用于工艺设计和最优化等，同时也是考虑控制方案的基础。第一节 数学模型简介一、数学模型的定义及特征数学模型就是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并且“解决”实际问题的强有力的数学工具。通过建立数学模型,可以充分发挥数学科学解决实际问题的服务功能，体现出数学的真正意义。建立系统模型的过程。又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用

60、模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。图描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。可以通过对系统本身运动规律的分析，根据事物的机理来建模，也可以通过对系统的实验或统计数据的处理,并根据关于系统的已有的知识和经验来建模。还可以同时使用几种方法。模型的实质是对现实原型的一种抽象或模仿。这种抽象或模仿自然要抓住原型的本质,抛弃原型中的次要因素。从这个意义上来讲，模型既反映原型, 又不等于原型, 或者说它是原型的一种近似。现在数学模型还没有一个统一的定义，因为站在不同的角度可以给出不同的定义。而通常说来，数学模型就是指对于现实世界的某一特定对象，为了某个特定的目的，做出一

61、些必要的简化和假设，运用适当的数学工具得到的一个数学结构，它或者能解释特定现象的现实性态或者能预测对象的未来前景，或者能提供处理对象的最优决策或控制等。具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达式。数学模型的特征是： 第一，它是某事物为一种特殊目的而作的一个抽象化、简单化的数学结构，这意味着扬弃、筛选，是取舍次要因素，突出主要因素的主要结果；是事物的一种模拟，虽源于现实，但非实际的原型，而又高于现实。第二，它是数学上的抽象，在数值上可以作为公式的应用，可以推广到与原物相近的一类问题。第三，可以作为某事物的数学语言，可以译成算法语言，编写程序进入计算机。 数学模型分类