【正文】 制方案進行分析，得出結論。2. 課題研究的現狀 隨著生產過程向著大型、連續(xù)和強化方面發(fā)展，對操作條件要求更加嚴格，參數間相互關系更加復雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制，采用傳統(tǒng)的單回路PID控制往往不能達到控制要求，為此，需要在簡單控制系統(tǒng)的基礎上，采取其他設施，組成復雜控制系統(tǒng)，也稱多回路控制系統(tǒng)。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移，氣相中的難揮發(fā)(高沸點)組分不斷地向下降液中轉移，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。 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。精餾塔的控制直接影響到產品質量、產量和能量消耗，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[1]。精餾塔精餾段溫度控制設計方案石油化工生產常需將液體混合物分離以達到提純或回收有用組分的目的。精餾過程是由精餾裝置來實現的，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。有板式塔與填料塔兩種主要類型。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。在這種控制系統(tǒng)中，或是由多個測量值、多個控制器；或是有多個測量值、一個控制器、一個補償器或一個解耦器等組成多個回路的控制系統(tǒng)。第1章 苯甲苯精餾塔概述 苯甲苯精餾塔在化工生產中的作用和地位 精餾塔是化工、石油化工和煉油等生產中最重要的設備之一。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，精餾塔的性能對于整個裝置的產品產量、質量、生產能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有重大的影響。為了便于研究和比較，人們從不同的角度對苯甲苯精餾塔進行分類。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。裝有機械運動構件的塔，也就是有補充能量的塔，常被用來進行萃取操作，液有用于吸收、除塵等操作的，其中以脈動塔和轉盤塔用得較多。隨著化工裝置的大型化，漸有采用不等直徑、不等壁厚的塔體。它必須保證塔體坐落在確定的位置上進行正常的操作。使用高效的除沫器，對于回收貴重物料、提高分離效率、改善塔后設備的操作狀況，以及減少對環(huán)境的污染等，都是非常必要的。在板式塔和填料塔中，各有不同的設置要求。 本設計所選的板式塔的塔型及其要求與特點作為主要用于傳質過程的精餾塔，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得較高的傳質效率。 （2） 操作穩(wěn)定、彈性大。這將大大節(jié)省生產中的動力消耗，以降低經常操作費用。 （5） 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調節(jié)和檢修。根據目前國內外實際使用的情況，主要塔型是浮閥塔、篩板塔及泡罩塔。這一改進使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產能力以及設備造價等方面比泡罩塔優(yōu)越。國外浮閥塔徑，大者可達10m，塔高可達80m，板數有的多達數百塊。 （2） 操作彈性大 浮閥可在一定范圍內自由升降以適應氣量的變化，而氣縫速度幾乎不變，因之能在較寬的流量范圍內保持高效率。 （4） 壓力降小 氣流通過浮閥時，只有一次收縮、擴大及轉彎，故干板壓力降比泡罩塔低。浮閥能夠隨著氣速的增減在相當寬廣的氣速范圍內自由調節(jié)、升降，以保持穩(wěn)定操作。在此過程中，大致需要如下設備：①精餾塔；②冷凝器；③再沸器；④回流罐；⑤回流泵[3]。部分經加熱汽化之后又返回到精餾塔中；④精餾塔內的上升蒸汽依次經過全部塔板，從而使蒸汽中的易揮發(fā)組分的濃度逐漸增高，上升至塔頂的蒸汽在冷凝器中被冷凝成為液體，經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品，部分則作為塔內冷卻液而被引回至頂部塔板上，這一過程稱為回流[2]。每一塊塔板上氣液兩相進行雙向傳質，只要有足夠的塔板數，就可以將混合液分離成兩個較純凈的組分。精餾是一種利用回流使混合液得到高純度分離的蒸餾方法。 甲苯是最簡單，最重要的芳烴化合物之一。甲苯幾乎不溶于水(0,52 g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多數其他常用有機溶劑中也有很好的溶解性。 首先，苯和甲苯的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的加入。例如，采用減壓操作有利于分離相對揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導致塔徑增加，同時還需要使用抽真空的設備。有時應用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗。有時也可采用直接蒸汽加熱。第3章 精餾塔精餾段溫度控制方案設計 概述 精餾塔的控制直接影響到工廠產品的質量、產量和能量的消耗，因此精餾塔的自動控制長期以來一直受到人們的高度重視。在這個情況為了更好實現精餾的目標就有了精餾段溫度控制系統(tǒng)的產生。 （1）產品質量控制塔頂產品合乎規(guī)定的純度，塔底成品維持在規(guī)定的范圍內。（3） 能量平衡控制 精餾塔精餾段的輸入、輸出能量應平衡，使塔內的操作壓力維持穩(wěn)定。漏液限也稱最小氣相速度限，當氣相速度小于某一值時，將產生塔板漏液，板效率下降。 精餾塔精餾段的擾動分析 精餾塔精餾段的操作就是按照塔頂產品的組成要求來對這幾個影響因素進行調節(jié)。①影響產品質量和物料平衡改變操作壓力，將使每塊塔板上汽液平衡的組成發(fā)生改變。正常操作中，應保持恒定的壓力，但若因操作不正常，引起塔頂產品中重組分濃度增加時，則可采用適當提高壓力的辦法，使產品質量合格，但此時釜液中的輕組分損失增加。我們在操作中經常以溫度作為衡量產品質量的間接標準，但這只有在塔壓恒定的前提下才是正確的。 （2）進料量的變化對精餾塔精餾段操作的影響 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。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。對于固定了提餾段塔板數的塔來說，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。組成變重，情況相反。 （4）進料溫度的變化對精餾塔精餾段操作的影響進料溫度的變化對精餾操作的影響是很大的。 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，進而產品質量、物料平衡都將發(fā)生改變。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。 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。 （7）塔頂采出量的大小對精餾塔精餾段操作的影響塔頂采出量的大小和該塔進料量的大小有著相互對應關系，進料量增大，采出量應增大。 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。其中，進料流量與進料組分是不可控的，而進料溫度可通過熱焓來控制。過去，因成分參數在檢測上的困難，難以直接對產品成分信號進行質量控制。 （2）采用溫度作為間接質量指標 溫度作為間接質量指標，是精餾塔質量控制中應用最早也是目前最常見的一種。內環(huán)的作用是將外部擾動的影響在內環(huán)進行處理，而盡可能不使其波動到外環(huán)，這就加快了系統(tǒng)的快速性并提高了系統(tǒng)的品質，因此串級控制系統(tǒng)中選擇內環(huán)時應考慮其響應速度要比外環(huán)響應速度快得多。串級控制在結構上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，成為內環(huán)、副環(huán)或副控回路，其控制器稱為副控制器，在控制中起“粗調”作用；一個閉環(huán)在外面，成為外環(huán)、主環(huán)或主控回路，其控制器稱為主控制器，起“細調”作用，最終保證被控量滿足控制要求。 串級控制系統(tǒng)方框圖與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制在結構上增加量一個副控回路，正是由于副控回路的存在，使串級控制具有自己的特點。 ，使串級系統(tǒng)的自適應能力增強。由于主回路的存在，進入副回路的干擾影響大為減小。串級控制對克服容量滯后大的對象特別有效。當副被控變量是流量時，未引入流量副回路，控制閥的回差、閥前壓力的波動都會影響到操縱變量的流量，使它不能與主控制器輸出信號保持嚴格的對應關系。串級控制系統(tǒng)在改善復雜控制系統(tǒng)的控制指標方面具有較大的優(yōu)勢。誤差較小。有塔頂溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。圖中TC表示溫度調節(jié)器，LC表示量調節(jié)器液位調節(jié)器，TC通常按PID調節(jié)規(guī)律，流量調節(jié)器按P調節(jié)規(guī)律。 精餾塔精餾段溫度串級控制系統(tǒng) 其控制器的正、反作用選擇如下： （1）主被控變量 精餾塔精餾餾段溫度 （2）副被控變量 回流量 （3）控制閥 從安全角度考慮，選擇氣開型控制閥，Kv0。 （7）主控制器 為保證負反饋，應滿足Kp1Kc1Km10，因Km10，應選Kc10，即選用反作用控制器。 控制規(guī)律的選擇在控制系統(tǒng)中，主，副控制器起的作用不同。為此，副控制器選擇P控制規(guī)律。實驗和經驗表明，塔溫控制對象可近似為一個純滯后環(huán)節(jié)和一個一階環(huán)節(jié)組成[11][14]。第4章 控制系統(tǒng)的建模 工業(yè)過程的數學模型可分為動態(tài)數學模型和靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數學模型，動態(tài)數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)關系的數學描述。工業(yè)過程的靜態(tài)數學模型是描述輸入變量和輸出變量之間不隨時間變化情況下的數學關系，可用于工藝設計和最優(yōu)化等，同時也是考慮控制方案的基礎。建立系統(tǒng)模型的過程。圖描述的關系各異，所以實現這一過程的手段和方法也是多種多樣的。這種抽象或模仿自然要抓住原型的本質,拋棄原型中的次要因素。具體來說，數學模型就是為了某種目的，用字母、數學及其它數學符號建立起來的等式或不等式以及圖表、圖象、框圖等描述客觀事物的特征及其內在聯系的數學結構表達式。 數學模型分類有以下幾種： 按數學模型的功能可分為定量和定性的。 建模應用 系統(tǒng)建模主要用于三個方面。用數學仿真來分析和設計一個實際系統(tǒng)時，必須有一個描述系統(tǒng)特征的模型。③對系統(tǒng)實行最優(yōu)控制。但建立的任何模型都只是實際系統(tǒng)原型的簡化，因為既不可能也沒必要把實際系統(tǒng)的所有細節(jié)都列舉出來。 (2)控制系統(tǒng)方案的設計和仿真研究。 (6)設備啟動與停車的操作方案。 機理法建模就是根據對象的機理，寫出各種有關的平衡方程，并從中獲得所需的數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系，也給出了系統(tǒng)狀態(tài)和輸入輸出之間的關系，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”。 (2)根據過程內在機理建立數學方程對于過程控制問題，主要依據是質量、能量、動量以及各種物理化學平衡關系，采用數學方程來建立對象的數學模型。 經驗建模實驗測試法通常只用于建立對象的輸入輸出模型，它根據工業(yè)過程輸入和輸出的實測數據進行某種數學處理后得到的模型。系統(tǒng)建模實際上是一個反復推演和驗證的過程，這一過程通常必須和實驗相結合，脫離實驗的純理論建模所獲得的數學模型往往與實際相差較大。 物料和能量守恒關系 過程控制問題的機理建模建立在物料和能量守恒關系上。 階躍響應建模 如果關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曲線來獲得模型的參數。 以二元精餾塔為例，其模型[16]為： (48)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)。 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[18]，通過數據采集進行建模，得到主控廣義對象傳遞函數為，廣義副對象傳遞函數為：。對于比較簡單的被控對象，可以通過在實際系統(tǒng)上進行實驗和調整來獲得較好的整定參數。依據這個原理，仿真可分為物理仿真，數學仿真和混合仿真。物理仿真就是應用幾何相似原理，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。 MATLAB簡介 在科學研究和工程應用中，為了克服一般語言對大量的數學運算，尤其當涉及到矩陣運算時，編程難、調試麻煩等困難，美國MathWords公司于1967年構思并開發(fā)了MATLAB，即矩陣實驗室，軟件包；經過不斷更新和擴充，該公司于1984年推出了MATLAB的正式版；，并于1993年推出了其微機版，以配合當時日益流行的Microsoft Windows 一起使用。目前，在自動控制、圖像處理、語言處理、信號分析、振動理論、優(yōu)化設計、時序分析和系統(tǒng)建模等領域，由著名專家學者以MATLAB為基礎開發(fā)的實用工具箱極大地豐富了MATLAB的內容。SIMULINK的出現, 更使得MATLAB為控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD 中的應用打開了嶄新的局面。還可將上述兩種方法交叉混合使用。SIMULINK為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口, 采用這種結構畫模型就像你用筆和紙來畫一樣容易。用SIMULINK創(chuàng)建的模型可以具有遞階結構,因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創(chuàng)建模型。采用Scope模塊和其它的畫圖模塊,在仿真進行的同時,就可觀看到仿真結果。實驗結果表明，該模型能夠比較準確地預測精餾塔在各種干擾和操作條件下的動態(tài)行為，其穩(wěn)態(tài)結果與實際情況基本一致。?保持P、D參數為定值，改變I參數，階躍響應曲線如下：參數：Kp1=70，Ki=，Kd=200，Kp2= I值不同的無干擾串級控制仿真曲線:系統(tǒng)的超調量δ=6％，調整時間Ts=：不同I參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線，有I調節(jié)則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。該系統(tǒng)有效地解決了對象等效純滯后時間很長的問題，能及時檢測到系統(tǒng)中可能引起被控制量發(fā)生變化的許多因素并加以控制實踐表明，串級控制技術是改善自動控制系統(tǒng)調節(jié)品質的有效方法之一，精餾塔精餾段溫度控制問題是一個典型的時間