【正文】 制方案進(jìn)行分析，得出結(jié)論。2. 課題研究的現(xiàn)狀 隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方面發(fā)展，對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對(duì)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(dá)到控制要求，為此，需要在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采取其他設(shè)施，組成復(fù)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(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點(diǎn))組分不斷地向氣相中轉(zhuǎn)移，氣相中的難揮發(fā)(高沸點(diǎn))組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)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(dá)到組分分離的目的。 精餾塔是進(jìn)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(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量消耗，因此精餾塔的自動(dòng)控制問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的高度重視[1]。精餾塔精餾段溫度控制設(shè)計(jì)方案石油化工生產(chǎn)常需將液體混合物分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的。精餾過(guò)程是由精餾裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jìn)入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)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(gè)測(cè)量值、多個(gè)控制器；或是有多個(gè)測(cè)量值、一個(gè)控制器、一個(gè)補(bǔ)償器或一個(gè)解耦器等組成多個(gè)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(chǎn)中的作用和地位 精餾塔是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，精餾塔的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)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(duì)苯甲苯精餾塔進(jìn)行分類。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。裝有機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的塔，也就是有補(bǔ)充能量的塔，常被用來(lái)進(jìn)行萃取操作，液有用于吸收、除塵等操作的，其中以脈動(dòng)塔和轉(zhuǎn)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(jìn)行正常的操作。使用高效的除沫器，對(duì)于回收貴重物料、提高分離效率、改善塔后設(shè)備的操作狀況，以及減少對(duì)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(shè)置要求。 本設(shè)計(jì)所選的板式塔的塔型及其要求與特點(diǎn)作為主要用于傳質(zhì)過(guò)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(zhì)效率。 （2） 操作穩(wěn)定、彈性大。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動(dòng)力消耗，以降低經(jīng)常操作費(fèi)用。 （5） 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外實(shí)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(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。國(guó)外浮閥塔徑，大者可達(dá)10m，塔高可達(dá)80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百塊。 （2） 操作彈性大 浮閥可在一定范圍內(nèi)自由升降以適應(yīng)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(nèi)保持高效率。 （4） 壓力降小 氣流通過(guò)浮閥時(shí)，只有一次收縮、擴(kuò)大及轉(zhuǎn)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(dāng)寬廣的氣速范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)、升降，以保持穩(wěn)定操作。在此過(guò)程中，大致需要如下設(shè)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(jīng)加熱汽化之后又返回到精餾塔中；④精餾塔內(nèi)的上升蒸汽依次經(jīng)過(guò)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?shù)恼羝诶淠髦斜焕淠蔀橐后w，經(jīng)過(guò)回流泵和回流罐之后，部分被連續(xù)引出從而成為塔頂產(chǎn)品，部分則作為塔內(nèi)冷卻液而被引回至頂部塔板上，這一過(guò)程稱為回流[2]。每一塊塔板上氣液兩相進(jìn)行雙向傳質(zhì)，只要有足夠的塔板數(shù)，就可以將混合液分離成兩個(gè)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(jiǎn)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(shù)其他常用有機(jī)溶劑中也有很好的溶解性。 首先，苯和甲苯的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)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(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。有時(shí)應(yīng)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(shí)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(shí)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(shè)計(jì) 概述 精餾塔的控制直接影響到工廠產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和能量的消耗，因此精餾塔的自動(dòng)控制長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的高度重視。在這個(gè)情況為了更好實(shí)現(xiàn)精餾的目標(biāo)就有了精餾段溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。 （1）產(chǎn)品質(zhì)量控制塔頂產(chǎn)品合乎規(guī)定的純度，塔底成品維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。（3） 能量平衡控制 精餾塔精餾段的輸入、輸出能量應(yīng)平衡，使塔內(nèi)的操作壓力維持穩(wěn)定。漏液限也稱最小氣相速度限，當(dāng)氣相速度小于某一值時(shí)，將產(chǎn)生塔板漏液，板效率下降。 精餾塔精餾段的擾動(dòng)分析 精餾塔精餾段的操作就是按照塔頂產(chǎn)品的組成要求來(lái)對(duì)這幾個(gè)影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。①影響產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)保持恒定的壓力，但若因操作不正常，引起塔頂產(chǎn)品中重組分濃度增加時(shí)，則可采用適當(dāng)提高壓力的辦法，使產(chǎn)品質(zhì)量合格，但此時(shí)釜液中的輕組分損失增加。我們?cè)诓僮髦薪?jīng)常以溫度作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的間接標(biāo)準(zhǔn)，但這只有在塔壓恒定的前提下才是正確的。 （2）進(jìn)料量的變化對(duì)精餾塔精餾段操作的影響 進(jìn)料流量是上工序的出料，因此，通常不可控但可測(cè)，當(dāng)進(jìn)料流量較大時(shí)，對(duì)精餾塔的操作會(huì)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(jìn)料成分能夠保持恒定，減小其變化對(duì)精餾塔操作的影響。對(duì)于固定了提餾段塔板數(shù)的塔來(lái)說(shuō)，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(jìn)料溫度的變化對(duì)精餾塔精餾段操作的影響進(jìn)料溫度的變化對(duì)精餾操作的影響是很大的。 進(jìn)料溫度的的改變，意味著進(jìn)料狀態(tài)的改變，而進(jìn)料狀態(tài)的改變將影響精餾段、提餾段負(fù)荷的改變，進(jìn)而產(chǎn)品質(zhì)量、物料平衡都將發(fā)生改變。當(dāng)精餾段的輕組份下到提餾段造成塔下部溫度降低時(shí)，可以用適當(dāng)減少回流比的辦法以使塔下部溫度提起來(lái)。 對(duì)于采用外回流的塔，同樣會(huì)由于冷劑量的波動(dòng)，在不同程度上影響精餾塔的操作。 （7）塔頂采出量的大小對(duì)精餾塔精餾段操作的影響塔頂采出量的大小和該塔進(jìn)料量的大小有著相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)料量增大，采出量應(yīng)增大。 在強(qiáng)制回流的操作中，如果進(jìn)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(jìn)料流量與進(jìn)料組分是不可控的，而進(jìn)料溫度可通過(guò)熱焓來(lái)控制。過(guò)去，因成分參數(shù)在檢測(cè)上的困難，難以直接對(duì)產(chǎn)品成分信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量控制。 （2）采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo) 溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早也是目前最常見(jiàn)的一種。內(nèi)環(huán)的作用是將外部擾動(dòng)的影響在內(nèi)環(huán)進(jìn)行處理，而盡可能不使其波動(dòng)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(zhì)，因此串級(jí)控制系統(tǒng)中選擇內(nèi)環(huán)時(shí)應(yīng)考慮其響應(yīng)速度要比外環(huán)響應(yīng)速度快得多。串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，成為內(nèi)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(diào)”作用；一個(gè)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(xì)調(diào)”作用，最終保證被控量滿足控制要求。 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上增加量一個(gè)副控回路，正是由于副控回路的存在，使串級(jí)控制具有自己的特點(diǎn)。 ，使串級(jí)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng)。由于主回路的存在，進(jìn)入副回路的干擾影響大為減小。串級(jí)控制對(duì)克服容量滯后大的對(duì)象特別有效。當(dāng)副被控變量是流量時(shí)，未引入流量副回路，控制閥的回差、閥前壓力的波動(dòng)都會(huì)影響到操縱變量的流量，使它不能與主控制器輸出信號(hào)保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。串級(jí)控制系統(tǒng)在改善復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。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(diào)節(jié)器，LC表示量調(diào)節(jié)器液位調(diào)節(jié)器，TC通常按PID調(diào)節(jié)規(guī)律，流量調(diào)節(jié)器按P調(diào)節(jié)規(guī)律。 精餾塔精餾段溫度串級(jí)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(kāi)型控制閥，Kv0。 （7）主控制器 為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足Kp1Kc1Km10，因Km10，應(yīng)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(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，塔溫控制對(duì)象可近似為一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)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(guò)程的數(shù)學(xué)模型可分為動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是表示輸出變量與輸入變量之間隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。工業(yè)過(guò)程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是描述輸入變量和輸出變量之間不隨時(shí)間變化情況下的數(shù)學(xué)關(guān)系，可用于工藝設(shè)計(jì)和最優(yōu)化等，同時(shí)也是考慮控制方案的基礎(chǔ)。建立系統(tǒng)模型的過(guò)程。圖描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)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(zhì),拋棄原型中的次要因素。具體來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)學(xué)及其它數(shù)學(xué)符號(hào)建立起來(lái)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(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)式。 數(shù)學(xué)模型分類有以下幾種： 按數(shù)學(xué)模型的功能可分為定量和定性的。 建模應(yīng)用 系統(tǒng)建模主要用于三個(gè)方面。用數(shù)學(xué)仿真來(lái)分析和設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，必須有一個(gè)描述系統(tǒng)特征的模型。③對(duì)系統(tǒng)實(shí)行最優(yōu)控制。但建立的任何模型都只是實(shí)際系統(tǒng)原型的簡(jiǎn)化，因?yàn)榧炔豢赡芤矝](méi)必要把實(shí)際系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)都列舉出來(lái)。 (2)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和仿真研究。 (6)設(shè)備啟動(dòng)與停車的操作方案。 機(jī)理法建模就是根據(jù)對(duì)象的機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，并從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型這種方法獲得的模型物理概念清晰、準(zhǔn)確、不但給出了系統(tǒng)輸入輸出變量之間的關(guān)系，也給出了系統(tǒng)狀態(tài)和輸入輸出之間的關(guān)系，使人們對(duì)系統(tǒng)有一個(gè)比較清楚的了解，因此也被稱為“白箱模型”。 (2)根據(jù)過(guò)程內(nèi)在機(jī)理建立數(shù)學(xué)方程對(duì)于過(guò)程控制問(wèn)題，主要依據(jù)是質(zhì)量、能量、動(dòng)量以及各種物理化學(xué)平衡關(guān)系，采用數(shù)學(xué)方程來(lái)建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 經(jīng)驗(yàn)建模實(shí)驗(yàn)測(cè)試法通常只用于建立對(duì)象的輸入輸出模型，它根據(jù)工業(yè)過(guò)程輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。系統(tǒng)建模實(shí)際上是一個(gè)反復(fù)推演和驗(yàn)證的過(guò)程，這一過(guò)程通常必須和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，脫離實(shí)驗(yàn)的純理論建模所獲得的數(shù)學(xué)模型往往與實(shí)際相差較大。 物料和能量守恒關(guān)系 過(guò)程控制問(wèn)題的機(jī)理建模建立在物料和能量守恒關(guān)系上。 階躍響應(yīng)建模 如果關(guān)注的過(guò)程可近似為一階或二階線性模型，則可通過(guò)觀察階躍響應(yīng)曲線來(lái)獲得模型的參數(shù)。 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(jìn)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(duì)象[18]，通過(guò)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行建模，得到主控廣義對(duì)象傳遞函數(shù)為，廣義副對(duì)象傳遞函數(shù)為：。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的被控對(duì)象，可以通過(guò)在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)整來(lái)獲得較好的整定參數(shù)。依據(jù)這個(gè)原理，仿真可分為物理仿真，數(shù)學(xué)仿真和混合仿真。物理仿真就是應(yīng)用幾何相似原理，制作一個(gè)與實(shí)際系統(tǒng)相似但幾何尺寸較小或較大的物理模型進(jìn)行研究。 MATLAB簡(jiǎn)介 在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，為了克服一般語(yǔ)言對(duì)大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，尤其當(dāng)涉及到矩陣運(yùn)算時(shí)，編程難、調(diào)試麻煩等困難，美國(guó)MathWords公司于1967年構(gòu)思并開(kāi)發(fā)了MATLAB，即矩陣實(shí)驗(yàn)室，軟件包；經(jīng)過(guò)不斷更新和擴(kuò)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(jī)版，以配合當(dāng)時(shí)日益流行的Microsoft Windows 一起使用。目前，在自動(dòng)控制、圖像處理、語(yǔ)言處理、信號(hào)分析、振動(dòng)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、時(shí)序分析和系統(tǒng)建模等領(lǐng)域，由著名專家學(xué)者以MATLAB為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的實(shí)用工具箱極大地豐富了MATLAB的內(nèi)容。SIMULINK的出現(xiàn), 更使得MATLAB為控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD 中的應(yīng)用打開(kāi)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(jìn)行建模的圖形接口, 采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用筆和紙來(lái)畫一樣容易。用SIMULINK創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu),因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。采用Scope模塊和其它的畫圖模塊,在仿真進(jìn)行的同時(shí),就可觀看到仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)精餾塔在各種干擾和操作條件下的動(dòng)態(tài)行為，其穩(wěn)態(tài)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。?保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：Kp1=70，Ki=，Kd=200，Kp2= I值不同的無(wú)干擾串級(jí)控制仿真曲線:系統(tǒng)的超調(diào)量δ=6％，調(diào)整時(shí)間Ts=：不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，有I調(diào)節(jié)則無(wú)余差，而且隨著Ti的減小，最大動(dòng)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(duì)象等效純滯后時(shí)間很長(zhǎng)的問(wèn)題，能及時(shí)檢測(cè)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(shí)踐表明，串級(jí)控制技術(shù)是改善自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的有效方法之一，精餾塔精餾段溫度控制問(wèn)題是一個(gè)典型的時(shí)間