【正文】 。雙閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)都是屬于串級(jí)控制系統(tǒng) ，副控對(duì)象控制了系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)而雙閉環(huán)系統(tǒng)控制了系統(tǒng)的外環(huán)。但是對(duì)于這些干擾因素單回路控制系統(tǒng)不 能把所有的干擾都概括到一起，所以不可以將出口的溫度變化固定在要求的值之上。 這種由 兩個(gè)控制器串在一起控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)。與單回路控制系統(tǒng)相比，被控量受二次干擾的影響可以減至原來(lái)的 1/100~1/10。 （二） 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 串級(jí)控制系統(tǒng)是在單回路 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展并且壯大的一種控制技術(shù)。而且，因?yàn)榇?jí)控制系統(tǒng)多了一個(gè)副回路，擁有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，在很大程度上增加了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，也就是說(shuō)增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，特別是對(duì)副回路的干擾，體現(xiàn)的尤為突出。串級(jí)控制系統(tǒng)就其主回路來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，但是對(duì)于其副回路對(duì)主調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)對(duì)象操作條件與負(fù)荷的變化情況不同而不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定的值，從而達(dá)到適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化。 （三） 精餾塔溫度控制的過(guò)程分析 控制最終的目的是讓精餾塔的溫度保持不變，現(xiàn)在選擇溫度與回流量組成串級(jí)隨動(dòng)系統(tǒng)。如果液位發(fā)生了改變，那么副控回路能及時(shí)的調(diào)整控制閥門(mén)的開(kāi)度，盡快的調(diào)節(jié)液位以達(dá)到液位變化對(duì)出料溫度的影響。 圖 精餾塔溫度串級(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：精餾塔精溫度 。 TC LC 調(diào)節(jié)閥 副對(duì)象+主對(duì)象TTLTTf 2 f 1Tsp 圖 精餾塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ⑤ 副控制器 ： 為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿(mǎn)足 Kc2KvKp2Km20，因 Km20，應(yīng)選 Kc20，即選用反作用控制器。由于二次干擾為串級(jí)系統(tǒng)的主要擾動(dòng)，副控回路能有效且迅速的克服二次擾動(dòng)帶來(lái)的影響；如果擾動(dòng)不在副控制回路而在副 控回路以外時(shí)，例如物料、能量的傳輸變化而引起的溫度變化，溫度調(diào) 節(jié) 器可以迅速的改變其輸出信號(hào)，然后由副控回路去調(diào)節(jié)流量，從而可以克服擾動(dòng)帶 來(lái)的影響 [5]。 檢測(cè)元件過(guò)程變量 變送器溫度 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 圖 檢測(cè)變送環(huán)節(jié)工作原理圖 檢測(cè)元件和變送器的基本要求是準(zhǔn)確、迅速和可靠。把熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c 4～ 20mA 成線(xiàn)性的輸入信號(hào)或與溫度信號(hào)。 ② 變送器安裝于熱電偶的接線(xiàn)盒內(nèi)，然后再輸出 4～ 20mA，如此做不但可以使傳輸過(guò)程中信號(hào)抗干擾的能力變強(qiáng)了，而且也可以去掉因補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)而產(chǎn)生的費(fèi)用。 ⑤ 應(yīng)用面廣，既可與熱電偶形成一體化現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)構(gòu)，也可作為功能模塊安裝在檢測(cè)設(shè)備中。 輸出：在量程范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成輸出為 4～ 20mA 直流信號(hào)。％ FS 傳送方式：二線(xiàn)制 顯示方式：（數(shù)顯型） LCD 四位顯示，熱電偶開(kāi)路時(shí)顯示 E…… 標(biāo)志且輸出大于 20mA。 環(huán)境溫度影響： ≤ 第二節(jié) 執(zhí)行器的選擇 執(zhí)行器位于控制回路的 最終端，因此，又稱(chēng)為最終元件。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的型號(hào)為 QSVP16K。輸入信號(hào)進(jìn)入調(diào)節(jié)器，并且按照調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，即進(jìn)行大腦的信號(hào)處理，運(yùn)算處理的結(jié)果作為輸出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，完成指揮控制系統(tǒng)的任務(wù) [15]。控制室的聯(lián)絡(luò)信號(hào)是 DC 1～ 5V，電壓與信號(hào)電流的轉(zhuǎn)換電阻為 250Ω。 DTZ2400 DDZⅢ 型 PID 調(diào)節(jié)器的接線(xiàn)端子圖如圖 ， 主要由輸入電路、給定電路、PID 運(yùn)算電路、手動(dòng)與自動(dòng)切換電路、輸出電路和指示電路組成。25% ●輸出信號(hào)： 4～ 20mA DC 758。 DTZ2400 儀表技術(shù)參數(shù) : ●輸入信號(hào)： 1～ 5V DC ●內(nèi)給定信號(hào)： 1～ 5V DC ●外給定信號(hào)： 4～ 20mA DC ●調(diào)節(jié)作用： 比例 +積分 +微分；比例帶： 2～ 500%； 積分時(shí)間： ～ 分；微分時(shí)間： ～ 10 分（可切除） ●輸入、給定指示表： 指示范圍： 0～ 100%；誤差： 177。 ③ 整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。 DDZⅢ 型儀表采用了集成電路和安全火花型防 爆結(jié)構(gòu)，提高了儀表的精度和儀表可靠性以及安全性，實(shí)用與大型工業(yè)生產(chǎn)的防爆要求。電源為單相 220V， 控制信號(hào)為4～ 20mA 或 1～ 5VDC，輸出為 4～ 20mADC 的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。 控制器的動(dòng)作是由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)通過(guò)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在由電信號(hào)作為控制信號(hào)的控制系統(tǒng)中，目前廣泛使用的是以下三種控制方式： ●按動(dòng)力來(lái)源分，有氣動(dòng)和電動(dòng)兩大類(lèi)； ●按動(dòng)作極性分，有正作用和反作用兩大類(lèi)； ●按動(dòng)作特性分，有比例和積分兩大類(lèi)。 負(fù) 載：極限負(fù)載電阻按下式計(jì)算： RL(max)=50(Vmin12)（即 24V 時(shí)，負(fù)載電阻可在0～ 600Ω 范圍內(nèi)選擇用）額定負(fù)載 250Ω。 隔離溫度變送器，輸入與輸出相隔離，隔離電壓為 增加抗共模干擾能力，更適合計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)使用。 ⑦ 數(shù)顯型溫度變送器可按用戶(hù)實(shí)際需要調(diào)整變送器顯示屏的顯示方向。冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能也是熱電偶變送器的功能。它作為新一代測(cè)溫儀表主要應(yīng)在冶金、石油化工、食品、國(guó)防以及科研等工業(yè)部門(mén)得到了廣泛的運(yùn)用。 第一節(jié) 溫度變送器的選擇 SBWR 系列熱電偶溫度變送器是 DDZS 系列儀表中的現(xiàn)場(chǎng)安裝式溫度變送器單元。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用的是 4～ 20mA，1～ 5V， 0～ 10mA 電流或者是電壓信號(hào)， 20～ 100kPa 氣壓信號(hào)；在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 ⑦ 主控制器 ： 為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿(mǎn)足 Kp1Kc1Km10，因 Km10，應(yīng)選 Kc10，即選用反作用控制器。 ③ 控制閥：從安全角度考慮，選擇氣開(kāi)型控制閥， Kv0。路中，以補(bǔ)償過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，使被控對(duì)象的滯后時(shí)間 ? 超重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 前反映到控制器，更加有效的處理了大慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后問(wèn)題，從而降低了系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程所花的時(shí)間。 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。如果副被控的變量是流量的時(shí)候，末引入流量副回路，控制閥的回流差、閥前壓力的波動(dòng)都有可能會(huì)影響到操縱的流量，從而使它不可以與主控制器輸出信號(hào)保持著嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。串級(jí)控制對(duì)克服容量滯后大的對(duì)象特別有效。 ① 抗干擾能力強(qiáng)。從而提高系統(tǒng)的工作頻率。圖 是串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 ? ?1Ds ? ?2Ds ? ?2Gs ? ?1Gs? ?Rs ? ?2Rs ? ?2Vs ? ?1Vs? ?2Ys ? ?Ys??圖 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 與單回路控制系統(tǒng)相比較，串聯(lián)級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多增加了一個(gè)副控回路，因?yàn)橛懈笨仉娐返拇嬖?，所以串?jí)控制系統(tǒng)具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。 （一） 串級(jí)控制系統(tǒng) 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(chēng)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(chēng)為主控制器，起 “ 細(xì)調(diào) ” 作用，最終保證被控量滿(mǎn)足控制要求。 在過(guò)程系統(tǒng)控制里面串級(jí)控制系統(tǒng)運(yùn)用比較廣泛，因?yàn)樗钦{(diào)節(jié)和改善質(zhì)量最 有效的方法。對(duì)于一個(gè)二元組分精餾塔來(lái)說(shuō)，在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品的成分有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。近年來(lái)，成分檢測(cè)儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線(xiàn)應(yīng)用，為以成分信號(hào)直接作為質(zhì)量控制的被控變量，創(chuàng)造了現(xiàn)實(shí)條件。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第三節(jié) 溫度控制方案的設(shè)計(jì) 一、 控制變量的選擇 在精餾塔的被控制量選取時(shí)，最值得注意的是檢測(cè)點(diǎn)的位置和質(zhì)量控制中的被控量的確定等。如果回流液一旦被中斷，塔頂?shù)臏囟纫矔?huì)馬上升高，這樣也會(huì)導(dǎo)致塔頂?shù)漠a(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到要求。 眾所周知，采出量只有隨進(jìn)料量變化時(shí)，才能保持塔內(nèi)固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會(huì)破壞塔內(nèi)的氣液平衡 [15]。比如，如果采用冷劑量變少了，會(huì)使冷凝器的作用減小，冷凝劑量變 小，但是在精餾塔塔頂產(chǎn)品的液相采出量也會(huì)改變，導(dǎo)致回流量也一定會(huì)減少。但是對(duì)于塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔，采用增加回重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 流比的方式固然可以改變產(chǎn)品的品質(zhì)，然而卻減小精餾塔的生 產(chǎn)力，這樣就大大的增加了能耗。 進(jìn)料段的溫度是影響精餾操作的一個(gè)非常重要的因素。 ●進(jìn)料 溫度的變化對(duì)精餾塔操作的影響 進(jìn)料溫度的變化對(duì)精餾操作的影響是很大的。組成變重，情況相反。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。所以，控制策略是盡量控制前一步工序的操作，從外圍著手，使進(jìn)料能夠保持恒定，降低其變化對(duì)精餾塔操作的影響。 ●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，一般是不可控的，但是可以測(cè)量，當(dāng)進(jìn)料速率較大時(shí)，對(duì)精餾塔的操作會(huì)造成很大的影響。在塔壓穩(wěn)定或者固定 不變時(shí)，我門(mén)常常把操作中的溫度作為恒量產(chǎn)品質(zhì)量的間接標(biāo)準(zhǔn)。 ② 變組份間的相對(duì)揮發(fā)度 當(dāng)壓力增加時(shí)，各組份間的相對(duì)揮發(fā)度減少，分離效率也會(huì)相對(duì)的降低，相對(duì)的，組份間的相對(duì)揮發(fā)度增加，分離的效率也會(huì)隨之提高。當(dāng)操作壓力增加時(shí)，則氣相中重組分含量就會(huì)減少，而氣相中輕組分的濃度就相對(duì)的增加；因此重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 液相中輕組分含量較前增加，同時(shí)也改變了氣液相的重量比，使液相量增加，氣相量減少。在精餾塔精餾段操作過(guò)程中要克服各種影響因素的變化，防止對(duì)塔頂產(chǎn)品的數(shù)量和組成的影響。 過(guò)程變量多，被控變量多以及可操縱變量也多，過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜，這些都是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)的精餾過(guò)程。精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的對(duì)象，由多級(jí)塔板組成，內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜以及對(duì)控制作用緩慢 [4]。 第三章為 系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)，包括的串聯(lián)級(jí)控制系統(tǒng)的介紹以及控制器、執(zhí)行器、溫度變送器的介紹和選型。 第三節(jié) 課題研究的內(nèi)容和章節(jié)安排 一、 研究?jī)?nèi)容 本文的研究任務(wù)是精餾塔溫度控制方案以及建模與仿真研究。技術(shù)的先進(jìn)與否直接的影響到了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效 益以及產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，今年來(lái)，國(guó)內(nèi)的精餾技術(shù)不斷提高，塔設(shè)備發(fā)展的也非常迅速，但是對(duì)精餾中能量消耗卻沒(méi)有得到重視。比如 PLC控制，比如利用 MATLAB運(yùn)算相關(guān)的數(shù)據(jù)等。國(guó)外出現(xiàn)的分隔壁精餾塔（簡(jiǎn)稱(chēng) DWC）是一種全熱耦合的蒸餾塔，它具有能耗低，投資少的優(yōu)點(diǎn)。近些年在國(guó)外出現(xiàn)了一批新型的板式塔，比如美國(guó)聯(lián)合碳化物公司林德子公司主打的林德篩板和日本三井造船公司的垂直篩板， STONEWEBSTER改善研發(fā)的波紋篩板，和重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 瑞士 KUHN1公司的 SLIT篩板以及 NUTTER工程公司的專(zhuān)利產(chǎn)品 V型柵板等。 第二節(jié) 精餾塔控制的現(xiàn)狀 一、 精餾塔國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 一個(gè)國(guó)家在工業(yè)發(fā)面的水平和國(guó)防方面的實(shí)力與這個(gè)國(guó)家的化工生產(chǎn)方面水平是積極相關(guān)的。溫度控制系統(tǒng)擁有很多特點(diǎn) ： ① 適應(yīng)受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的控制系統(tǒng)； ② 自適應(yīng)、智能化、參數(shù)自整定等力一面取得了卓越的成績(jī)； ③ 適應(yīng)大滯后、大慣性等復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)； ④ 計(jì)算機(jī) 軟件技術(shù)方面的應(yīng)用，對(duì)，對(duì)控制參數(shù)和特性進(jìn)行自動(dòng)整定。因?yàn)槿藗冃枰獙?duì)各類(lèi)反應(yīng)爐、熱處理爐、加熱爐以及鍋爐的爐溫進(jìn)行檢測(cè)以及控制。如工作繁瑣、運(yùn)行慣性大、不 確定的參數(shù)以及控制滯后等都是回流控制特點(diǎn)。然而，對(duì)于智能化、自適應(yīng)控制方面等高要求控制技術(shù)還是達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。如果選擇操作的壓力適當(dāng)時(shí)，有可能避免使用高溫加熱劑或者低溫冷卻劑（或冷卻劑），但是增加了加壓或抽真空的操作費(fèi)用。它的定義為產(chǎn)品中組分的含有量與液料中的組分含量的比值 [15]。精餾操作包含了幾個(gè)重要的指標(biāo)它們分別是： ① 產(chǎn)品的純度。塔底高濃度且難揮發(fā)的蒸汽和塔頂高濃度易揮發(fā)的液體可以通過(guò)回流的方式返回到蒸餾塔中。進(jìn)料口以上的塔段，把上升蒸氣中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃，稱(chēng)為精餾段；進(jìn)料口以下的塔段，從下降液體中提取易揮發(fā)組分，稱(chēng)為提餾段。位于塔底的再沸器使液體部分汽化，蒸氣沿塔上升，余下的液體作為塔底產(chǎn)品。若精餾過(guò)程伴有化學(xué)反應(yīng)，則稱(chēng)為反應(yīng)精餾。根據(jù)操作方法，可分為連續(xù)精餾和間歇精餾這兩種 。近幾年，國(guó)內(nèi)外都對(duì)精餾塔溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，在各國(guó)都對(duì)精餾塔溫度控制方面投入了大量研究的經(jīng)費(fèi)。 對(duì)此，選擇精餾塔溫度控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)題目，有著實(shí)在的意義。人們開(kāi)始用串級(jí)控制對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制簡(jiǎn)單、方便、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，且可以大幅度提高被測(cè)量溫度的要求指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的 數(shù)量和質(zhì)量，使得企業(yè)不被高速發(fā)展的工業(yè)時(shí)代所淘汰。 最后，運(yùn)用 MATLAB 中的 SIMULINK 模塊構(gòu)建 了系統(tǒng) 模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 了 調(diào)試 和 仿真，通過(guò) 對(duì)比仿真結(jié)果， 進(jìn)行結(jié)果分析得出， 主回路加干擾串級(jí)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，取得 了 令人滿(mǎn)意的控制效果。 本文首先簡(jiǎn)述了板式精餾塔的工作原理，對(duì)精餾塔的擾動(dòng) 進(jìn)行了 分析，綜合各方面因素考慮，通過(guò)對(duì)各溫度控制系統(tǒng)的比較，最終選擇了串級(jí)控制系統(tǒng)為系統(tǒng)的控制方案。 摘