【正文】 。雙閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)都是屬于串級控制系統(tǒng) ，副控對象控制了系統(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 兩個控制器串在一起控制一個執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)，稱為串級控制系統(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的 1/100~1/10。 （二） 串級控制系統(tǒng)的特點 串級控制系統(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，因為串級控制系統(tǒng)多了一個副回路，擁有主、副兩個調(diào)節(jié)器，在很大程度上增加了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，也就是說增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，特別是對副回路的干擾，體現(xiàn)的尤為突出。串級控制系統(tǒng)就其主回路來說，它是一個定值控制系統(tǒng)，但是對于其副回路對主調(diào)節(jié)器來說，卻是一個隨動控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器會根據(jù)對象操作條件與負荷的變化情況不同而不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定的值，從而達到適應(yīng)操作條件和負荷的變化。 （三） 精餾塔溫度控制的過程分析 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隨動系統(tǒng)。如果液位發(fā)生了改變，那么副控回路能及時的調(diào)整控制閥門的開度，盡快的調(diào)節(jié)液位以達到液位變化對出料溫度的影響。 圖 精餾塔溫度串級控制系統(tǒng) 其控制器的正、反作用選擇如下： ① 主被控變量：精餾塔精溫度 。 TC LC 調(diào)節(jié)閥 副對象+主對象TTLTTf 2 f 1Tsp 圖 精餾塔溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ⑤ 副控制器 ： 為保證負反饋，應(yīng)滿足 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系統(tǒng)的主要擾動，副控回路能有效且迅速的克服二次擾動帶來的影響；如果擾動不在副控制回路而在副 控回路以外時，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，然后由副控回路去調(diào)節(jié)流量，從而可以克服擾動帶 來的影響 [5]。 檢測元件過程變量 變送器溫度 標準信號 圖 檢測變送環(huán)節(jié)工作原理圖 檢測元件和變送器的基本要求是準確、迅速和可靠。把熱電偶信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c 4～ 20mA 成線性的輸入信號或與溫度信號。 ② 變送器安裝于熱電偶的接線盒內(nèi)，然后再輸出 4～ 20mA，如此做不但可以使傳輸過程中信號抗干擾的能力變強了，而且也可以去掉因補償導(dǎo)線而產(chǎn)生的費用。 ⑤ 應(yīng)用面廣，既可與熱電偶形成一體化現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)，也可作為功能模塊安裝在檢測設(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。％ FS 傳送方式：二線制 顯示方式：（數(shù)顯型） LCD 四位顯示，熱電偶開路時顯示 E…… 標志且輸出大于 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，又稱為最終元件。電動調(diào)節(jié)閥的型號為 QSVP16K。輸入信號進入調(diào)節(jié)器，并且按照調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律進行計算，即進行大腦的信號處理，運算處理的結(jié)果作為輸出信號控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，完成指揮控制系統(tǒng)的任務(wù) [15]?？刂剖业穆?lián)絡(luò)信號是 DC 1～ 5V，電壓與信號電流的轉(zhuǎn)換電阻為 250Ω。 DTZ2400 DDZⅢ 型 PID 調(diào)節(jié)器的接線端子圖如圖 ， 主要由輸入電路、給定電路、PID 運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。25% ●輸出信號： 4～ 20mA DC 758。 DTZ2400 儀表技術(shù)參數(shù) : ●輸入信號： 1～ 5V DC ●內(nèi)給定信號： 1～ 5V DC ●外給定信號： 4～ 20mA DC ●調(diào)節(jié)作用： 比例 +積分 +微分；比例帶： 2～ 500%； 積分時間： ～ 分；微分時間： ～ 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， 控制信號為4～ 20mA 或 1～ 5VDC，輸出為 4～ 20mADC 的閥位信號，使用和校正非常方便。 控制器的動作是由調(diào)節(jié)器的輸出信號通過各種執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)的，在由電信號作為控制信號的控制系統(tǒng)中，目前廣泛使用的是以下三種控制方式： ●按動力來源分，有氣動和電動兩大類； ●按動作極性分，有正作用和反作用兩大類； ●按動作特性分，有比例和積分兩大類。 負 載：極限負載電阻按下式計算： RL(max)=50(Vmin12)（即 24V 時，負載電阻可在0～ 600Ω 范圍內(nèi)選擇用）額定負載 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，更適合計算機聯(lián)網(wǎng)使用。 ⑦ 數(shù)顯型溫度變送器可按用戶實際需要調(diào)整變送器顯示屏的顯示方向。冷端溫度自動補償功能也是熱電偶變送器的功能。它作為新一代測溫儀表主要應(yīng)在冶金、石油化工、食品、國防以及科研等工業(yè)部門得到了廣泛的運用。 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)場安裝式溫度變送器單元。在模擬儀表中，標準信號通常采用的是 4～ 20mA，1～ 5V， 0～ 10mA 電流或者是電壓信號， 20～ 100kPa 氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標準信號為數(shù)字信號。 重慶郵電大學移通學院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 ⑦ 主控制器 ： 為保證負反饋，應(yīng)滿足 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，選擇氣開型控制閥， Kv0。路中，以補償過程的動態(tài)特性，使被控對象的滯后時間 ? 超重慶郵電大學移通學院本科 畢業(yè)設(shè)計（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)的時間滯后問題，從而降低了系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程所花的時間。 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候，末引入流量副回路，控制閥的回流差、閥前壓力的波動都有可能會影響到操縱的流量，從而使它不可以與主控制器輸出信號保持著嚴格的一一對應(yīng)的關(guān)系。串級控制對克服容量滯后大的對象特別有效。 ① 抗干擾能力強。從而提高系統(tǒng)的工作頻率。圖 是串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 ? ?1Ds ? ?2Ds ? ?2Gs ? ?1Gs? ?Rs ? ?2Rs ? ?2Vs ? ?1Vs? ?2Ys ? ?Ys??圖 串級控制系統(tǒng)方框圖 與單回路控制系統(tǒng)相比較，串聯(lián)級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多增加了一個副控回路，因為有副控電路的存在，所以串級控制系統(tǒng)具有自己獨特的特點。 （一） 串級控制系統(tǒng) 串級控制在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(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(diào) ” 作用，最終保證被控量滿足控制要求。 在過程系統(tǒng)控制里面串級控制系統(tǒng)運用比較廣泛，因為它是調(diào)節(jié)和改善質(zhì)量最 有效的方法。對于一個二元組分精餾塔來說，在一定的壓力下，沸點和產(chǎn)品的成分有單值的對應(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，成分檢測儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線應(yīng)用，為以成分信號直接作為質(zhì)量控制的被控變量，創(chuàng)造了現(xiàn)實條件。 重慶郵電大學移通學院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第三節(jié) 溫度控制方案的設(shè)計 一、 控制變量的選擇 在精餾塔的被控制量選取時，最值得注意的是檢測點的位置和質(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R上升高，這樣也會導(dǎo)致塔頂?shù)漠a(chǎn)品質(zhì)量達不到要求。 眾所周知，采出量只有隨進料量變化時，才能保持塔內(nèi)固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會破壞塔內(nèi)的氣液平衡 [15]。比如，如果采用冷劑量變少了，會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改變，導(dǎo)致回流量也一定會減少。但是對于塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔，采用增加回重慶郵電大學移通學院本科 畢業(yè)設(shè)計（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。 進料段的溫度是影響精餾操作的一個非常重要的因素。 ●進料 溫度的變化對精餾塔操作的影響 進料溫度的變化對精餾操作的影響是很大的。組成變重，情況相反。對于固定了提餾段塔板數(shù)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。所以，控制策略是盡量控制前一步工序的操作，從外圍著手，使進料能夠保持恒定，降低其變化對精餾塔操作的影響。 ●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，一般是不可控的，但是可以測量，當進料速率較大時，對精餾塔的操作會造成很大的影響。在塔壓穩(wěn)定或者固定 不變時，我門常常把操作中的溫度作為恒量產(chǎn)品質(zhì)量的間接標準。 ② 變組份間的相對揮發(fā)度 當壓力增加時，各組份間的相對揮發(fā)度減少，分離效率也會相對的降低，相對的，組份間的相對揮發(fā)度增加，分離的效率也會隨之提高。當操作壓力增加時，則氣相中重組分含量就會減少，而氣相中輕組分的濃度就相對的增加；因此重慶郵電大學移通學院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 液相中輕組分含量較前增加，同時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程中要克服各種影響因素的變化，防止對塔頂產(chǎn)品的數(shù)量和組成的影響。 過程變量多，被控變量多以及可操縱變量也多，過程動態(tài)和機理復(fù)雜，這些都是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)的精餾過程。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，由多級塔板組成，內(nèi)部機制復(fù)雜以及對控制作用緩慢 [4]。 第三章為 系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計，包括的串聯(lián)級控制系統(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、 研究內(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)的先進與否直接的影響到了企業(yè)的經(jīng)濟效 益以及產(chǎn)品的競爭力，今年來，國內(nèi)的精餾技術(shù)不斷提高，塔設(shè)備發(fā)展的也非常迅速，但是對精餾中能量消耗卻沒有得到重視。比如 PLC控制，比如利用 MATLAB運算相關(guān)的數(shù)據(jù)等。國外出現(xiàn)的分隔壁精餾塔（簡稱 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。近些年在國外出現(xiàn)了一批新型的板式塔，比如美國聯(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，和重慶郵電大學移通學院本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 瑞士 KUHN1公司的 SLIT篩板以及 NUTTER工程公司的專利產(chǎn)品 V型柵板等。 第二節(jié) 精餾塔控制的現(xiàn)狀 一、 精餾塔國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 一個國家在工業(yè)發(fā)面的水平和國防方面的實力與這個國家的化工生產(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 ： ① 適應(yīng)受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時變的控制系統(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； ③ 適應(yīng)大滯后、大慣性等復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)； ④ 計算機 軟件技術(shù)方面的應(yīng)用，對，對控制參數(shù)和特性進行自動整定。因為人們需要對各類反應(yīng)爐、熱處理爐、加熱爐以及鍋爐的爐溫進行檢測以及控制。如工作繁瑣、運行慣性大、不 確定的參數(shù)以及控制滯后等都是回流控制特點。然而，對于智能化、自適應(yīng)控制方面等高要求控制技術(shù)還是達不到標準。如果選擇操作的壓力適當時，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重要的指標它們分別是： 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)的液體可以通過回流的方式返回到蒸餾塔中。進料口以上的塔段，把上升蒸氣中易揮發(fā)組分進一步提濃，稱為精餾段；進料口以下的塔段，從下降液體中提取易揮發(fā)組分，稱為提餾段。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。若精餾過程伴有化學反應(yīng)，則稱為反應(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，國內(nèi)外都對精餾塔溫度控制系統(tǒng)進行了大量的研究，在各國都對精餾塔溫度控制方面投入了大量研究的經(jīng)費。 對此，選擇精餾塔溫度控制系統(tǒng)仿真設(shè)計作為設(shè)計題目，有著實在的意義。人們開始用串級控制對溫度進行控制，不僅具有控制簡單、方便、靈活性大等優(yōu)點，且可以大幅度提高被測量溫度的要求指標，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)時代所淘汰。 最后，運用 MATLAB 中的 SIMULINK 模塊構(gòu)建 了系統(tǒng) 模型，對系統(tǒng)進行 了 調(diào)試 和 仿真，通過 對比仿真結(jié)果， 進行結(jié)果分析得出， 主回路加干擾串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，取得 了 令人滿意的控制效果。 本文首先簡述了板式精餾塔的工作原理，對精餾塔的擾動 進行了 分析，綜合各方面因素考慮，通過對各溫度控制系統(tǒng)的比較，最終選擇了串級控制系統(tǒng)為系統(tǒng)的控制方案。 摘