【正文】 再次感謝在大學(xué)傳授給我知識(shí)以及給我?guī)椭凸膭?lì)的老師，同學(xué)和朋友，謝謝你們。解老師要指導(dǎo)很多同學(xué)的論文，加上本來(lái)就有的教學(xué)任務(wù)，工作量之大可想而知，但在一次次的問(wèn)題解答中，精確到每一個(gè)字的批改給了我深刻的印象，使我在論文之外明白了做學(xué)問(wèn)所應(yīng)有的態(tài)度。?保持P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：Kp1=70，Ki=，Kd=300，Kp2= D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=1％，調(diào)整時(shí)間Ts=：不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，而且隨著D參數(shù)的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，衰減率增大，振蕩頻率增大。除此之外,用戶還可以在改變參數(shù)后能迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包, 不僅界面友好且支持更靈活的模型描述手段。 用MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致，所以使用MATLAB既像一種萬(wàn)能的、科學(xué)的數(shù)學(xué)運(yùn)算“演算紙”，又像一種萬(wàn)能的計(jì)算器一樣方便快捷。由于數(shù)學(xué)仿真的主要工具是計(jì)算機(jī)，因此一般又稱為“計(jì)算機(jī)仿真”。第5章 系統(tǒng)仿真技術(shù) 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象，測(cè)量變送裝置和控制器組成的。例如對(duì)于一個(gè)一階對(duì)象 （42）穩(wěn)態(tài)是u(0)=0,y(0)==0時(shí)刻輸入u突然從0變化到A，則輸出y的階躍響應(yīng)為 （43）不過(guò)實(shí)際的工業(yè)過(guò)程往往包含高階動(dòng)態(tài)，不能單純采用一階過(guò)程來(lái)描述，常用的方法是加入純滯后項(xiàng)用一階加純滯后模型進(jìn)行描述 （44） 建立數(shù)學(xué)模型圖 精餾塔精餾段溫度控制系統(tǒng)方框圖式中為等效被控過(guò)程的放大系數(shù)，等效被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。系統(tǒng)中的一些特性和參數(shù)需用實(shí)驗(yàn)的方法獲得，以彌補(bǔ)理論建模的不足。這些數(shù)學(xué)模型通常由微分方程、偏微分方程、以及相關(guān)的代數(shù)方程共同構(gòu)成，并采用自由度分析方法來(lái)保證獲得的數(shù)學(xué)模型有解。 建模的方法 系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的基本方法主要是基于過(guò)程動(dòng)力學(xué)的機(jī)理建模和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)建模。如果在簡(jiǎn)化模型中能保留系統(tǒng)原型的一些本質(zhì)特征，那么就可認(rèn)為模型與系統(tǒng)原型是相似的，是可以用來(lái)描述原系統(tǒng)的。對(duì)于許多復(fù)雜的工業(yè)控制過(guò)程，建模往往是最關(guān)鍵和最困難的任務(wù)。 按數(shù)學(xué)模型的目的可分為理論研究的，預(yù)期結(jié)果的和優(yōu)化的。從這個(gè)意義上來(lái)講,模型既反映原型, 又不等于原型, 或者說(shuō)它是原型的一種近似。又稱模型化。從控制角度來(lái)看，輸入變量就是操縱變量和擾動(dòng)變量，輸出變量是被控變量。總之，精餾過(guò)程由于內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制作用的響應(yīng)緩慢，參數(shù)間關(guān)聯(lián)密切，因此控制要求高，難度大。 精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在這個(gè)計(jì)算機(jī)串級(jí)隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，串級(jí)控制起到了及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中可能引起被控量發(fā)生變化的一些因素并加控制，閥位與流量得到了及時(shí)的調(diào)節(jié)，使塔溫的控制達(dá)到了良好的控制效果，并且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，有效地解決了對(duì)象的等效純滯后時(shí)間很長(zhǎng)的問(wèn)題。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由主調(diào)節(jié)器（ 溫度調(diào)節(jié)器TC）進(jìn)行控制，其輸出作為副調(diào)節(jié)器（液位調(diào)節(jié)器LC）的給定值，最終控制閥門(mén)的開(kāi)度，主控回路的輸出作為副控回路設(shè)定值修正的依據(jù)，副控回路的輸出作為真正的控制量作用于被控對(duì)象，液位一旦發(fā)生變化，副控回路及時(shí)地控制閥門(mén)的開(kāi)度位置，較快地克服了液位的變化對(duì)出料溫度的影響。因此。采用串級(jí)控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，使流量測(cè)量值與主控制器輸出一一對(duì)應(yīng)，從而能夠更精確控制操縱變量的流量[5]。同時(shí)，由于串級(jí)控制系統(tǒng)增加了一個(gè)副回路，具有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，大大提高了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，從而也就提高了對(duì)干擾的克服能力，尤其對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾。 ，能夠有效地克服進(jìn)入副控回路的二次干擾。串級(jí)控制是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量極為有效的方法，在過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。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?；亓饕阂恢袛啵敎鼐蜕?，這同樣也會(huì)影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量下降。例如，冷劑量減少，將使冷凝器的作用變差，冷凝液量減少，而在塔頂產(chǎn)品的液相采出量作定值調(diào)節(jié)時(shí)，回流量勢(shì)必減少。因此，進(jìn)料溫度是影響精餾塔操作的重要因素之一。進(jìn)料組成變化時(shí)，可采取如下措施：①改進(jìn)料口 組成變重時(shí)，進(jìn)料口往下改；組成變輕時(shí)，進(jìn)料口往上改。 （3）進(jìn)料組份的變化對(duì)精餾塔精餾段操作的影響 進(jìn)料組份的變化直接影響精餾塔精餾段的操作，當(dāng)進(jìn)料中重組份的濃度增加時(shí)，精餾段的負(fù)荷增加。當(dāng)塔壓改變時(shí)，混合物的泡點(diǎn)、露點(diǎn)發(fā)生變化，引起全塔的溫度發(fā)生改變，溫度和產(chǎn)品質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系也將發(fā)生改變。壓力升高，則氣相中重組分減少，相應(yīng)地提高了氣相中輕組分的濃度；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。防止液泛和漏液，可以塔壓降和壓差來(lái)監(jiān)視氣相速度。所謂產(chǎn)品的純度，就二元精餾來(lái)說(shuō)，其質(zhì)量指標(biāo)是指塔頂產(chǎn)品中輕組分（或重組分）含量和塔底產(chǎn)品中重組分（輕組分）含分，塔頂產(chǎn)品的關(guān)鍵組分是易揮發(fā)的，稱為輕關(guān)鍵組分，塔底產(chǎn)品是不易揮發(fā)的關(guān)鍵組分，稱為重關(guān)鍵組分。精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的對(duì)象，它有多級(jí)塔板組成，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制要求較高。 （2）進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。最終，完成苯與甲苯的分離。甲苯的粘性為0,6 mPa s，也就是說(shuō)它的粘稠性弱于水。 苯甲苯分離的工藝流程冷凝器塔頂產(chǎn)品冷卻器苯的儲(chǔ)罐苯　　回流原料原料罐原料預(yù)熱器精餾塔　　回流再沸器 塔底產(chǎn)品冷卻器甲苯的儲(chǔ)罐甲苯 苯甲苯分離工藝流程示意圖℃，℃，在常溫下是一種無(wú)色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。 精餾裝置的作用（1）精餾段的作用 加料版以上的塔段為精餾段，其作用是逐板增加上升氣相中的易揮發(fā)組分的濃度。第2章 苯甲苯精餾塔的工藝生產(chǎn)流程 精餾原理 所謂精餾，就是把一定濃度的溶液送到精餾裝置中，使之不斷進(jìn)行部分冷凝和部分汽化，從而得到預(yù)期的塔頂與塔底產(chǎn)品的一種操作過(guò)程。它的操作彈性為3～5，比篩板和舌形塔盤(pán)大得多。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。事實(shí)上，對(duì)于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述的所有要求，僅是在某些方面具有獨(dú)到之處。當(dāng)苯甲苯精餾塔的氣（汽）液復(fù)合量有較大的波動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。 （6）吊耳 苯甲苯精餾塔的運(yùn)輸和安裝，特別是在設(shè)備大型化后，往往是工廠基建工地上一項(xiàng)舉足輕重的任務(wù)。為此，它應(yīng)當(dāng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能承受各種操作情況下的全塔重量，以及風(fēng)力、地震等引起的載荷。 苯甲苯精餾塔的構(gòu)件，除了種類(lèi)繁多的各種內(nèi)件外，其余構(gòu)件則是大致相同的。例如：按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔和干燥塔；按形成相際接觸界面的方式分為具有固定相界面的塔和流動(dòng)過(guò)程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分類(lèi)的。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，加熱蒸發(fā)成氣相返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕觥? 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，精餾操作可分為間歇精餾和連續(xù)精餾兩種。精餾過(guò)程通過(guò)反復(fù)的汽化與冷凝，使混合物料中的各組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的純度。蒸溜的原理是蒸氣由塔底進(jìn)入。3. 課題研究的內(nèi)容 本文的研究任務(wù)是精餾塔精餾段的控制方案以及建模與仿真研究。因此，精餾塔的設(shè)計(jì)和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化。對(duì)于板式塔來(lái)說(shuō)，塔體的不垂直度和彎曲度，將直接影響塔盤(pán)的水平度（這指標(biāo)對(duì)板式塔效率的影響是非常明顯的），為此，在塔體的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸和吊裝等各個(gè)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)嚴(yán)格保證達(dá)到有關(guān)要求，不使其超差。按接管的用途，分為進(jìn)液管、出液管、進(jìn)氣管、出氣管、回流管、側(cè)線抽出管和儀表接管等。 （1） 生產(chǎn)能力大。 （4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易。大型浮閥塔的塔徑可達(dá)10m，塔高達(dá)83m，塔板數(shù)有數(shù)百塊之多。 （1） 處理能力大 浮閥在塔盤(pán)上可安排得比泡罩更緊湊。浮閥的型式很多，國(guó)內(nèi)已采用的浮閥，如V1型、V4型、V6型、十字架型和A型，其中常用的是V1型和V4型。 連續(xù)精餾裝置流程圖連續(xù)精餾的具體運(yùn)行流程如下：①原料從進(jìn)料板(即為精餾塔中段的某塊塔板)上進(jìn)入，進(jìn)料板將整個(gè)精餾塔分為精餾段(進(jìn)料板以上的部分)和提餾段(進(jìn)料板以下的部分)；②溶液進(jìn)入精餾塔之后，因各組分具有不同的沸點(diǎn)，從而導(dǎo)致低沸點(diǎn)低組分(即易揮發(fā)組分)汽化較易而往上升騰，而高沸點(diǎn)組分(即難揮發(fā)組分)則大多隨著液體向下流。（5） 冷凝器的作用 其作用是提供塔頂液相產(chǎn)品并保證有適當(dāng)?shù)囊合嗷亓?。甲苯的熔點(diǎn)為95 ℃，沸點(diǎn)為111 ℃。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入苯的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過(guò)程就叫做回流。當(dāng)物性無(wú)特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。 精餾塔精餾段的控制要求 精餾塔的控制目標(biāo)是，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益（利潤(rùn)）最大或總成本最小。常用的精餾塔限制條件為液泛限、漏液限、壓力限及臨界溫差限等。（1）精餾塔操作壓力的變化對(duì)精餾塔精餾段操作的影響塔的設(shè)計(jì)和操作都是基于一定的塔壓下進(jìn)行的，因此一般精餾塔總是首先要保持壓力的恒定。③改變塔的生產(chǎn)能力壓力增加，組份的重度增大，塔的處理能力增大。因此，控制策略應(yīng)保持流量的基本恒定。組份變輕，則塔頂餾份增加，釜液排出量減少。當(dāng)進(jìn)料溫度的變化幅度過(guò)大時(shí)，通常會(huì)影響整個(gè)塔身的溫度，從而改變汽液平衡組成?；亓鞅冗^(guò)大，將會(huì)造成塔內(nèi)物料的循環(huán)量過(guò)大，甚至能導(dǎo)致液泛，破壞塔的正常操作。例如，當(dāng)進(jìn)料量不變時(shí)，對(duì)采用內(nèi)回流的塔，若塔頂采出量增大，則回流比勢(shì)必減少，引起各板上的回流液量減少，氣液接觸不好，傳質(zhì)效率下降；同時(shí)操作壓力也將下降，各板上的氣液相組成發(fā)生變化。通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類(lèi)：直接的產(chǎn)品成分信號(hào)和間接的溫度信號(hào)。 控制方案的設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)一般情況下都能滿足正常生產(chǎn)的要求，但是當(dāng)對(duì)象滯后較大，負(fù)荷和干擾變化比較劇烈而頻繁，或是工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求很高時(shí)，采用單回路控制方法就不太有效，于是就出現(xiàn)了一種串級(jí)控制系統(tǒng)。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)，稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制是在原控制回路中，增加了一個(gè)或幾個(gè)控制內(nèi)回路，用用以控制可能引起被控量變化的其他因素，從而有效的抑制被控對(duì)象的時(shí)滯特性，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。串級(jí)控制系統(tǒng)就其主回路來(lái)看，它是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，但其副回路對(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)器能夠根據(jù)對(duì)象操作條件和負(fù)荷的變化情況不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定值，以適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化。對(duì)于多元精餾塔．由于石油化工過(guò)程中精餾產(chǎn)品大多數(shù)是碳?xì)浠衔锏耐滴?。而回流量L的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，溫度稍有變化，即可通過(guò)調(diào)節(jié)回流量L加以控制，能夠很好的克服擾動(dòng)[7]。 （5）副控制器 為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足Kc2KvKp2Km20，因Km20，應(yīng)選Kc20，即選用反作用控制器。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無(wú)靜差，因此，主控制器應(yīng)選PID控制規(guī)律。如果采用傳統(tǒng)的控制算法，回流量得不到及時(shí)地調(diào)節(jié)，溫度變化以后才調(diào)節(jié)回流閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)改變蒸氣的供給量，產(chǎn)生了過(guò)程上的時(shí)間滯后問(wèn)題，使被控對(duì)象的等效時(shí)間很長(zhǎng)不能及時(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，從而達(dá)不到預(yù)期的控制效果。而數(shù)學(xué)模型則是應(yīng)用數(shù)學(xué)的思想方法、語(yǔ)言和工具,是關(guān)于部分現(xiàn)實(shí)世界和為一種特殊目的而作的一個(gè)抽象的、簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，是為了解決實(shí)際問(wèn)題而設(shè)計(jì)的關(guān)于“數(shù)、形、算”的一種十分有用的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。還可以同時(shí)使用幾種方法。第二，它是數(shù)學(xué)上的抽象，在數(shù)值上可以作為公式的應(yīng)用，可以推廣到與原物相近的一類(lèi)問(wèn)題。例如工程界在分析設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng)時(shí)，通常先進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真和物理仿真實(shí)驗(yàn)，最后再到現(xiàn)場(chǎng)作實(shí)物實(shí)驗(yàn)。在建模的基礎(chǔ)上，再根據(jù)極大值原理，動(dòng)態(tài)規(guī)劃，反饋、解耦，極點(diǎn)配置、自組織、自適應(yīng)和智能控制等方法，設(shè)計(jì)各種各樣的控制器或控制律。 (4)作為模型預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制方法的數(shù)學(xué)模型。因此在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)需要進(jìn)行一定的假設(shè)。由于系統(tǒng)內(nèi)部如何運(yùn)作不得而知，故稱為“黑箱模型”。 （1）無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料流量關(guān)系 （41） 式中，為密度。. 主調(diào)節(jié)器采用PID控制規(guī)律。這時(shí)，就需要對(duì)實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建物理模型或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，簡(jiǎn)稱仿真。物理仿真則需要進(jìn)行大量的設(shè)備制造，安裝，接線及調(diào)試工作。SIMULINK 有兩個(gè)明顯的功能: 仿真與連接, 亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫(huà)出所需的控制系統(tǒng)模型,然后利用該軟件提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。同時(shí),它也具有能在仿真進(jìn)行的過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變仿真參數(shù)的功能。在定義完一個(gè)模型以后,用戶可以通過(guò)SIMULINK的菜單或MATLAB命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。（1）無(wú)干擾串級(jí)控制仿真仿真框圖： 無(wú)干擾串級(jí)控制仿真框圖根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊法,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，Kp1=70，Ki=，Kd=200，Kp2=，曲線衰減效果良好，其過(guò)渡曲線上升時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量均較小，說(shuō)明精餾塔精餾段的溫度在此控制參數(shù)下能夠較快較穩(wěn)的恢復(fù)到設(shè)定值，即控制效果較為優(yōu)良。23(12)：167～170．[14]劉久斌，李德桃．電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)的模糊免疫PID控制[J]．動(dòng)力工程，2005，25(5)：673～675．[15]、仿真及控制的研究[D].北京化工大學(xué)碩士論文，2005