【正文】 ,67～74.[16]Wood R W,Berry M Composition Control of a Binary Distillation Column[P] Chemical Engineering Science (S00092509),1973,(28)1707～1717.[17]—P串級(jí)控制研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2010,36(1).[18]黃克謹(jǐn)?shù)龋s塔通用動(dòng)態(tài)仿真軟件及其在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),1994,6(4):49～56.[19],[20]張葛祥,:清華大學(xué)出版社,[21]吳旭光,楊惠珍,王新民,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008致 謝 經(jīng)過幾個(gè)月的查資料、整理材料、寫作論文，今天終于可以順利的完成論文的最后的謝辭了，時(shí)光匆匆飛逝，四年多的努力與付出，隨著論文的完成，終于讓我在大學(xué)的生活得以劃上完美的句號(hào)。在工作中要學(xué)會(huì)與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事半功倍。s procedure is designed according to the control request by users. What kind of control request, what kind of user39。另外，要感謝在大學(xué)期間所有傳授我知識(shí)的老師，是你們的悉心教導(dǎo)使我有了良好的專業(yè)課知識(shí)，這也是論文得以完成的基礎(chǔ)。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題是一個(gè)典型的時(shí)間長(zhǎng)滯后大的問題，溫度串級(jí)控制技術(shù)應(yīng)用，有效地抑制慣性、遲延性的影響，并且魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，改善了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，該系統(tǒng)把主要的擾動(dòng)包含在副控回路中，通過副控回路的調(diào)節(jié)作用，在擾動(dòng)影響到主控回路被調(diào)參數(shù)之前，大大地削弱了擾動(dòng)作用的影響，這種控制方法在熱處理，化工，機(jī)械加工，金屬冶煉等行業(yè)中也具有廣泛的用途和推廣價(jià)值。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。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。還可將上述兩種方法交叉混合使用。目前，在自動(dòng)控制、圖像處理、語言處理、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)開發(fā)的實(shí)用工具箱極大地豐富了MATLAB的內(nèi)容。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。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的被控對(duì)象，可以通過在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)整來獲得較好的整定參數(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)。 物料和能量守恒關(guān)系 過程控制問題的機(jī)理建模建立在物料和能量守恒關(guān)系上。 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。 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)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和仿真研究。③對(duì)系統(tǒng)實(shí)行最優(yōu)控制。 建模應(yīng)用 系統(tǒng)建模主要用于三個(gè)方面。具體來說，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。圖描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過程的手段和方法也是多種多樣的。工業(yè)過程的靜態(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)。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]。 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。 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，選擇氣開型控制閥，Kv0。有塔頂溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。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)。串級(jí)控制對(duì)克服容量滯后大的對(duì)象特別有效。 ，使串級(jí)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng)。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。 （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的一種。其中，進(jìn)料流量與進(jìn)料組分是不可控的，而進(jìn)料溫度可通過熱焓來控制。 （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。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。 （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。對(duì)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。 （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。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。 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)品的組成要求來對(duì)這幾個(gè)影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。（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。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。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。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。 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。 甲苯是最簡(jiǎn)單，最重要的芳烴化合物之一。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。在此過程中，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]。 （4） 壓力降小 氣流通過浮閥時(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。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。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。 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。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。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。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。 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。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)。有板式塔與填料塔兩種主要類型。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。 精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。2. 課題研究的現(xiàn)狀 隨著生產(chǎn)過程向著大型、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)。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。 在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，氣體以鼓泡或噴射的形式穿過塔盤上的液層使兩相密切接觸，進(jìn)行傳質(zhì)。常見的塔體是由等直徑、等壁厚的圓筒和作為頭蓋和低蓋的橢圓形封頭所組成。 （3）除沫器 除沫器用于捕集夾帶在氣流中的液滴。 （7）吊柱 在塔頂設(shè)置吊柱是為了在安裝和檢修時(shí)，方便塔內(nèi)件的運(yùn)送。 （3） 流體流動(dòng)的阻力小，即流體通過苯甲苯精餾塔的壓力降小。板式塔是分級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，種類繁多。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。因此塔板效率較高，一般情況下比泡罩塔高15％左右。精餾過程本質(zhì)上是一種傳質(zhì)過程，也伴隨著傳熱。（3） 塔板的作用 塔板是供氣液兩相進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的場(chǎng)所。苯難溶于水，；但苯是一種良好的有機(jī)溶劑，溶解有機(jī)分子和一些非極性的無機(jī)分子的能力很強(qiáng)。 分離苯和甲苯，可以利用二者沸點(diǎn)的不同，采用塔式設(shè)備改變其溫度，使其分離并分別進(jìn)行回收和儲(chǔ)存。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。 （3）加熱方式蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。精餾塔的控制最終目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。物料平衡的控制是以回流罐與介于規(guī)定的上、下限之間為目標(biāo)的。臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)間的溫差，當(dāng)這一溫差低于臨界溫差時(shí)，給熱系數(shù)急劇下降，傳熱量也隨之下降，不能保證塔的正常傳熱的需要[5]。同理，壓力降低，塔頂餾分的數(shù)量增加，輕組分濃度降低；釜液量減少，輕組分濃度減少。應(yīng)該指出，在精餾操作過程中，進(jìn)料量、進(jìn)料組成和進(jìn)料溫度的改變，塔釜加熱蒸汽量的改變，回流量、回流溫度和冷劑壓力（對(duì)內(nèi)回流塔而言）的改變以及塔的堵塞等，都可能引起塔壓的波動(dòng)，此時(shí)應(yīng)首先分析引起塔壓波動(dòng)的原因，及時(shí)處理，使操作恢復(fù)正常。 若進(jìn)料中輕組份的濃度增加時(shí)，此時(shí)精餾段的負(fù)荷增加。 ③調(diào)節(jié)冷劑和熱劑量 根據(jù)組成的變動(dòng)情況，相應(yīng)地調(diào)節(jié)塔頂冷凝器的冷劑和塔釜熱劑量，維持塔頂及塔底產(chǎn)品質(zhì)量不變。當(dāng)塔頂餾分中重組份含量增加時(shí)，常采用加大回流比的方法將重組份壓下去，以使產(chǎn)品質(zhì)量合格。這些都會(huì)使精餾塔的頂溫升高，塔頂產(chǎn)品中重組份含量增多，質(zhì)量下降。由上述分析可以看出，精餾塔的主要干擾因素為進(jìn)料狀態(tài)，即進(jìn)料流量、進(jìn)料組分、進(jìn)料溫度。 因此，目前在精餾操作中，溫度仍是最常用的間接質(zhì)量指標(biāo)。 串級(jí)控制系統(tǒng) 。 ，因此可以加大主控制器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。 （2）及時(shí)性好。對(duì)于多數(shù)復(fù)雜控制系統(tǒng)，如多輸入多輸出系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)和擾動(dòng)較大的系統(tǒng)等簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就很難控制，無法滿足控制系統(tǒng)的控制要求[6]。（2）操縱變量的選擇精餾段的溫度控制精餾段溫度控制以精餾段產(chǎn)品的質(zhì)量為控制目標(biāo)．在恒壓下根據(jù)溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置不同。路中，以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性，使被控對(duì)象的滯后時(shí)間超前反映到控制器，有效地解決了大慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后問題，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，加速了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，另外，通過增大液位調(diào)節(jié)器的比例增益，系統(tǒng)的等效時(shí)間常數(shù)可以獲得較小的數(shù)值，從而增加了副控回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率[8]。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路內(nèi)，例如液位發(fā)生波動(dòng)引起精餾段的溫度變化時(shí)，由于有副控回路的存在，液位調(diào)節(jié)器能及時(shí)地動(dòng)作，快速消除了擾動(dòng)的影響；當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副控回路以外時(shí)，如物料、能量的轉(zhuǎn)輸變化引起精餾段的溫度變化，溫度調(diào)節(jié)器及時(shí)改變其輸出信號(hào)，由副控回路去改變流量，克服了擾動(dòng)影響[9]。精餾塔借助于冷凝器的冷卻來保持其精餾段的溫度恒定，由于冷凝器的傳熱和精餾塔的傳質(zhì)過程，使對(duì)象的等效純滯后時(shí)間很長(zhǎng)。可用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，以及工藝設(shè)計(jì)和操作條件的分析和確定。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過程都屬于建模。而通常說來，數(shù)學(xué)模型就是指對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的某一特定對(duì)象，為了某個(gè)特定的目的，做出一些必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具得到的一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，它或者能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)性態(tài)或者能預(yù)測(cè)對(duì)象的未來前景，或者能提供處理對(duì)象的最優(yōu)決策或控制等。 按數(shù)學(xué)模型所研究對(duì)象的特性可分為確定的和隨機(jī)的，靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的，連續(xù)的和離散的，或線性的和非線性的。預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)基于事物發(fā)展過程的連貫性。 建立數(shù)學(xué)模型的目的 建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的目的主要有以下幾種： （1）進(jìn)行工業(yè)過程優(yōu)化操作。 一般的經(jīng)驗(yàn)建模方法是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照某種性能指標(biāo)從一組模型中選擇個(gè)最大化（最小化）該性能指標(biāo)的模型作為過程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停虼私?jīng)驗(yàn)建模通常包括三個(gè)基本要素：輸入輸出數(shù)據(jù)；一組候選的模型集。因此，根據(jù)過程內(nèi)在機(jī)理得到的數(shù)學(xué)模型常常需要進(jìn)行進(jìn)一步的整理和簡(jiǎn)化。本設(shè)計(jì)所選用的是機(jī)理建模法。 （45）一次擾動(dòng)作用下，擾動(dòng)回路傳遞函數(shù)為 (46）系統(tǒng)輸出對(duì)輸入的傳遞函數(shù)為 (47) 主回路系統(tǒng)采用PID控制，副回路采用P控制能最大限度的滿足被控對(duì)象