【正文】 該方案的可行性和此控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)這種控制系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。系統(tǒng)穩(wěn)定性能不好，可見單回路控制系統(tǒng)不具有快速消除內(nèi)擾，不能保持提餾段溫度輸出值穩(wěn)定。圖59 提餾段串級(jí)控制系統(tǒng)的SIMULINK圖仿真結(jié)果如下：圖510 溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng)從圖510中可看出響應(yīng)曲線大約呈4：1衰減振蕩，由響應(yīng)曲線不難看出，系統(tǒng)響應(yīng)速度比較快，但超調(diào)過大，超調(diào)約為38%，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，振蕩幅度大。設(shè)定副回路的控制器PID參數(shù)的初始值如下：＝2， ，上式中，為副回路廣義對(duì)象的穩(wěn)態(tài)增益， 為副回路廣義對(duì)象的一階時(shí)間常數(shù)。第五章 仿真研究 提餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真模型 對(duì)于本次設(shè)計(jì)的串級(jí)系統(tǒng)，其控制方框圖如圖51所示，其中為T的設(shè)定值，Q，分別蒸汽流量的實(shí)際值、測(cè)量值與設(shè)定值；為控制閥相對(duì)流通面積。③ 提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力 。雖然整定的結(jié)果并不能保證串級(jí)控制系統(tǒng)在最佳的條件下工作，但是它可以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕量，因而使整定后的串級(jí)控制系統(tǒng)具有正常運(yùn)行的基本條件。另外控制器參數(shù)的整定不是一勞永逸的。（3）經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法可以說是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試湊的方法，它首先將控制器的參數(shù)設(shè)置在某一經(jīng)驗(yàn)值上；然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。3） 根據(jù)得到的振蕩周期和，然后按表31計(jì)算出控制器的整定參數(shù)、和?？刂破鲄?shù)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對(duì)象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)()使控制儀表的特性和控制對(duì)象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。但有時(shí)為了防止主變量偏離給定值太遠(yuǎn)，主控制器也可考慮適當(dāng)?shù)匾敕e分控制規(guī)律。根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的工作特性，所選的副參數(shù)應(yīng)具有一定的靈敏度、時(shí)間常數(shù)小一點(diǎn)，這樣有利于加快控制作用，縮短控制時(shí)間。當(dāng)負(fù)荷和操作條件變化過大，超出了這個(gè)適應(yīng)范圍，那么控制質(zhì)量就很難保證。由圖32可以看出，導(dǎo)前氣溫信號(hào)能快速反映擾動(dòng)，尤其是減溫水側(cè)的自發(fā)性擾動(dòng),只要變化，內(nèi)回路就立即動(dòng)作，用副調(diào)節(jié)器(s)的輸出去控制減溫水量，使維持在一定的范圍內(nèi)，從而使過熱氣溫基本不變。為此再取一個(gè)對(duì)減溫水量變化反應(yīng)快的中間溫度信號(hào)作為導(dǎo)前信號(hào)，就完全可以構(gòu)成以為副參數(shù)、為主參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)由于調(diào)節(jié)品質(zhì)好，特別適用于階次較高，時(shí)間常數(shù)較大和有較大延遲的調(diào)節(jié)對(duì)象，因此是復(fù)雜控制系統(tǒng)中最為常用的一種控制系統(tǒng)[11]。按提餾段指標(biāo)控制再沸器加熱量，從而按制塔內(nèi)上升蒸汽量 V，同時(shí)保持口流量L為定值。相對(duì)地，在靠近塔底或塔頂處的溫度變化較小。但如果是精密精餾，產(chǎn)品純度要求很高，微小的壓力波動(dòng)足以影響質(zhì)量，就不能再忽略了。顯而易見，除了頂部的塔板外，要想使汽液比發(fā)生變化，用再沸器的加熱量作為控制手段比用回流量的響應(yīng)要快。在一般情況下，進(jìn)料量是不可控制的，比如說，分離裂解氣的乙烯塔，它的進(jìn)料量會(huì)受前一工序的影響。對(duì)于如圖21所示的二元精餾塔，假定： 圖21 二元精餾塔各項(xiàng)物料情況 （1）在精餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等； （2）在提餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等；=V（V為再沸器內(nèi)蒸汽量）； （3）在精餾段內(nèi)，通過各層塔板的下流液體流量均相等，稱為內(nèi)回流，當(dāng)回流溫度等于塔頂溫度時(shí)，內(nèi)回流等于外回流L；（4）在提餾段內(nèi)，通過各層塔板的下流液體流量均相等；（5）回流罐和塔底液位不變；（6）塔壓也保持不變。通過聯(lián)立方程式（21）和式（22）可得式(23)：或 (23)從式（23）中，很明顯看出進(jìn)料F在產(chǎn)品中的分配量（D／F或B／F）是決定塔頂和塔底產(chǎn)品中輕組分濃度xD和xB的主要因素。對(duì)于塔內(nèi)的溶液，根據(jù)液體的沸點(diǎn)各不相同，易揮發(fā)的組分由于汽化而向上運(yùn)動(dòng)，難揮發(fā)的組分隨液體向下運(yùn)動(dòng)，并和塔內(nèi)的上升蒸汽，在各層塔板k上充分的接觸。由表11可以明顯看出，在恒定壓力下，溶液汽液平衡的溫度和它的組分密切相關(guān)。使用風(fēng)冷時(shí)控制時(shí)策略是根據(jù)塔壓進(jìn)行浮動(dòng)塔壓控制。防止液泛和漏液，我們可以用塔壓降或者是壓差來監(jiān)視氣相速度。質(zhì)量指標(biāo)塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證合乎規(guī)定的純度，另一產(chǎn)品成分也應(yīng)該維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，或者塔頂和塔底產(chǎn)品均應(yīng)保證一定的純度要求。影響能量平衡的因素主要包括進(jìn)料溫度或釜溫的變化、再沸器加熱量和冷凝器冷卻量的變化及塔的環(huán)境溫度的變化等。精餾操作是在精餾塔中完成的。不同的多組分溶液具有不同的溫度濃度圖。精餾過程可以發(fā)生在常壓下、高壓和低壓下。 能量平衡 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過傳熱和進(jìn)料帶，精餾塔的所有能量一定與通過傳熱和產(chǎn)品帶出的離開塔的能量相平衡。式（211）可改寫為： (212)式（212）表明了精餾段內(nèi)任一塔板的汽相濃度與汽液比／和D／之間的關(guān)系。如果采用兩相進(jìn)料，我們可以想方設(shè)法控制熱焓恒定，以便克服這種擾動(dòng)。因此，恒定時(shí)，控制D實(shí)質(zhì)上就是改變了回流量L。要應(yīng)用得好，關(guān)鍵在于選點(diǎn)正確、溫差設(shè)定值合理（不能過大）以及操作工況穩(wěn)定。 精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)控制 精餾塔的控制目標(biāo)是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足規(guī)定的質(zhì)量要求。圖27 提餾段控制方案二按提餾段指標(biāo)控制塔底采出量B。副對(duì)象 在圖中以表示，它反映了副變量與操作之間的通道特性。主調(diào)節(jié)器PI1用于維持主蒸汽溫度，使其等于給定值。而由于副回路的存在，就可以提前發(fā)現(xiàn)蒸汽溫度的變化，并及時(shí)地通過副調(diào)節(jié)器改變進(jìn)水量，以便把蒸汽溫度調(diào)回來。 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制器的選擇為了更好的發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)施控制系統(tǒng)中，應(yīng)合理的設(shè)計(jì)主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。這類串級(jí)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中最長(zhǎng)見。在一般情況下，采用P控制器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可考慮采用PI控制器。在熱工生產(chǎn)過程中，比較實(shí)用的是現(xiàn)場(chǎng)整定方法，即通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟是：1） 置控制器的積分時(shí)間，微分時(shí)間，比例帶取一個(gè)較大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。若曲線波動(dòng)加劇，則加大積分時(shí)間；若曲線偏離給定值后長(zhǎng)時(shí)間不回來，則減小積分時(shí)間，直到獲得沒有余差的理想過渡過程曲線為止。這些頻率主要取決于調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，但也與主、副控制器的整定情況有關(guān)。從而改變調(diào)節(jié)閥，做到溫度θ發(fā)生變化，需要相繼通過很多熱容積。下面用例子加以說明[15]。 執(zhí)行器/控制閥假設(shè)控制閥為近似線性閥，其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)，而且 (54)式（54）中，為控制閥的流通面積，通常在一定范圍內(nèi)變化。仿真結(jié)果如圖54所示：圖54 副回路的輸出響應(yīng)曲線圖（）圖55 副回路的SIMULINK圖（）圖56 副回路的輸出響應(yīng)曲線圖（）從圖54的仿真曲線上，可以看到調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)于進(jìn)人副回路的擾動(dòng)，如本例中蒸汽壓力的變化（，如圖513所示），對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，它的響應(yīng)曲線圖如圖514所示。為了保證精餾過程的順利進(jìn)行, 需要把提餾段溫度保持恒定, 同時(shí)為了更好的抑制精餾過程各種干擾因素,提出了對(duì)提餾段控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的方案。與此同時(shí)，給我提供了大量的參考資料，使我順利完成了此次的任務(wù)。眾所周知，工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中包含許多非線性因素，所以，在確定工作點(diǎn)以后，按照控制質(zhì)量指標(biāo)整定的控制器參數(shù)，只適應(yīng)工作點(diǎn)附近，假設(shè)負(fù)荷變化過大了，超出了這個(gè)范圍，那么它的控制質(zhì)量就會(huì)下降。 單回路控制系統(tǒng)的MATLAB仿真及擾動(dòng)分析單回路控制系統(tǒng)對(duì)于提餾段控制系統(tǒng)過程，若采用溫度單回路PID控制，為了便于比較，令單回路控制器TC的PID參數(shù)與串級(jí)系統(tǒng)主控制器的PID參數(shù)完全相同。首先，把主控制器設(shè)置為純比例調(diào)節(jié)，如圖57所示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真（在純比例作用下將比例帶由大往小逐漸變化直到出現(xiàn)等幅振蕩過程為止，并記錄下此時(shí)的臨界比例帶和等幅振蕩周期，如圖58所示）。而進(jìn)料量的變化范圍為土20（t／h）。以提餾段溫度與蒸汽流量所組成的串級(jí)控制方案為例，控制系統(tǒng)主要分為溫度控制器和流量控制器。串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的雙環(huán)系統(tǒng)相同，就其主回路（外環(huán)）來看是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路（內(nèi)環(huán)）則為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。圖35為串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖，為了方便把執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包含在了導(dǎo)前區(qū)對(duì)象中。表33 動(dòng)態(tài)參數(shù)整定計(jì)算公式（(%)(min)(min)PPIPID2以上介紹了四種單回路控制系統(tǒng)的工程整定方法。采用衰減曲線法整定時(shí)，擾動(dòng)的幅值不能太大，一般不宜超過額定值的5%。單回路的工程整定法（1）臨界比例帶法對(duì)于臨界比例帶法，主要先將控制器設(shè)置成純比例作用，投入到自動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)行，并將比例帶由大到小變化，一直到出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時(shí)的比例帶值以及振蕩周期，然后調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改控制器參數(shù)，到滿意為止。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的最終控制結(jié)果總是要使副變量跟隨主控制器的輸出而變化，當(dāng)副回路的輸入增加時(shí)，副回路的輸出也要增加，由此可見副回路也是一個(gè)“+”環(huán)節(jié)。這種串級(jí)控制系統(tǒng)主要用于被控變量的給定值需要跟隨另一個(gè)變量的調(diào)節(jié)而變動(dòng)的場(chǎng)合，在工程上很少見。因此，副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏。從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大大減小，這樣整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)象總的時(shí)間滯后就近似的等于主對(duì)象的時(shí)間滯后，單回路控制系統(tǒng)對(duì)象總的時(shí)間滯后要縮短，因此，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，控制更加及時(shí)，減小了最大動(dòng)態(tài)偏差；由于等效時(shí)間的縮短，提高了系統(tǒng)的工作頻率，縮短了振蕩周期，減少了過渡時(shí)間。一個(gè)閉環(huán)在里面稱為內(nèi)回路或副回路，副回路由對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)(s) ,導(dǎo)前氣溫變送器，副調(diào)節(jié)器(s),執(zhí)行器 和減溫調(diào)節(jié)閥組成。強(qiáng)調(diào)一下，主回路并不是指將副變量測(cè)量變送環(huán)節(jié)前或后斷開后形成的單回路。如果精餾塔采用提餾段指標(biāo)進(jìn)行控制，我們要想提高控制質(zhì)量和控制品質(zhì)，對(duì)提餾段控制要求也比較高。在這里我們主要介紹按提餾段指標(biāo)控制。與操作特性曲線相對(duì)應(yīng)的塔板溫度分布曲線如圖24（b）所示，圖中曲線為不同操作條件所對(duì)應(yīng)的溫度分布。這樣在采用改變B來控制塔底產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在L不變時(shí)使再沸器加熱量所引起的上升蒸汽量V及時(shí)跟蹤塔底采出量B的變化，否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)[7]。從本節(jié)開始，將對(duì)塔的動(dòng)態(tài)影響做更深的分析。對(duì)提餾段內(nèi)任一塔板j以下作物料平衡計(jì)算，輕組分的物料平衡關(guān)系式： (215)式（215）中，為塔板j上氣相中的輕組分濃度；是從第j1塊塔板流下的液相中的輕組分濃度。為了能夠使式（25）遍及到全回流以外，我們將分離度S定義為： (26)如果發(fā)生部分回流時(shí)，對(duì)于影響精餾塔分離度的因素會(huì)很多，如下式所表示的： (27)在式子（27）中，E代表塔板的效率；代表進(jìn)料板大的位置；其他符號(hào)和前面一樣，a，n，E和是一定的或變化不大，同時(shí)進(jìn)料濃度xF的變化對(duì)S的影響與V／F對(duì)S的影響相比要小得多的多，是可以忽略的。與此同時(shí)，物料平衡和能量平衡之間又是相互影響，相互制約的。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較多的篩板塔和俘閥塔[4]?？梢杂闷浩胶舛▋x來測(cè)定汽液平衡數(shù)據(jù)。進(jìn)料溫度和進(jìn)料熱焓值進(jìn)料溫度和熱焓值影響精餾塔的能量平衡。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。液泛限，又名氣相速度限，就是精餾塔里德氣相速度比較高時(shí)，霧沫夾帶會(huì)比較嚴(yán)重，事實(shí)上，液相是從下面塔板倒流到上面塔板上，產(chǎn)生液泛破壞正常操作。進(jìn)料成分影響物料平衡和能量平衡，但進(jìn)料成分通常不可控，多數(shù)情況下也是難以測(cè)量的。對(duì)于多組分的理想液體來說，在恒定的壓力下，在沸騰時(shí)，溶液的溫度卻是可變的。 精餾塔的基本型式精餾塔是實(shí)現(xiàn)精餾操作的最重要的設(shè)備，通過精餾塔使汽、液兩相在塔內(nèi)充分接觸，進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱，最終使混合物中易揮發(fā)組分和難揮發(fā)組分得到分離。單相進(jìn)料時(shí)和熱焓兩相進(jìn)料時(shí)的變化是影響能量平衡的主要原因，再沸器加熱量、冷凝器冷卻量的變化是次要原因。 由式（25）可知，在全回流過程當(dāng)中，a和n決定了二元精餾塔兩端產(chǎn)品純度間的分離。圖22 精餾段的物料平衡關(guān)系塔頂和冷凝器的物料平衡關(guān)系為：D=L