【正文】 該方案的可行性和此控制系統(tǒng)的優(yōu)點，為實現(xiàn)這種控制系統(tǒng)提供了理論基礎。系統(tǒng)穩(wěn)定性能不好，可見單回路控制系統(tǒng)不具有快速消除內擾，不能保持提餾段溫度輸出值穩(wěn)定。圖59 提餾段串級控制系統(tǒng)的SIMULINK圖仿真結果如下：圖510 溫度串級控制系統(tǒng)設定值跟蹤響應從圖510中可看出響應曲線大約呈4：1衰減振蕩，由響應曲線不難看出，系統(tǒng)響應速度比較快，但超調過大，超調約為38%，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，振蕩幅度大。設定副回路的控制器PID參數(shù)的初始值如下：＝2， ，上式中，為副回路廣義對象的穩(wěn)態(tài)增益， 為副回路廣義對象的一階時間常數(shù)。第五章 仿真研究 提餾段溫度串級控制系統(tǒng)仿真模型 對于本次設計的串級系統(tǒng)，其控制方框圖如圖51所示，其中為T的設定值，Q，分別蒸汽流量的實際值、測量值與設定值；為控制閥相對流通面積。③ 提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應能力 。雖然整定的結果并不能保證串級控制系統(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控制系統(tǒng)具有正常運行的基本條件。另外控制器參數(shù)的整定不是一勞永逸的。（3）經(jīng)驗湊試法經(jīng)驗湊試法可以說是根據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)試湊的方法，它首先將控制器的參數(shù)設置在某一經(jīng)驗值上；然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察調節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動試驗，觀察調節(jié)過程；反復上述試驗，直到調節(jié)過程滿意為止。3） 根據(jù)得到的振蕩周期和，然后按表31計算出控制器的整定參數(shù)、和。控制器參數(shù)的整定是指在控制系統(tǒng)的結構已經(jīng)確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當選擇調節(jié)器的參數(shù)()使控制儀表的特性和控制對象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。但有時為了防止主變量偏離給定值太遠，主控制器也可考慮適當?shù)匾敕e分控制規(guī)律。根據(jù)串級控制系統(tǒng)中副回路的工作特性，所選的副參數(shù)應具有一定的靈敏度、時間常數(shù)小一點，這樣有利于加快控制作用，縮短控制時間。當負荷和操作條件變化過大，超出了這個適應范圍，那么控制質量就很難保證。由圖32可以看出，導前氣溫信號能快速反映擾動，尤其是減溫水側的自發(fā)性擾動,只要變化，內回路就立即動作，用副調節(jié)器(s)的輸出去控制減溫水量，使維持在一定的范圍內，從而使過熱氣溫基本不變。為此再取一個對減溫水量變化反應快的中間溫度信號作為導前信號，就完全可以構成以為副參數(shù)、為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)由于調節(jié)品質好，特別適用于階次較高，時間常數(shù)較大和有較大延遲的調節(jié)對象，因此是復雜控制系統(tǒng)中最為常用的一種控制系統(tǒng)[11]。按提餾段指標控制再沸器加熱量，從而按制塔內上升蒸汽量 V，同時保持口流量L為定值。相對地，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，微小的壓力波動足以影響質量，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要快。在一般情況下，進料量是不可控制的，比如說，分離裂解氣的乙烯塔，它的進料量會受前一工序的影響。對于如圖21所示的二元精餾塔，假定： 圖21 二元精餾塔各項物料情況 （1）在精餾段內，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等； （2）在提餾段內，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等；=V（V為再沸器內蒸汽量）； （3）在精餾段內，通過各層塔板的下流液體流量均相等，稱為內回流，當回流溫度等于塔頂溫度時，內回流等于外回流L；（4）在提餾段內，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。對于塔內的溶液，根據(jù)液體的沸點各不相同，易揮發(fā)的組分由于汽化而向上運動，難揮發(fā)的組分隨液體向下運動，并和塔內的上升蒸汽，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。使用風冷時控制時策略是根據(jù)塔壓進行浮動塔壓控制。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。質量指標塔頂或塔底產(chǎn)品之一應該保證合乎規(guī)定的純度，另一產(chǎn)品成分也應該維持在規(guī)定的范圍之內，或者塔頂和塔底產(chǎn)品均應保證一定的純度要求。影響能量平衡的因素主要包括進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，通過傳熱和進料帶，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）表明了精餾段內任一塔板的汽相濃度與汽液比／和D／之間的關系。如果采用兩相進料，我們可以想方設法控制熱焓恒定，以便克服這種擾動。因此，恒定時，控制D實質上就是改變了回流量L。要應用得好，關鍵在于選點正確、溫差設定值合理（不能過大）以及操作工況穩(wěn)定。 精餾塔的質量指標控制 精餾塔的控制目標是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足規(guī)定的質量要求。圖27 提餾段控制方案二按提餾段指標控制塔底采出量B。副對象 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，并及時地通過副調節(jié)器改變進水量，以便把蒸汽溫度調回來。 串級控制系統(tǒng)的設計和控制器的選擇為了更好的發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的的優(yōu)點，在設計實施控制系統(tǒng)中，應合理的設計主、副回路及選擇主、副調節(jié)器的控制規(guī)律。這類串級控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中最長見。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，比較實用的是現(xiàn)場整定方法，即通過現(xiàn)場調試來選擇調節(jié)器的參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟是：1） 置控制器的積分時間，微分時間，比例帶取一個較大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。若曲線波動加劇，則加大積分時間；若曲線偏離給定值后長時間不回來，則減小積分時間，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節(jié)對象的動態(tài)特性，但也與主、副控制器的整定情況有關。從而改變調節(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/控制閥假設控制閥為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，而且 (54)式（54）中，為控制閥的流通面積，通常在一定范圍內變化。仿真結果如圖54所示：圖54 副回路的輸出響應曲線圖（）圖55 副回路的SIMULINK圖（）圖56 副回路的輸出響應曲線圖（）從圖54的仿真曲線上，可以看到調節(jié)時間長。對于進人副回路的擾動，如本例中蒸汽壓力的變化（，如圖513所示），對系統(tǒng)進行仿真，它的響應曲線圖如圖514所示。為了保證精餾過程的順利進行, 需要把提餾段溫度保持恒定, 同時為了更好的抑制精餾過程各種干擾因素,提出了對提餾段控制系統(tǒng)采用串級控制系統(tǒng)進行控制的方案。與此同時，給我提供了大量的參考資料，使我順利完成了此次的任務。眾所周知，工業(yè)實際生產(chǎn)過程中包含許多非線性因素，所以，在確定工作點以后，按照控制質量指標整定的控制器參數(shù)，只適應工作點附近，假設負荷變化過大了，超出了這個范圍，那么它的控制質量就會下降。 單回路控制系統(tǒng)的MATLAB仿真及擾動分析單回路控制系統(tǒng)對于提餾段控制系統(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)與串級系統(tǒng)主控制器的PID參數(shù)完全相同。首先，把主控制器設置為純比例調節(jié)，如圖57所示，對系統(tǒng)進行仿真（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，并記錄下此時的臨界比例帶和等幅振蕩周期，如圖58所示）。而進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。串級控制系統(tǒng)在結構上與電力傳動自動控制系統(tǒng)中的雙環(huán)系統(tǒng)相同，就其主回路（外環(huán)）來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路（內環(huán)）則為一個隨動系統(tǒng)。圖35為串級控制系統(tǒng)方框圖，為了方便把執(zhí)行器和調節(jié)機構包含在了導前區(qū)對象中。表33 動態(tài)參數(shù)整定計算公式（(%)(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，擾動的幅值不能太大，一般不宜超過額定值的5%。單回路的工程整定法（1）臨界比例帶法對于臨界比例帶法，主要先將控制器設置成純比例作用，投入到自動系統(tǒng)中運行，并將比例帶由大到小變化，一直到出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時的比例帶值以及振蕩周期，然后調節(jié)各個參數(shù)，根據(jù)計算結果設置好調節(jié)器的各個參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調節(jié)過程，適當修改控制器參數(shù)，到滿意為止。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的最終控制結果總是要使副變量跟隨主控制器的輸出而變化，當副回路的輸入增加時，副回路的輸出也要增加，由此可見副回路也是一個“+”環(huán)節(jié)。這種串級控制系統(tǒng)主要用于被控變量的給定值需要跟隨另一個變量的調節(jié)而變動的場合，在工程上很少見。因此，副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，控制通道短，反應靈敏。從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對象的時間常數(shù)大大減小，這樣整個系統(tǒng)中對象總的時間滯后就近似的等于主對象的時間滯后，單回路控制系統(tǒng)對象總的時間滯后要縮短，因此，系統(tǒng)的動態(tài)響應加快，控制更加及時，減小了最大動態(tài)偏差；由于等效時間的縮短，提高了系統(tǒng)的工作頻率，縮短了振蕩周期，減少了過渡時間。一個閉環(huán)在里面稱為內回路或副回路，副回路由對象的導前區(qū)(s) ,導前氣溫變送器，副調節(jié)器(s),執(zhí)行器 和減溫調節(jié)閥組成。強調一下，主回路并不是指將副變量測量變送環(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進行控制，我們要想提高控制質量和控制品質，對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控制。與操作特性曲線相對應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應的溫度分布。這樣在采用改變B來控制塔底產(chǎn)品質量的方案中，才能在L不變時使再沸器加熱量所引起的上升蒸汽量V及時跟蹤塔底采出量B的變化，否則將引起滯后，影響控制品質[7]。從本節(jié)開始，將對塔的動態(tài)影響做更深的分析。對提餾段內任一塔板j以下作物料平衡計算，輕組分的物料平衡關系式： (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，對于影響精餾塔分離度的因素會很多，如下式所表示的： (27)在式子（27）中，E代表塔板的效率；代表進料板大的位置；其他符號和前面一樣，a，n，E和是一定的或變化不大，同時進料濃度xF的變化對S的影響與V／F對S的影響相比要小得多的多，是可以忽略的。與此同時，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)中應用比較多的篩板塔和俘閥塔[4]?？梢杂闷浩胶舛▋x來測定汽液平衡數(shù)據(jù)。進料溫度和進料熱焓值進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，當氣相速度小于某一值時，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，霧沫夾帶會比較嚴重，事實上，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。進料成分影響物料平衡和能量平衡，但進料成分通常不可控，多數(shù)情況下也是難以測量的。對于多組分的理想液體來說，在恒定的壓力下，在沸騰時，溶液的溫度卻是可變的。 精餾塔的基本型式精餾塔是實現(xiàn)精餾操作的最重要的設備，通過精餾塔使汽、液兩相在塔內充分接觸，進行傳質和傳熱，最終使混合物中易揮發(fā)組分和難揮發(fā)組分得到分離。單相進料時和熱焓兩相進料時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系塔頂和冷凝器的物料平衡關系為：D=L