【正文】 必須和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，脫離實(shí)驗(yàn)的純理論建模所獲得的數(shù)學(xué)模型往往與實(shí)際相差較大。由于系統(tǒng)內(nèi)部如何運(yùn)作不得而知，故稱為“黑箱模型”。 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(guò)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。 (3)簡(jiǎn)化模型從應(yīng)用的角度上講，動(dòng)態(tài)模型應(yīng)在能夠達(dá)到建模的目的，充分反映過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的情況下盡可能的簡(jiǎn)單。 (2)根據(jù)過(guò)程內(nèi)在機(jī)理建立數(shù)學(xué)方程對(duì)于過(guò)程控制問(wèn)題，主要依據(jù)是質(zhì)量、能量、動(dòng)量以及各種物理化學(xué)平衡關(guān)系，采用數(shù)學(xué)方程來(lái)建立對(duì)象的數(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)。 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”。機(jī)機(jī)理建模包括機(jī)理法建模，測(cè)試法建模和半測(cè)試法建模；檢驗(yàn)建模包括階躍響應(yīng)建模，線性回歸建模和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。 (6)設(shè)備啟動(dòng)與停車的操作方案。 (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。 (2)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和仿真研究。因此，實(shí)際建模時(shí)，必須在模型的簡(jiǎn)化與分析結(jié)果的準(zhǔn)確性之間作出適當(dāng)?shù)恼壑?，這是建模遵循的一條原則。但建立的任何模型都只是實(shí)際系統(tǒng)原型的簡(jiǎn)化，因?yàn)榧炔豢赡芤矝](méi)必要把實(shí)際系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)都列舉出來(lái)。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。③對(duì)系統(tǒng)實(shí)行最優(yōu)控制。②預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)實(shí)際系統(tǒng)的某些狀態(tài)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。用數(shù)學(xué)仿真來(lái)分析和設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，必須有一個(gè)描述系統(tǒng)特征的模型。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)。 建模應(yīng)用 系統(tǒng)建模主要用于三個(gè)方面。 按數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)可分為分析的，非分析的和圖論的。 數(shù)學(xué)模型分類有以下幾種： 按數(shù)學(xué)模型的功能可分為定量和定性的。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問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，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(lái)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。現(xiàn)在數(shù)學(xué)模型還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義,因?yàn)檎驹诓煌慕嵌瓤梢越o出不同的定義。這種抽象或模仿自然要抓住原型的本質(zhì),拋棄原型中的次要因素。還可以同時(shí)使用幾種方法。圖描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的手段和方法也是多種多樣的。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。建立系統(tǒng)模型的過(guò)程。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)。工業(yè)過(guò)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)。動(dòng)態(tài)模型在對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)的分析和控制中起著舉足輕重的作用。第4章 控制系統(tǒng)的建模 工業(yè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型可分為動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是表示輸出變量與輸入變量之間隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。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)回流閥門的開度來(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。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]。又由于其非線性、強(qiáng)耦合、質(zhì)量參數(shù)在線檢測(cè)困難等特點(diǎn)，使得精餾塔的自動(dòng)控制問(wèn)題成為過(guò)程控制界研究的熱點(diǎn)[10]。為此，副控制器選擇P控制規(guī)律。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。 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。二次干擾為該系統(tǒng)的主要擾動(dòng)，副控回路有效而快速地克服二次擾動(dòng)的影響。 （7）主控制器 為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足Kp1Kc1Km10，因Km10，應(yīng)選Kc10，即選用反作用控制器。 （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。 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。如果液位是恒定的，只需測(cè)量實(shí)際溫度，并使其與溫度設(shè)定值相比較，利用二者的偏差控制管道上的閥門就能保持溫度的恒定。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。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]。有塔頂溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。絕大多數(shù)精餾塔當(dāng)塔壓恒定時(shí)采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。誤差較小。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?。串?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)。 精餾塔精餾段溫度串級(jí)系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 單回路控制系統(tǒng)能解決工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化過(guò)程的大量參數(shù)定值控制問(wèn)題。當(dāng)副被控變量是流量時(shí)，未引入流量副回路，控制閥的回差、閥前壓力的波動(dòng)都會(huì)影響到操縱變量的流量，使它不能與主控制器輸出信號(hào)保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。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。串級(jí)控制對(duì)克服容量滯后大的對(duì)象特別有效。表現(xiàn)更為突出。由于主回路的存在，進(jìn)入副回路的干擾影響大為減小。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。 ，使串級(jí)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng)。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(lái)的1/100~1/10。 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上增加量一個(gè)副控回路，正是由于副控回路的存在，使串級(jí)控制具有自己的特點(diǎn)。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。對(duì)精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)引起出口溫度的因素很多：被加熱流量的和溫度的擾動(dòng)，壓力的波動(dòng)、熱質(zhì)的變化，回流量的擾動(dòng)等，而對(duì)這些擾動(dòng)單回路控制系統(tǒng)并不能把所有的干擾都包含進(jìn)去，不能是出口溫度穩(wěn)定在要求的值上，為解決上述滯后時(shí)間和控制要求之間的矛盾，保持出口流量溫度的恒定，可以通過(guò)溫度串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)環(huán)的作用是將外部擾動(dòng)的影響在內(nèi)環(huán)進(jìn)行處理，而盡可能不使其波動(dòng)到外環(huán)，這就加快了系統(tǒng)的快速性并提高了系統(tǒng)的品質(zhì)，因此串級(jí)控制系統(tǒng)中選擇內(nèi)環(huán)時(shí)應(yīng)考慮其響應(yīng)速度要比外環(huán)響應(yīng)速度快得多。 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)。 （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。 然而，因成分分析儀表受以下三方面的制約，至今在精餾塔質(zhì)量控制上成功地直接應(yīng)用還是為數(shù)不多的： ① 分析儀表的可靠性差； ② 分析測(cè)量過(guò)程滯后大，反應(yīng)緩慢； ③ 成分分析針對(duì)不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿足。過(guò)去，因成分參數(shù)在檢測(cè)上的困難，難以直接對(duì)產(chǎn)品成分信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量控制。通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號(hào)和間接的溫度信號(hào)。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(guò)熱焓來(lái)控制。如果進(jìn)料量加大，但塔頂采出量不變，其后果是回流比增大，塔內(nèi)物料增多，上升蒸汽速度增大，塔頂與塔釜的壓差增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起液泛。 在強(qiáng)制回流的操作中，如果進(jìn)料量不變，塔頂采出量突然增大，則易造成回流液槽抽空。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。 （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。假如冷凝器還有過(guò)冷作用（即通常所稱的冷凝冷卻器）時(shí)，則冷劑量的減少，還會(huì)引起回流液溫度的升高。 對(duì)于采用外回流的塔，同樣會(huì)由于冷劑量的波動(dòng)，在不同程度上影響精餾塔的操作。回流比過(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。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(lái)。 （5）回流比的大小對(duì)精餾塔精餾段操作的影響 操作中以改變回流比的大小來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 進(jìn)料溫度的的改變，意味著進(jìn)料狀態(tài)的改變，而進(jìn)料狀態(tài)的改變將影響精餾段、提餾段負(fù)荷的改變，進(jìn)而產(chǎn)品質(zhì)量、物料平衡都將發(fā)生改變。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。 （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。②改變回流比 組成變重時(shí)，加大回流比；組成變輕時(shí)，減少回流比。組成變重，情況相反。組份變輕，則塔頂餾份增加，釜液排出量減少。對(duì)于固定了提餾段塔板數(shù)的塔來(lái)說(shuō)，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。對(duì)于固定了精餾段塔板數(shù)的塔來(lái)說(shuō)，將造成重組份帶到塔頂，使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此，控制策略是盡量控制上一工序的操作，從外圍著手，使進(jìn)料成分能夠保持恒定，減小其變化對(duì)精餾塔操作的影響。因此，控制策略應(yīng)保持流量的基本恒定。 （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。 從以上分析可看出，改變操作壓力，將改變整個(gè)塔的操作情況，因此在正常操作中應(yīng)維持恒定的壓力（工藝指標(biāo)），只有在塔的正常操作受到破壞時(shí)，才可根據(jù)以上的分析，在工藝指標(biāo)允許的范圍內(nèi)，對(duì)塔的壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。我們?cè)诓僮髦薪?jīng)常以溫度作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的間接標(biāo)準(zhǔn)，但這只有在塔壓恒定的前提下才是正確的。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。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?？偟慕Y(jié)果是：塔頂餾分中輕組分濃度增加，但數(shù)量卻相對(duì)減少；釜液中的輕組分濃度增加，釜液量增加。①影響產(chǎn)品質(zhì)量和物料平衡改變操作壓力，將使每塊塔板上汽液平衡的組成發(fā)生改變。（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。 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(lái)對(duì)這幾個(gè)影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓力限是指塔的操作壓力的限制，一般是最大操作壓力限，即塔操作壓力不能過(guò)大，否則會(huì)影響塔內(nèi)的氣液平衡，嚴(yán)重越限甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。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。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。（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。（2） 物料平衡控制 進(jìn)出物料平衡，即塔頂采出量應(yīng)和進(jìn)料量相平衡，維持塔的正常平穩(wěn)操作，以及上下工序的協(xié)調(diào)工作。 （1）產(chǎn)品質(zhì)量控制塔頂產(chǎn)品合乎規(guī)定的純度，塔底成品維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。 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。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。這些都給自動(dòng)控制帶來(lái)一定的困難，同時(shí)各塔工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)千差萬(wàn)別，這需要深入分析特性，結(jié)合具體塔的特點(diǎn)，進(jìn)行自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)和研究。第3章 精餾塔精餾段溫度控制方案設(shè)計(jì) 概述 精餾塔的控制直接影響到工廠產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和能量的消耗，因此精餾塔的自動(dòng)控制長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的高度重視。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。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。有時(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗。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。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。 苯甲苯精餾過(guò)程的操作條件 （1）操作壓力 蒸餾操作通?？稍诔?、加壓和減壓下進(jìn)行。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。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。