【正文】 操作壓力時，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)濟上的合理性進行考慮。對于沸點低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進行蒸餾。但在塔徑相同的情況下，適當?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰Α? （2）進料狀態(tài) 進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有密切的聯(lián)系。 （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。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。對于苯甲苯溶液，~（表壓）。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，它有多級塔板組成，內(nèi)在機理復(fù)雜，對控制要求較高。精餾塔的控制最終目標是：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。 精餾過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，表現(xiàn)為：過程變量多，被控變量多，可操縱變量也多；過程動態(tài)和機理復(fù)雜，例如，非線性、時變、關(guān)聯(lián)；控制方案多樣，例如，同一被控變量可以采用不同的控制方案，控制方案的適應(yīng)面光等。具體對一個精餾塔來說，需從四個方面考慮，設(shè)置必要的控制系統(tǒng)。所謂產(chǎn)品的純度，就二元精餾來說，其質(zhì)量指標是指塔頂產(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。物料平衡的控制是以回流罐與介于規(guī)定的上、下限之間為目標的。 （4）約束條件控制 為保證精餾塔的正常、安全操作，必須使某些操作參數(shù)限制在約束條件之內(nèi)。所謂液泛限，也稱氣相速度限，即塔內(nèi)氣相速度過高時，霧沫夾帶十分嚴重，實際上液相將從下面塔板倒流到上面塔板，產(chǎn)生液泛，破壞正常操作。防止液泛和漏液，可以塔壓降和壓差來監(jiān)視氣相速度。臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)間的溫差，當這一溫差低于臨界溫差時，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]。精餾操作過程的影響因素有以下幾方面：；；；；；；，防止對塔頂產(chǎn)品的數(shù)量和組成的影響。塔壓波動對塔的操作將產(chǎn)生如下的影響。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，同時也改變了氣液相的重量比，使液相量增加，氣相量減少。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。 ②改變組份間的相對揮發(fā)度壓力增加，組份間的相對揮發(fā)度降低，分離效率下降，反之，組份間的相對揮發(fā)度增加，分離效率提高。④塔壓的波動這將引起溫度和組成間對應(yīng)關(guān)系的混亂。當塔壓改變時，混合物的泡點、露點發(fā)生變化，引起全塔的溫度發(fā)生改變，溫度和產(chǎn)品質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系也將發(fā)生改變。應(yīng)該指出，在精餾操作過程中，進料量、進料組成和進料溫度的改變，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，此時應(yīng)首先分析引起塔壓波動的原因，及時處理，使操作恢復(fù)正常。進料流量影響物料平衡，也影響能量平衡。 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)情況下也難于測量。 （3）進料組份的變化對精餾塔精餾段操作的影響 進料組份的變化直接影響精餾塔精餾段的操作，當進料中重組份的濃度增加時，精餾段的負荷增加。 若進料中輕組份的濃度增加時，此時精餾段的負荷增加。同時，進料組成的變化還將引起全塔物料平衡和工藝條件的變化。此時，全塔溫度下降，塔壓升高。進料組成變化時，可采取如下措施：①改進料口 組成變重時，進料口往下改；組成變輕時，進料口往上改。 ③調(diào)節(jié)冷劑和熱劑量 根據(jù)組成的變動情況，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?？偟膩碇v，進料溫度降低，將增加塔底蒸發(fā)釜的熱負荷，減少塔頂冷凝器的冷負荷；進料溫度升高，則增加塔頂冷凝器的冷負荷，減少塔底蒸發(fā)釜的熱負荷。例如：在進料溫度過低，塔釜的加熱蒸汽量沒有富裕的情況下，將會使塔底餾分中輕組分含量增加。因此，進料溫度是影響精餾塔操作的重要因素之一。當塔頂餾分中重組份含量增加時，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。增加回流比，對從塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔來說，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，但是卻要降低塔的生產(chǎn)能力，增加水、電、汽的消耗。 （6）塔頂冷劑量的大小對精餾塔精餾段操作的影響對采用內(nèi)回流操作的塔，其冷劑量的大小，對精餾操作的影響比較顯著；同時也是影響回流量波動的主要因素。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，回流量勢必減少。這些都會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。眾所周知，采出量只有隨進料量變化時，才能保持塔內(nèi)固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會破壞塔內(nèi)的氣液平衡。結(jié)果是重組分被帶到塔頂，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量不合格?；亓饕阂恢袛?，頂溫就升高，這同樣也會影響塔頂產(chǎn)品質(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料狀態(tài)，即進料流量、進料組分、進料溫度。 精餾塔被控變量的選擇精餾塔被控變量的選擇，主要討論質(zhì)量控制中得被控變量的確定，以及檢測點的位置等問題。 （1）采用產(chǎn)品成分作為直接質(zhì)量指標 以產(chǎn)品成分的檢測信號直接用作質(zhì)量控制的被控信號，應(yīng)該說是最為理想的。近年來，成分檢測儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線應(yīng)用，為以成分信號直接作為質(zhì)量控制的被控變量，創(chuàng)造了現(xiàn)實條件。 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。對于一個二元組分精餾塔來說，在一定的壓力下，沸點和產(chǎn)品的成分有單值的對應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。串級控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)或多閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為副控對象，外環(huán)為主控對象。串級控制是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量極為有效的方法，在過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 串級控制系統(tǒng) 。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而副控制器的輸出則去控制被控對象。作用在外環(huán)的擾動稱為一次擾動，作用在內(nèi)環(huán)的擾動稱為二次擾動[6]。 ，能夠有效地克服進入副控回路的二次干擾。 ，因此可以加大主控制器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。 串級控制系統(tǒng)的特點串級控制是在單回路PID控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制技術(shù)。 （1）抗干擾性強。同時，由于串級控制系統(tǒng)增加了一個副回路，具有主、副兩個調(diào)節(jié)器，大大提高了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，從而也就提高了對干擾的克服能力，尤其對于進入副回路的干擾。 （2）及時性好。 （3）適應(yīng)能力強。 （4）能夠更精確控制操縱變量的流量。采用串級控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，使流量測量值與主控制器輸出一一對應(yīng)，從而能夠更精確控制操縱變量的流量[5]。對于多數(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)和擾動較大的系統(tǒng)等簡單控制系統(tǒng)就很難控制，無法滿足控制系統(tǒng)的控制要求[6]。 變量的選擇（1） 被控變量的選擇 對于二元精餾塔，當塔壓恒定時，溫度與成分之間有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此，常用溫度作為被控變量。在一定塔壓下，溫度與成分之間仍有較好的對應(yīng)關(guān)系。因此。（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．在恒壓下根據(jù)溫度檢測點的位置不同。操縱變量可選擇回流量或塔頂采出量。 精餾塔精餾段控制的過程分析我們的控制目的是使塔溫保持恒定，現(xiàn)選用精餾段的溫度, 與回流量來構(gòu)成串級隨動控制。當溫度發(fā)生變化時，由主調(diào)節(jié)器（ 溫度調(diào)節(jié)器TC）進行控制，其輸出作為副調(diào)節(jié)器（液位調(diào)節(jié)器LC）的給定值，最終控制閥門的開度，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象，液位一旦發(fā)生變化，副控回路及時地控制閥門的開度位置，較快地克服了液位的變化對出料溫度的影響。路中，以補償過程的動態(tài)特性，使被控對象的滯后時間超前反映到控制器，有效地解決了大慣性環(huán)節(jié)的時間滯后問題，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]。 （4）副被控對象 控制閥打開，進料流量增加，回流量也增加，因此，Kp20。 （6）主被控對象 當蒸汽流量增加時，精餾段溫度升高，因此，Kp10。 精餾塔精餾段溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在這個計算機串級隨動控制系統(tǒng)中，串級控制起到了及時檢測系統(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的調(diào)節(jié)，使塔溫的控制達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，有效地解決了對象的等效純滯后時間很長的問題。當擾動發(fā)生在副回路內(nèi)，例如液位發(fā)生波動引起精餾段的溫度變化時，由于有副控回路的存在，液位調(diào)節(jié)器能及時地動作，快速消除了擾動的影響；當擾動發(fā)生在副控回路以外時，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)器及時改變其輸出信號，由副控回路去改變流量，克服了擾動影響[9]。主控制器起定值控制作用，副控制器起隨動控制作用，這是選擇控制器規(guī)律的基本出發(fā)點。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，因而可以允許在一定范圍的變化，并允許有靜差?？傊?，精餾過程由于內(nèi)在機理復(fù)雜，對控制作用的響應(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，使對象的等效純滯后時間很長。在精餾塔精餾段溫度控制系統(tǒng)中，保持回流量的恒定與塔溫發(fā)生變化能及時地調(diào)節(jié)回流閥門的開度使塔溫保持恒定是我們的最終控制目的。本文針對這個問題，提出采用主控回路和副控回路相配合的溫度串級控制系統(tǒng)，主回路控制器采用PID控制算法，副回路采用P控制算法，最大可能的滿足控制系統(tǒng)的要求。從控制角度來看，輸入變量就是操縱變量和擾動變量，輸出變量是被控變量?？捎糜诟黝愖詣涌刂葡到y(tǒng)的設(shè)計與分析，以及工藝設(shè)計和操作條件的分析和確定。 數(shù)學(xué)模型簡介 數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實世界空間形式和數(shù)量關(guān)系的科學(xué)。通過建立數(shù)學(xué)模型,可以充分發(fā)揮數(shù)學(xué)科學(xué)解決實際問題的服務(wù)功能，體現(xiàn)出數(shù)學(xué)的真正意義。又稱模型化。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?？梢酝ㄟ^對系統(tǒng)本身運動規(guī)律的分析，根據(jù)事物的機理來建模，也可以通過對系統(tǒng)的實驗或統(tǒng)計數(shù)據(jù)的處理,并根據(jù)關(guān)于系統(tǒng)的已有的知識和經(jīng)驗來建模。模型的實質(zhì)是對現(xiàn)實原型的一種抽象或模仿。從這個意義上來講,模型既反映原型, 又不等于原型, 或者說它是原型的一種近似。而通常說來，數(shù)學(xué)模型就是指對于現(xiàn)實世界的某一特定對象，為了某個特定的目的，做出一些必要的簡化和假設(shè)，運用適當?shù)臄?shù)學(xué)工具得到的一個數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，它或者能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實性態(tài)或者能預(yù)測對象的未來前景，或者能提供處理對象的最優(yōu)決策或控制等。數(shù)學(xué)模型的特征是： 第一，它是某事物為一種特殊目的而作的一個抽象化、簡單化的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，這意味著揚棄、篩選，是取舍次要因素，突出主要因素的主要結(jié)果；是事物的一種模擬，雖源于現(xiàn)實，但非實際的原型，而又高于現(xiàn)實。第三，可以作為某事物的數(shù)學(xué)語言，可以譯成算法語言，編寫程序進入計算機。 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。 按數(shù)學(xué)模型所研究對象的特性可分為確定的和隨機的，靜態(tài)的和動態(tài)的，連續(xù)的和離散的，或線性的和非線性的。①分析和設(shè)計實際系統(tǒng)。數(shù)學(xué)仿真比物理仿真簡單、易行。對于許多復(fù)雜的工業(yè)控制過程，建模往往是最關(guān)鍵和最困難的任務(wù)。預(yù)測或預(yù)報基于事物發(fā)展過程的連貫性。運用控制理論設(shè)計控制器或最優(yōu)控制律的關(guān)鍵或前提是有一個能表征系統(tǒng)特征的數(shù)學(xué)模型。 系統(tǒng)建模主要用于3個方面對于同一個實際系統(tǒng)，人們可以根據(jù)不同的用途和目的建立不同的模型。如果在簡化模型中能保留系統(tǒng)原型的一些本質(zhì)特征，那么就可認為模型與系統(tǒng)原型是相似的，是可以用來描述原系統(tǒng)的。 建立數(shù)學(xué)模型的目的 建立被控對象的數(shù)學(xué)模型的目的主要有以下幾種： （1）進行工業(yè)過程優(yōu)化操作。 (3)控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)的整定。 (5)工業(yè)過程的故障檢測與診斷。 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程動力學(xué)的機理建模和基于實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗建模。 一般的經(jīng)驗建模方法是根據(jù)實測數(shù)據(jù)，按照某種性能指標從一組模型中選擇個最大化（最小化）該性能指標的模型作為過程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停虼私?jīng)驗建模通常包括三個基本要素：輸入輸出數(shù)據(jù)；一組候選的模型集。它包含一系列的建模步驟： (1)根據(jù)建模的對象和模型使用目的進行合理的假設(shè) 由于實際的生產(chǎn)過程往往非常復(fù)雜，不可能完全精確地用數(shù)學(xué)公式把客觀實際描述出來。在滿足模型應(yīng)用要求的前提下，根據(jù)對建模對象的了解以及模型使用的目的，進行一些近似處理，把次要因素忽略掉。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保證獲得的數(shù)學(xué)模型有解。因此，根據(jù)過程內(nèi)在機理得到的數(shù)學(xué)模型常常需要進行進一步的整理和簡化。特點是把被研究過程看作一個黑匣子，完全從外部特性上進行測試并描述對象的動態(tài)特性。一般的經(jīng)驗建模方法是根據(jù)實測數(shù)據(jù)，按照某種性能指標從一組模型中選擇一個最大化（最小化）該性能指標的模型作為過程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，因此?jīng)驗建模通常包括三個基本要素：輸入輸出數(shù)據(jù)；一組候選的模型集。系統(tǒng)中的一些特性和參數(shù)需用實驗的方法獲得，以彌補理論建模的不足。本設(shè)計所選用的是機理建模法。對參量S的守恒關(guān)系為 式中，S可以是總質(zhì)量、各組分質(zhì)量、總能量、動量。V為體積，；為流入各物料的體積流量，；為流入各物料的密度，；為流出各物料的體積流量，；為流出各物料的密度。例如對于一個一階對象 （42）穩(wěn)態(tài)是u(0)=0,y(0)==0時刻輸入u突然從0變化到A，則輸出y的階躍響應(yīng)為 （43）不過實際的工業(yè)過程往往包含高階動態(tài)，不能單純采用一階過程來描述，常用的方法是加入純滯后項用一階加純滯后模型