【正文】 操作壓力時，必須根據(jù)所處理物料的性質，兼顧技術上的可行性和經(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，內在機理復雜，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。 精餾過程是一個復雜的傳質傳熱過程，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)和機理復雜，例如，非線性、時變、關聯(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，控制方案的適應面光等。具體對一個精餾塔來說，需從四個方面考慮，設置必要的控制系統(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)品的關鍵組分是易揮發(fā)的，稱為輕關鍵組分，塔底產(chǎn)品是不易揮發(fā)的關鍵組分，稱為重關鍵組分。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。所謂液泛限，也稱氣相速度限，即塔內氣相速度過高時，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關系的混亂。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)品質量的對應關系也將發(fā)生改變。應該指出，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，此時應首先分析引起塔壓波動的原因，及時處理，使操作恢復正常。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調節(jié)冷劑和熱劑量 根據(jù)組成的變動情況，相應地調節(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，才能保持塔內固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會破壞塔內的氣液平衡。結果是重組分被帶到塔頂，塔頂產(chǎn)品的質量不合格?；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)品成分作為直接質量指標 以產(chǎn)品成分的檢測信號直接用作質量控制的被控信號，應該說是最為理想的。近年來，成分檢測儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線應用，為以成分信號直接作為質量控制的被控變量，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關系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應了成分。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)內環(huán)為副控對象，外環(huán)為主控對象。串級控制是改善調節(jié)質量極為有效的方法，在過程控制中得到了廣泛的應用。 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控制的基礎上發(fā)展起來的一種控制技術。 （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、副兩個調節(jié)器，大大提高了調節(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，從而能夠更精確控制操縱變量的流量[5]。對于多數(shù)復雜控制系統(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的關系，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關系。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, 與回流量來構成串級隨動控制。當溫度發(fā)生變化時，由主調節(jié)器（ 溫度調節(jié)器TC）進行控制，其輸出作為副調節(jié)器（液位調節(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)的超調量，加速了系統(tǒng)的調節(jié)過程，另外，通過增大液位調節(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)結構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，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、能量的轉輸變化引起精餾段的溫度變化，溫度調節(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s過程由于內在機理復雜，對控制作用的響應緩慢，參數(shù)間關聯(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。可用于各類自動控制系統(tǒng)的設計與分析，以及工藝設計和操作條件的分析和確定。 數(shù)學模型簡介 數(shù)學是研究現(xiàn)實世界空間形式和數(shù)量關系的科學。通過建立數(shù)學模型,可以充分發(fā)揮數(shù)學科學解決實際問題的服務功能，體現(xiàn)出數(shù)學的真正意義。又稱模型化。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關系或相互關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)關于系統(tǒng)的已有的知識和經(jīng)驗來建模。模型的實質是對現(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，運用適當?shù)臄?shù)學工具得到的一個數(shù)學結構，它或者能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實性態(tài)或者能預測對象的未來前景，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)學結構，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)學語言，可以譯成算法語言，編寫程序進入計算機。 按數(shù)學模型的目的可分為理論研究的，預期結果的和優(yōu)化的。 按數(shù)學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分析和設計實際系統(tǒng)。數(shù)學仿真比物理仿真簡單、易行。對于許多復雜的工業(yè)控制過程，建模往往是最關鍵和最困難的任務。預測或預報基于事物發(fā)展過程的連貫性。運用控制理論設計控制器或最優(yōu)控制律的關鍵或前提是有一個能表征系統(tǒng)特征的數(shù)學模型。 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)學模型的目的 建立被控對象的數(shù)學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)學模型的基本方法主要是基于過程動力學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)驗模型，因此經(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 由于實際的生產(chǎn)過程往往非常復雜，不可能完全精確地用數(shù)學公式把客觀實際描述出來。在滿足模型應用要求的前提下，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)學模型通常由微分方程、偏微分方程、以及相關的代數(shù)方程共同構成，并采用自由度分析方法來保證獲得的數(shù)學模型有解。因此，根據(jù)過程內在機理得到的數(shù)學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)驗模型，因此經(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。本設計所選用的是機理建模法。對參量S的守恒關系為 式中，S可以是總質量、各組分質量、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