【正文】 子（211）中，為來自下方第i+1層塔板的汽相中的輕組分濃度，為塔板i上液相中的輕組分濃度。改變汽液比必將使塔板上濃度發(fā)生變化。通常將回流量與采出量之比為回流比R，即： (213)當(dāng)D=0時稱為全回流。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 (214) 提餾段的物料平衡關(guān)系如圖23所示。式（215）亦可改寫為： (216) 式（216）表明了在提餾段內(nèi)任一塔板上的汽相濃度與汽液比的關(guān)系。圖23 提餾段物料平衡關(guān)系塔底和再沸器的物料平衡關(guān)系為：B=V (217)通過以上分析，影響精餾過程的主要因素可概括如下：①進(jìn)料量； ②回流量；③進(jìn)料濃度； ④塔頂采出量；⑤塔底采出量；⑥再沸器的加熱量。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)料量會受前一工序的影響。進(jìn)料濃度的變動是無法控制的，它由前一工序決定的，但一般說來，它的變化是比較緩慢的。為了能夠維持精餾塔操作的能量平衡以及穩(wěn)定運行操作，如果采用單相進(jìn)料，可以應(yīng)用進(jìn)料溫度控制，以便克服這種擾動?？偠灾?，從對它的靜態(tài)特性以及內(nèi)部平衡關(guān)系的分析來看，不難看出，要想克服塔的主要擾動，可采用以下幾種控制手段：塔頂采出量；回流量；塔底采出量；再沸器加熱量；回流罐排氣量；冷凝器冷卻量。 動態(tài)影響分析 通過對前面討論的內(nèi)容，都是各參數(shù)對塔操作的靜態(tài)影響。如果精餾塔是一個時變、非線性和多變量的一個對象，這些變量存在聯(lián)系時，所以，做定量分析時，建模已經(jīng)變得非常重要。 回流和上升蒸汽的影響 在精餾塔內(nèi)，對于上升蒸汽流量的變化，響應(yīng)速度是非常之快的[6]。然而，塔板下流的液相存在很大的延遲。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。由于組分要達(dá)到靜態(tài)平衡需要較長時間，因此盡管上升蒸汽量變化可以很快影響到塔頂組分濃度，但要使塔頂組分濃度變化并達(dá)到一個新的平衡仍需花費很長的時間?；亓鞴扌钜毫亢退钜毫恳鸬臏笥绊懹墒剑?12）可知，回流量L總是等于塔頂汽相流量和塔頂采出量D之差。然而，回流罐有固定的蓄液量，從D的變化到L的變化都會引起遲延。為此要使，L和D的關(guān)系式成立，回流罐液位應(yīng)當(dāng)保持，這樣在采用改變D（或D／F）來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在不變時使回流量L及時跟蹤采出量D的變化，否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)。要使，V和B間的關(guān)系式（215）成立，塔釜液位必須嚴(yán)格保持一定。 補(bǔ)償方法我們常常采用的補(bǔ)償方法有溫差控制、雙溫差控制和補(bǔ)償計算控制。 采用溫差作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)，是為了消除壓力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。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(zhì)量，就不能再忽略了。在選擇溫差信號時，如果塔頂采出量為主要產(chǎn)品，宜將一個檢測點放在塔頂（或稍下一些），即溫度變化較小的位置；另一個檢測點放在靈敏板附近，即濃度和溫度變化較大的位置，然后取上述兩測點的溫度差作為被控變量。在石油化工和煉油生產(chǎn)中，溫差控制已應(yīng)用于苯甲苯、甲苯二甲苯、乙烯乙烷和丙烯丙烷等精密精餾塔。雙溫差控制 當(dāng)精密精餾塔的塔板數(shù)、回流比、進(jìn)料組分和進(jìn)料塔板位置確定之后，那么該塔塔頂和塔底組分之間的關(guān)系就被固定下來，典型的操作曲線如圖24所示。當(dāng)一端產(chǎn)品的純度固定時，另一端產(chǎn)品的純度也就固定。對于操作點“X”所對應(yīng)的操作條件，精餾塔兩端的產(chǎn)品都達(dá)到較好的分離，顯然“X”是期望的操作點。從X曲線可以看出，由塔頂向下，塔板間的溫度變化較小，曲線急劇下降，到接近進(jìn)料塔板時，溫度變化速度增加，直至接近塔底時，溫度變化速度又減慢。曲線Y與曲線O的情況正好相反， a） b)圖24 精餾塔操作曲線靈敏板在提餾段，它可得到更純的塔頂產(chǎn)品。相對地，在靠近塔底或塔頂處的溫度變化較小。如果能分別將塔頂、塔底兩個參照板與兩個靈敏板之間的溫度梯度控制穩(wěn)定，就能達(dá)到質(zhì)量控制的目的，這就是雙溫差控制方法的基礎(chǔ)。從實際應(yīng)用情況來看，只要合理選擇靈敏板和參照板位置，可使塔兩端達(dá)到最大分離度。為使問題簡化，這里僅討論塔頂和塔底產(chǎn)品均為液相時的基本控制方式。質(zhì)量指標(biāo)控制可以有兩種情況：一種是嚴(yán)格控制一端產(chǎn)品的質(zhì)量，另一端產(chǎn)品質(zhì)量控制在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)塔頂采出液為主要產(chǎn)品時，往往按精餾段指標(biāo)進(jìn)行控制；當(dāng)塔釜液為主要產(chǎn)品時，常常按提餾段指標(biāo)控制；當(dāng)塔頂和塔底產(chǎn)品均需達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)時，就需要設(shè)置塔頂和塔底兩端產(chǎn)品的質(zhì)量控制系統(tǒng)。 當(dāng)塔釜液為主要產(chǎn)品時常常按提餾段指標(biāo)控制。這是因為在液相進(jìn)料時，進(jìn)料量F的變化，首先影響到塔底產(chǎn)品濃度，而塔頂或精餾段塔板上的溫度不能很快得反映濃度的變化，所以提餾段控制比較及時。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，同時保持口流量L為定值。圖26 提餾段控制方案一該方案采用塔內(nèi)上升蒸汽量V作為控制變量，在動態(tài)響應(yīng)上要比回流量L控制的滯后小，反應(yīng)迅速，所以對克服進(jìn)入提餾段的擾動和保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量有利?？墒窃谠摲桨钢校亓髁坎捎枚ㄖ悼刂?，而且回流量應(yīng)足夠大，以便當(dāng)塔的負(fù)荷最大時仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。同時保持回流量L為定值。該控制方案正象前面所述的，按精餾段溫度來控制D的方案那樣，有其特有的優(yōu)點和一定的弱點、優(yōu)點是當(dāng)塔底采出量B較少時，操作比較平衡；當(dāng)采出量B不符合質(zhì)量要求時，會自行暫停出料。此外，同樣要求回流量應(yīng)足夠大，以保證在最大負(fù)荷時的產(chǎn)品質(zhì)量[10]。本次設(shè)計的是精餾塔提餾段串級控制系統(tǒng)，在設(shè)計之前我們先介紹控制系統(tǒng)中的串級控制理論。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和集成化方向發(fā)展，對操作條件的要求更加嚴(yán)格，對系統(tǒng)的控制精度和功能提出了新的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也提出了限制。串級控制系統(tǒng)由于調(diào)節(jié)品質(zhì)好，特別適用于階次較高，時間常數(shù)較大和有較大延遲的調(diào)節(jié)對象，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]。下面參照該圖介紹名詞術(shù)語。副變量 稱副變量，他是被控制過程中引出的中間變量。主對象 在圖中以表示，它是主變量與副變量的傳遞函數(shù)。副控制器 即圖中，它接受的是主控制器的輸出值與副變量的偏差,它的輸出控制閥門。主回路 若將副回路看成一個以主控制器輸出為輸入，以副變量為輸出的等效環(huán)節(jié),則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個單回路，稱這個單回路為主回路。 串級控制系統(tǒng)的基本原理在這里，為了研究一下串級控制系統(tǒng)的基本原理，選擇串級過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，對其進(jìn)行詳細(xì)分析。圖32 串級過熱汽溫控制系統(tǒng)串級過熱汽溫控制系統(tǒng)中，以減溫器的噴水作為控制手段，根據(jù)在減溫水量的WB 擾動時，因為減溫器距離過熱器出口較遠(yuǎn)，主蒸汽溫度有較大容積的延遲。為此再取一個對減溫水量變化反應(yīng)快的中間溫度信號作為導(dǎo)前信號，就完全可以構(gòu)成以為副參數(shù)、為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器PI2接受減溫器出口溫度信號和主調(diào)節(jié)器的輸出信號，當(dāng)有某種擾動使氣溫比提早反應(yīng)，那么由于PI2的提前動作，擾動引起的波動很快消除，從而使主氣溫基本不受影響。副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)KZ位移從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。由圖32可知，主調(diào)節(jié)器PI1，其輸入偏差信號為，輸出信號為,副調(diào)節(jié)器PI2接受導(dǎo)前汽溫信號和主調(diào)節(jié)器PI1的輸出信號，輸出為。在主、副調(diào)節(jié)器都具有PI控制規(guī)律下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，主、副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零，即=；= 由此認(rèn)為主調(diào)節(jié)器的輸出是導(dǎo)前汽溫的給定值。從圖33可以看出，串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)有一個明顯的區(qū)別，即串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)。內(nèi)回路的任務(wù)是盡快消除減溫水量的自發(fā)擾動和其他進(jìn)入內(nèi)回路的各種擾動，對過熱氣溫的穩(wěn)定起粗調(diào)的作用，副調(diào)節(jié)器一般選用P或PD調(diào)節(jié)器以實現(xiàn)副回路的快速跟隨作用；一個在閉環(huán)在外面稱為外回路或主回路。主回路的任務(wù)是保持過熱氣溫等于給定值，所以主調(diào)節(jié)器可采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由圖32可以看出，導(dǎo)前氣溫信號能快速反映擾動，尤其是減溫水側(cè)的自發(fā)性擾動,只要變化，內(nèi)回路就立即動作，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。 圖33 串級過熱汽溫控制系統(tǒng)原理框圖 串級控制系統(tǒng)的分析與簡單控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)只是在結(jié)構(gòu)上增加了一個內(nèi)回路，因而，在相同的干擾作用下，其控制品質(zhì)大大高于單回路控制系統(tǒng)[12]。當(dāng)減溫水量的自發(fā)擾動使主蒸汽的溫度改變后，如果沒有副回路，則一定要等到主蒸汽的溫度測量值發(fā)生變化后，控制器才能產(chǎn)生新的動作。這樣，即使是干擾對主蒸汽溫度的影響不能完全消除，也肯定比沒有副回路時要小的多。 改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了工作頻率串級控制系統(tǒng)中副回路的引入，相當(dāng)于將單回路控制系統(tǒng)中包括執(zhí)行器在內(nèi)的廣義對象分為兩部分，一部分有副回路代替，另一部分就是主對象。此時串級控制系統(tǒng)方框圖可以簡化成圖34。圖34 串級控制系統(tǒng)的等效方框圖 對負(fù)荷和操作條件的變化具有一定的適應(yīng)能力生產(chǎn)過程往往包含一些非線性因素。而控制系統(tǒng)投運時所所設(shè)定的控制器參數(shù)是在一定的負(fù)荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標(biāo)整定得到的。當(dāng)負(fù)荷和操作條件變化過大，超出了這個適應(yīng)范圍，那么控制質(zhì)量就很難保證。但是，在串級控制系統(tǒng)中情況就不同了。由于串級控制系統(tǒng)的特點和結(jié)構(gòu)，它主要適合于被控對象的測量滯后或純滯后時間較大，干擾作用強(qiáng)而且頻繁，或者生產(chǎn)負(fù)荷經(jīng)常大范圍波動，簡單控制系統(tǒng)無法滿足控制要求的場合。 主、副回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量之所以由于單回路控制系統(tǒng)，主要是因為串級控制系統(tǒng)引入了副回路。選擇一個合適的副參數(shù)，對提高控制品質(zhì)有著重要的作用。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，能夠把生產(chǎn)中變化幅度最大、最劇烈、最頻繁的干擾包括在副回路中。使得干擾在影響主參數(shù)之前就得到克服，副回路的這種超前控制作用，必然使控制質(zhì)量有很大的提高。由于副回路的快速抗干擾能力，因此使副回路更多的納入一些干擾的話，對控制質(zhì)量的提高是有利的。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(yīng)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。所以主、副回路的工作頻率要適當(dāng)匹配，通常主對象與副對象時間常數(shù)之比在310倍較為合適。主變量是生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)，對它的控制精度要求很高，而副回路的引入完全是為了保證主變量的穩(wěn)定，對它沒有嚴(yán)格的要求且允許在一定的范圍內(nèi)波動。為了保證主變量的控制精度，保證在受到干擾作用后過渡過程沒有余差，主控制器至少應(yīng)選擇比例積分（PI）控制規(guī)律。對于副控制器，由于要求不高，一般選用P調(diào)節(jié)就能滿足要求。對此，主控制器應(yīng)選P控制規(guī)律，而副控制器則應(yīng)選PI控制規(guī)律。生產(chǎn)工藝對主變量的控制要求比較多，同時對副變量的控制質(zhì)量也有一定的要求。生產(chǎn)工藝對主變量和副變量的控制質(zhì)量要求都不十分嚴(yán)格，采用串級控制系統(tǒng)只是為了使兩個變量能相互兼顧。但有時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。一般采用串級控制的生產(chǎn)過程對控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。副控制器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選P控制器，也可采用PD控制器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 主、副控制器正反作用的確定在串級控制系統(tǒng)中確定主、副控制器作用方式的基本原則仍是要保證整個閉合回路為負(fù)反饋。根據(jù)各個環(huán)節(jié)規(guī)定符號“乘積為負(fù)”的判別準(zhǔn)則，選擇串級控制系統(tǒng)副控制器的符號。其中變送器環(huán)節(jié)一般情況下都是取“+”號，可以不考慮。這樣主控制器的正反作用就只取決于主對象的符號了。 串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定一個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量取決于被空對象的特性、干擾的形式和大小、控制方案以及控制器參數(shù)的整定因素?？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象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運行達(dá)到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果?？刂破鲄?shù)的整定方法可分為兩大類。另一類是工程整定法，它是直接在控制回路的實際運行中對控制器參數(shù)進(jìn)行整定，因具有簡捷、實用和易掌握的特點，被廣泛的應(yīng)用于工程實際中。但是現(xiàn)場整定也要在正確的理論指導(dǎo)下才能有效進(jìn)行并解決所能發(fā)現(xiàn)的問題，若事先不經(jīng)過任何理論計算和分析，盲目地實踐可能會延誤時機(jī)，甚至帶來麻煩。不過計算分析不必要求達(dá)到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗性圖表，先略估計調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值