精馏塔前馈反馈控制系统

过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔前馈—反馈控制系统

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题目

课程设计（论文）任务设计技术参数：

选择精馏塔温度为被控对象，组成前馈——反馈控制控制系统，要求完成：以THSA-1过控综合自动化控制系统实验平台的锅炉温度为例确定控制目标。

选择测量参数（被调量）、操作量。根据选定的系统来确定。

选择控制算法。确定控制方案后，要求完成控制器选型、控制器参数整定。根据整定后的控制器参数及控制器类型确定控制算法，编制程序流程图、控制算法程序。选择执行器。

设计要求：

根据课题给出的要求，设计串级控制系统。要求有每一步的设计过程说明、完成方案的选择及确定、控制器的选型、参数整定的说明。变送器及执行器的选择说明。

扰动作用下，系统无余差。

控制算法的设计说明，控制算法程序流程图、编制程序。

附设计说明书一份。

指

导

教

师

评

语

及

成

绩平时考核：指导教师签字：

设计质量：

课设答辩：

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目录

第1章精馏塔前馈—反馈控制系统概述 2

第2章设计方案论证 2

2.1 方案论证 (2)

2.3 控制系统的构成 (4)

2.4 精馏塔控制变量的分析 (4)

2.5 精馏塔被控变量的选择 (5)

第3章系统硬件设计 6

3.1控制阀的选择 (6)

3.2 变送器的选择 (6)

3.3控制器的确定 (6)

3.4 辅助系统的确定 (6)

3.5控制器参数整定 (7)

第4章课程设计总结 8

参考文献9

第1章精馏塔前馈—反馈控制系统概述

精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。

精馏过程通过精馏塔、再沸器、冷凝器等设备完成，是实现混合物组分分离的主要设备。

精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂，例如，非线性、时变、关联；控制方案多样，例如，同一被控变量可以采用不同的控制方案，控制方案的适应面广等。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。

精馏塔的大多数前馈信号采用进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成的塔系中可采用均匀控制或串级均匀控制外，常用于克服进料扰动影响的控制方法是采用前馈—反馈控制。

前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。

前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度。

精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，是回收率最高、能耗最低，或使总收益最大，或总成本最小。

精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。

第2章设计方案论证2.1 方案论证

针对本设计的要求确定三套设计方案；

一、精馏段前馈—反馈控制（以进料量为前馈信号）

图2.1 精馏段前馈—反馈控制I

二、精馏段前馈—反馈控制（以进料量为前馈信号）

图2.2 精馏段前馈—反馈控制II

三、提馏段前馈—反馈控制

图2.3 提馏段前馈—反馈控制

方案一是精馏塔精馏段温度为被控变量、进料量为前馈信号的相乘型前馈—反馈控制系统。采用间接物料平衡控制，该方案优点是控制作用及时，动态响应快，对克服扰动影响有利。该控制方案的缺点是内回流受外界温度影响大，能量和物料平衡之间关联大。

方案二与方案以类似，均为精馏塔精馏段温度为被控变量，进料量为前馈信号的相乘型前馈—反馈控制系统。但采用直接物料平衡控制，优点是物料和能量平衡之间关联小，内回流在环境温度变化时基本不变，产品不合格时不出料。缺点是控制回路的滞后大，动态响应差。

方案三是精馏塔提馏段温度为主被控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料量为前馈信号组成的相乘型前馈—反馈控制系统。从前馈原理角度看，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。从比值控制原理角度看，进料流量与加热蒸汽量应保持一定比值关系，当提馏段温度有偏差时应调整该比值。

综上所述，本次设计选择方案三

2.2 系统组成总体结构

图2.4 系统结构框图

2.3 控制系统的构成

系统通常由以下几个部分组成：受控对象，测量元件及变送器，控制器，控制阀。由于某一干扰信号f作用于受控对象，是受控变量偏离操作指标，测量元件采集受控变量信号y，通过变送器转化为标准信号x传输给控制器，控制器将x与输入得设定值r进行比较获得偏差值e，根据e经过一定运算确定控制变量u以控制调节阀。当控制阀的开度改变，操纵变量随之变化，从而实现对受控对象的控制。

2.4 精馏塔控制变量的分析

精馏塔的控制是为了保证精馏塔安全、平稳的运行，其目标是，是塔操作满足各种约束条件，保持塔的物料及能量的平衡，在较佳的工况下安全、平稳的运行，获得较大的产品回收率和较低的能耗及符合规定要求的产品。在过程系统控制中所涉及的变量可分为以下几类。

（1）被控变量被控变量是通过改变调节其他相关变量使之维持在目标值的变量。精馏塔的被控变量有5个：塔顶产品的浓度、塔底产品的浓度、塔内压力、塔釜及回流罐的液位。

（2）操纵变量操纵变量时通过改变调节阀的开度实施对介质的调节，该介质变量称为操纵变量。控制系统是通过调节操纵变量来控制被控变量，而操纵变量通常是系统的流量。如产品流量、塔回流量及加热剂、冷却剂量。操纵变量也为5个。

（3）干扰变量精馏塔的环境参数及输入变量波动破坏塔的平衡，使产品质量发生变化，称这些变量为干扰变量，控制的目的就是克服干扰变量的扰动影响。干扰变量有些可

控，有些则不能控制。

a、可控干扰变量如塔的进料流量、温度或进料焓值或热状态。

b、不可控干扰变量如进料的成分、环境温度、冷却水温及大气压等。

2.5 精馏塔被控变量的选择

精馏塔控制目标是两端的产品质量，直接检测产品成分并进行控制的方法因成分分析仪表价格昂贵，维护保养复杂，采样周期较长，反应缓慢，滞后大，可靠性差等原因，而较少采用，绝大多数精馏塔的控制仍采用间接质量指标控制。

对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应关系，因此，常用温度作为被控变量。对于多元精馏塔，由于石油化工过程中精馏产品大多是碳氢化合物的同系物，因此，在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小。因此绝大多数精馏塔采用温度作为间接质量指标。

主被控变量可采用精馏段或提馏段温度。

采用精馏段温度控制的场合时：对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格；全部为气相进料；塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，提馏段塔板温度变化不显著，或进料含比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质。

采用提馏段温度控制的场合时：对塔底产品成分的要求比对塔顶产品成分的要求严格；全部为液相进料；塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，精馏段塔板温度变化不显著，或进料含比塔底产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质。

副被控变量可采用回流量，塔顶或塔底的采出量，再沸器加热量。

本次设计采用提馏端温度作为主被控变量，再沸器蒸汽流量为副被控变量。

第3章系统硬件设计

3.1控制阀的选择

从安全角度考虑，应选气开阀，K v﹥0。精馏段出料口控制阀选气开可防止蒸汽带液输出，当阀体失去压力作用是，阀应处于全闭状态。该系统以温度作被控变量，选用的控制阀理想流量特性为等百分比流量特性。

3.2 变送器的选择

检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。

在温度和压力满足条件，选用静压式液位变送器测精馏塔内液位，采用温差变送器测量精馏塔内温度。因绝大多数检测变送环节的增益都是正值，所以K m﹥0

3.3控制器的确定

因K V﹥0，K m﹥0，K p﹥0,根据负反馈准则，K c﹥0，控制器选反作用。

对精馏塔的温度控制实质是对塔顶部凝器的控制，由于冷却水的温度受环境影响较大，且部凝器为列管式换热器，在传热过程中存在着较大的容量滞后，同时工艺上对产品纯度要求较高，温度给定值范围较小，不允许有余差。

3.4 辅助系统的确定

除以上主控系统外，为保证操作过程中物料平衡及工况平稳，还需建立三个辅助控制系统，为保证物料平稳，需建立塔釜液位控制系统和进料流量控制系统；为保证塔操作平稳，防止液泛，需建立蒸汽流量控制系统。由于上述系统对塔顶馏出物成分均无直接影响，因此，均可采用简单调节系统。

3.5控制器参数整定

本次设计选用PID三作用（即比例、积分、微分）控制器，其特点是：微分作用使控制器的输出与偏差变化速度成正比，对克服容量滞后有显著效果，在比例作用基础上可以提高控制系统的稳定性；比例作用可以加快被控过程的响应；积分作用可以消除余差。

选用临界比例度法整定控制器参数。按下表数据确定控制器参数：

表3.1临界比例度法整定控制器参数

调节作用比例度δ(%)积分时间T i(分) 微分时间T d(分) P 2δK

PI 2.2δK0.85T K

PD 1.8δK0.1T K

PID 1.7δK0.5T K0.125T K

第4章课程设计总结

前馈反馈控制理论的应用非常广泛，对精馏塔前馈反馈控制便是其中的一个典型应用。随着科学技术和控制理论的进步，出现了很多先进的控制理论。但是传统的控制理论本身也具备容易实施、仪器仪表需求量少，成本低的特点。所以传统的控制理论仍然有应用的领域。加之中国当前控制技术仍大量采用了传统的控制技术，所以对前馈反馈控制的研究仍然有实际应用价值。对精馏塔前馈反馈控制，在日常生产生活中，应用比较容易实现。

在参考了许多关于过程控制的资料后，对于过程控制工程中使用的仪器仪表以及仪表的安装都有了了解。通过对精馏塔的前馈反馈控制的设计，使得我对前馈反馈控制理论的实现有了深入的了解，过去学习的多是书本上的知识，但是对于整个过程控制系统的设计知之甚少，经过了设计之后通过查阅资料，熟悉了过程控制工程设计的流程。

在接到一个题目后，第一步，要熟悉工艺流程，对工艺熟悉和了解的深度将是重要的因素；第二步，确定自控方案，定出各监测点、控制系统，确定全工艺流程的自控方案；第三步，自控方案确定，仪表选型后，根据工艺特点，可进行控制室的设计。对采用常规仪表时，首先考虑仪表盘的正面布置；第四步，节流装置和调节阀的计算；第五步，根据有关的其他设备、材料的选用等情况，完成有关的设计文件；第六步，设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文件。

经过对精馏塔的前馈反馈控制的设计，对传统控制系统的应用有了具体的理解，并且为以后设计在传统前馈反馈控制基础上的复杂控制系统提供了基础。

参考文献

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