精馏塔提馏段温度前馈

中北大学课程设计说明书中北大学课程设计说明书学生姓名：曾一峰学号：0902034144学院：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程题目：精馏塔提馏段温度前馈——反馈控制系统设计指导教师：刘广璞职称:副教授刘波职称:副教授崔宝珍职称:副教授高强职称:副教授2013年1月18日中北大学课程设计说明书中北大学课程设计任务书2012/2013学年第1学期学院：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程学生姓名：曾一峰学号：0802034144课程设计题目：精馏塔提馏段温度前馈——反馈控制系统设计起迄日期：2013年1月7日～2013年1月18日课程设计地点：中北大学指导教师：刘广璞、刘波、崔宝、高强系主任：姚竹亭下达任务书日期:2013年1月7日中北大学课程设计说明书课程设计任务书1．设计目的：（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。（2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：经过《过程检测仪表与控制》课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。1.确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；2.现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；3.给出控制系统方框图；4.分析被控对象特性，选择控制算法；5.进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；6.写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。中北大学课程设计说明书3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：1．确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。2．撰写课程设计说明书一份（A4纸）。4．主要参考文献：[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅主编化学工业出版社[2]《过程自动化及仪表》俞金寿主编化学工业出版社[3]《工业过程控制工程》王树青主编化学工业出版社[4]《控制仪表及装置》吴勤勤主编化学工业出版社[5]《过程控制仪表》徐春山主编冶金工业出版社[6]《过程装备成套技术设计指南工程》黄振仁主编化学工业出版社[7]《过程控制装置》张永德主编化学工业出版社[8]《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱主编化学工业出版社[9]《化工设备设计设计手册》（上、下）朱有庭主编化学工业出版社[10]《工业过程检测与控制》孟华主编化学工业出版社中北大学课程设计说明书5．设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；系统控制流程图一份；6．工作计划及进度：2013年1月7日-1月9日确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图；1月10日-1月13日控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；1月14日-1月15日进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；1月16日-1月17日编写课程设计说明书1月18日答辩系主任审查意见：签字：年月日中北大学课程设计说明书目录1精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述…………………………………………11.1概述…………………………………………………………………………11.2前馈-反馈控制系统………………………………………………………12精馏概述…………………………………………………………………………22.1精馏原理以及工业流程……………………………………………………22.2精馏塔的特性………………………………………………………………23.控制系统设计……………………………………………………………………53.1硬件选择……………………………………………………………………63.2参数的工程整定…………………………………………………………93.3前馈—反馈控制系统整定………………………………………………124.MATLAB系统仿真…………………………………………………………164.1matlab的简介…………………………………………………………164.2simulink控制系统仿真……………………………………………………165课程设计总结……………………………………………………………………196参考文献…………………………………………………………………………19中北大学课程设计说明书11精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述1.1概述精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。精馏原理(PrincipleofRectify)蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别（包括：原理、操作、结果等方面）。1.2前馈-反馈控制系统反馈控制系统的输出是偏差的函数，只有出现偏差才进行调节，因此，调节不及时。如果采用某种控制策略，使该控制运算的输出是扰动的函数，则一旦出现扰动，控制系统就有输出，就能在偏差还未出现以前把扰动的影响消除，因此，调节及时。依据预防的控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。前馈控制系统根据扰动进行调节；采用开环控制方式；控制器的输入信号只有一个变量，即扰动量；只能克服某个特定扰动的影响；控制器的控制规律是前馈控制规律，它与前馈广义对象特性和扰动通道特性有关，因此，只能近似实现所需控制规律，要实现绝对不变性较困难。前馈控制能及时克服特定扰动的影响，如果合适设计控制规律，可大大消弱扰动对被控变量的影响。因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈-控制系统。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调节量实行反馈检验的长处。所以前馈-反馈控制是适合于过程控制的较好的方式。中北大学课程设计说明书22精馏概述2.1精馏原理以及工业流程精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。图1.1连续精馏装置工艺流程图2.2精馏塔的特性精馏塔的特性分为静态特性和动态特性，以二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。一．精馏塔的静态特性一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。中北大学课程设计说明书3图6.1-1所示的精馏过程，其物料平衡关系为：总物料平衡BDF（2.2-1）轻组分平衡BDfxBxDzF（2.2-2）由式（2.2-1）和（2.2-2）联立可得：BBfDxxzDFx)(BDfDxxzxFD（2.2-3）式中F、D、B——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；fz、Dx、Bx——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。从上述关系可看出：当FD增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即Dx、Bx下降。而当FB增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即Dx、Bx上升。然而，在FD（或FB）一定，且fz一定的条件下并不能完全确定Dx、Bx的数值，只能确定Dx与Bx之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定Dx与Bx两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度s可用下式表示：)1()1(DBBDxxxxs（2.2-4）从上式可见：随着分离度s的增大，而Bx减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量V和进料量F的比值等。对于一个既定的塔来说：)(FVfs（2.2-5）式（2.2-5）的函数关系也可用一近似式表示：FVIn)1()1(DBBDxxxx（2.2-6）式中为塔的特性因子。中北大学课程设计说明书4由式（2.2-6）、（2.2-7）可以看出，随着FV增加，s值提高。也就是Dx增加，Bx下降，分离效果提高了。由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。而且由上述分析可见：FV的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要FD/和FV一定，这个它的分离结果，即Dx与Bx将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。上述结论与一般工艺书中所说保持回流比DLR一定，就确定了分离结果是一致的。精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。二．精馏塔的动态特性精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。下面以二元精馏塔第j块塔板为例说明如何建立单板动态方程。总物料平衡：dtdMVVLLjjjjj11（2.2-7）轻组分平衡：dtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj][1111（2.2-8）式中:L表示回流量，下标指回流液来自哪块板；V表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽；M指液相的蓄存量；yx、分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。中北大学课程设计说明书5由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。3.控制系统设计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