过程控制课程设计-精馏塔温度控制系统Word格式文档下载.doc
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3.前馈-反馈控制系统
1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图 25
2) 系统仿真 27
3) 对象特性变化后仿真.............................................................................................30
六、控制性能比较 35
七、 个人心得体会 35
一、研究对象
图1精馏塔顶温度控制问题
某精馏塔的工艺流程如图1所示,现要求对精馏段灵敏板温度T进行有效的控制,以确保塔顶产品的质量。
图1中,F为进料量,它受上游流程控制,为精馏段灵敏板温度T的主要干扰之一,其它干扰包括进料组成与温度变化、塔底蒸汽量变化、塔顶回流冷凝后温度变化等;
R为塔顶冷回流量,拟作为精馏段温度T的控制手段,u为调节阀VR的相对输入信号(以DDZIII型为例,当输入电流为4mA时,对应相对输入信号为0%;
当输入电流为20mA时,对应相对输入信号为100%),Pp为泵出口压力,Pt为精馏塔顶压力。
Pp受塔顶产品调节阀VD开度的影响,变化范围较大;
而精馏塔顶压力Pt的变化可基本忽略。
图1中Tm、Rm、Fm分别为T、R、F的测量值。
为便于控制方案研究,假设如下:
(1)该精馏塔的静态工作点为T0=120℃,F0=50T/hr(吨/小时),R0=15T/hr,Pp0=0.92MPa,Pt0=0.88MPa,u0=30%,fV0=70%。
这里,fV为调节阀VR相对流通面积。
(2)精馏段温度T的测量范围为0~200℃,进料量F的测量范围为0~100T/hr,塔顶冷回流量R的测量范围为0~25T/hr。
T、R、F的测量值Tm、Rm、Fm均用%来表示,即Tm、Rm、Fm的最小值为0,最大值为100。
(3)流量测量仪表的动态滞后忽略不计;
而温度测量环节可用一阶环节来近似,温度测量环节的一阶时间常数,单位为分。
(4)假设控制阀VR为线性阀,其动态滞后忽略不计,动态特性可表示为
。
(5)对于塔顶冷回流对象,假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为:
,
其中为控制阀VR相对流通面积的变化量,%;
T2基本不变,这里设分;
、K2、Kd2在一定范围内变化,这里设、K2、Kd2的变化范围分别为分;
(T/hr)/%;
(T/hr)/MPa。
(6)对于温度对象,假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为
;
其中对象特性参数均可能在以下范围内变化:
℃/(T/hr),分,分;
℃/(T/hr),分,分。
二、研究任务
对于上述被控过程,假设被控变量T所受的主要扰动为进料量F与泵出口压力Pp的变化,而且变化范围为:
T/hr,MPa;
另外,被控变量T的设定范围为℃。
试应用单回路、串级、前馈、Smith预估补偿、比值、选择等控制方法,设计至少2套控制系统,通过调节塔顶冷回流量达到控制精馏塔顶温度T的目的。
对于每一套控制方案,具体要求:
1、说明所采用的控制方案以及采用该方案的原因,并在工艺流程上表明该控制系统。
2、确定控制阀VR的气开、气关形式,确定所用控制器的正反作用方式,画出控制系统完整的方框图(需注明方框图各环节的输入输出信号),并选择合适的PID控制规律。
3、在SIMULINK仿真环境下,对所采用的控制系统进行仿真研究。
具体步骤包括:
(1)在对象特性参数的变化范围内,确定各环节对象的传递函数模型,并构造SIMULINK对象模型;
(2)引入手动/自动切换环节,在手动状态下对控制通道、干扰通道分别进行阶跃响应试验,以获得“广义对象”开环阶跃响应曲线;
(3)依据PID参数整定方法,确定各控制器的参数;
(4)在控制系统处于“闭环”状态下,进行温度设定值跟踪响应试验、干扰Pp与F对系统输出的扰动响应试验,并获得相应的响应曲线;
(5)在各控制器参数均保持不变的前提下,当对象特性在其变化范围内发生变化时,重新进行温度设定值跟踪试验与扰动响应试验,并获得相应的响应曲线。
4、根据不同控制方案的闭环响应曲线,比较控制性能(包括是否稳定、衷减比、超调量、过渡过程时间等)。
三、仿真研究要求
为使仿真研究结果具有可比性,要求:
(1)跟踪响应试验前控制系统达到稳态,温度设定值与测量值一致,均对应120℃;
跟踪响应试验中,温度设定值的阶跃变化幅度对应实际温度为+20℃。
(2)扰动响应试验前控制系统达到稳态,温度设定值与测量值一致,均对应120℃;
扰动响应试验中,进料量F的阶跃变化幅度为±
15T/hr,泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为±
0.02MPa。
(3)建议采用如图2所示的传递函数模块作为基本的方框图单元,其中U0、Y0分别为输入输出的静态工作点。
图2带有输入输出静态工作点的通用传递函数模块
(4)建议PID控制算法具有输出跟踪、积分输出限幅、防饱和等功能,并采用实际微分运算。
四、传递函数计算
(1)流量测量仪表的动态滞后忽略不计;
而温度测量环节可用一阶环节来近似,温度
测量环节的一阶时间常数min,其传递函数为:
(2)假设控制阀为线性阀,其动态滞后忽略不计,动态特性可表示为:
(3)对于塔顶冷回流对象,假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为:
,。
选择=0.1,K2=0.1Kd2=10
得传递函数:
,
(4)对于温度对象,假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为:
选择参数,分,分;
,分;
分。
;
五.控制方案
1、构造单回路反馈电路
简单控制系统,通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
简单控制系统由四个基本环节组成,即被控对象(简称对象)、测量变送装置、控制器和执行器。
简单控制系统的结构比较简单,所需的自动化装置数量少,投资低,操作维护也比较方便,而且在一般情况下,都能满足控制质量的要求。
简单反馈回路系统框图
工艺流程图
1)调节阀采用气关阀“-”,已由设计要求中给定。
2)被控过程符号为“-”。
3)温度变送器的符号为“+”,已由设计中给定。
4)温度调节器选择反作用,符号为“-”。
为了形成一个负反馈,所以调节器选择反作用。
(1)PID参数整定
开环系统环节
开环阶跃整定
由阶跃响应曲线法分析,可得:
K=0.2,t1=758,t2=575
T=2*(t2-t1)=2*(758-575)=366
=2*t1-t2=2*575-758=392
理论控制参数为
=0.182(K=5.5)
=784
(2)系统仿真
1)理论参数的仿真
单回路反馈仿真结构图
输入理论参数的波形仿真图
分析:
由图可以看出,系统上升时间内有波动,而且响应时间太大,系统性能不好,应该继续进行参数的调整。
2)参数调整后的仿真:
调整的理想参数为:
K=4.5
=196
调整参数后得到的仿真波形
分析:
调整参数后,系统可以在较快的调节时间内达到稳定,且没有超调,系统性能良好。
①跟踪响应试验
在4000s时刻加入+20的阶跃扰动
给定输入加阶跃+20
由图可见,当输入信号改变时,系统的输出温度能自动跟踪输入,最终也变为1140度,由此可见此设计效果良好,符合设计要求。
②扰动响应试验
在4000s时刻加入+/-0.02MPa的阶跃扰动
加入阶跃+0.02MPa
加入阶跃-0.02MPa
由图可见,在泵出口压力Pp的阶跃变化幅度为+/-0.02MPa时,对系统的影响几乎可以忽略不计,能够很快进行消除,系统的抗干扰性能良好。
在4000s时刻加入+/-15T/hr的阶跃扰动
F加阶跃+15T/hr
F加阶跃-15T/hr
分析:
由图可见,进料量F的阶跃变化幅度为±
15T/hr时,可以在要求范围内对干扰进行消除,系统性能良好。
。
(3)对象特性变化后的仿真
特性变化后的传递函数:
;
①系统正常情况下的仿真
仿真机构图
仿真波形图
在对象参数发生变化后,系统可以在较快的调节时间内达到稳定,且超调也比较小,系统性能良好,适应性强。
②跟踪响应试验
在4000s时刻加入+20的阶跃扰动
温度设定阶跃变化+20
由图可见,当输入信号改变时,系统的输出温度能自动跟踪输入,最终也变为140度,由此可见系统性能良好,符合设计要求。
在4000s时刻加入+/-0.02MPa的阶跃扰动
压力Pp阶跃变化+0.02MPa
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