基于MATLAB的精餾控制系統(tǒng)開發(fā)與仿真

1、信息科學(xué)與工程學(xué)院工程訓(xùn)練報(bào)告題 目 基于MATLAB的精餾控制系統(tǒng)開發(fā)與仿真 學(xué)生姓名 大神 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化大神班 指導(dǎo)老師 大神的老師 完成日期 2015.9.14 前言精餾塔是化工、石油化工、煉油生產(chǎn)過程中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過程設(shè)備。精餾過程的實(shí)質(zhì)就是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，實(shí)現(xiàn)各組分的分離。精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機(jī)理較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，在線測(cè)量困難，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對(duì)控制提出的要求又較高，所以確定精館塔的控制方案是一個(gè)極為重要的課題。此外，在全球金融危機(jī)的壓力下，國(guó)內(nèi)眾多過程工業(yè)企業(yè)不僅面臨著同行的競(jìng)爭(zhēng)壓

2、力，同時(shí)也面臨著來(lái)自國(guó)際間的市場(chǎng)挑戰(zhàn)。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)并不景氣的大環(huán)境下，積極的開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)過程控制技術(shù)來(lái)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)力是過程工業(yè)迎接挑戰(zhàn)的主要途徑。隨著控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不僅為先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，同樣也提供了良好的軟硬件平臺(tái)。近些年來(lái)，先進(jìn)控制技術(shù)在實(shí)際工業(yè)過程中也取得了較好的成效，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。精餾過程因其大時(shí)滯、變量稱合、動(dòng)態(tài)特性分析復(fù)雜、約束條件復(fù)雜且難以進(jìn)行變量配對(duì)等特性成為過程控制界多年來(lái)理論研究和實(shí)踐的熱點(diǎn)。近30年來(lái)，有關(guān)精餾塔控制的研究文獻(xiàn)大量涌現(xiàn)，其研究熱點(diǎn)大致趨勢(shì)可分為：(1)開發(fā)和應(yīng)用線性多變量控制技術(shù)，自適應(yīng)控制

3、，預(yù)測(cè)推理控制和魯棒控制算法，進(jìn)行精餾塔的預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)和魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(2)應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)與優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)精餾塔的節(jié)能優(yōu)化控制。針對(duì)精餾塔的非線性本質(zhì)，Trotta采用降階模型來(lái)簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)，并通過全局線性化的控制方法對(duì)精館塔的兩端組分含量進(jìn)行控制，取得了良好的控制效果。在先進(jìn)控制算法方面，F(xiàn)ileti將可編程自適應(yīng)控制器、自整定調(diào)節(jié)器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的模型預(yù)測(cè)控制算法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)間歇精館塔裝置的控制。就魯棒性問題，王剎設(shè)計(jì)了對(duì)象具有加性不確定性時(shí)基于控制的Smith預(yù)估器，將具有多個(gè)時(shí)間滯后系統(tǒng)的跟蹤問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)控制器設(shè)計(jì)問題。智能控制方面，Canete采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)精餾塔建模，

4、提出自適應(yīng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制器，并在二元精館塔上進(jìn)行了仿真。與此同時(shí)，對(duì)精館塔兩端組分控制（Dual Composition Control)及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析成為主要的研宄方向之一。推理控制也因組分在線測(cè)量裝置的精度難以滿足在線控制的需求而受到廣泛關(guān)注。Kano指出了動(dòng)態(tài)推理模型有最好的估計(jì)精度，并在此基礎(chǔ)上提出了一種“預(yù)測(cè)推理控制”，使用在線辨識(shí)的推理模型估計(jì)未來(lái)成分的變化以對(duì)其控制。綜合來(lái)說，絕大數(shù)精館塔控制的研究仍局限于理論推導(dǎo)仿真或?qū)嶒?yàn)室裝置，實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用仍占少數(shù)。隨著過程工業(yè)對(duì)精館過程要求的提高，需要控制界提出更多實(shí)際應(yīng)用價(jià)值高的控制策略，并付諸實(shí)際。本文針對(duì)工程訓(xùn)練任務(wù)書中

5、給出的系統(tǒng)辨識(shí)函數(shù)，搭建了仿真框圖，調(diào)整PID參數(shù)，最終使系統(tǒng)在較好的指標(biāo)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。目錄前言21精餾控制系統(tǒng)概述41.1精餾工藝概述41.2精餾工藝的基本要求42系統(tǒng)分析及方案選擇53控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型64系統(tǒng)穩(wěn)定性分析75控制系統(tǒng)的參數(shù)整定86控制系統(tǒng)Simulink仿真106總結(jié)11參考文獻(xiàn)111精餾控制系統(tǒng)概述1.1精餾工藝概述精餾是將一定濃度的溶液送入精餾裝置使它反復(fù)地進(jìn)行部分汽化和部分冷凝，從而的得到預(yù)期的塔頂和塔底產(chǎn)品的操作。精餾的設(shè)備和過程如圖1.1所示。圖1.1 精餾設(shè)備與精餾過程精餾設(shè)備主要有：精餾塔、再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵。原料從精餾塔中段某一塊塔板（稱為進(jìn)料板）

6、進(jìn)入。進(jìn)料板把精餾塔分為進(jìn)料板以上的精餾段和進(jìn)料板以下的提餾段。進(jìn)入塔內(nèi)的液體與塔內(nèi)上升蒸汽在各層塔板上充分接觸，使沸點(diǎn)低的易揮發(fā)組分汽化上行；沸點(diǎn)高的難揮發(fā)組分隨液體往下流。精餾塔內(nèi)物料和蒸汽在逆流作用下進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱。下流到塔釜的液體分為兩部分，一部分被引出為塔底產(chǎn)品，另一部分經(jīng)再沸器加熱汽化后返回精餾塔。精餾塔內(nèi)上升的蒸汽依次經(jīng)過所有塔板，使蒸汽中易揮發(fā)組分濃度逐漸增大，餾出塔頂?shù)恼羝诶淠髦欣淠秊橐后w，經(jīng)回流罐和回流泵后，液體分為兩部分，一部分塔頂產(chǎn)品引出，另一部分則引回到精餾塔塔頂?shù)木s段塔板上，稱為回流量。在精餾過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，塔內(nèi)狀態(tài)穩(wěn)定，每層塔板上液體和蒸汽的濃度均保持不變，

7、塔外狀態(tài)穩(wěn)定，塔頂產(chǎn)品和塔釜產(chǎn)品的濃度和流量均保持定值。1.2精餾工藝的基本要求精餾塔的控制主要有三類指標(biāo)：質(zhì)量指標(biāo)（產(chǎn)品純度）、產(chǎn)品產(chǎn)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)。根據(jù)精餾過程，基本的精餾工藝要求有：（1）保證產(chǎn)品的提純純度（質(zhì)量）和產(chǎn)量精餾過程所得產(chǎn)品自然應(yīng)滿足規(guī)定的質(zhì)量要求。精餾產(chǎn)品的質(zhì)量要求一般是要保證塔頂或塔底產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定的純度要求，而另一產(chǎn)品純度在規(guī)定的范圍內(nèi)。產(chǎn)品質(zhì)量的高低與能耗、產(chǎn)量和成本等關(guān)聯(lián)密切，為了取得綜合效益最好，往往把產(chǎn)品質(zhì)量控制到剛好能滿足規(guī)格要求，即所謂“卡邊”生產(chǎn)。產(chǎn)品的產(chǎn)量通常用回收率表示?；厥章蕿樵现忻繂挝划a(chǎn)品組分所能得到的可售產(chǎn)品的數(shù)量。可見回收率越高，表明產(chǎn)量

8、越高。（2）安全和節(jié)能生產(chǎn)過程的安全性主要體現(xiàn)在精餾過程控制中的參數(shù)設(shè)限問題，即根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定如蒸汽壓力、流量等的最大最小值，以防止事故發(fā)生保證安全生產(chǎn)。耗能問題是精餾過程所研究的重點(diǎn)問題。能耗的降低主要考慮工藝過程的合理性、過程控制的參數(shù)選擇和策略選擇合理性等。2系統(tǒng)分析及方案選擇精餾工藝的基本控制內(nèi)容包括：精餾塔外部的原料流量控制、過熱蒸汽控制；精餾塔內(nèi)部的精餾塔壓力控制、精餾段相關(guān)量控制、提餾段相關(guān)量控制；總體的安全控制和節(jié)能控制等。其中，精餾塔內(nèi)精餾段相關(guān)量控制包括：精餾段回流量控制、餾出液量控制、餾出產(chǎn)品質(zhì)量控制等。精餾塔內(nèi)提餾段相關(guān)量控制包括：再沸器加熱量控制、提餾段質(zhì)量控制、

9、提餾段釜液流量控制等。在分離混合物的精餾過程中，通過控制再沸器的加入蒸汽量來(lái)維持精餾塔氣相的空間速度。如果氣相的空間速度太高會(huì)引起液泛，其后果是從氣相帶走大量沒有分離的混合物；反之，如果氣象空間速度太低，則會(huì)引起漏液，其后果是從液相帶走大量沒有分離的混合物。在這兩種情況下，都會(huì)破壞精餾塔的正常運(yùn)行。蒸汽加熱的再沸器是把蒸汽釋放的潛熱轉(zhuǎn)化成被加熱液體的汽化熱，如果加熱蒸汽量太大，傳熱間壁兩邊的溫差增大，容易使被加熱液體一側(cè)產(chǎn)生的氣泡連成一片，使實(shí)際傳熱效率大大降低?？梢娫?，在控制再沸器蒸汽流量的同時(shí)。需要對(duì)最大的蒸汽量加以限制。被調(diào)節(jié)變量可以取精餾塔的供料流量、塔壓、精餾塔塔釜液位或冷凝液儲(chǔ)槽液

10、位。選擇冷凝液儲(chǔ)槽液位為被調(diào)節(jié)量，控制再沸器的蒸汽加入量。這種控制方法在塔底產(chǎn)品流量較小時(shí)經(jīng)常采用。在這種場(chǎng)合下，一般不采用塔釜液位來(lái)調(diào)節(jié)加熱蒸汽量，因?yàn)樗桩a(chǎn)品流量很低時(shí)，加熱蒸汽量的增加會(huì)使再沸器里的一部分液體排入精餾塔，造成塔釜液位短時(shí)間里增加，之后又逐漸下降，這樣控制起來(lái)會(huì)比較困難。圖2.1 系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖考慮到冷凝槽的液位變化基本上是與加熱蒸汽量成比例的，所以采用冷凝液儲(chǔ)槽液位控制加熱蒸汽量可以應(yīng)用線性調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.1。由于蒸汽加入量的變化要通過再沸器、精餾塔、冷凝器和儲(chǔ)槽，再影響到液位的變化，所以對(duì)象有較大的滯后特性，因此采用PID調(diào)節(jié)器。為了防止設(shè)定值

11、突變時(shí)，微分控制輸出突跳，將微分環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中，微分運(yùn)算只對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行，即先行微分；蒸汽流量調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。冷凝液儲(chǔ)槽液位利用差壓變送器進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)框圖如圖2.2。圖2.2再沸器控制系統(tǒng)框圖3控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型廣義被控對(duì)象（即從再沸器至儲(chǔ)液槽液位，含有電/氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器/閥門、被控對(duì)象和液位變送器）的數(shù)學(xué)模型為：Gs=3e-15s(15s+1)2從再沸器（蒸汽流量）至精餾塔內(nèi)壓力測(cè)量變送器的數(shù)學(xué)模型為：Gs=e-5s13s+1 整齊的限制流量和塔內(nèi)壓力關(guān)系為：QsHs=Q0-0.64P(s)，式中QsH (s)為蒸汽的限制流量（拉氏變換）；Q0為蒸汽的最大流量；P(s)為

12、塔內(nèi)壓力最大值（拉氏變換）。4系統(tǒng)穩(wěn)定性分析廣義被控對(duì)象Gs=3e-15s(15s+1)2的伯德圖：Matlab程序：num=3;den=conv(15 1,15 1);G=tf(num,den,inputdelay,15);margin(G);伯德圖：由Bode圖可知，無(wú)調(diào)節(jié)器時(shí)，相位裕度為-10.5，幅值裕度為-0.893，所以開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。5控制系統(tǒng)的參數(shù)整定PID模塊位于MATLABSIMULINK的coutinuous庫(kù)中，如圖5.1，這里先整定蒸汽流量調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)，利用此PID Tunner，可以自動(dòng)整定PI參數(shù)。D參數(shù)由于采用先行微分，需要通過觀察simulink仿真波形，

13、手動(dòng)調(diào)試。圖5.1 PID模塊首先連接仿真模型，如圖5.2圖5.2閉環(huán)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器simulink框圖雙擊打開PID模塊的設(shè)置界面如圖5.3圖5.3PID模塊設(shè)置頁(yè)面在Controller下拉菜單中選擇PI結(jié)構(gòu)模式，Time-domain選項(xiàng)選擇連續(xù)域模式。選擇好模式之后，單擊Apply，然后單擊Tune按鈕，PID Tuner會(huì)自動(dòng)在系統(tǒng)默認(rèn)的工作點(diǎn)處對(duì)模型進(jìn)行線性化處理，設(shè)計(jì)出控制器的參數(shù)。如圖5.4所示,P=0.1197，I=0.。圖5.4PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊界面6控制系統(tǒng)Simulink仿真搭建完整的系統(tǒng)Simulink仿真框圖，在仿真框圖中，為了模擬真正的工業(yè)控制環(huán)境，在特定的環(huán)節(jié)，

14、添加了幅值為-0.5至0.5的噪聲干擾信號(hào)，仿真框圖如圖所示：圖6.1 控制系統(tǒng)仿真框圖圖6.2 仿真結(jié)果曲線從上至下依次為：給定蒸汽流量、實(shí)際蒸汽流量、塔內(nèi)壓力、擾動(dòng)。由圖6.2可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，穩(wěn)態(tài)時(shí)間約為200s左右，能滿足一般精餾過程控制的需要。6總結(jié)本次工程訓(xùn)練，我通過查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)和教材，了解了精餾控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)精餾過程的背景和工藝流程有了一定的認(rèn)識(shí)。我通過快速學(xué)習(xí)，使用Simulink對(duì)精餾控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真。在仿真過程中，遇到了許多問題，我通過查閱資料和動(dòng)手調(diào)試，解決了大部分問題，基本實(shí)現(xiàn)了精餾控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定和Simulink仿真。在本次實(shí)踐過程中，我也發(fā)現(xiàn)了自身基礎(chǔ)知識(shí)掌握欠佳，對(duì)Matlab和Simulink的理解和運(yùn)用依然停留在表面水平。因此，在今后的學(xué)習(xí)中，我將更加注重基礎(chǔ)與實(shí)踐的結(jié)合，以求對(duì)原理有更深刻的理解。參考文獻(xiàn)1 周艷明. 精餾塔先進(jìn)控制算法理論